热水供热系统中空泡的形成和溃灭.doc

热水供热系统中空泡的形成和溃灭清华大学热能系 　蔡启林北京建筑工程学院 　李锐 内容提要 本文研究了热水供热系统中空泡形成和溃灭的原因，提出了计算热水供热系统中空泡形成和溃灭的一种有效方法，可以用来分析系统的动态变化情况，为完善供热系统设计、制定操作运行规程提供科学依据．主题词 热水供热系统 空泡溃灭 水锤 一、前言　　　　随着我国集中供热事业的迅速发展，供热网的规模随之扩大，复杂程度相应提高，大型的集中供热系统一旦出现事故会带来社会影响，所以必须提高供热输配管网的安全性和可靠性。管路系统中由于阀门误动作或事故停泵等原因造成的流体速度变化会产生具有破坏性的水锤．调查表明，很多事故都起因于管道内产生气泡，并随气泡溃灭引起水烫。由于供热系统的水温较高，相对来说水的汽化压力也较高，出现水锤时一方面出现压力的急剧升高和降低，另一方面压力下降达到水的汽化压力时，使水汽化，极易发生气泡，产生空穴，重则产生空泡溃灭水锤，轻则产生汽蚀，降低了管道的使用寿命．上述问题在热水供热系统中比在一般的输液系统中要严种得多，是一个不容忽视的问题。本文研究了热水供热系统中空泡形成和溃灭的原因，提出了分析热水供热系统中空泡溃灭水锤的可行方法．　　二、空泡的形成　　　　在供热系统管道中如果发生压力减小的现象，就会引起一个向下游传递的负压波，从而降低供热管道中的流速：而下游的水在波到达以前，仍以原来的速度运动，管道中这两部分水流速度的差别，相当于使水柱受到拉伸，而水是不抗拉伸的，当压力降低到汽化压力时，管内形成蒸汽穴．当水柱处于汽化压力下，其内部产生空泡，这种现象称为液柱分离．　　如果管内水中含有溶解的空气，那么压力下降到一定程度以后，原来溶解在水里的气体就会释放出来，这种现象称作气体透出。气体在出是一个缓慢的过程，在管道中压力发生瞬变的情况下，负压波持续的时间不会很长，所以只有少量气体逸出；但是，这些少量气体将会影响水锤波传播速度．显然在液体压力降到汽化压力之前，溶解于水中的空气就会以汽泡形式放出．　　除了向下游传播的负压波会产生液柱分离外，当下游侧减压时，例如起动一个泵或开启一个阀门，也可能导致泵前、阀前管道内的液柱分离，形成空泡．在空泡形成以后，其体积会继续扩大，直到空泡前后的两个水柱的速度相等为止．　　在热水系统中，空泡形成的几率是很高的。由于供热系统水温较高，水的汽化压力也就比较高，例如供水温度150℃时，则水的汽化压力是38．6米水往．当负压波引起压力降低，低于当地热水温度对应的汽化压力时；管道内就会产生空泡．此外，管线铺设一般循地形变化进行，会有上坡、下坡，当泵停止运行时，管线爬坡的高处容易形成液柱拉断，出现较大范围的空泡段．　　三、空泡溃灭及其危害　　　　在空泡形成以后，空泡处的压强就不会再降低，这是因为空泡处是气体而不是液体，破坏了水的连续性．如果边界条件发生变化，通常上游的水柱会加速，而下游的水柱会减速；从而使上游的水柱赶上下游的水柱、空泡破裂、溃灭；或者当空泡中的气体带到下游压强较大的区域时，发生空泡的条件消失，也发生空泡的溃灭．如果空泡溃灭时其上下游水柱的瞬间速度差值是△V，那么水头的升高值可按下式计算：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1）　　式中：a--水锤波传播速度，（m／S）：　　　　　g--重力加速度，（m／S2）。　　这个水头增加量可以大到足以破坏管子。　　小型空泡的溃灭有时还不足以造成管道的立即破坏，但是空泡溃灭的同时，水质点将以高速填充空穴，发生相撞，这些现象发生在固体壁上会使管壁受到腐蚀破坏，这是因为汽泡在金属表面凝结时，金属表面受到利刃似的高频强烈冲击，致使金属表面出现麻点以至穿孔，有时在这种破坏力作用的同时，还伴有电解、化学腐蚀多种很复杂的作用．　　在热水管道中；如果有空泡形成；在压力正负波动时，汽泡在正压力下又凝结成水，产生最危险的空泡溃灭水锤。这是由于空泡体积大，凝结成水后，体积中出现瞬时真空，这时空泡四周的水会以极快的速度冲向真空的那段体积，对撞的水有截流现象而产生水锤。一般地说，这种水锤压力极高，危险性极大，这种空泡的形成和溃灭过程往往像拉锯一样要反复多次，使管道受到高频压力的冲击和剥蚀，降低了管道的使用寿命。　　当供热管线爬坡的高处出现液柱拉断时，此时若突然启泵，大流量运行，高处的空泡也会因压力升高使汽泡凝结为水，真空柱段使水流快速撞击引发空泡溃灭，造成管线极大的压力峰值，压力大幅度上升，破坏管线．　　通过以上的分析可见，空泡溃灭的危害性是相当严重的．以往在输水管路多次爆裂时，人们仅仅归咎于管材不好或施工质量欠佳，甚至温度变化等等，而对上述原因没有足够重视。　　四、热水供热系统空泡溃灭水锤分析模型　　　　在分析供热系统的空泡溃灭现象时，