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對(duì)熱水采暖系統(tǒng)水中氣體的探討

哈爾濱市市政工程研究院 吳怡青

【摘 要】本文分析了熱水采暖系統(tǒng)水中氣體及其產(chǎn)生原因、成分、對(duì)采暖系統(tǒng)的危害，特別提到了氮?dú)鈱?duì)采暖系統(tǒng)的影響。提出空氣對(duì)樹(shù)脂管和金屬管地?zé)岵膳到y(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題，指出避免氣體產(chǎn)生的注意事項(xiàng)。同時(shí)介紹物理脫氣的方法和技術(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)，為熱水采暖系統(tǒng)“除氣”工作提供了有意義的參考。
【關(guān)鍵詞】熱水采暖系統(tǒng) 氣體 脫氣 亨利定律 密閉系統(tǒng)

0 前言
因熱水采暖系統(tǒng)水（以下稱(chēng)暖氣水）中氣體的存在導(dǎo)致采暖系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，故有關(guān)方面進(jìn)行了暖氣水中氣體的基礎(chǔ)研究，在此進(jìn)行一下探討。
1.暖氣水中氣體的分析
1.1  氧氣問(wèn)題
暖氣水中溶解著氣體、分離出來(lái)的氣體有腐蝕金屬材料的物質(zhì)、如熟知的氧是使鐵腐蝕的重要原因。理論上鐵材使用比例較高的暖氣系統(tǒng)的水的氧含量測(cè)定值應(yīng)控制在0.1mg/L以下，而自來(lái)水的氧自然濃度是11mg/L，這表明氧是化學(xué)性質(zhì)很活躍的氣體，完全消耗在系統(tǒng)內(nèi)的金屬腐蝕（氧化）中。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工中應(yīng)該注意“氧的進(jìn)入”、“使系統(tǒng)密閉化”。
1.2  氮?dú)鈫?wèn)題
暖氣水中如果溶入的氣體超過(guò)溶解限度將形成氣泡而分離。分離出來(lái)的氣體中，主要成分是氮?dú)?。氮?dú)馐嵌栊詺怏w，不像氧因化學(xué)反應(yīng)（腐蝕反應(yīng)）而消耗。據(jù)有關(guān)資料：大規(guī)模采暖系統(tǒng)的暖氣水中殘留氮含量的測(cè)定值有達(dá)到50mg/L的，而自來(lái)水中的自然濃度為25mg/L，這相當(dāng)于自來(lái)水中自然濃度的2倍。這樣高濃度的氮?dú)猓荒苋咳苋肱瘹馑?，一部分以氣泡的形式游離。這些氣泡集中在配管流速較慢的部分而阻礙暖氣水的循環(huán)，形成“氣滯”。同時(shí)，氣泡腐蝕剝離設(shè)備表面的靜態(tài)保護(hù)膜從而加劇設(shè)備如泵葉片等的磨損。
1.3  亨利定律的應(yīng)用
氣體在水中的溶解度遵循亨利定律、溶解度因水溫上升、壓力下降而降低。定律解答了散熱器的空氣積存故障為何主要集中在高層。如果高層的壓力最低也保持在0.05 MP以上，則氮?dú)庠?0℃時(shí)的溶解度是15mg/L。據(jù)有關(guān)資料：采暖系統(tǒng)頂層水中的理論氮?dú)猓諝猓╋柡投纫话愣荚?5mg/L以上，即如果氮濃度在15mg/L以下一般不會(huì)發(fā)生問(wèn)題。與氮類(lèi)似，系統(tǒng)中氫和烷以氣泡的游離狀態(tài)存在，這些氣體也適合亨利定律。
2.氣體是怎么進(jìn)入密閉系統(tǒng)中的
2.1  自來(lái)水中溶解著空氣（氮?dú)?氧氣）
暖氣水和補(bǔ)給水都使用自來(lái)水。這些水通常處于“空氣飽和”狀態(tài)。根據(jù)亨利定律，理論上溶存的氧含量約11mg/L、氮含量約25mg/L，且溶解著微量二氧化碳。實(shí)測(cè)值與理論值高度吻合。不言而喻系統(tǒng)的密封性對(duì)該值影響最大，因?yàn)槊垦a(bǔ)1升水就有共計(jì)36mg的氮?dú)夂脱鯕獾冗M(jìn)入系統(tǒng)。密封不好而頻繁補(bǔ)水的話(huà)，將無(wú)法擺脫空氣的影響。
2.2  設(shè)備和配管內(nèi)的殘存空氣溶解在暖氣水中
如果系統(tǒng)設(shè)備的空氣排出不充分則會(huì)殘存空氣，而這些空氣會(huì)溶解在高壓的暖氣水中。系統(tǒng)維修后其內(nèi)部也會(huì)殘留空氣，許多故障是由此而引起的。上述溶解著空氣的暖氣水循環(huán)到建筑物高層或系統(tǒng)末端及某些壓力較低部位時(shí)，水中的氣體因壓力降低而游離出來(lái)。這些游離出來(lái)的氣體也會(huì)成為故障的原因。
2.3  空氣通過(guò)設(shè)備侵入擴(kuò)散到系統(tǒng)內(nèi)
空氣中的氣體（約氮78％，氧21％）和水中氣體濃度差成為空氣向系統(tǒng)內(nèi)侵入擴(kuò)散的推動(dòng)力。因循環(huán)的暖氣水之氧濃度幾乎為零，故想從大氣擴(kuò)散到配管網(wǎng)的潛在力量增強(qiáng)。雖然鐵、銅等金屬材料的空氣透過(guò)性是零，但化學(xué)合成品、橡膠、密封材料等非金屬的透氣性高。樹(shù)脂管地?zé)岵膳瘯r(shí)，透過(guò)擴(kuò)散氧量與以前的銅管或鋼管的配管相比多出一千倍至十萬(wàn)倍。特別是鋼管和樹(shù)脂管混用的地?zé)岵膳到y(tǒng)，鋼管腐蝕問(wèn)題已經(jīng)出現(xiàn)。
2.4  循環(huán)水泵與管網(wǎng)阻力特性不匹配
系統(tǒng)中循環(huán)水泵流量和揚(yáng)程過(guò)大，管網(wǎng)阻力特性與設(shè)備不匹配。由于循環(huán)泵流量大，導(dǎo)致系統(tǒng)壓力降過(guò)快，采暖系統(tǒng)在定壓點(diǎn)壓力不高的情況下，在定壓點(diǎn)與循環(huán)水泵入口某管段形成負(fù)壓，空氣滲入采暖系統(tǒng)。
2.5  化學(xué)反應(yīng)及腐蝕產(chǎn)生氣體
根據(jù)材料組成、水質(zhì)、化學(xué)添加劑、內(nèi)容成分、壓力及溫度等許多邊界條件，氣體在暖氣水中生成。除前述的氮?dú)馔猓瑲浜屯橐脖粰z出。由化學(xué)反應(yīng)生成氣體的機(jī)制尚未弄清，還有待于研究。
在使用銅材料裝置的系統(tǒng)中，由于亞硫酸鈉NaSO3配合比例的不同會(huì)生成硫化氫H2S、生成的H2S與氧化銅Cu2O反應(yīng)變成硫化銅Cu2S。與Cu2O不同，Cu2S不形成保護(hù)膜。結(jié)果是經(jīng)數(shù)年的運(yùn)行，腐蝕征候出現(xiàn)，進(jìn)而導(dǎo)致問(wèn)題發(fā)生。
也有在油脂分解裂化的時(shí)候產(chǎn)生氫的假設(shè)。
使用鋁（鋁制散熱器等）也可能產(chǎn)生問(wèn)題。因此制造鋁材設(shè)備時(shí)須在鋁材上形成足夠的保護(hù)膜，鋁的自然保護(hù)膜在pH8.5以下呈靜態(tài)的化學(xué)穩(wěn)定。但使用鐵材的采暖系統(tǒng)應(yīng)該在pH8.5以上。設(shè)置了鋁制散熱器的系統(tǒng)，當(dāng)氫含量達(dá)到3.2mg/L時(shí)產(chǎn)生明顯的腐蝕征兆，這個(gè)含量是在大氣壓下、溫度30℃時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生氫氣泡的溶解濃度。
2.6  系統(tǒng)壓力保持不穩(wěn)的運(yùn)行和不適當(dāng)?shù)木S護(hù)管理
在運(yùn)行管理中系統(tǒng)壓力保持不穩(wěn)是引起“氣體問(wèn)題”最普遍的原因。特別是使用了膈膜式氣壓罐的小規(guī)模的系統(tǒng)更顯著。因此，我們?cè)鯓诱_的維護(hù)管理運(yùn)行壓力？原則如下：
不管是系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)還是停止，系統(tǒng)的壓力均應(yīng)保證不在系統(tǒng)內(nèi)任何部位產(chǎn)生負(fù)壓、氣體分離。要特別注意系統(tǒng)高層、泵、控制閥等部位。
最常見(jiàn)的錯(cuò)誤：
（1）管理不當(dāng)導(dǎo)致不正常狀態(tài)下的運(yùn)行
使用膈膜式氣壓罐的場(chǎng)合，氣體的填充壓力p1和系統(tǒng)水供水壓力p2（靜水頭壓）不同。據(jù)調(diào)查，常出現(xiàn)的問(wèn)題是填充壓力p1過(guò)高，系統(tǒng)水供水壓力p2（靜水頭壓）過(guò)低的問(wèn)題，即啟動(dòng)補(bǔ)水泵的壓力過(guò)高而停止壓力過(guò)低；一般以p2=p1+0.3bar，0.03MP以上為標(biāo)準(zhǔn)。另外，氣壓罐年久失修里面的膨脹膜破裂，都會(huì)引起系統(tǒng)壓力急劇的波動(dòng)，使系統(tǒng)有大量的補(bǔ)水和泄水現(xiàn)象發(fā)生，氣體便隨之進(jìn)入系統(tǒng)，故應(yīng)該定期進(jìn)行檢查。
（2）系統(tǒng)補(bǔ)水不足
系統(tǒng)定壓的壓力偏低，低于系統(tǒng)最高處管道靜水壓頭，在系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)倒空現(xiàn)象，管道吸入空氣。系統(tǒng)缺水就不能保持壓力，為達(dá)到靜水壓頭，需要增加系統(tǒng)內(nèi)容量0.5％的水。如果不及時(shí)地補(bǔ)給水的自然減少部分，必然要產(chǎn)生負(fù)壓及其他問(wèn)題。膈膜式氣壓罐的場(chǎng)合，供水壓力p2（靜水頭壓）必須比氣體填充壓力至少高0.03MP 。
3.物理脫氣的技術(shù)的可行性
3.1  在系統(tǒng)壓力下的脫氣
脫氣的方法很多、效果也多樣。成本高但最有效果的方法是蒸氣脫氣。在100℃以下的溫度范圍，是技術(shù)上可行的物理方法。
有些采暖（空調(diào)）系統(tǒng)的管路中，為了脫氣而安裝機(jī)械式空氣分離器，但只分離氣泡，溶存氣體不能分離。這些都在系統(tǒng)運(yùn)行壓力下（氣體溶解度高）工作、有效性受設(shè)置位置（上下層、來(lái)水管、回水管、水箱、到泵的距離等）的影響很大。這種空氣分離器確實(shí)能消除“空氣問(wèn)題”，但被限定在安裝到系統(tǒng)高位（上層）。在空間條件受限的系統(tǒng)中空氣分離器被安裝低位置，這樣將使效能大幅降低。
3.2  大氣壓下的脫氣
閉式低位膨脹水箱的采暖系統(tǒng)，即安裝氣壓罐式時(shí)解決了系統(tǒng)水中的膨脹問(wèn)題還可與鍋爐自動(dòng)補(bǔ)水和系統(tǒng)穩(wěn)壓結(jié)合起來(lái)。其中設(shè)置的敞開(kāi)式水箱可容納膨脹水，同時(shí)也可作為集中脫氣裝置使用。
3.3  真空下的脫氣
真空脫氣裝置用真空化將系統(tǒng)循環(huán)水脫氣。真空環(huán)境下氣體溶解度是零，但靜態(tài)的真空化脫氣進(jìn)行的很慢。如果在此真空中施加噴水、振動(dòng)使之活化則能提高脫氣的效率。
動(dòng)態(tài)的真空脫氣裝置與系統(tǒng)的運(yùn)行壓力完全獨(dú)立動(dòng)作，能大幅減少所有種類(lèi)氣體游離氣泡和其溶存量。有事例顯示循環(huán)水中氮濃度減到約3mg/L。該值大體相當(dāng)于用蒸氣加熱脫氣的測(cè)定值。
4.結(jié)語(yǔ)
目前大氣壓脫氣裝置、真空脫氣裝置都已經(jīng)作為實(shí)用化大型設(shè)備使用。在熱水采暖系統(tǒng)中，如何有效地對(duì)暖氣水中的氮進(jìn)行脫氣是解決問(wèn)題的關(guān)鍵?？梢宰裱嗬蛇M(jìn)行研究。如果能在此之外繼續(xù)拓展，也許會(huì)產(chǎn)生更有價(jià)值的想法。

參考文獻(xiàn)

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