供暖系統(tǒng)中空氣的存在及排除68255

1、供暖系統(tǒng)中空氣的存在及排除簡介水暖系統(tǒng)安靜舒適運行的前提是沒有空氣的存在。如果不是這樣, 系統(tǒng)將會出現從管路經常的汩汩水聲到完全損失熱量的各類大大小小的問題?？諝獾膯栴}往往令人困惑。當問題好像得到解決時又重新出現了，許多業(yè)主和安裝人員最終只能放棄，認為這是無法完成的使命。安裝人員則暗自祈禱下一次不會再出現這些神秘的問題。這個病根沒有得到診斷、治療及將來的預防均源于對它缺乏足夠的認識。從某一角度來說，每一個水暖系統(tǒng)內都充滿了水和空氣，尤其是系統(tǒng)初次注水和運行時。如果系統(tǒng)的設計得當，封閉式循環(huán)的水暖系統(tǒng)的大部分空氣經過幾天的運行后就能排除，系統(tǒng)在其運行壽命期內將不會有空氣存在。長期受到截留空氣困擾

2、的系統(tǒng)通常是由一個或多個典型設計及安裝的錯誤造成的。本章節(jié)介紹空氣如何進入系統(tǒng)，其在系統(tǒng)中的表現，最重要的是如何將其排除。截留空氣帶來的問題盡管人們能認識到系統(tǒng)中空氣的存在（如管道中汩汩的水聲），但他們通常不知道截留空氣會帶來以下這些危害：l 造成系統(tǒng)中鋼鐵等金屬部件與空氣的化學氧化作用，加速這些部件的腐蝕。空氣長期截留的系統(tǒng)其腐蝕速度為正常系統(tǒng)的好幾倍。l 由于截留空氣包而造成散熱末端或整個系統(tǒng)的熱負荷損失。這通常被稱為集合空氣。它以多種方式出現。最常見的是水泵里螺旋艙的水被其取代,而阻止了水泵使系統(tǒng)水正常循環(huán)。另一個可能則是系統(tǒng)頂端的管道部分充滿了空氣包，水泵不能將水送過頂部跨越管道。l

3、水泵水頭減小。由于水和空氣的混合體可以被壓縮，水泵則無法將機械能有效地傳送給水。這樣會極大的減小系統(tǒng)的熱量輸出。l 濕轉子水泵的屏蔽套的潤滑不夠。因為水和空氣的混合體造成水泵內部的溶液成泡沫狀，屏蔽套需要的水膜潤滑作用不能達到。濕轉子水泵完全依賴這層潤滑膜，如果沒有的話水泵很快會被損壞。l 熱載體的熱能輸送損失。熱載體內部的氣泡阻止了熱對流，這會降低熱能的輸送率。同時熱源內部的熱交換裝置內的空氣也可能導致過熱溫度點的出現，使熱交換受阻并可能最終將它損壞。截留空氣的存在形式在水暖系統(tǒng)中，空氣以如下三種形式存在：l 靜止的空氣袋l 夾雜的空氣泡l 溶解于水的空氣這三種形式的空氣可能同時存在于系統(tǒng)中

4、，尤其是在系統(tǒng)初始運行時。每一種形式的空氣在系統(tǒng)中表現都不一樣。靜止的空氣袋由于空氣輕于水, 因此它會朝系統(tǒng)的高位點上升。這些位置并不完全是系統(tǒng)的頂端。即便是在低層的散熱末端，其上部仍然可能形成靜止的空氣袋。在水平管道拐彎向下前的水平段同樣會形成靜止的空氣袋。一個比較典型的例子是管道升高跨越建筑橫梁然后回復到水平面的情況，如圖1所示。 圖1 圖2當系統(tǒng)開始注水時，這些高位點都是空氣存在的死角。有時，因為這些滯留的空氣取代了好幾升水，將來還需要再次將水注入系統(tǒng)中。即便系統(tǒng)剛開始進行了清洗，殘余的空氣泡仍會聚積在一起并上升到高點。這點在低流速的設備上尤其容易出現，因為流速過低而不能將空氣推動或帶走

5、。比如大的散熱器，大管徑的管道及儲水罐等, (見圖2)。夾雜的空氣泡當空氣以氣泡形式存在時，系統(tǒng)中的水能帶走（夾雜）這些氣泡。夾雜的氣泡既有好處又有壞處。好處在于能將系統(tǒng)遠端的空氣輸送到排氣裝置；然而其壞處則是空氣有可能無法在排氣裝置里得到分離。水流夾雜空氣的程度取決于它帶動自然上升的氣泡向下的能力。簡單地說，如果水流向下的速度高于氣泡上升的速度，它就能延水流方向帶走氣泡。如圖3所示，在向下流動的管道內，水流速度高于氣泡上升速度是帶走氣泡的關鍵。（從左到右， 1，氣泡在靜止的水中上升，大氣泡上升速度更快； 2，水流向下速度慢，氣泡仍然上升； 3，如果水流平均流速夠高，氣泡向下流動。）圖3 圖4

6、氣泡上升的速度由氣泡的直徑和密度，以及周圍水的密度和粘度決定。氣泡直徑越大上升速度越快。周圍水的粘度越大，氣泡密度越小氣泡上升速度越慢。在這些因素中，氣泡的直徑起決定作用，直徑小一半的氣泡的上升速度大約只有正常直徑的1/4”。從一個玻璃杯的碳酸飲料里便可以看見氣泡上升的速度的不同。水暖系統(tǒng)中一種常有的氣泡稱為微泡。 由于他們小, 所以很難看見。稠密的微泡群讓清澈的水略顯渾濁。如圖4所示，從帶過濾網的水龍頭里放到玻璃杯的水上部有微泡群存在。當系統(tǒng)水加熱時，分解的空氣也會形成微泡；或者在某個造成渦流的元件處也會產生微泡。由于他們的流速低，所以很容易就被水流帶走。這個特征使分離水中的微泡相對困難。分

7、離微泡需要水流經過一個流速低的區(qū)域，這樣它才能有足夠的時間上升并形成大的氣泡。遺憾的是很多水暖系統(tǒng)的空氣分離裝置并不能提供足夠低的流速使微泡有效地隔離。直徑較大的氣泡上升速度快得到排除，而相對小很多的微泡未被分離就被水流帶走。有時是因為空氣分離器設計的問題，有時是因為流經空氣分離器的速度太快。溶解于水中的空氣可能最難理解的是水暖系統(tǒng)中空氣以溶解空氣存在的形式。構成空氣的分子包括氧和氮能與水分子相溶共處。這些分子即便在顯微鏡下也看不見。表面上看來清澈的無氣泡的水同樣可能包含大量的溶解的空氣。溶解于水中的空氣量取決于水的溫度和壓力。圖5表明在不同溫度和絕對壓力的情況下溶解于水中的空氣的最大含量。從

8、圖中可以看出，水溫升高時，水中溶解的空氣量降低。比如在絕對壓力2公斤的情況下，將水從20加熱到80，水中溶解的空氣量由35升下降到了17升。這就解釋了為什么燒熱的一壺水表面上聚集水泡，也同樣解釋了鍋爐燃燒室外壁微泡的出現（見圖6,7）。反之，當水溫冷卻時它會重新將空氣溶解。水壓同樣也是溶解空氣的一大因素。水壓降低其溶解的空氣量也降低，反之亦然（參考圖5）。比如，打開蘇打水瓶蓋后二氧化碳氣泡立刻出現， 這是因為打開瓶蓋后水壓降低，氣體溶解量迅速下降并釋放出來使氣泡馬上出現。多層建筑上端由于壓力低也就更多氣泡出現，而系統(tǒng)底部的靜壓相對更高，則會將更多的空氣吸收在水里。圖5 圖6 圖7水不斷的吸收和

9、釋放空氣的能力會以多種或好或劣的形式影響系統(tǒng)。對于去除系統(tǒng)內不易達到的高點（如沒有安裝排氣閥的地方）的靜止空氣袋，將其吸收溶解輸送回空氣分離裝置，這時候水吸收空氣的能力是一大優(yōu)點；而在水氣融合式的膨脹罐系統(tǒng)中，水吸收了用于膨脹的空氣量則是一個壞處。減少系統(tǒng)水包含的空氣量是優(yōu)化系統(tǒng)的目標。達到這個目的需要通過創(chuàng)造一些條件來鼓勵空氣從水中分解（即高溫低壓），并且使氣體聚積起來最后排除到系統(tǒng)之外。在后面的章節(jié)里會專門介紹排除溶解的空氣的裝置。排氣裝置水暖系統(tǒng)中的排氣裝置可分為高位排氣閥和集中空氣分離裝置兩種。高位排氣閥安裝在系統(tǒng)的多個高位點用于排除靜止的空氣袋，比如立管頂部，散熱器上端，分水器，或跨

10、越管的向下拐彎處。高位排氣閥對于系統(tǒng)初次注水排氣尤為重要。集中空氣分離裝置用于排除水中夾雜的空氣，將系統(tǒng)水的含氣量盡量降到最低。它通常安裝在熱源的出水端，所有系統(tǒng)的水流都經過空氣分離裝置。以下分別介紹幾種具體的高位排氣閥和集中空氣分離裝置產品。手動排氣閥高位排氣閥中最簡單的就是手動排氣閥。手動排氣閥通常是金屬-金屬密封的小閥門,通過手柄、一字改錐或四角鑰匙擰開閥門內部的螺釘, 氣體從閥門側面的一個小孔排出。手動排氣閥通常安裝在散熱器的上側，由于其體積及進氣口小，所以在安裝時候需要注意不要讓密封材料堵住了進氣口。手動排氣閥排完氣體后系統(tǒng)水會從排氣口流出，所以需要在排氣時有人監(jiān)視，并且準備好盛水的

11、容器，以免排出的水弄濕弄贓地板。由于安裝時將排氣孔方向沖下很難，所以建議使用排氣口方向可調節(jié)的閥門。見圖8圖8 圖9 圖10手/自動排氣閥另外一種小的高位排氣閥可以手/自動互換使用，見圖9 。當閥芯完全擰緊時空氣通過閥芯中吸濕紙片的縫隙排出，空氣排出后系統(tǒng)水接觸吸濕紙片，后者馬上膨脹關閉排氣縫隙；當空氣再次聚積水位下降后紙片又恢復干燥狀態(tài)重新排氣。將閥芯稍微擰松時，空氣則通過排氣閥側面的排氣口排出，與手動排氣閥的功能一樣。由于紙片反復于干濕狀態(tài)，其老化程度加強，因此需要定期更換閥芯（一般使用期為2年）；將閥芯擰走時系統(tǒng)水不會泄漏，因為閥門內部有個很小的止回裝置。(見圖10)浮球式自動排氣閥在系

12、統(tǒng)不容易維修檢測的地方需要安裝自動排除氣體的高位排氣閥。浮球式自動排氣閥就是很好的解決辦法。如圖11所示，當閥體內氣泡聚積量增大時，浮球隨水位下降帶動閥桿打開排氣活塞排出氣體；氣體排盡后水位上升，浮球隨之上升關閉排氣活塞。圖11 圖12 圖13 圖14 圖15 圖16自動排氣閥排氣口的排氣帽防止外界雜質堵塞排氣口，安裝好自動排氣閥后需要稍微擰松排氣帽才能排氣。為了防止萬一出現的排氣口泄水現象發(fā)生（比如系統(tǒng)水質太贓），可以選裝吸濕排氣帽起到安全保護的作用，見圖12吸濕安全排氣帽。自動排氣閥的尺寸，形狀，口徑較多。分別適合于立管頂端、分水器末端等（見圖13）；散熱器上側（見圖14）；對于氣體量大的

13、部位則需要安裝大排氣量排氣閥（見圖15）。當自動排氣閥安裝的位置出現負壓時，比如出現膨脹罐安裝在水泵輸出口等設計或安裝的錯誤時，空氣會通過自動排氣閥的排氣口進入系統(tǒng)。這種情況下應該首先改正系統(tǒng)的錯誤，同時在自動排氣閥排氣口上安裝抗吸氣排氣帽，（見圖16）。空氣分離裝置集中空氣分離裝置的一種常見產品被稱為空氣清洗器或空氣分離器。它的殼體是鑄鐵材料，分離器內部有空氣擋板（見圖17a），檔板使水流速度降低，能將氣泡中的空氣分離到上部與自動排氣閥連接的地方，然后通過自動排氣閥排除?？諝夥蛛x器上標明了水流的方向，同時還提供了很多接口用于連接膨脹罐，安全閥及壓力表/溫度表等。為了使分離器更有效工作，經過分

14、離器的水流速度不能超過1.2米/每秒。如果速度太快，小氣泡會被水流帶走（見圖17b）?？諝夥蛛x器最理想的位置是安裝在熱源的出口，在水泵吸入口前12倍管徑的距離。這樣能讓高溫水以相對更低的流速進入分離器，使溶解于水中的空氣更易被分離。如果補水從分離器下部接口進入系統(tǒng)，注入系統(tǒng)的氣泡更容易上升到空氣分離器頂部被排除。參考空氣分離器安裝圖（見圖18）。 圖17 圖18微泡排氣閥正如前面章節(jié)提到的一樣，微泡的直徑很小，大約在0.02-0.1毫米之間，所以肉眼很難看見，微泡在水暖系統(tǒng)中通常分為兩種：鍋爐微泡和渦空微泡。鍋爐微泡產生于與鍋爐燃燒室外壁接觸的地方，（見圖7）。渦空微泡產生于水泵高速運轉的葉輪

15、或調節(jié)閥門比如平衡閥，溫控閥的閥座流速較高的部位（見圖19）。 圖19 圖20渦空現象所產生的微泡不僅會帶來管道噪音、氧化腐蝕、局部不熱或過熱的問題，嚴重的還會導致水泵葉輪或調節(jié)閥門的閥桿損壞。有關水泵氣蝕現象發(fā)生的詳細情況請參考水泵氣蝕一節(jié)。微泡排氣閥在歐美市場最近幾年才投入使用，但它優(yōu)越的排除系統(tǒng)空氣的性能得到了廣泛的認可。其內部的網狀結構形成了一個壓力縮減的區(qū)域，減小的壓力有助于空氣以微泡的形式從水中分離出來，微泡沿網狀結構上升到上部并積聚成體積較大的氣泡，通過上面的浮球式自動排氣閥將空氣排除。（見圖20） 。微泡排氣閥能將系統(tǒng)的水維持在空氣含量非飽和狀態(tài)。即系統(tǒng)的水能隨時吸收系統(tǒng)內部多

16、余的空氣然后把他們帶回到微泡排氣閥內重新進行分離排除。這種能連續(xù)吸收額外的空氣的能力對于排除系統(tǒng)內各個無法安裝排氣閥的區(qū)域存在的靜止空氣袋非常有益。研究表明，微泡排氣閥能有效將系統(tǒng)含氣量減少到0.5%。這么小含量空氣內的氧氣量根本不會對系統(tǒng)造成腐蝕。流經微泡排氣閥的流量應該低于1.2米/每秒以防止微泡被水流夾雜帶走。水泵氣蝕眾所周知，水在一定的壓力和溫度下會達到沸點，在某一個溫度點上施加于水的防止其沸騰的最低壓力稱為蒸氣壓力（見圖21）。水在沸騰的過程中形成大量的蒸氣袋。他們看起來像空氣泡,但是不能將其與空氣泡混淆。即便是完全分離了空氣的水，只要它低于其水溫對應的蒸氣壓力，蒸氣袋就會馬上出現。

17、這個過程通常被稱為水閃變成蒸氣。 圖21 圖22當水里面形成蒸氣袋時，蒸氣袋內部的密度低于周邊液體的密度約1,500倍。這猶如一粒玉米膨脹到棒球大小的玉米花的倍數一樣。如果液體的壓力升高，高于蒸氣壓力的話，蒸氣袋會馬上在內部破碎，這個過程被稱為內爆，它是爆炸的反義詞。盡管這聽起來不嚴重，但從微觀的水平來看，蒸氣袋內爆表現相當激烈。它激烈到能將其周邊的物體撕裂，即便強硬的金屬也不例外。對于一定溫度下的水，只要其壓力低于蒸氣壓力，渦空現象就會產生。在水暖系統(tǒng)中，渦空現象通常在半關閉的調節(jié)閥或水泵的轉子內部產生。水進入水泵轉子里面時，它的壓力迅速降低。如果轉子吸入口的壓力低于蒸氣壓力，數以千計的蒸氣

18、袋立即形成，蒸氣袋通過轉子帶出，當其周邊液體高于蒸氣壓力時，它馬上產生內爆，這通常發(fā)生在轉子出水端。通過圖22可以看出壓力變化帶來的爆聚現象。爆聚會在水泵內產生渦流和噼啪聲，這是典型的水泵轉子氣蝕現象。由于這種情況下的液體能部分壓縮，所以水泵會出現明顯的流量和水頭損失。如果水泵繼續(xù)以這種方式運行，轉子會在短短幾周內就被損壞。顯然，要使系統(tǒng)長期穩(wěn)定良好運行，就必須避免水泵氣蝕現象的產生。圖23展示了水泵轉子氣蝕受損的情況。 圖23如何糾正系統(tǒng)長期存在的排氣問題一個設計及安裝得當的系統(tǒng)不需要經常性地手動排氣。持續(xù)存在的空氣噪音會引來客戶不斷的抱怨，它的根源在于一個或多個潛在的設計及安裝的錯誤。這些

19、錯誤往往與表現出來的問題沒有直接的關系，所以很難找出根源，尤其是對于缺乏經驗的工程人員。以下是對一些常見問題的描述及解決的辦法，實際運行的系統(tǒng)有可能是由多個癥狀并發(fā)引起的。潛在問題1：膨脹罐安裝在水泵的輸出口描述：如果膨脹罐安裝在了水泵的輸出口，系統(tǒng)某些位置的壓力在水泵循環(huán)時可能低于大氣壓。在出現負壓的區(qū)域如果安裝有浮球式自動排氣閥，每次水泵運行時，空氣會通過自動排氣閥被吸入系統(tǒng)，或者通過閥門及螺紋連接密封不嚴的地方進入系統(tǒng)。解決辦法： 最好的解決辦法是把膨脹罐重新安裝在水泵吸入口。這個辦法在很多系統(tǒng)上得到了驗證。而核實膨脹罐的安裝位置則是檢驗系統(tǒng)的首要步驟。潛在問題2：系統(tǒng)運行壓力過低描述：

20、系統(tǒng)運行壓力過低往往是由于補水系統(tǒng)設定有誤造成。當初次注水完成后如果關閉了補水閥，由于系統(tǒng)運行排出氣體或少量密封不嚴等問題造成系統(tǒng)壓力降低，致使某些部位出現負壓，這時空氣就會進入系統(tǒng)，如問題1所描述的一樣。解決辦法： 最好的解決辦法是使用可視調節(jié)型自動補水閥，將自動補水閥置于開啟狀態(tài)，并且保證補水閥設定的壓力高于系統(tǒng)靜壓+水泵最高揚程0.5米以上。潛在問題3：浸水膨脹罐或膨脹罐容積過小描述：如果膨脹罐的氣囊浸泡了，或膨脹罐設計太小，系統(tǒng)每次加熱時由于水膨脹而從安全閥泄掉，這樣會造成不斷的含有大量氣體的新鮮水補入系統(tǒng)中帶進空氣。解決辦法： 如果是隔膜式膨脹罐的氣囊浸泡了，打開氣囊部分的補氣口就會有水流出，這說明膨脹罐的隔膜穿孔了。唯一的解決辦法就是更換膨脹罐。如果是膨脹罐設計的容積過小，則需要重新計算膨脹水量，添加或更換膨脹罐。潛在問題4：空氣不斷地經過水吸收和釋放卻不能排除描述：空氣可能由微泡形式的溶液中分解出來，沒有得到聚積和排除又被重新吸收回到系統(tǒng)中。普通的空氣分離器，尤其是在流速較快的情況下，很難排除系統(tǒng)中含氣的微泡。解決辦法： 需要安裝專門的微泡排氣閥收集及排除系統(tǒng)中溶解的空氣。潛在問題5：沒有安裝高位排氣閥描述：系統(tǒng)中較高的位置如果沒有安裝手動或自動的排氣閥，很容易積聚靜止的空氣袋。如果系