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一种新型的机械式热能表
李世武
（西北工业大学动力与能源学院西安 710072）
摘要：现有机械式热能表存在着堵塞问题、磨损问题、测量不稳定问题、结垢问题、压损较大问题、安装受限的问题，这些问题严重制约着它的使用性。针对这些问题，提出了解决的思路和途径，形成了全新概念的机械式热能表的SST技术。由SST技术的设计理念和技术特征，成功研制了SST技术的机械式热能表。与现有国内外机械式热能表相比，实践验证了，SST技术的热能表具有：防堵塞、抗磨损、防结垢、低压损、稳定性高、精度高和多方位灵活安装的卓越性能。
关键词：采暖热计量、热能表、防堵塞、抗磨损、SST技术。
The mechanical flow meter heat meters of SST technology
LI Shi-wu
( 1 Northwestern Polytechnical University. Xian 710072, China ）
Abstract: This article had designed the SST technology mechanical flow meter of the symmetry design., aransverse axle impeller set,transverse axle impeller set. By analysis to the SST technology heat meters, specially the performance experiment, the authentication examination and the actual use of the heat measurement ,had indicated the SST technology mechanical heat meters can overcome the questions of single current, multi-current mechanical flowmeter exists with stopping up, attrition, the current capacity signal is easy to malfunction . And this heat meters has remarkable performance with guarding against stopping up, the anti- attrition, guarding against the scaling, the low pressure damages, the high stability and precision, and Multi- positions nimble installment.
Key words: heat meters; mechanical flow meter; SST technology
引言
目前我国采暖能耗已占全国商品能源总消耗的 10％以上，单位建筑面积采暖能耗为相同气候条件下发达国家的三倍，这不仅造成了能源的浪费，同时也加剧了城市的大气环境污染。因此，实施采暖建筑热计量和温控，是一项利国利民且很有成效的节能环保措施，它可使采暖节能 20－30％[1－4]。进行采暖建筑热计量的仪表称为热能表，热能表主要有三种，分别为电磁式、超声波式和机械式热能表。机械式热能表与电磁式热能表和超声波热能表相比，因有转动部件即流量计叶轮，人们认为其使用寿命和测量精度相对低些，但是，科学合理设计出的机械式热能表，它的使用寿命和测量精度不比电磁式热能表和超声波热能表低，而且机械式热能表本身的优点避免了电磁式热能表的缺点即计量耗电量大和对水流导电率有要求、避免了超声波热能表的缺点即测量腔体的污垢或结垢对测量精度影响大，特别是机械式热能表的造价远低于电磁式热能表和超声波式热能表的这一突出优势，更适合作为我国采暖建筑热计量的主流热能表。然而，现有国内外的机械式热能表，受流量计本身结构所限，特别是受我国受采暖水质所限，存在着许多问题，这些问题对它的实际应用影响很大，针对这些问题，本文研究其解决的方法以及该方法的实用性。
1 现有机械式热能表存在的问题
1.1 堵塞问题
我国采暖水质洁净度不高，表现为水中含有较多的杂质。水中杂质的来源主要有两个方面：一是我国室内外采暖系统的氧化与锈蚀产生的锈渣，二是采暖系
统施工后的残留杂物。在户用热能表前加装过滤器后，那些细小杂质未能被过滤器过滤掉而进入热能表，细小杂质会淤积在流量计叶轮的轴孔内，或会卡在叶轮与流量计的腔体之间，造成叶轮转动困难，测量精度迅速下降，并会堵塞热能表。
1.2 磨损问题
现有机械式热能表的流量计，主要为单流束和多流束两种，它们都采用了两段式独立的立轴结构。立轴底端固定，立轴头端插入轴碗中，叶轮在水的浮力下使轴与轴碗形成点接触。这样的两段式独立的立轴结构，在高温水大流量高转速下，点接触的磨损较大，当采暖水中细小杂质进入立轴与轴碗的间隙时，加剧了轴与轴套的磨损。
1.3 测量不稳定问题
随着轴与轴碗之间的磨损，叶轮的上下串动和左右摆动的幅度加剧，这样就使设置在叶轮上的无磁流量传感器的感应片摆动加剧，造成感应片与电感探头的间距变化，很容易导致无磁流量传感器的部分检测信号丢失，测量不稳定现象发生，并导致测量精度下降。
1.4 结垢问题
经对采暖计量使用过程中的热能表检查，发现采暖水中的化学物质，在高温水中容易产生水垢。水垢的发生和发展，逐渐使热能表流动不畅、压力损失大、测量精度下降、甚至阻塞热能表。因热能表流量计内流道弯曲复杂，存在着多处阻水结构，在阻水结构的滞流和缓流表面，更容易形生水垢。因多流束热能表比单流束热能表其流道更复杂些、阻水结构更多些，形生水垢的程度也就更重些。
1.5 压损较大问题
现有单流束热能表的侧弯流道，以及多流束热能表分流的弯曲通道，这些改变流体流动矢量的非流畅流道造成了压力损失较大。压损大不仅导致了采暖系统动力消耗的额外增大，而且也相应加大了机械式热能表的磨损。
1.6 安装受限问题
现有热能表都是单向安装的，即严格规定了热能表的进水口，而且大部分热能表还规定只能水平方向安装。由于采暖建筑是多样的，热能表的安装现场也是复杂多样的，采暖计量工程期望热能表能不受进出口限制、能水平、垂直、倾斜、多方位的灵活安装。
在上述问题中，对采暖计量的热能表而言，堵塞问题是热能表的致命问题，这个问题不解决，热能表就没有可用性；磨损问题、测量不稳定问题和结垢问题，关系着热能表的可靠性和使用寿命，这个问题不解决，热能表就没有实用性；压损较大问题，关系着采暖系统运行的经济性和热能表的耐久性，是热能表性能的重要方面；安装受限问题，关系着热能表的安装性和维护性，是高质量产品的重要标志。然而，现有国内外机械式热能表，受其设计理念和结构的限制，仅在其原结构上做改进，是不能解决上述问题的，所以必须另辟新径，从原理和结构上进行全面创新，才能从根本上解决上述问题。
2 解决上述问题的途径与 SST 技术原理
2.1 解决堵塞问题的途径
热能表存在堵塞问题的原因，在于采暖水中的杂质须通过热能表。解决这一问题的途径，就是使热能表能自身适应采暖水中的细小杂质，并能自动排出这些杂质。为此，在热能表的测量腔体中同时设置排污通道和计量通道，使热能表既能排污，也能测量流体的流量，让测量与排污同体完成。测量与排污的同体结构，是新型机械式热能表的防堵塞特征。
2.2 解决磨损问题的途径
热能表存在磨损问题的原因，在于现有机械式热能表都采用两段式独立的立轴结构，这种轴与轴碗的点接触，虽然可以提高热能表的灵敏性，但抗磨损性差。解决这一问题的途径，就是采用单根整体轴及相匹配的自润滑面接触轴系，这样就能大大地减小轴与轴套之间的磨损。
2.3 解决测量不稳定问题的途径
热能表存在测量不稳定问题的原因，在于轴与轴碗形成的点接触很容易磨损，从而造成固定在轴上的叶轮，上下串动和左右摆动的幅度加剧，导致了测量不稳定和测量精度下降。解决这一问题的途径，就是固定轴碗或者轴套的定位、保持轴与轴套之间的微小间隙，这一间隙要小于杂质直径，并保持这一间隙不随转动时间变化。这样，既能杜绝水中杂质侵入轴间中，又能保持转动的叶轮平面持久稳定，无磁流量传感器的感应片与电感探头之间的间距维持在可探测的范围
内，使测定稳定。
2.4 解决结垢问题的途径
热能表存在结垢问题的原因，在于采暖高温水中的化学物质，易在流道弯曲复杂、阻水结构的滞流表面上形生水垢。解决这一问题的途径，就是减少和消除弯曲流道，减少和消除阻水结构，采取直通式流道，保持计量流道宽敞，这样就能使流体在热能表中通畅流动，有效减少和消除热能表中的结垢现象。
2.5 解决压损较大问题的途径
热能表存在压损较大问题的原因，在于机械式热能表中的侧弯流道，或者分流的弯曲通道，这些改变流体流动矢量的非流畅流道造成了压力损失较大。解决这一问题的途径，就是在能够保证测量灵敏度和精度前提下，使热能表测量腔体的流道宽敞，并与热能表进出管优化配置成畅流通道，这样就能有效地减小热能表的压力损失。
2.6 解决安装受限问题的途径
热能表存在安装受限问题的原因，在于机械式热能表中的立轴结构，在热能表内只能是垂直定向布置，况且电磁式热能表、超声波热能表以及现有机械式热能表，都难于或不能实现对称结构，这样就表现为需要区分热能表的进、出水口，还需水平安装才能保持测量精度。解决热能表安装受限问题的途径，就需要取消热能表的立轴结构，并使流量计与热能表进出水管组成全对称结构。
综上所述，针对现有机械式热能表存在的问题，提出了改进的思路与途径，这些思路与途径，就形成了新型机械式热能表的设计理念和特色。
3 SST 技术的机械式热能表及特征
为了克服现有机械式热能表存在的堵塞问题、磨损问题、测量不稳定问题、结垢问题、压损较大问题和安装受限问题，分析了这些问题的成因，由此提出了改进的思路与途径，并形成了新型机械式热能表，这一新型机械式热能表以SST技术的设计理念和技术特征来表征。
3.1 SST 技术的设计理念
SST技术的设计理念，就是以热能表防堵塞为目标，在热能表的测量腔体中采取测量与排污同体结构，实现测量与排污同步完成。
3.2 SST 技术的机械式热能表的特征
在SST技术的设计理念指导下，研制了SST技术的机械式热能表，其特征为：
(1) SST 技术特征之一：对称结构
对称结构 （S — Symmetry Configuration），就是使流量计与热能表进出水管组成全对称结构。该设计方案为：不区分热能表的进水管和出水管，其中一个进水管根据现场状况选作进水管，而另外一个进水管就自动变成了出水管，见图1。在两个进水管之间的叶轮腔中安置着叶轮，在进水管与叶轮腔之间的过渡段，设计为向下的收缩型导水喷管。两个进水管和两个收缩型导水喷管以同样的形状和尺寸，对称分布在叶轮腔的两边。
在对称结构下，SST技术的机械式热能表就具有了多方位灵活安装的特点。
(2) SST 技术特征之二：直通式进出水管
直通式进出水管 （S — Straight Routeway Tube），就是流量计的进出水管路与叶轮腔体形成直接的流畅通路，其结构见图1。
在对称设计与直通式进出水管的匹配下，SST技术的机械式热能表就具有了防堵塞、抗磨损、防结垢、低压损的特点。
图 1 SST 技术的三项特征：对称结构、直通式进出水管和独立横轴叶轮系统
 
图 2 SST 技术的机械式流量计 图3 SST 技术的机械式热能表
(3) SST 技术特征之三：独立横轴叶轮系统
独立横轴叶轮系统(T —— Transverse Axle Impeller Set),就是将单根叶轮轴、叶片组、定位环、发讯感应片组成横向优化配置。由图 1 可见，其结构为：叶轮由叶片组、轮毂、轴套、叶轮轴组成，叶片组固定在轮毂上，轮毂固定在轴套上，单根叶轮轴贯穿轴套并与轴套成活动连接。发讯感应片镶嵌在叶片上，叶轮之外的叶轮轴上还安装着定位环，叶轮轴的两端固定在叶轮腔的两侧壁内，与水流成横向设置。叶轮与叶轮腔底部之间留有一定的间隙，该间隙与直通式进出水管组成防堵塞排污通道。
在独立横轴叶轮系统设计下，SST机械式热能表就具有了防堵塞、抗磨损、防结垢、低压损、稳定性高、精度高的特点。
3.3 SST 技术的机械式热能表的特点
由SST技术的设计理念，采用对称结构、直通式进出水管和独立横轴叶轮系统这三项技术，并将其有机地融合起来，已成功研制和生产出了SST技术的机械式热能表，见图2和图3。经过国家级计量监督局的检验，已认证为高精度的国家标准二级热能表(我国还没有一级热能表，最高精度的热能表即为二级热能表)。经过一年多的实验室验证，经过大流量高温水耐久性实验台的长期考验，经过一个采暖期的住宅采暖计量使用，这些实践表明：与现有国内外机械式热能表相比，SST技术的机械式热能表具有：防堵塞、抗磨损、防结垢、低压损、稳定性高、精度高和多方位灵活安装的卓越性能。
4 结论
(1) 现有技术的机械式热能表，存在着堵塞问题、磨损问题、测量不稳定问题、结垢问题、压损较大问题、安装受限的问题。
(2) 热能表的堵塞问题是热能表的致命问题，这个问题不解决，热能表就没有可用性；磨损问题、测量不稳定问题和结垢问题，关系着热能表的可靠性和使用寿命，这个问题不解决，热能表就没有实用性；压损较大问题，关系着采暖系统的运行经济性和热能表的耐久性，是热能表性能的重要方面；安装受限问题，关系着热能表的安装性和维护性，是高质量产品的重要标志。
(3) SST技术的设计理念，就是以热能表防堵塞为目标，在热能表的测量腔体中采取测量与排污的同体结构，实现测量与排污同步完成。
(4) SST技术特征主要为三项：对称结构、直通式进出水管和独立横轴叶轮系统。
(5)与现有国内外机械式热能表相比，实践验证了，SST 技术的热能表具有：防堵塞、抗磨损、防结垢、低压损、稳定性高、精度高和多方位灵活安装的卓越性能。
参考文献
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