热水供热系统中空泡的形成和溃灭

摘要：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．

关键词 ：热水供热系统 空泡溃灭 水锤

中图分类号：TU833文献标识码： A

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水系统中要严重得多，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：

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，有很多数据通常是很难准确求得的，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：

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：

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，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

1供热系统中，由于水温比较高，空泡的形成和溃灭是不可避免的，由此带来的问题比在一般的输水系统中要严重得多，是一个不容忽视的问题．

2．本文提供的方法和计算结果可以用来分析热水系统中空泡形成和溃灭的情况，分析系统的动态变化情况，为完善供热系统设计、制定系统操作运行规程提供科学依据．

参考文献

1.《瞬变交流》，清华大学流体传动与控制教研组译．水利电力出版社1983

2．M・H・Chaudy:AppliedHydraulictransients,N.Y.NanNosterandReinhold,1979

3.[日]秋元德三，支培法译：《水击与压力脉动》，电力工业出版社，1981

4．J.A．福克斯，陈祖泽译：《管网中不稳定流动水力分析》，石油工业出版社，1983