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太阳能热水系统水锤危害和预防措施

来源:
时间:2015-03-06 16:37:42
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太阳能热水系统水锤危害和预防措施0前言在安装太阳能热水系统时,管路和阀门是必不可少的,在开关这些阀门或启停水泵时有时会出现管路剧烈抖动,有时还伴有声音,或者正常运行的太阳能热水系统

0前言   在安装太阳能热水系统时,管路和阀门是必不可少的,在开关这些阀门或启停水泵时有时会出现管路剧烈抖动,有时还伴有声音,或者正常运行的太阳能热水系统时常发出刺耳的响声,这就是水锤现象,有些资料也称为水击现象。   这种现象会引起管道振动和噪音,严重时可使管道破裂泄水,造成危险和伤害,后患无穷。许多太阳能厂家代理商和用户向笔者反映这种情况,但从笔者接触的人当中,真正能够了解水锤现象原理的人很少,因此有必要对水锤现象的危害和消除方法作一下介绍。在此抛砖引玉,与各位同行或太阳能热水器用户共同探讨水锤问题,希望对遇到此问题的人员有所帮助。   1水锤现象分析   在太阳能热水系统管路中液体的运动状态突然改变的情况下(例如阀门的突然关闭或突然开启,水泵的突然启动或停止)。由于流速突然发生迅速变化,结果由于流体惯性,必然引起管路内压强的剧烈波动,即压强的突然上升与突然下降,并在整个管长范围内传播。   压强突变使管壁产生振动,并伴有锤击声,故将这种现象称为管内水锤现象,或水击现象。当阀门迅速关闭时,管内流速急剧下降,压强迅速上升,称为正水锤。正水锤可能使管道爆裂。而当阀门迅速开启时,管内流速急剧上升,压强迅速下降,称为负水锤。负水锤可使管道产生真空和汽蚀,使管道变形。以下仅以正水锤为例分析水锤产生的过程。   以太阳能储热水箱与供热水管阀门之间管道为例(见图1),有一长为L的供热水管道,管道的另一端有一阀门,阀门后是淋浴喷头。假定在正常供热水的条件下,管中的流速和压强分别为V0,P0。下面来分析水锤现象产生过程。   1. 假定时间T=0时,水流以速度V0由储热水箱流向阀门,此时阀门突然关闭,则紧贴阀门的薄层流体立即停止流动,由于惯性,后面的流体仍继续流动。压缩前面的这层流体(可想象载满人的公共汽车急刹车),使被压流体的压强突然增大,由于压强突增,引管壁膨胀,接着与其相邻的另一层液体也停止流动,压强同样升高,这样一层层水流相继停止流动,结果整个管道膨胀,压强由阀门开始沿逆流方向迅速升高,形成一个传播速度为V0的波。   2. 在关闭阀门后T= L/ V0 时刻,管内的流体处于静止与被压缩状态,由于储热水箱内的压力一定(基本没变),管道内的压强高于水箱内的压强,这一压差的存在,管内流体又以速度V0自阀门处向储热水箱内倒流,倒流的结果,使压强恢复到原来的p0,同时形成一个由水箱向阀门传播速度为V0的波。   3. 在关闭阀门后T= 2L/ V0时刻,虽然管内流体的压强以及管壁均恢复正常,但由于惯性,流体继续倒流,使得紧贴阀门的那层流体有脱离阀门的趋势,其结果是使阀门处的压强进一步降低,这一降低的压强对倒流流体产生吸引作用,结果使倒流停止,流体静止。同时使管壁收缩,压强下降,同时形成一个由阀门向水箱传播速度为V0的波。   4. 在关闭阀门后T= 3L/ V0时刻,流体虽然静止,但管道内压强低于储热水箱内的压强,故在这一压差的作用下,流体再次以速度V0由水箱流向阀门处。   5. 在关闭阀门后T= 4L/ V0时刻,上述过程又重新开始,如此周而复始循环进行。水锤现象的物理特性(见表1)。   以上的分析是水锤在理想情况下的产生过程,但在实际情况下,由于水流阻力及振动等都要消耗一些能量,因此水锤产生的压强是逐渐削弱的。   2水锤的危害   水锤现象所引起的太阳能管道系统内压力迅速增高或降低,轻微时,只表现为噪音与振动。这种噪音若发生在室内将影响工作或休息,使人心烦意乱;振动时会使管路的固定装置失效,甚至使周围设备移动。严重时,压强变化甚至可超过管道内原有正常压强的几十倍甚至上百倍。以致超过了管壁材料的允许应力,造成管道和管件的变形,甚至破裂,严重威胁管路的安全。这将给用户造成不好的影响,对使用太阳能热水系统的安全、可靠性失去信心。   3水锤的消除   水锤现象的发生,对太阳能热水系统管路系统十分有害,因此必须设法削弱它的作用,根据水锤产生的机理,削弱水锤的方法很多。结合太阳能热水系统的具体情况,可采用以下几方面的措施:   1. 延长阀门的关阀或开启的时间,在缓慢开启或关闭阀门的过程中并不是所有的水流都停止流动,而是一个逐渐停止的过程,这个过程中动能转化为压力势能的几率要小得多,因此可以有效的削弱水锤。   2. 缩短管道长度。对于太阳能热水系统来说,缩短管道长度一方面可以降低成本,一方面还能有效减小水锤压强,即尽量将直接水锤改变为间接水锤。   3. 限制太阳能热水系统管路流速,一般最大流速应限制在1m/s左右。   4. 阀门或水泵前设置溢流阀,水锤发生时,将部分液体从管道中放出,从而使水锤压强降低。   5. 增加管道弹性,例如太阳能热水系统管路中,铜管、铝管就比钢管有更好的防水锤性能,或采用弹性较大的软管,如橡胶或尼龙管吸收冲击能量,则可更明显的减轻水锤。   6. 选择合适的阀门。在石油、化工、自来水等水锤危害严重的行业已经有了可以防止水锤的阀门,可以借鉴这些经验,研制适合太阳能热利用行业的阀门。   7. 安装膨胀罐或膨胀箱。在系统管路中安装膨胀罐或膨胀箱,可以有效的吸收冲击能量,则可明显的消除水锤。   4结束语   水锤现象对太阳能热水系统有着不容忽视的危害,设备厂家及太阳能热水工程安装企业在设计和施工时应充分重视。有效消除水锤现象对提高太阳能热水系统运行安全性及可靠性、减少工程售后服务的工作量、降低工程维修成本、延长太阳能热水系统使用寿命、维护企业在消费者心目中的形象都有重要意义。
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