冷热水系统中的水锤现象

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1/2mv2。

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（1/2mv2=0）同样它的运动量也消失（mv=0）。

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=2L/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3L/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tc<2L/c时，这属于‘猛烈’关闭，当tc>2L/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
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=水动力速度（m/s）
C=水中的音速（15℃时为1425m/s）
ε=水的压缩模数（15℃时为2.1×108kg/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ε/E的数据从表1中可以查到
在tc<2L/c(即猛烈关闭时)所造成的超压通过公式2计算：
△P=c×v0/g公式（2）-Allievi定律
△P=超压（m水拄）
C=动力速度（m/s）
v0=水流关闭前流速（m/s）
g=重力加速度（9.81m/s2）
在tc>2L/c(即缓慢关闭时)所造成的超压通过公式3计算：
△P=2×L×v0/（g×tc）公式（3）-Micheaud定律
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。

比如说，当系统静压为6bar时，其超压应该低于3bar。

将3bar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
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40~80%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+k×v0×L/g×Hm（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（9.81m/s2）
C，k=实验系数（见表3，4）
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
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．
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
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。