冷热水管的水锤现象.pdf

冷热水系统中的水锤现象 冷热水管道中的水锤现象指管道中的水流在极短的时间内迅速地停止或加速，因此所造成的有力的冲击。比如说，在迅速关闭水龙头，或水泵起停时，经常听到嘭一声短暂的闷响。这就是典型的水锤现象。这种冲击的能量来自于管道内水流速度突然的改变。水锤这一名词来源于古代的一种兵器攻城槌，它运用于攻克城墙或城门，它造成的冲击力与水锤现象类似。攻城槌由一个长木棒制成，在木棒的顶端有一个铁锤，它能产生的冲击力大小取决于操作武器的士兵的力量。（见图 1）而水锤力量的大小却由很多因素决定。管道中静止的水只具有潜能，即由它的定额所决定的能量。当定额降低并接近海平面时，其潜能减弱并消失。如果假定海平面为 0，高于海平面的海拔高度 z,物体质量为 m,那么它所具备的能量为 mgz：其中g为重力加速度（9.81m/s2）。如果管道中的水以一定的速度v流动，在潜能上又加入了动能，约为 1/2 mv2。这种运行的能量来源于mv,它代表了水的运动量，即组成水的每一滴水的运动量总和。就如前面提到的一样，当猛然关闭阀门或水泵时，水的流速突然变为零（v=0），其动能也消失（1/2 mv2=0）同样它的运动量也消失（mv=0）。图图 1 但是，水所具备的能量不可能就这样瞬间溶解，它改变为压力波，以声速在管道内传送。这就是水锤现象。它所产生的高压能超过 100bar，而其延续的时间也就仅百分之几秒。由于其速度如此快捷，管道上的压力表根本无法显示出管道系统内这种瞬间弹性的压力波动。理论上说，水不能被压缩，但为了更好地解释高压的产生，我们必须承认水是能被压缩的，如同气 体 一 样。根 据Hoorce 定律，如果将 1 立方米水压缩1bar，它体积将减少50cm3。当关闭一段管道末端的阀门时（如图 2 所示）。与阀门接触的水受到压缩，通俗地说,水缩短了。因此它的部分动能改变为压力能量。这时，其压力由 P 变为 P+P，P 即是超出的压力。压力波沿着管道相反的方向传送到管道的起点，如水箱。在这儿，水箱的水受到膨胀。如果管道长度 L（m）为阀门上游管道长度，c为运动速度（m/s）（紊流传送的速度）。压力波到达管道起点的时间 t=L/c(s)。这种情况下，管道内的水流是静止的（v=0）而且是被压缩的。我们假设管道的起点为一个水箱的入口处，当压力波到达这个假定的入口处截面时，在入口处的水箱一端压力为 Px+P。一部分可以忽略不计的水从管道回到水箱，这样一来，在水箱至阀门之间产生了负压一P。这个负压经过同样的 L/c 的时间到达阀门。因此从关闭阀门到负压回到阀门共用时间 tc=2 L/c，称为持续时间。但是在阀门这儿又出现了一P 的不平衡，此负压向上游方向延伸。因此在水箱与阀门之间又产生了压力波。这个时间段为 3 L/C。所有这些往返的压力波都在约百分之几秒内完成，如同前面讲到的一样。如何界定关闭阀门的方式是否会造成水锤呢？我们将关闭的方式分为 猛烈 式和 平缓式。通常说来,猛烈关闭的方式会带来水锤使压力升高。当关闭的时间 tc2 L/c 时属于平缓关闭。如果是猛烈关闭，超压（或负压）的最高值并不是出现在整个管道长度 L（即水箱至阀门关闭处），而是出现在从阀门关闭处开始的 Lx=L（ctc/2）。经过这一段长度后，超压（或负压）将沿程逐渐降低（或增加）。（如图 2 所示）。如果关闭是瞬间的，以上的压力值将会出现在整个管道内。值得注意的是，猛烈地关闭阀门会造成超压，猛烈地开启阀门会造成降压。两者都会产生水锤现象。区别只管道管道 图图 2 在于一个是以超压波开始，一个则以降压波开始。水锤现象带来的后果是什么呢？除了众所周知的管道噪音外，更为严重的是压力波和超压会对管材、阀门、连接件造成损坏或使其过早老化。在冷热水系统中，水锤现象往往是由于单柄水龙头的开关、水泵的起停、电动阀门的开关所引起的。接下来我们将运用相关的公式通过实例来说明在市政供水和增压供水系统中水锤产生的超压数值。市政供水管道中水锤现象的核实计算市政供水管道中水锤现象的核实计算 我们将用公式首先计算动力速度 c，然后就能决定为避免水锤关闭水流所需的最少时间 tc。这个公式的计算法较为简单，比较适合于民用的普通供水管道:c=niEedC+1 公式（1）c=水动力速度（m/s）C=水中的音速（15时为 1425 m/s）=水的压缩模数（15时为 2.1108kg/m2）E=管道的弹性模数（kg/m2）di=管道内径（m）en=管道厚度（m）E 和/E 的数据从表 1 中可以查到 表表 1 模数模数 E 和和/E 材质 E(kg/m2)/E 钢管 210108 0.01 铸铁管 105108 0.02 PE 管 0.9108 2.2 Pvc 3108 0.7 Pvrf 12108 0.17 水泥管 10108 0.21 在 tc2L/c(即缓慢关闭时)所造成的超压通过公式 3 计算：P=2Lv0/（gtc）公式（3）-Micheaud 定律 范例范例 1：计算一段长 600m,DN200 的聚乙烯管道（内径 163.6mm,厚度 18.18mm）,在流速 v=1.4 m/s 时,为避免水锤现象产生,关闭水流需要的最小时间,以及猛烈关闭会带来的超压值P 1,利用公式 1 计算动力速度:c c=C1+（/E）（di/en）=1425/(1+2.20.1636/0.01818)=312.5 m/s 2,根据界定水锤现象水流关闭时间的计算tc2L/c=(2600)/312.5=3.84秒,即关闭水流的时间必需3.84秒才能避免水锤现象出现。3,利用公式 2 计算猛烈关闭时产生的超压 P=cv0/g=312.51.4/9.81=44.6m 水柱4.46bar 表 2 为水管系统中所允许的最大水锤超压值，它随系统静压变化，也就是说，静压越低的系统，所能承受的水锤超压也越低。因此在计算时，还需要验证即便在平缓式关闭状态下所产生的超压是否低于最低允许值。表表 2：管道系统中允许水锤现象产生的最大超压值：管道系统中允许水锤现象产生的最大超压值 水管系统的静压 bar 6 610 1020 2030 水锤产生的超压 bar 3 34 45 56 比如说，当系统静压为 6 bar 时，其超压应该低于 3 bar。将 3 bar 代入公式 3 计算得出最少关闭时间应为 5.6秒，而不是 3.4 秒。加压供水系统中的水锤现象核实计算加压供水系统中的水锤现象核实计算 同样，在加压供水系统中，当水泵停止时也会造成短暂的水锤现象。但是它相比市政供水管道的水锤现象更为复杂一些：因为它首先产生负压，然后才是一系列复杂的运动。原因是：水泵的停止并非瞬时的，水泵在断电后其转轮仍然转动一段时间，供水还在继续。直到转轮转数低于一定值（通常为正常转数的 4080%之间）时水才停止流动。水泵关闭时间 Tc 可以采用 Mediluce 定律来计算：Tc=C+kv0L/gHm （公式 4）Tc=水泵关闭时间（s）v0=水流正常速度（m/s）L=管道长度（m）Hm=水泵绝对压力（压力表显示的压力值）（m）g=重力加速度（9.81 m/s2）C，k=实验系数（见表 3，4）表表 3：系数：系数 C 和和 Hm/L 关系关系 Hm/L 00.2 0.210.28 0.290.32 0.330.37 0.380.4 C 1 0.75 0.5 0.25 0 表表 4：系数：系数 K 和管道长度的关系和管道长度的关系 L 2000 米 2000 米 K 2-0.0005L 1（钢管）范例范例 2 计算一段增压供水管道中的水锤超压值：管径：DN200，内径 Di=209.1mm,厚度 5.0mm,长度 1500m,水流速度：v0=1.49 m/s，流量 Q：185 m3/h=0.051 m3/s 静压：Hg=38m 1,计算管道的动压沿程压力损失，通过公式：r=3.3r0.13G1.87/D5.0110mm/m。因此 Q 沿程压力损失rL=15m 2,绝对压力 Hm=Hg+rL=38+15=53m 3,Hm/L=53/1500=0.035；C=1(表 3);k=2-0.0005L=2-0.00051500=1.25(表 4)4,Tc=C+kv0L/gHm=1+1.251.491500/(9.8153)=6.4 秒 P=2Lv0/(gTc)=215001.49/(9.816.4)=71.2m 从表 2 看出，超压值高于允许的范围，因此需要增加防止水锤现象产生的设备。防止水锤产生的设备防止水锤产生的设备 从前面计算的公式中可以看出，要防止水锤现象的产生，首先需要避免猛烈地关闭水龙头、阀门等。同时应该选用开关时间稍长的电动阀门其次则需要控制流速，这在设计管道时就需要进行认真地计算。但是，在当今家庭大量地使用单柄水龙头等用水设备的情况下，水锤现象的产生越来越频繁。因此需要在管道系统上加上相应的设备以避免水锤产生。防水锤分为以下几种（见图 3）水气混合式 膜片式 水气隔离式 减震弹簧式 水气混合式需要经常充气，因为气体会溶解于水，所以这种方式不太适合 立管顶端安装防水锤设备立管顶端安装防水锤设备 如图 4 所示，在冷热水的立管顶端安装防水锤器这对于大中型系统来说都能起到较好的作用，因为它们离用水龙头的距离不是太远在立管上端可以选用膜片式膨胀罐，或减震式防水锤阀 水气混合式 膜片式 水气隔离式 减震弹簧式 图图 3 在立管顶端安装防水锤阀的缺点是滞水区域的出现，如图 4 所示这对于热力杀灭军团菌不是特别理想。冷热水分水器上安装防水锤阀冷热水分水器上安装防水锤阀 这种方式将防水锤阀更靠近用水设备安装，即在入户的冷热水分水器末端安装防水锤阀，如图 6 所示。通过这种安装方式，热力杀菌时出现的滞水区域减少了，而且水锤现象也能在更短的距离内得到控制。用水设备前安装防水锤阀用水设备前安装防水锤阀 如图 7 所示，在单柄水龙头的冷热水进水管前各安装一个防水锤阀。这样就更为有效地解决了水锤问题。图图 4 滞水区防水锤器 图图 4 滞水区 图图 6 图图 7 卡莱菲卡莱菲 525 型防水锤阀特征型防水锤阀特征 卡莱菲 525 型防水锤阀能够承受高达 50bar 的水锤超压，其防止压力波的工作图示见图 8。技术特征：技术特征：材质：黄铜镀铬 耐压：10bar 水锤超压：50bar 耐温：90C 活塞：高强度工程塑料 弹簧：碳钢 C98 双重密封圈材料：EPDM 参考文献：CALEFFI Idraulica 24Mario Doninelli;Il Colpo darieteCarmelo la Torre 图图 8 水锤产生的压力波动曲线 安装了防水锤阀后的压力曲线 压力波动后压力值仍然偏高