利用擴(kuò)容除污原理進(jìn)行散熱器清洗設(shè)備的研究

劉彩霞 馮建偉 周 浩

(包頭市熱力總公司，內(nèi)蒙古包頭 014000)

1 研究背景

隨著國(guó)家供熱按計(jì)量收費(fèi)的啟動(dòng)和推廣，大量的室內(nèi)采暖系統(tǒng)采用分戶供暖形式，同時(shí)越來越多的原有采暖系統(tǒng)也都進(jìn)行了分戶供暖改造。分戶供暖改造是將原有的垂直單管采暖系統(tǒng)拆除后，采用單獨(dú)設(shè)置供回水干管，每家每戶從干管抽頭，室內(nèi)散熱器采用水平連接的技術(shù)方案。這種改造一方面更新了散熱器連接管道，另一方面消除了原有垂直單管采暖系統(tǒng)頂層用戶散熱器溫度高、供熱效果好，底層用戶散熱器溫度低、供熱效果差的現(xiàn)象，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)用戶按需求供熱，按熱計(jì)量收費(fèi)。在節(jié)能方面具有很大潛力。

但是，由于多數(shù)散熱器使用年代較長(zhǎng)，內(nèi)部沉積的雜質(zhì)很多，而且沉積的位置靠近散熱器中心，因此在改造中，很難清理出來，導(dǎo)致供熱后由于水流的沖刷，雜質(zhì)被帶進(jìn)供熱系統(tǒng)中，造成管道和設(shè)備堵塞，不能正常供熱。

2 設(shè)計(jì)的目的和基本思路

我們?cè)诰用裥^(qū)進(jìn)行分戶供暖改造時(shí)，看到工人師傅們?cè)谇謇砩崞鲿r(shí)，有的將散熱器抬到衛(wèi)生間接水管長(zhǎng)時(shí)間的沖洗，有的利用細(xì)長(zhǎng)的棍狀物，一點(diǎn)一點(diǎn)從散熱器里面清理雜質(zhì)。由于方法不得當(dāng)，一方面造成水的大量浪費(fèi)，另一方面清洗效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且清理效果不理想。是否有好辦法可以既節(jié)約用水又徹底快捷的把散熱器清洗干凈。

我想到了小區(qū)鍋爐房沉渣池，當(dāng)鍋爐沖灰水通過管道流經(jīng)沉渣池后，大量的爐渣和煤灰都會(huì)沉淀到沉渣池的底部，而沖灰水經(jīng)過水泵加壓后繼續(xù)在管道里循環(huán)。如果能夠利用鍋爐沖渣沖灰的原理，不僅能夠清洗掉散熱器內(nèi)的雜質(zhì)，而且可以大大節(jié)約沖洗用水，同時(shí)操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度也會(huì)大大降低。

經(jīng)過查閱有關(guān)流體力學(xué)的資料，任何物體在流體中的狀態(tài)都與物體本身的密度、大小和流體的流速有關(guān)。流體的流速越大，攜帶物體的能力越強(qiáng)。

根據(jù)兩項(xiàng)流體力學(xué)的原理，水力沖洗管網(wǎng)內(nèi)的固體雜物，屬于液固兩相流動(dòng)，固體顆粒只處于懸浮狀態(tài)才能隨著水流沖出管道。為了保持懸浮流動(dòng)，水流速度不能低于某個(gè)數(shù)值，這個(gè)數(shù)值稱為該物體的懸浮速度。

如果設(shè)計(jì)一套循環(huán)清理系統(tǒng):在散熱器內(nèi)水的流速達(dá)到雜質(zhì)的懸浮流速，使雜質(zhì)能夠隨著水的流動(dòng)帶出散熱器;在輸送管道內(nèi)水的流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雜質(zhì)的懸浮流速，使雜質(zhì)能夠通過輸送管道被輸送到特定設(shè)備內(nèi);在特定設(shè)備內(nèi)的水的流速很低遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于雜質(zhì)的懸浮速度，雜質(zhì)就可以在設(shè)備內(nèi)被充分沉積，然后通過集中排污清理出系統(tǒng)。這樣在水循環(huán)使用的情況下，就能夠很好的解決散熱器雜質(zhì)循環(huán)清理的問題。

循環(huán)清理系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成應(yīng)當(dāng)為:散熱器、連接管路、除污設(shè)備、循環(huán)泵，浮子流量計(jì)，相關(guān)閥件。

流體在流動(dòng)過程中遵守質(zhì)量守恒定律，即流體在同一密閉系統(tǒng)中任何斷面通過的流體質(zhì)量相等。

其中，V1，V2均為通過不同截面的流速，m/s;S1，S2均為不同截面的截面積，m2;ρ1，ρ2均為流體的密度，kg/m3，ρ1= ρ2。

上述公式變化后可得出，V1/V2=D2/D1，也就是說，不同截面的流速與橫截面積成反比，橫截面積越大，流速越低，相反橫截面積越小，流速越高。因此，我們就可以在循環(huán)清理系統(tǒng)中，通過合理改變管道、設(shè)備的橫截面積，來實(shí)現(xiàn)流體流速的大、小變化。

3 散熱器循環(huán)清洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

通過查找和翻閱相關(guān)工具書籍，得到一組雜物特性與懸浮流速的關(guān)系的數(shù)據(jù)(見表1)，作為我們?cè)O(shè)計(jì)循環(huán)清洗系統(tǒng)的依據(jù)。

表1 雜物特性與懸浮流速的關(guān)系數(shù)據(jù)

散熱器中的雜質(zhì)多數(shù)為銹渣和粘泥，銹渣的直徑約為3 mm～5 mm，粘泥的直徑小于1 mm。銹渣的密度為2250 kg/m3，粘泥的密度為2000 kg/m3。根據(jù)表1查出，銹渣的懸浮速度為0.33 m/s～0.43 m/s，粘泥的懸浮速度為 0.17 m/s～0.24 m/s。

為了徹底清洗散熱器內(nèi)的雜物，應(yīng)當(dāng)保證散熱器內(nèi)的流體流速不得低于0.43 m/s，為了使雜物完全沉積下來，除污設(shè)備內(nèi)的流體流速不應(yīng)高于0.17 m/s。

實(shí)際生活中，散熱器可以等效成兩根口徑為DN32的管道并聯(lián)的系統(tǒng)，假設(shè)每根DN32管道內(nèi)水的流速均為0.43 m/s，根據(jù)以下公式進(jìn)行計(jì)算:

其中，V1為通過截面的流速，m/s;S1為截面的截面積，m2，S=3.14 ×(D/2)2;ρ1為流體的密度，取 1000 kg/m3。得出，系統(tǒng)總循環(huán)流量不得低于2.49 m3/h。

3.1 除污設(shè)備的設(shè)計(jì)

根據(jù)式(3)計(jì)算出系統(tǒng)總的循環(huán)流量2.49 m3/h，為了將除污設(shè)備中的水流速控制在0.17 m/s以下，除污設(shè)備的橫截面積至少為:S=Q/V=2.49/3600/0.17=0.0041 m2。

設(shè)計(jì)采用300 mm長(zhǎng)，口徑為DN300的管道制作除污容器，容器橫截面積 S=0.3 ×0.3=0.09 m2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于計(jì)算的0.0041 m2，容器內(nèi)流速更小，僅為設(shè)計(jì)流速的4.5%，容器內(nèi)實(shí)際流速應(yīng)為0.008 m/s，除污效果更好。

3.2 循環(huán)水泵選型設(shè)計(jì)

循環(huán)水泵的作用主要是為循環(huán)清洗系統(tǒng)提供動(dòng)力，主要用于在設(shè)計(jì)循環(huán)流量下克服管道沿程和設(shè)備阻力。

由于室內(nèi)散熱器進(jìn)行分戶供暖改造，輸送管道可以利用已經(jīng)成型的分戶采暖管道，通過與供熱公司技術(shù)部門了解，室內(nèi)采暖系統(tǒng)阻力損失在設(shè)計(jì)2.49 m3/h情況下約70000 Pa，折合為7 m H2O。

清洗設(shè)備內(nèi)部阻力損失通過估算約為30000 Pa，折合3 m H2O。

因此，循環(huán)泵需要揚(yáng)程為10 m H2O，考慮20%富余量確定揚(yáng)程12 m H2O。

循環(huán)泵循環(huán)流量按照2.49 m3/h計(jì)算，考慮20%的富余量確定流量為3.00 m3/h。根據(jù)流量、揚(yáng)程參數(shù)，確定循環(huán)泵的最終型號(hào)為 PH-254E，流量3.50 m3/h，揚(yáng)程12.5 m H2O，電機(jī)功率250 W，接口管徑40 mm。

3.3 循環(huán)清洗系統(tǒng)的組成及循環(huán)流程

系統(tǒng)組成:散熱器、連接管路、除污設(shè)備、循環(huán)泵，浮子流量計(jì)，相關(guān)閥件(見圖1)。

圖1 散熱器循環(huán)清洗設(shè)備示意圖

循環(huán)流程:循環(huán)水泵 循環(huán)加壓 通過管路輸送 散熱器攜帶雜質(zhì)通過管路輸送 除污設(shè)備 雜質(zhì)沉積 澄清通過管路輸送 循環(huán)水泵。

浮子流量計(jì):用于測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)實(shí)時(shí)水流量。

3.4 散熱器循環(huán)沖洗操作程序

1)將室內(nèi)采暖管路連接在沖洗系統(tǒng)上，系統(tǒng)充滿水;

2)打開被沖洗散熱器A進(jìn)水閥門，關(guān)閉其他散熱器(BC…)進(jìn)水閥門;

3)啟動(dòng)循環(huán)泵，調(diào)節(jié)閥門，使浮子流量計(jì)顯示流量始終保持在 3.00 m3/h(50 L/min)以上;

4)循環(huán)10 min，預(yù)計(jì)散熱器A內(nèi)雜質(zhì)全部被帶進(jìn)除污設(shè)備中，充分沉淀，打開散熱器B進(jìn)水閥門，關(guān)閉散熱器A進(jìn)水閥門，對(duì)散熱器B進(jìn)行循環(huán)沖洗;

5)以此類推將室內(nèi)系統(tǒng)散熱器全部沖洗完畢。

4 散熱器循環(huán)清洗系統(tǒng)應(yīng)用效果

散熱器清洗設(shè)備制造完成后，在包頭市青10街坊供暖分戶改造系統(tǒng)中得到應(yīng)用。通過散熱器循環(huán)清洗，除污設(shè)備中沉淀了大量的粘泥和銹皮，打開被沖洗的散熱器后，散熱器內(nèi)十分干凈，無明顯雜物，同時(shí)由于循環(huán)過程中系統(tǒng)處于滿水狀態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)壓力率高于分戶改造試驗(yàn)壓力，可與系統(tǒng)試壓同步進(jìn)行。并且在散熱器沖洗完畢后，關(guān)閉分戶閥門，使戶內(nèi)散熱器系統(tǒng)水封閉在系統(tǒng)內(nèi)，節(jié)約了供熱用水。

［1］周謨?nèi)?流體力學(xué)——泵與風(fēng)機(jī)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

［2］張永振.熱力管網(wǎng)沖洗流速的探討［J］.區(qū)域供熱，1995(2)：17-18.