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對熱水采暖系統(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、對采暖系統(tǒng)的危害，特別提到了氮氣對采暖系統(tǒng)的影響。提出空氣對樹脂管和金屬管地熱采暖系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，指出避免氣體產(chǎn)生的注意事項。同時介紹物理脫氣的方法和技術及優(yōu)缺點，為熱水采暖系統(tǒng)“除氣”工作提供了有意義的參考。
【關鍵詞】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（以下稱暖氣水）中氣體的存在導致采暖系統(tǒng)出現(xiàn)問題，故有關方面進行了暖氣水中氣體的基礎研究，在此進行一下探討。
1.暖氣水中氣體的分析
1.1  氧氣問題
暖氣水中溶解著氣體、分離出來的氣體有腐蝕金屬材料的物質、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)的水的氧含量測定值應控制在0.1mg/L以下，而自來水的氧自然濃度是11mg/L，這表明氧是化學性質很活躍的氣體，完全消耗在系統(tǒng)內的金屬腐蝕（氧化）中。因此，在系統(tǒng)設計、施工中應該注意“氧的進入”、“使系統(tǒng)密閉化”。
1.2  氮氣問題
暖氣水中如果溶入的氣體超過溶解限度將形成氣泡而分離。分離出來的氣體中，主要成分是氮氣。氮氣是惰性氣體，不像氧因化學反應（腐蝕反應）而消耗。據(jù)有關資料：大規(guī)模采暖系統(tǒng)的暖氣水中殘留氮含量的測定值有達到50mg/L的，而自來水中的自然濃度為25mg/L，這相當于自來水中自然濃度的2倍。這樣高濃度的氮氣，不能全部溶入暖氣水中，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，氣泡腐蝕剝離設備表面的靜態(tài)保護膜從而加劇設備如泵葉片等的磨損。
1.3  亨利定律的應用
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，則氮氣在70℃時的溶解度是15mg/L。據(jù)有關資料：采暖系統(tǒng)頂層水中的理論氮氣（空氣）飽和度一般都在15mg/L以上，即如果氮濃度在15mg/L以下一般不會發(fā)生問題。與氮類似，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.氣體是怎么進入密閉系統(tǒng)中的
2.1  自來水中溶解著空氣（氮氣+氧氣）
暖氣水和補給水都使用自來水。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。實測值與理論值高度吻合。不言而喻系統(tǒng)的密封性對該值影響最大，因為每補1升水就有共計36mg的氮氣和氧氣等進入系統(tǒng)。密封不好而頻繁補水的話，將無法擺脫空氣的影響。
2.2  設備和配管內的殘存空氣溶解在暖氣水中
如果系統(tǒng)設備的空氣排出不充分則會殘存空氣，而這些空氣會溶解在高壓的暖氣水中。系統(tǒng)維修后其內部也會殘留空氣，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，水中的氣體因壓力降低而游離出來。這些游離出來的氣體也會成為故障的原因。
2.3  空氣通過設備侵入擴散到系統(tǒng)內
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)內侵入擴散的推動力。因循環(huán)的暖氣水之氧濃度幾乎為零，故想從大氣擴散到配管網(wǎng)的潛在力量增強。雖然鐵、銅等金屬材料的空氣透過性是零，但化學合成品、橡膠、密封材料等非金屬的透氣性高。樹脂管地熱采暖時，透過擴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倍。特別是鋼管和樹脂管混用的地熱采暖系統(tǒng)，鋼管腐蝕問題已經(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)水泵流量和揚程過大，管網(wǎng)阻力特性與設備不匹配。由于循環(huán)泵流量大，導致系統(tǒng)壓力降過快，采暖系統(tǒng)在定壓點壓力不高的情況下，在定壓點與循環(huán)水泵入口某管段形成負壓，空氣滲入采暖系統(tǒng)。
2.5  化學反應及腐蝕產(chǎn)生氣體
根據(jù)材料組成、水質、化學添加劑、內容成分、壓力及溫度等許多邊界條件，氣體在暖氣水中生成。除前述的氮氣外，氫和烷也被檢出。由化學反應生成氣體的機制尚未弄清，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配合比例的不同會生成硫化氫H2S、生成的H2S與氧化銅Cu2O反應變成硫化銅Cu2S。與Cu2O不同，Cu2S不形成保護膜。結果是經(jīng)數(shù)年的運行，腐蝕征候出現(xiàn)，進而導致問題發(fā)生。
也有在油脂分解裂化的時候產(chǎn)生氫的假設。
使用鋁（鋁制散熱器等）也可能產(chǎn)生問題。因此制造鋁材設備時須在鋁材上形成足夠的保護膜，鋁的自然保護膜在pH8.5以下呈靜態(tài)的化學穩(wěn)定。但使用鐵材的采暖系統(tǒng)應該在pH8.5以上。設置了鋁制散熱器的系統(tǒng)，當氫含量達到3.2mg/L時產(chǎn)生明顯的腐蝕征兆，這個含量是在大氣壓下、溫度30℃時已經(jīng)產(chǎn)生氫氣泡的溶解濃度。
2.6  系統(tǒng)壓力保持不穩(wěn)的運行和不適當?shù)木S護管理
在運行管理中系統(tǒng)壓力保持不穩(wěn)是引起“氣體問題”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，我們怎樣正確的維護管理運行壓力？原則如下：
不管是系統(tǒng)運轉還是停止，系統(tǒng)的壓力均應保證不在系統(tǒng)內任何部位產(chǎn)生負壓、氣體分離。要特別注意系統(tǒng)高層、泵、控制閥等部位。
最常見的錯誤：
（1）管理不當導致不正常狀態(tài)下的運行
使用膈膜式氣壓罐的場合，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)調查，常出現(xiàn)的問題是填充壓力p1過高，系統(tǒng)水供水壓力p2（靜水頭壓）過低的問題，即啟動補水泵的壓力過高而停止壓力過低；一般以p2=p1+0.3bar，0.03MP以上為標準。另外，氣壓罐年久失修里面的膨脹膜破裂，都會引起系統(tǒng)壓力急劇的波動，使系統(tǒng)有大量的補水和泄水現(xiàn)象發(fā)生，氣體便隨之進入系統(tǒng)，故應該定期進行檢查。
（2）系統(tǒng)補水不足
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)停止運行時出現(xiàn)倒空現(xiàn)象，管道吸入空氣。系統(tǒng)缺水就不能保持壓力，為達到靜水壓頭，需要增加系統(tǒng)內容量0.5％的水。如果不及時地補給水的自然減少部分，必然要產(chǎn)生負壓及其他問題。膈膜式氣壓罐的場合，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，是技術上可行的物理方法。
有些采暖（空調）系統(tǒng)的管路中，為了脫氣而安裝機械式空氣分離器，但只分離氣泡，溶存氣體不能分離。這些都在系統(tǒng)運行壓力下（氣體溶解度高）工作、有效性受設置位置（上下層、來水管、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能消除“空氣問題”，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)，即安裝氣壓罐式時解決了系統(tǒng)水中的膨脹問題還可與鍋爐自動補水和系統(tǒng)穩(wěn)壓結合起來。其中設置的敞開式水箱可容納膨脹水，同時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)的真空化脫氣進行的很慢。如果在此真空中施加噴水、振動使之活化則能提高脫氣的效率。
動態(tài)的真空脫氣裝置與系統(tǒng)的運行壓力完全獨立動作，能大幅減少所有種類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。該值大體相當于用蒸氣加熱脫氣的測定值。
4.結語
目前大氣壓脫氣裝置、真空脫氣裝置都已經(jīng)作為實用化大型設備使用。在熱水采暖系統(tǒng)中，如何有效地對暖氣水中的氮進行脫氣是解決問題的關鍵?？梢宰裱嗬蛇M行研究。如果能在此之外繼續(xù)拓展，也許會產(chǎn)生更有價值的想法。

參考文獻

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［3］ 陸耀慶主編 實用供熱空調設計手冊
［4］哈爾濱建筑工程學院 天津大學 西安冶金建筑學院 太原工學院合編 供熱工程.