利用扩容除污原理进行散热器清洗设备的研究

刘彩霞 冯建伟 周 浩

(包头市热力总公司，内蒙古包头 014000)

1 研究背景

随着国家供热按计量收费的启动和推广，大量的室内采暖系统采用分户供暖形式，同时越来越多的原有采暖系统也都进行了分户供暖改造。分户供暖改造是将原有的垂直单管采暖系统拆除后，采用单独设置供回水干管，每家每户从干管抽头，室内散热器采用水平连接的技术方案。这种改造一方面更新了散热器连接管道，另一方面消除了原有垂直单管采暖系统顶层用户散热器温度高、供热效果好，底层用户散热器温度低、供热效果差的现象，同时还可以实现用户按需求供热，按热计量收费。在节能方面具有很大潜力。

但是，由于多数散热器使用年代较长，内部沉积的杂质很多，而且沉积的位置靠近散热器中心，因此在改造中，很难清理出来，导致供热后由于水流的冲刷，杂质被带进供热系统中，造成管道和设备堵塞，不能正常供热。

2 设计的目的和基本思路

我们在居民小区进行分户供暖改造时，看到工人师傅们在清理散热器时，有的将散热器抬到卫生间接水管长时间的冲洗，有的利用细长的棍状物，一点一点从散热器里面清理杂质。由于方法不得当，一方面造成水的大量浪费，另一方面清洗效率低，劳动强度大，而且清理效果不理想。是否有好办法可以既节约用水又彻底快捷的把散热器清洗干净。

我想到了小区锅炉房沉渣池，当锅炉冲灰水通过管道流经沉渣池后，大量的炉渣和煤灰都会沉淀到沉渣池的底部，而冲灰水经过水泵加压后继续在管道里循环。如果能够利用锅炉冲渣冲灰的原理，不仅能够清洗掉散热器内的杂质，而且可以大大节约冲洗用水，同时操作人员的劳动强度也会大大降低。

经过查阅有关流体力学的资料，任何物体在流体中的状态都与物体本身的密度、大小和流体的流速有关。流体的流速越大，携带物体的能力越强。

根据两项流体力学的原理，水力冲洗管网内的固体杂物，属于液固两相流动，固体颗粒只处于悬浮状态才能随着水流冲出管道。为了保持悬浮流动，水流速度不能低于某个数值，这个数值称为该物体的悬浮速度。

如果设计一套循环清理系统:在散热器内水的流速达到杂质的悬浮流速，使杂质能够随着水的流动带出散热器;在输送管道内水的流速远远大于杂质的悬浮流速，使杂质能够通过输送管道被输送到特定设备内;在特定设备内的水的流速很低远远小于杂质的悬浮速度，杂质就可以在设备内被充分沉积，然后通过集中排污清理出系统。这样在水循环使用的情况下，就能够很好的解决散热器杂质循环清理的问题。

循环清理系统的设备构成应当为:散热器、连接管路、除污设备、循环泵，浮子流量计，相关阀件。

流体在流动过程中遵守质量守恒定律，即流体在同一密闭系统中任何断面通过的流体质量相等。

其中，V1，V2均为通过不同截面的流速，m/s;S1，S2均为不同截面的截面积，m2;ρ1，ρ2均为流体的密度，kg/m3，ρ1= ρ2。

上述公式变化后可得出，V1/V2=D2/D1，也就是说，不同截面的流速与横截面积成反比，横截面积越大，流速越低，相反横截面积越小，流速越高。因此，我们就可以在循环清理系统中，通过合理改变管道、设备的横截面积，来实现流体流速的大、小变化。

3 散热器循环清洗系统的设计

通过查找和翻阅相关工具书籍，得到一组杂物特性与悬浮流速的关系的数据(见表1)，作为我们设计循环清洗系统的依据。

表1 杂物特性与悬浮流速的关系数据

散热器中的杂质多数为锈渣和粘泥，锈渣的直径约为3 mm～5 mm，粘泥的直径小于1 mm。锈渣的密度为2250 kg/m3，粘泥的密度为2000 kg/m3。根据表1查出，锈渣的悬浮速度为0.33 m/s～0.43 m/s，粘泥的悬浮速度为 0.17 m/s～0.24 m/s。

为了彻底清洗散热器内的杂物，应当保证散热器内的流体流速不得低于0.43 m/s，为了使杂物完全沉积下来，除污设备内的流体流速不应高于0.17 m/s。

实际生活中，散热器可以等效成两根口径为DN32的管道并联的系统，假设每根DN32管道内水的流速均为0.43 m/s，根据以下公式进行计算:

其中，V1为通过截面的流速，m/s;S1为截面的截面积，m2，S=3.14 ×(D/2)2;ρ1为流体的密度，取 1000 kg/m3。得出，系统总循环流量不得低于2.49 m3/h。

3.1 除污设备的设计

根据式(3)计算出系统总的循环流量2.49 m3/h，为了将除污设备中的水流速控制在0.17 m/s以下，除污设备的横截面积至少为:S=Q/V=2.49/3600/0.17=0.0041 m2。

设计采用300 mm长，口径为DN300的管道制作除污容器，容器横截面积 S=0.3 ×0.3=0.09 m2，远远大于计算的0.0041 m2，容器内流速更小，仅为设计流速的4.5%，容器内实际流速应为0.008 m/s，除污效果更好。

3.2 循环水泵选型设计

循环水泵的作用主要是为循环清洗系统提供动力，主要用于在设计循环流量下克服管道沿程和设备阻力。

由于室内散热器进行分户供暖改造，输送管道可以利用已经成型的分户采暖管道，通过与供热公司技术部门了解，室内采暖系统阻力损失在设计2.49 m3/h情况下约70000 Pa，折合为7 m H2O。

清洗设备内部阻力损失通过估算约为30000 Pa，折合3 m H2O。

因此，循环泵需要扬程为10 m H2O，考虑20%富余量确定扬程12 m H2O。

循环泵循环流量按照2.49 m3/h计算，考虑20%的富余量确定流量为3.00 m3/h。根据流量、扬程参数，确定循环泵的最终型号为 PH-254E，流量3.50 m3/h，扬程12.5 m H2O，电机功率250 W，接口管径40 mm。

3.3 循环清洗系统的组成及循环流程

系统组成:散热器、连接管路、除污设备、循环泵，浮子流量计，相关阀件(见图1)。

图1 散热器循环清洗设备示意图

循环流程:循环水泵 循环加压 通过管路输送 散热器携带杂质通过管路输送 除污设备 杂质沉积 澄清通过管路输送 循环水泵。

浮子流量计:用于测量系统内实时水流量。

3.4 散热器循环冲洗操作程序

1)将室内采暖管路连接在冲洗系统上，系统充满水;

2)打开被冲洗散热器A进水阀门，关闭其他散热器(BC…)进水阀门;

3)启动循环泵，调节阀门，使浮子流量计显示流量始终保持在 3.00 m3/h(50 L/min)以上;

4)循环10 min，预计散热器A内杂质全部被带进除污设备中，充分沉淀，打开散热器B进水阀门，关闭散热器A进水阀门，对散热器B进行循环冲洗;

5)以此类推将室内系统散热器全部冲洗完毕。

4 散热器循环清洗系统应用效果

散热器清洗设备制造完成后，在包头市青10街坊供暖分户改造系统中得到应用。通过散热器循环清洗，除污设备中沉淀了大量的粘泥和锈皮，打开被冲洗的散热器后，散热器内十分干净，无明显杂物，同时由于循环过程中系统处于满水状态，系统内压力率高于分户改造试验压力，可与系统试压同步进行。并且在散热器冲洗完毕后，关闭分户阀门，使户内散热器系统水封闭在系统内，节约了供热用水。

［1］周谟仁.流体力学——泵与风机［M］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

［2］张永振.热力管网冲洗流速的探讨［J］.区域供热，1995(2)：17-18.