浅谈太阳能热水系统中的水锤现象

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1、浅谈太阳能热水系统中的水锤现象杭州普桑能源科技有限公司袁新毓0前言在给用户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“咚、咚”的声音，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轰鸣等噪音，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、危害和消除做一下介绍。在此抛砖引玉，与各位同行或太阳能用户共同探讨水锤

2、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，并伴有似锤之声，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

3、正水锤为例分析水锤产生的过程。储热水箱V0P0以太阳能储热水箱与供热水管阀门之间管道为例，如下图所示，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，则紧贴阀门的一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

4、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

5、倒流流体产生一吸引作用，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如下表。时段速度变化流速方向压强变化水锤波传播方向运动状态液体状态0＜T＜L/V0V0→0水箱→阀门增高阀门→水箱减速增压压缩L/V0＜T＜2L/V00→-V0阀门→水箱恢复原状P0水箱→阀门减速减压恢复

6、原状2L/V0＜T＜3L/V0-V0→0阀门→水箱减低阀门→水箱增速减压膨胀3L/V0＜T＜4L/V00→V0水箱→阀门恢复原状P0水箱→阀门增速增压恢复原状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

7、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。因此水锤现象对太阳能管路危害十分严重，应该引起太阳能行业内高度重视。3水锤的消除水锤现象的发生，对太阳能管路系统十分有害，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

8、长度。对于太阳能热水系统来说，缩短管道