技术交流丨供热系统基础知识 第二讲 流体及其特性（一）

第二部分：流体及其特性（一）

供热系统离不开流体：热媒水、燃气、参与燃烧的空气、燃烧生成的烟气等都是流体。要深入了解供热系统，就必须要了解流体及其特性。

通常，民用供暖系统中的热媒为水。热媒水需要不断地在热源和散热设备之间循环，将在热源处吸收的热量带给散热设备，散热设备将热量散至需要供暖的房间。

也就是说，对于供暖系统来说，要使系统能够为房间供暖，

光有热媒不成，还必须让热媒流动起来，并形成循环。

那么，问题来了：

01

怎样使热媒水流动起来？其动力来源有几种？

02

供暖系统按照循环动力来源分为：机械循环系统和自然循环系统。什么样的系统是机械循环系统？自然循环系统又是怎么回事儿？

03

热媒水在流动的过程中温度会升高、降低，相应的压力也会发生变化，同时，热媒水流经位置的高度也不一定相同，热媒水中还溶解有少量的空气、并含有一些杂质。也就是说，热媒水在流动过程中其压力、温度、内容物等都是变化的，那么怎样才能保证热媒水安全、稳定地运行呢？

那，怎么才叫深入的了解？

热力学奠基人之一——开尔文勋爵说的好：“如果一个事物没有办法以数目表示出来，那么，我们对它所知甚少。”

好，现在，我们就来对流体作一个较为深入的了解。

一、流体的压力

在工程问题中，很多时候要知道的通常不是力的实际大小而是单位面积上力的大小，即：压强。

例如，安装大型商用锅炉时，就需要核实安装地面是否能承受锅炉地脚处的压强。

但是，对流体而言，很少会使用“压强”这个词，而是直接使用“压力”来表示单位面积上受到的力，所以流体压力的单位为Pa。
1、压力的方向

从不同的方向按压固体，固体只把力沿其受力方向传递。如下图。

与固体不同，流体则会将压力传向各个方向，如下图所示。

液体不仅对下方有压力，对侧面也有压力。也就是说，流体可以将压力向各个方向传递。
2、压力的大小
2.1液体压力的大小

液体的压力大小只与液柱的高度以及液体的密度有关，而与液体的体积和形状无关。

上面左图显示：越靠下的孔液体喷的越远。

这说明液体压力与液柱的高度有关，液柱越高，压力越大。

液体的压力公式为：P=ρgH  

其中，

ρ——液体的密度，单位kg/m³；

g——重力加速度，在地球上其值约为9.8N/kg；

H——液柱的高度，单位为m

依据该公式，可以计算出供热系统各管路和设备实际承受的水静压力。

那么，10米高水柱的静压力是多大？（水的密度按1000kg/m³计）：

P=1000kg/m³×9.8N/kg×10m=98000N/m²≈100000Pa=0.1MPa
2.2大气压

由于人类的活动范围大部分都处于地球大气的包围之中，所以人类的一切活动都会受到大气压力的影响。通俗地讲，地球表面上的任何物体每时每刻都承受着大气压力。

大气压不是固定不变的，它受海拔高度（大气层厚度）、温度、以及湿度等因素影响。

为了比较大气压的大小，在1954年第十届国际计量大会上，科学家对大气压规定了一个“标准”：在纬度45°的海平面上，当温度为0℃时，760毫米高水银柱产生的压强叫做标准大气压。

1个标准大气压力为101325Pa。

而上面我们计算过，10米高水柱的压力为98000N/m²

可以看出：98000N/m²≈100000Pa≈1个标准大气压=101325Pa

故，可以粗略认为：1个标准大气压大约相当于10米高水柱。

二、流动来源于压力差

怎样使热媒水流动呢？

要使水流动必须有压力差！

大部分学员可能会说“加泵”，无疑水泵可以让水流动。但是只有弄懂不加泵的情况下，热媒水循环的原理，才算是对流动有了深刻的理解。

供热系统分为两种：机械循环系统和自然循环系统。

机械循环系统就是通过水泵的运转让热媒水循环流动的系统，而自然循环系统是没有水泵的供暖系统，那，没有水泵，怎么才能使水流动起来呢？

下图为自然循环系统的示意图。

图中：1为锅炉，2为散热器，3为膨胀水箱

热媒水在锅炉中被加热，此时由于温度升高，其密度下降。

为简化起见，假设从锅炉出来的水在进入散热器之前其温度不变，均为T1，对应的密度为ρs；

经散热器散热后，水温下降为T2，对应的密度变为ρr，该温度一直维持到再次进入锅炉之前。

图中管路A-A截面处的热媒水受到的来自两根管路的水压力分别为：

P2=ρsg*(h1+h)+ρrg*h0

P1=ρrg*(h1+h0)+ρsg*h

由于从散热器出来的水相较锅炉供水温度低、密度大，就在热媒水A-A截面处就产生了一个向左的压力差

∆P=P2-P1=(ρr-ρs)g*h1

正是由于存在这个密度差和高度差共同产生的压力差，才使热媒水流动起来。

要使水流动得快，就需要较大的压差，而较大的压差意味着较大的密度差和高度差。

从上式可以看出：要增加系统水的流动性，需要加大锅炉与散热器之间的高差，或者升高锅炉的出水温度并降低散热后的水温。

三、供热系统热媒水的特性

热媒水通常采用市政管网水，除具有以上流体的特性外，还具有以下区别于其它流体的特性：

在标准大气压力下，水在0℃结冰、4℃时密度最大，4℃以上随着温度的升高，密度减小，4℃以下，随着温度的降低，密度减小。温度与密度的对应关系如下表所示：

水在100℃沸腾，压力升高时，沸点升高，压力降低时，沸点降低。

随着海拔高度升高，大气压力降低，水的汽化温度（沸点）也降低了。比如在西藏等高海拔地区，由于大气压较低，水烧到七八十度就沸腾了。

下表为不同温度下水的饱和蒸汽压力。

考虑到供暖系统中，热媒水的温度变化范围较大，可以从几摄氏度到将近一百摄氏度，同时，由于高差及水的流动，供热系统压力变化范围可能会从几个大气压变为低于大气压力，热媒水存在汽化的可能，系统也可能会被倒空，也可能由于高静压而对管道和设备造成破坏。

来自：供热运行与节能管理

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