热水供热系统中空泡的形成和溃灭

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．求得的，例如：分布在整个液体中自由汽泡的总量；作为压力和时间函数的空气释出率等等。这些都给问题的研究带来很大困难、涉及到水、汽两相流的问题，因此变得更为复杂．本文只是从"宏观的"观点来分析问题，而不是把注意力集中在两相流的气泡动力学上．

1．模型的基本假设

当供热管道中出现空泡时，认为空泡使水柱分离，而在压力升高时，被分离的水柱再度拟合，互相撞击．形成压力急剧上升．水柱分离及再度拟合现象的物理模型，基于以下假定：

（1）初始定常态没有自由空气或其它气体；

（2）瞬变期间没有气体释出，波速保持不变；

（3）水柱在分离后，两水柱的截面与管轴线是垂直的，两水柱之间的空穴充满蒸汽、其力等于水的汽化压力；

（4）水柱分离发生在管道分段的计算截面上．

2．模型的数学处理

在供热系统中流体管路的轴向长度远大于横向长度，其轴向流动速度远大于其横向流动速度，因而可以略去横向流动速度分量，认为所有流动参数是沿管路横截面求平均值；液体流动用于一元流动，计算截面之间的流体遵循常规的连续方程和运动方程

(2)

(3)

式中：H-一侧压管水头，（mH20）；

t-一时间，（s）

D-一管内径，（m）；

X-一计算点距起始点的坐标距离，（m）；

f-一管道沿程磨擦阻力系数；

v-一速度，（m／s）

对于无空泡液体的流动，利用矩形网络及其定解条件就可以进行计算，因为在计算截面上压头和流量都是单值的．但是对于有空泡的流动，尽管可以认为截面处的压力是单值的，但是出入截面的流量必定有差别，因此当截面处出现空泡时，须对这个截面作新的内部边界条件处理．截面积的变化应满足连续方程：

(4)

式中：Qu--一流人截面的流量，

Q--一流出截面的流量。

V--一空泡的体积．

图1在管道中i截面出现空泡图示

出现空泡的内部边界条件是建立在规定时间间隔法的网格处

理基础上．如图1所示，认为i截面是集中空泡的的截面。其内部

边界条件如下；

（1）取ICi＝l，i截面有空泡；

（2）取Hpi＝Zi－H＋HV

其中：ZI--i截面的位置水头，

H-一当地大气压头，

Ｈv-一绝对蒸汽压头；

〔3）计算△t内流人截面i的流量Opui以及流出截面的流量Qpl;

（4）计算空泡体积

只要空泡体积是正的，则截面i处的压力保持为蒸汽压力

差VCAVi．＜0，那么边界条件变为：

（1）取ICi=0，i截面无空泡；

（2）取VACVi＝0，空泡体积为零；

（3）计算Hpi＝0．5（Cm＋Cp）

其中

（4）按正常瞬变流动计算。

五、计算结果

本文以一个实际供热工程为例进行了计算：某回水加压泵站装备了6台型号完全相同的水泵，并联连结，其中4台运行，2台备用，泵站使用20SE－13型水泵，回水管道中水温70℃，管道的绝对粗糙度K=0．0005m，计算目的是求：加压泵站事故停转，即断电工况时，在回水管线上位置最高点的压力变化情况。该点管径1200毫米，初始流量2016吨／小时，初始压力为15米水柱．

图2是计算点压力随时间的变化曲线，图3是该点回水管中空泡（气穴）体积随时间变化曲线。结果表明，加压泵站发生事故时，空泡不可避免的在回水管中位置最高点产生，回水管线中会出现-7米水柱的负压，要使系统安全运行，必须保证管道能承受-7米水柱的负压而不被压瘪、破裂．从图3看出，空泡的体积大约为3．3立方米，空泡破裂非常供，压力瞬间增加仅仅大约为7米水柱。

图2计算点压力--时间曲线图

图3气穴体积--时间曲线

本文的计算结果符合水锤事故分析的物理意义，与委托国外某公司计算结果十分吻合，表明本文的计算方法是分析热水供热系统中空泡形成和溃灭及其影响程度的一种有效方法．

六．结论