冷熱水管道中的水錘現(xiàn)象

-.z.冷熱水系統(tǒng)中的水錘現(xiàn)象意大利卡萊菲公司辦事處舒雪松冷熱水管道中的水錘現(xiàn)象指管道中的水流在極短的時間內(nèi)迅速地停止或加速，因此所造成的有力的沖擊。比如說，在迅速關(guān)閉水龍頭，或水泵起停時，經(jīng)常聽到‘嘭’一聲短暫的悶響。這就是典型的‘水錘現(xiàn)象’。這種沖擊的能量來自于管道內(nèi)水流速度突然的改變。‘水錘’這一名詞來源于古代的一種兵器‘攻城槌’，它運用于攻克城墻或城門，它造成的沖擊力與水錘現(xiàn)象類似。圖1圖1‘攻城槌’由一個長木棒制成，在木棒的頂端有一個鐵錘，它能產(chǎn)生的沖擊力大小取決于操作武器的士兵的力量。（見圖1）而水錘力量的大小卻由很多因素決定。管道中靜止的水只具有‘潛能’，即由它的定額所決定的能量。當(dāng)定額降低并接近海平面時，其潛能減弱并消失。如果假定海平面為‘0’，高于海平面的海拔高度‘z’,物體質(zhì)量為m,則它所具備的能量為mgz：其中‘g’為重力加速度（9.81m/s2）。如果管道中的水以一定的速度‘v’流動，在潛能上又加入了動能，約為1/2mv2。這種運行的能量來源于mv,它代表了水的運動量，即組成水的每一滴水的運動量總和。就如前面提到的一樣，當(dāng)猛然關(guān)閉閥門或水泵時，水的流速突然變?yōu)榱悖╲=0），其動能也消失（1/2mv2=0）同樣它的運動量也消失（mv=0）。但是，水所具備的能量不可能就這樣瞬間溶解，它改變?yōu)椤畨毫Σā?，以聲速在管道?nèi)傳送。這就是‘水錘現(xiàn)象’。它所產(chǎn)生的高壓能超過100bar，而其延續(xù)的時間也就僅百分之幾秒。由于其速度如此快捷，管道上的壓力表根本無法顯示出管道系統(tǒng)內(nèi)這種瞬間彈性的壓力波動。圖2管道理論上說，水不能被壓縮，但為了更好地解釋高壓的產(chǎn)生，我們必須承認(rèn)水是能被壓縮的，如同氣體一樣。根據(jù)Hoorce定律，如果將1立方米水壓縮1bar，它體積將減少50cm3。當(dāng)關(guān)閉一段管道末端的閥門時（如圖2所示）。與閥門接觸的水受到壓縮，通俗地說,水‘縮短’了。因此它的部分動能改變?yōu)閴毫δ芰?。這時，其壓力由P變?yōu)镻+△P，△P即是超出的壓力。壓力波沿著管道相反的方向傳送到管道的起點，如水箱。在這兒，水箱的水受到膨脹。如果管道長度L（m）為閥門上游管道長度，c為運動速度（m/s）（紊流傳送的速度）。壓力波到達(dá)管道起點的時間t=L/c(s)。這種情況下，管道內(nèi)的水流是靜止的（v=0圖2管道我們假設(shè)管道的起點為一個水箱的入口處，當(dāng)壓力波到達(dá)這個假定的入口處截面時，在入口處的水箱一端壓力為P*+△P。一部分可以忽略不計的水從管道回到水箱，這樣一來，在水箱至閥門之間產(chǎn)生了負(fù)壓一△P。這個負(fù)壓經(jīng)過同樣的L/c的時間到達(dá)閥門。因此從關(guān)閉閥門到負(fù)壓回到閥門共用時間tc=2L/c，稱為‘持續(xù)時間’。但是在閥門這兒又出現(xiàn)了一△P的不平衡，此負(fù)壓向上游方向延伸。因此在水箱與閥門之間又產(chǎn)生了壓力波。這個時間段為3L/C。所有這些往返的壓力波都在約百分之幾秒內(nèi)完成，如同前面講到的一樣。如何界定關(guān)閉閥門的方式是否會造成水錘呢？我們將關(guān)閉的方式分為‘猛烈’式和‘平緩式’。通常說來,‘猛烈關(guān)閉’的方式會帶來水錘使壓力升高。當(dāng)關(guān)閉的時間tc<2L/c時，這屬于‘猛烈’關(guān)閉，當(dāng)tc>2L/c時屬于‘平緩’關(guān)閉。如果是猛烈關(guān)閉，超壓（或負(fù)壓）的最高值并不是出現(xiàn)在整個管道長度L（即水箱至閥門關(guān)閉處），而是出現(xiàn)在從閥門關(guān)閉處開始的L*=L—（ctc/2）。經(jīng)過這一段長度后，超壓（或負(fù)壓）將沿程逐漸降低（或增加）。（如圖2所示）。如果關(guān)閉是‘瞬間的’，以上的壓力值將會出現(xiàn)在整個管道內(nèi)。值得注意的是，猛烈地關(guān)閉閥門會造成超壓，猛烈地開啟閥門會造成降壓。兩者都會產(chǎn)生水錘現(xiàn)象。區(qū)別只在于一個是以超壓波開始，一個則以降壓波開始。水錘現(xiàn)象帶來的后果是什么呢？除了眾所周知的管道噪音外，更為嚴(yán)重的是壓力波和超壓會對管材、閥門、連接件造成損壞或使其過早老化。在冷熱水系統(tǒng)中，水錘現(xiàn)象往往是由于單柄水龍頭的開關(guān)、水泵的起停、電動閥門的開關(guān)所引起的。接下來我們將運用相關(guān)的公式通過實例來說明在市政供水和增壓供水系統(tǒng)中水錘產(chǎn)生的超壓數(shù)值。市政供水管道中水錘現(xiàn)象的核實計算我們將用公式首先計算動力速度c，然后就能決定為避免水錘關(guān)閉水流所需的最少時間tc。這個公式的計算法較為簡單，比較適合于民用的普通供水管道:c=公式（1）c=水動力速度（m/s）C=水中的音速（15℃時為1425m/sε=水的壓縮模數(shù)（15℃時為2.1×108kgE=管道的彈性模數(shù)（kg/m2）di=管道內(nèi)徑（m）en=管道厚度（m）E和ε/E的數(shù)據(jù)從表1中可以查到表1模數(shù)E和ε/E材質(zhì)E(kg/m2)ε/E鋼管210×1080.01鑄鐵管105×1080.02PE管0.9×1082.2Pvc3×1080.7Pvrf12×1080.17水泥管10×1080.21在tc<2L/c(即猛烈關(guān)閉時)所造成的超壓通過公式2計算：△P=c×v0/g公式（2）-Allievi定律△P=超壓（m水拄）C=動力速度（m/s）v0=水流關(guān)閉前流速（m/s）g=重力加速度（9.81m/s2）在tc>2L/c(即緩慢關(guān)閉時)所造成的超壓通過公式3計算：△P=2×L×v0/（g×tc）公式（3）-Micheaud定律*例1：計算一段長600m,DN200的聚乙烯管道（內(nèi)徑163.6mm,厚度18.18mm）,在流速v=1.4m/s時,為避免水錘現(xiàn)象產(chǎn)生,關(guān)閉水流需要的最小時間,以及猛烈關(guān)閉會帶來的超壓值△1,利用公式1計算動力速度:cc=C／√〔1+（ε/E）×（di/en）〕=1425/√(1+2.2×0.1636/0.01818)=312.5m/s2,根據(jù)界定水錘現(xiàn)象水流關(guān)閉時間的計算tc>2L/c=(2×600)/312.5=3.84秒,即關(guān)閉水流的時間必需>3.84秒才能避免水錘現(xiàn)象出現(xiàn)。3,利用公式2計算猛烈關(guān)閉時產(chǎn)生的超壓P=c×v0/g=312.5×1.4/9.81=44.6m水柱≈4.46bar表2為水管系統(tǒng)中所允許的最大水錘超壓值，它隨系統(tǒng)靜壓變化，也就是說，靜壓越低的系統(tǒng)，所能承受的水錘超壓也越低。因此在計算時，還需要驗證即便在平緩式關(guān)閉狀態(tài)下所產(chǎn)生的超壓是否低于最低允許值。表2：管道系統(tǒng)中允許水錘現(xiàn)象產(chǎn)生的最大超壓值水管系統(tǒng)的靜壓bar<66~1010~2020~30水錘產(chǎn)生的超壓bar<33~44~55~6比如說，當(dāng)系統(tǒng)靜壓為6bar時，其超壓應(yīng)該低于3bar。將3bar代入公式3計算得出最少關(guān)閉時間應(yīng)為5.6秒，而不是3.4秒。加壓供水系統(tǒng)中的水錘現(xiàn)象核實計算同樣，在加壓供水系統(tǒng)中，當(dāng)水泵停止時也會造成短暫的水錘現(xiàn)象。但是它相比市政供水管道的水錘現(xiàn)象更為復(fù)雜一些：因為它首先產(chǎn)生負(fù)壓，然后才是一系列復(fù)雜的運動。原因是：水泵的停止并非瞬時的，水泵在斷電后其轉(zhuǎn)輪仍然轉(zhuǎn)動一段時間，供水還在繼續(xù)。直到轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)數(shù)低于一定值（通常為正常轉(zhuǎn)數(shù)的40~80%之間）時水才停止流動。水泵關(guān)閉時間Tc可以采用Mediluce定律來計算：Tc=C+k×v0×L/g×Hm（公式4）Tc=水泵關(guān)閉時間（s）v0=水流正常速度（m/s）L=管道長度（m）Hm=水泵絕對壓力（壓力表顯示的壓力值）（m）g=重力加速度（9.81m/s2）C，k=實驗系數(shù)（見表3，4）表3：系數(shù)C和Hm/L關(guān)系Hm/L0~0.20.21~0.280.29~0.320.33~0.370.38~0.4C10.750.50.250表4：系數(shù)K和管道長度的關(guān)系L≤2000米＞K2-0.0005×L1（鋼管）*例2計算一段增壓供水管道中的水錘超壓值：管徑：DN200，內(nèi)徑Di=209.1mm,厚度5.0mm,長度1500m,水流速度：v0=1.49m/s，流量Q：185m3/h=0.051m靜壓：Hg=38m1,計算管道的動壓沿程壓力損失，通過公式：r=3.3×r0.13×ρ×G1.87/D5.01≈10mm/m。因此Q沿程壓力損失=r×L=15m2,絕對壓力Hm=Hg+r×L=38+15=53m3,Hm/L=53/1500=0.035；C=1(表3);k=2-0.0005×L=2-0.0005×1500=1.25(表4)4,Tc=C+k×v0×L/g×Hm=1+1.25×1.49×1500/(9.81×53)=6.4秒△P=2L×v0/(g×Tc)=2×1500×1.49/(9.81×6.4)=71.2m從表2看出，超壓值高于允許的*圍，因此需要增加防止水錘現(xiàn)象產(chǎn)生的設(shè)備。防止水錘產(chǎn)生的設(shè)備從前面計算的公式中可以看出，要防止水錘現(xiàn)象的產(chǎn)生，首先需要避免猛烈地關(guān)閉水龍頭、閥門等。同時應(yīng)該選用開關(guān)時間稍長的電動閥門。其次則需要控制流速，這在設(shè)計管道時就需要進(jìn)行認(rèn)真地計算。但是，在當(dāng)今家庭大量地使用單柄水龍頭等用水設(shè)備的情況下，水錘現(xiàn)象的產(chǎn)生越來越頻繁。因此需要在管道系統(tǒng)上加上相應(yīng)的設(shè)備以避免水錘產(chǎn)生。防水錘分為以下幾種（見圖3）·水氣混合式·膜片式·水氣隔離式·減震彈簧式圖3水氣混合式需要經(jīng)常充氣，因為氣體會溶解于水，所以這種方式不太適合．圖3減震彈簧式水氣隔離式膜片式水氣混合式減震彈簧式水氣隔離式膜片式水氣混合式立管頂端安裝防水錘設(shè)備如圖4所示，在冷熱水的立管頂端安裝防水錘器．這對于大中型系統(tǒng)來說都能起到較好的作用，因為它們離用水龍頭的距離不是太遠(yuǎn)．在立管上端可以選用膜片式膨脹罐，或減震式防水錘閥．防水錘器防水錘器圖4圖4圖4圖4滯水區(qū)滯水區(qū)滯水區(qū)滯水區(qū)在立管頂端安裝防水錘閥的缺點是滯水區(qū)域的出現(xiàn)，如圖4所示．這對于熱力殺滅軍團(tuán)菌不是特別理想。冷熱水分水器上安裝防水錘閥這種方式將防水錘閥更靠近用水設(shè)備安裝，即在入戶的冷熱水分水器末端安裝防水錘閥，如圖6所示。通過這種安裝方式，熱力殺菌時出現(xiàn)的滯水區(qū)域減少了，而且水錘現(xiàn)象也能在更短的距離內(nèi)得到控制。用水設(shè)備前安裝防水錘閥如圖7所示，在單柄水龍頭的冷熱水進(jìn)水管前各安裝一個防水錘閥。這樣就更為有效地解決了水錘問題。圖6圖6圖7圖7卡萊菲525型