供暖系统中空气的存在及排除

1、供暖系统中空气的存在及排除简介水暖系统安静舒适运行的前提是没有空气的存在。如果不是这样, 系统将会出现从管路经常的汩汩水声到完全损失热量的各类大大小小的问题。空气的问题往往令人困惑。当问题好像得到解决时又重新出现了，许多业主和安装人员最终只能放弃，认为这是无法完成的使命。安装人员则暗自祈祷下一次不会再出现这些神秘的问题。这个病根没有得到诊断、治疗及将来的预防均源于对它缺乏足够的认识。从某一角度来说，每一个水暖系统内都充满了水和空气，尤其是系统初次注水和运行时。如果系统的设计得当，封闭式循环的水暖系统的大部分空气经过几天的运行后就能排除，系统在其运行寿命期内将不会有空气存在。长期受到截留空气困扰

2、的系统通常是由一个或多个典型设计及安装的错误造成的。本章节介绍空气如何进入系统，其在系统中的表现，最重要的是如何将其排除。截留空气带来的问题尽管人们能认识到系统中空气的存在（如管道中汩汩的水声），但他们通常不知道截留空气会带来以下这些危害：l 造成系统中钢铁等金属部件与空气的化学氧化作用，加速这些部件的腐蚀。空气长期截留的系统其腐蚀速度为正常系统的好几倍。l 由于截留空气包而造成散热末端或整个系统的热负荷损失。这通常被称为集合空气。它以多种方式出现。最常见的是水泵里螺旋舱的水被其取代,而阻止了水泵使系统水正常循环。另一个可能则是系统顶端的管道部分充满了空气包，水泵不能将水送过顶部跨越管道。l

3、水泵水头减小。由于水和空气的混合体可以被压缩，水泵则无法将机械能有效地传送给水。这样会极大的减小系统的热量输出。l 湿转子水泵的屏蔽套的润滑不够。因为水和空气的混合体造成水泵内部的溶液成泡沫状，屏蔽套需要的水膜润滑作用不能达到。湿转子水泵完全依赖这层润滑膜，如果没有的话水泵很快会被损坏。l 热载体的热能输送损失。热载体内部的气泡阻止了热对流，这会降低热能的输送率。同时热源内部的热交换装置内的空气也可能导致过热温度点的出现，使热交换受阻并可能最终将它损坏。截留空气的存在形式在水暖系统中，空气以如下三种形式存在：l 静止的空气袋l 夹杂的空气泡l 溶解于水的空气这三种形式的空气可能同时存在于系统中

4、，尤其是在系统初始运行时。每一种形式的空气在系统中表现都不一样。静止的空气袋由于空气轻于水, 因此它会朝系统的高位点上升。这些位置并不完全是系统的顶端。即便是在低层的散热末端，其上部仍然可能形成静止的空气袋。在水平管道拐弯向下前的水平段同样会形成静止的空气袋。一个比较典型的例子是管道升高跨越建筑横梁然后回复到水平面的情况，如图1所示。 图1 图2当系统开始注水时，这些高位点都是空气存在的死角。有时，因为这些滞留的空气取代了好几升水，将来还需要再次将水注入系统中。即便系统刚开始进行了清洗，残余的空气泡仍会聚积在一起并上升到高点。这点在低流速的设备上尤其容易出现，因为流速过低而不能将空气推动或带走

5、。比如大的散热器，大管径的管道及储水罐等, (见图2)。夹杂的空气泡当空气以气泡形式存在时，系统中的水能带走（夹杂）这些气泡。夹杂的气泡既有好处又有坏处。好处在于能将系统远端的空气输送到排气装置；然而其坏处则是空气有可能无法在排气装置里得到分离。水流夹杂空气的程度取决于它带动自然上升的气泡向下的能力。简单地说，如果水流向下的速度高于气泡上升的速度，它就能延水流方向带走气泡。如图3所示，在向下流动的管道内，水流速度高于气泡上升速度是带走气泡的关键。（从左到右， 1，气泡在静止的水中上升，大气泡上升速度更快； 2，水流向下速度慢，气泡仍然上升； 3，如果水流平均流速够高，气泡向下流动。）图3 图4

6、气泡上升的速度由气泡的直径和密度，以及周围水的密度和粘度决定。气泡直径越大上升速度越快。周围水的粘度越大，气泡密度越小气泡上升速度越慢。在这些因素中，气泡的直径起决定作用，直径小一半的气泡的上升速度大约只有正常直径的1/4”。从一个玻璃杯的碳酸饮料里便可以看见气泡上升的速度的不同。水暖系统中一种常有的气泡称为微泡。 由于他们小, 所以很难看见。稠密的微泡群让清澈的水略显浑浊。如图4所示，从带过滤网的水龙头里放到玻璃杯的水上部有微泡群存在。当系统水加热时，分解的空气也会形成微泡；或者在某个造成涡流的元件处也会产生微泡。由于他们的流速低，所以很容易就被水流带走。这个特征使分离水中的微泡相对困难。分

7、离微泡需要水流经过一个流速低的区域，这样它才能有足够的时间上升并形成大的气泡。遗憾的是很多水暖系统的空气分离装置并不能提供足够低的流速使微泡有效地隔离。直径较大的气泡上升速度快得到排除，而相对小很多的微泡未被分离就被水流带走。有时是因为空气分离器设计的问题，有时是因为流经空气分离器的速度太快。溶解于水中的空气可能最难理解的是水暖系统中空气以溶解空气存在的形式。构成空气的分子包括氧和氮能与水分子相溶共处。这些分子即便在显微镜下也看不见。表面上看来清澈的无气泡的水同样可能包含大量的溶解的空气。溶解于水中的空气量取决于水的温度和压力。图5表明在不同温度和绝对压力的情况下溶解于水中的空气的最大含量。从

8、图中可以看出，水温升高时，水中溶解的空气量降低。比如在绝对压力2公斤的情况下，将水从20加热到80，水中溶解的空气量由35升下降到了17升。这就解释了为什么烧热的一壶水表面上聚集水泡，也同样解释了锅炉燃烧室外壁微泡的出现（见图6,7）。反之，当水温冷却时它会重新将空气溶解。水压同样也是溶解空气的一大因素。水压降低其溶解的空气量也降低，反之亦然（参考图5）。比如，打开苏打水瓶盖后二氧化碳气泡立刻出现， 这是因为打开瓶盖后水压降低，气体溶解量迅速下降并释放出来使气泡马上出现。多层建筑上端由于压力低也就更多气泡出现，而系统底部的静压相对更高，则会将更多的空气吸收在水里。图5 图6 图7水不断的吸收和

9、释放空气的能力会以多种或好或劣的形式影响系统。对于去除系统内不易达到的高点（如没有安装排气阀的地方）的静止空气袋，将其吸收溶解输送回空气分离装置，这时候水吸收空气的能力是一大优点；而在水气融合式的膨胀罐系统中，水吸收了用于膨胀的空气量则是一个坏处。减少系统水包含的空气量是优化系统的目标。达到这个目的需要通过创造一些条件来鼓励空气从水中分解（即高温低压），并且使气体聚积起来最后排除到系统之外。在后面的章节里会专门介绍排除溶解的空气的装置。排气装置水暖系统中的排气装置可分为高位排气阀和集中空气分离装置两种。高位排气阀安装在系统的多个高位点用于排除静止的空气袋，比如立管顶部，散热器上端，分水器，或跨

10、越管的向下拐弯处。高位排气阀对于系统初次注水排气尤为重要。集中空气分离装置用于排除水中夹杂的空气，将系统水的含气量尽量降到最低。它通常安装在热源的出水端，所有系统的水流都经过空气分离装置。以下分别介绍几种具体的高位排气阀和集中空气分离装置产品。手动排气阀高位排气阀中最简单的就是手动排气阀。手动排气阀通常是金属-金属密封的小阀门,通过手柄、一字改锥或四角钥匙拧开阀门内部的螺钉, 气体从阀门侧面的一个小孔排出。手动排气阀通常安装在散热器的上侧，由于其体积及进气口小，所以在安装时候需要注意不要让密封材料堵住了进气口。手动排气阀排完气体后系统水会从排气口流出，所以需要在排气时有人监视，并且准备好盛水的

11、容器，以免排出的水弄湿弄赃地板。由于安装时将排气孔方向冲下很难，所以建议使用排气口方向可调节的阀门。见图8图8 图9 图10手/自动排气阀另外一种小的高位排气阀可以手/自动互换使用，见图9 。当阀芯完全拧紧时空气通过阀芯中吸湿纸片的缝隙排出，空气排出后系统水接触吸湿纸片，后者马上膨胀关闭排气缝隙；当空气再次聚积水位下降后纸片又恢复干燥状态重新排气。将阀芯稍微拧松时，空气则通过排气阀侧面的排气口排出，与手动排气阀的功能一样。由于纸片反复于干湿状态，其老化程度加强，因此需要定期更换阀芯（一般使用期为2年）；将阀芯拧走时系统水不会泄漏，因为阀门内部有个很小的止回装置。(见图10)浮球式自动排气阀在系

12、统不容易维修检测的地方需要安装自动排除气体的高位排气阀。浮球式自动排气阀就是很好的解决办法。如图11所示，当阀体内气泡聚积量增大时，浮球随水位下降带动阀杆打开排气活塞排出气体；气体排尽后水位上升，浮球随之上升关闭排气活塞。图11 图12 图13 图14 图15 图16自动排气阀排气口的排气帽防止外界杂质堵塞排气口，安装好自动排气阀后需要稍微拧松排气帽才能排气。为了防止万一出现的排气口泄水现象发生（比如系统水质太赃），可以选装吸湿排气帽起到安全保护的作用，见图12吸湿安全排气帽。自动排气阀的尺寸，形状，口径较多。分别适合于立管顶端、分水器末端等（见图13）；散热器上侧（见图14）；对于气体量大的

13、部位则需要安装大排气量排气阀（见图15）。当自动排气阀安装的位置出现负压时，比如出现膨胀罐安装在水泵输出口等设计或安装的错误时，空气会通过自动排气阀的排气口进入系统。这种情况下应该首先改正系统的错误，同时在自动排气阀排气口上安装抗吸气排气帽，（见图16）。空气分离装置集中空气分离装置的一种常见产品被称为空气清洗器或空气分离器。它的壳体是铸铁材料，分离器内部有空气挡板（见图17a），档板使水流速度降低，能将气泡中的空气分离到上部与自动排气阀连接的地方，然后通过自动排气阀排除。空气分离器上标明了水流的方向，同时还提供了很多接口用于连接膨胀罐，安全阀及压力表/温度表等。为了使分离器更有效工作，经过分

14、离器的水流速度不能超过1.2米/每秒。如果速度太快，小气泡会被水流带走（见图17b）。空气分离器最理想的位置是安装在热源的出口，在水泵吸入口前12倍管径的距离。这样能让高温水以相对更低的流速进入分离器，使溶解于水中的空气更易被分离。如果补水从分离器下部接口进入系统，注入系统的气泡更容易上升到空气分离器顶部被排除。参考空气分离器安装图（见图18）。 图17 图18微泡排气阀正如前面章节提到的一样，微泡的直径很小，大约在0.02-0.1毫米之间，所以肉眼很难看见，微泡在水暖系统中通常分为两种：锅炉微泡和涡空微泡。锅炉微泡产生于与锅炉燃烧室外壁接触的地方，（见图7）。涡空微泡产生于水泵高速运转的叶轮

15、或调节阀门比如平衡阀，温控阀的阀座流速较高的部位（见图19）。 图19 图20涡空现象所产生的微泡不仅会带来管道噪音、氧化腐蚀、局部不热或过热的问题，严重的还会导致水泵叶轮或调节阀门的阀杆损坏。有关水泵气蚀现象发生的详细情况请参考水泵气蚀一节。微泡排气阀在欧美市场最近几年才投入使用，但它优越的排除系统空气的性能得到了广泛的认可。其内部的网状结构形成了一个压力缩减的区域，减小的压力有助于空气以微泡的形式从水中分离出来，微泡沿网状结构上升到上部并积聚成体积较大的气泡，通过上面的浮球式自动排气阀将空气排除。（见图20） 。微泡排气阀能将系统的水维持在空气含量非饱和状态。即系统的水能随时吸收系统内部多

16、余的空气然后把他们带回到微泡排气阀内重新进行分离排除。这种能连续吸收额外的空气的能力对于排除系统内各个无法安装排气阀的区域存在的静止空气袋非常有益。研究表明，微泡排气阀能有效将系统含气量减少到0.5%。这么小含量空气内的氧气量根本不会对系统造成腐蚀。流经微泡排气阀的流量应该低于1.2米/每秒以防止微泡被水流夹杂带走。水泵气蚀众所周知，水在一定的压力和温度下会达到沸点，在某一个温度点上施加于水的防止其沸腾的最低压力称为蒸气压力（见图21）。水在沸腾的过程中形成大量的蒸气袋。他们看起来像空气泡,但是不能将其与空气泡混淆。即便是完全分离了空气的水，只要它低于其水温对应的蒸气压力，蒸气袋就会马上出现。

17、这个过程通常被称为水闪变成蒸气。 图21 图22当水里面形成蒸气袋时，蒸气袋内部的密度低于周边液体的密度约1,500倍。这犹如一粒玉米膨胀到棒球大小的玉米花的倍数一样。如果液体的压力升高，高于蒸气压力的话，蒸气袋会马上在内部破碎，这个过程被称为内爆，它是爆炸的反义词。尽管这听起来不严重，但从微观的水平来看，蒸气袋内爆表现相当激烈。它激烈到能将其周边的物体撕裂，即便强硬的金属也不例外。对于一定温度下的水，只要其压力低于蒸气压力，涡空现象就会产生。在水暖系统中，涡空现象通常在半关闭的调节阀或水泵的转子内部产生。水进入水泵转子里面时，它的压力迅速降低。如果转子吸入口的压力低于蒸气压力，数以千计的蒸气

18、袋立即形成，蒸气袋通过转子带出，当其周边液体高于蒸气压力时，它马上产生内爆，这通常发生在转子出水端。通过图22可以看出压力变化带来的爆聚现象。爆聚会在水泵内产生涡流和噼啪声，这是典型的水泵转子气蚀现象。由于这种情况下的液体能部分压缩，所以水泵会出现明显的流量和水头损失。如果水泵继续以这种方式运行，转子会在短短几周内就被损坏。显然，要使系统长期稳定良好运行，就必须避免水泵气蚀现象的产生。图23展示了水泵转子气蚀受损的情况。 图23如何纠正系统长期存在的排气问题一个设计及安装得当的系统不需要经常性地手动排气。持续存在的空气噪音会引来客户不断的抱怨，它的根源在于一个或多个潜在的设计及安装的错误。这些

19、错误往往与表现出来的问题没有直接的关系，所以很难找出根源，尤其是对于缺乏经验的工程人员。以下是对一些常见问题的描述及解决的办法，实际运行的系统有可能是由多个症状并发引起的。潜在问题1：膨胀罐安装在水泵的输出口描述：如果膨胀罐安装在了水泵的输出口，系统某些位置的压力在水泵循环时可能低于大气压。在出现负压的区域如果安装有浮球式自动排气阀，每次水泵运行时，空气会通过自动排气阀被吸入系统，或者通过阀门及螺纹连接密封不严的地方进入系统。解决办法： 最好的解决办法是把膨胀罐重新安装在水泵吸入口。这个办法在很多系统上得到了验证。而核实膨胀罐的安装位置则是检验系统的首要步骤。潜在问题2：系统运行压力过低描述：

20、系统运行压力过低往往是由于补水系统设定有误造成。当初次注水完成后如果关闭了补水阀，由于系统运行排出气体或少量密封不严等问题造成系统压力降低，致使某些部位出现负压，这时空气就会进入系统，如问题1所描述的一样。解决办法： 最好的解决办法是使用可视调节型自动补水阀，将自动补水阀置于开启状态，并且保证补水阀设定的压力高于系统静压+水泵最高扬程0.5米以上。潜在问题3：浸水膨胀罐或膨胀罐容积过小描述：如果膨胀罐的气囊浸泡了，或膨胀罐设计太小，系统每次加热时由于水膨胀而从安全阀泄掉，这样会造成不断的含有大量气体的新鲜水补入系统中带进空气。解决办法： 如果是隔膜式膨胀罐的气囊浸泡了，打开气囊部分的补气口就会有水流出，这说明膨胀罐的隔膜穿孔了。唯一的解决办法就是更换膨胀罐。如果是膨胀罐设计的容积过小，则需要重新计算膨胀水量，添加或更换膨胀罐。潜在问题4：空气不断地经过水吸收和释放却不能排除描述：空气可能由微泡形式的溶液中分解出来，没有得到聚积和排除又被重新吸收回到系统中。普通的空气分离器，尤其是在流速较快的情况下，很难排除系统中含气的微泡。解决办法： 需要安装专门的微泡排气阀收集及排除系统中溶解的空气。潜在问题5：没有安装高位排气阀描述：系统中较高的位置如果没有安装手动或自动的排气阀，很容易积聚静止的空气袋。如果系