水锤效应(Water hammer effect )
是指当打开的阀门突然关闭,由于压力水流的惯性,产生水流冲击波,并产生破坏作用,这就是水利学当中的“水锤效应”,也就是正水锤。
相反,关闭的阀门在突然打开后,也会产生水锤,叫负水锤,也有一定的破坏力,但没有前者大。
水锤作用
由水锤产生的瞬时压强可达管道中正常工作压强的几十倍甚至于数百倍。这种大幅度压强波动,可导致管道系统产生强烈振动或噪声,并可能破坏阀门接头。对管道系统有很大的破坏作用。为防止水锤需正确设计管道系统,防止流速过高,一般设计管子流速应小于3m/s,并需控制阀开、闭速度。
因开泵、停泵、开关阀门过于快速,使水的速度发生急剧变化,特别是突然停泵引起的水锤,可以破坏管道、水泵、阀门,并引起水泵反转,管网压力降低等。水锤效应有极大的破坏性:压强过高,将引起管子的破裂,反之,压强过低又会导致管子的瘪塌,还会损坏阀门和固定件。在极短的时间里,水的流量从零猛到额定流量。由于流体具有动能和一定程度的压缩性,因此在极短的时间内流量的巨大变化将引起对管道的压强过高和过低的冲击。压力冲击将使管壁受力而产生噪声,犹如锤子敲击管道一样,故称为水锤效应。
通常,在阀门接近关闭时闭合元件突然吸入阀座,称为溶缸闭锁效应。
溶缸闭锁效应是由低推力执行机构所造成的,该执行机构没有足够的推力以保持在接近阀座的位置,导致泵的突然关闭或阀门的突然关闭,从而产生水锤效应。对于控制阀,在某些情况下,快开型流量特性的阀门也能导致水锤效应。
虽然水锤产生很大的噪音,但真正的损害是由机械失效造成的。因为由动能急剧地变化成静态的管线压力,水锤会冲破管线或损伤管子支架和损害管线接头。对于阀门,水锤能够通过阀芯产生严重振动,它可能导致阀芯、垫片或填料的失效。
对于阀门,防止水锤的办法是防止系统任何突然的压力变化。
包括放慢阀门本身的关闭速度或当闭合元件接近阀座时提供较大程度的拉力和刚性。为防止压力波动,阀门应以均匀变动的速度进行关闭。在某些情况下,当使用快开特性,可以要求改变为等百分比特性。对于在接近阀座时必须节流的控制阀,应当使用输出推力足够大的执行机构,如活塞式气动执行机构或液压执行机构,或在手动旋转的操作器的行程套管上设置特殊缺口,将减少或防止溶缸闭锁效应。在管线系统上设置某种类型的防波动措施也能减少水锤。可使用压力泄放阀或缓冲桶完成。此外气体可被注入系统内,气体的注入能减少流体的密度并提供某些压缩性以处理任何突然的波动。
发生原因
冷水进入
在蒸汽主管上由于辐射散热的原因,会产生冷凝水。蒸汽在管道内高速的流动从而带动冷凝水一起流动造成了涟漪。通过这种情况,随着蒸汽的带动冷凝水在管道内慢慢形成了一定的规模。这个就类似于由于强风而形成巨大的浪。
在这种情况下,水锤现象发生是当冷凝水猛烈的撞击到弯头或一个关闭着的阀门。
蒸汽冷凝
当蒸汽损失了热量,它会转变为冷凝水,其体积会比蒸汽小1000倍。因此当蒸汽进入接触到低温的冷凝水从而发生冷凝,蒸汽的体积立刻发生巨大的变化。
当蒸汽在冷凝过程中,由于体积减小会暂时形成真空状态,因此管道内的冷凝水会被吸到这个真空的空间。这种情况就会形成水锤,冷凝水在管道内形成浪涌互相的撞击。
简而言之,管道内的低温冷凝水与蒸汽混合是非常危险的。但这样的情况又是非常普遍的,像在冷凝水回收系统中或类似的系统,这种是一种非常难以解决的水锤形式。
需要注意的是这种类型的水锤形式不仅仅出现在冷凝水回收系统中,也同样会发生在蒸汽配送管道和蒸汽用设备中。
以上两大类型水锤都会产生巨大的破坏,但相对而言第二种形式的水锤发生的频率更高。
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