摘要：采暖建筑熱計(jì)量是重大的節(jié)能環(huán)保措施。本文分析了現(xiàn)有電磁式、超聲波式和機(jī)械式熱能表在采暖建筑熱計(jì)量領(lǐng)域的應(yīng)用前景，以及機(jī)械式熱能表本身具有突出的經(jīng)濟(jì)性而應(yīng)作為主流熱能表加以推廣。調(diào)研和分析了現(xiàn)有機(jī)械式熱能表存在著堵塞問(wèn)題、磨損問(wèn)題、丟信號(hào)問(wèn)題和結(jié)垢問(wèn)題，這些問(wèn)題嚴(yán)重制約著它的實(shí)際應(yīng)用。分析和研究了兩種流量計(jì)防堵塞的差異，進(jìn)而引出了防堵塞原理，并提出了機(jī)械式流量計(jì)的防堵塞結(jié)構(gòu)特征。為克服現(xiàn)有機(jī)械式熱能表的技術(shù)缺陷，提出了全新概念的SST設(shè)計(jì)理念，并成功研制出了性能卓越的SST技術(shù)的新型機(jī)械式熱能表。
關(guān)鍵詞：采暖熱計(jì)量、熱能表、堵塞、磨損、SST技術(shù)
引言
在我國(guó)，城市采暖建筑熱計(jì)量與溫控是重大的節(jié)能環(huán)保措施，實(shí)現(xiàn)采暖建筑熱計(jì)量的儀表稱為熱能表。熱能表主要有三種，分別為電磁式熱能表、超聲波式熱能表和機(jī)械式熱能表。這三種熱能表的技術(shù)特點(diǎn)以及存在的問(wèn)題如何？哪種熱能表更適合作為我國(guó)采暖建筑熱計(jì)量的主流熱能表？以及如何才能使主流熱能表長(zhǎng)期、穩(wěn)定和可靠地工作？這些問(wèn)題的研究解決，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)城市采暖建筑熱計(jì)量的節(jié)能環(huán)保措施，有著積極的促進(jìn)作用，本文將分析和解決這些問(wèn)題。
1 三種熱能表的技術(shù)特點(diǎn)以及主流熱能表
熱計(jì)量所采用的儀表稱為熱能表，用于計(jì)量給用戶的采暖供熱量。熱能表由流量計(jì)、采暖供水與回水溫度計(jì)和積算器組成。根據(jù)流量計(jì)的測(cè)量原理，現(xiàn)有熱能表分為三種，分別為電磁式、超聲波式和機(jī)械式熱能表[1]。這三種熱能表在測(cè)溫方面是相同的，區(qū)別僅在于流量計(jì)的測(cè)量原理不同而已，現(xiàn)分析它們之間的性能差異。
1.1 電磁式熱能表
電磁式流量計(jì)根據(jù)法拉第定律，具有導(dǎo)電性的水流通過(guò)電磁場(chǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。水流的速度越高，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就越大。通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小就可以得出管道內(nèi)的水流速度，然后再由水的密度和管徑就可確定管道內(nèi)的水流量。
電磁式流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為，因無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件(即無(wú)磨損部件)而使用壽命長(zhǎng)，且測(cè)量精度高，但也存在著缺點(diǎn)，它不僅對(duì)水流的導(dǎo)電率有要求，而且水溫的變化引起水流的導(dǎo)電率變化，水流的導(dǎo)電率變化又影響著對(duì)水流流速的測(cè)量精度。另外，電磁式流量計(jì)耗電量大，需要220 V的交流供電，并對(duì)環(huán)境的電磁干擾敏感。
1.2 超聲波式熱能表
超聲波流量計(jì)，利用超聲波在管道內(nèi)順?biāo)骱湍嫠鞯膫鞑ニ俣炔煌@一原理，來(lái)測(cè)量管道內(nèi)水流的速度。水流的速度越高，超聲波在管道內(nèi)順?biāo)骱湍嫠鞯膫鞑ニ俣认嗖罹驮酱螅谙嗤拈L(zhǎng)度內(nèi)，測(cè)量管道順?biāo)骱湍嫠鞒暡ǖ膫鞑r(shí)間差，就可以得出管道內(nèi)的水流速度。
超聲波與電磁式流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)相同，表現(xiàn)為無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件、使用壽命長(zhǎng)，測(cè)量精度高。但它也存在著缺點(diǎn)，超聲波發(fā)射器、超聲波接收器以及處在這兩者之間的測(cè)量腔體，易被水中污垢粘附或結(jié)垢，這對(duì)其測(cè)量精度有很大影響。
1.3 機(jī)械式熱能表
機(jī)械式流量計(jì)，利用水流流經(jīng)流量計(jì)的葉輪時(shí)能推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，水流的速度越大，葉輪的轉(zhuǎn)速就越高，通過(guò)測(cè)量葉輪的轉(zhuǎn)速就可以得出水流的速度。
機(jī)械式流量計(jì)與電磁式流量計(jì)和超聲波流量計(jì)相比，因有轉(zhuǎn)動(dòng)部件即流量計(jì)的葉輪，其使用壽命和測(cè)量精度如果設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)脑挘蜁?huì)低于電磁式流量計(jì)和超聲波流量計(jì)，但機(jī)械式流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)卻避免了電磁式流量計(jì)的缺點(diǎn)即計(jì)量耗電量大并對(duì)水流導(dǎo)電率有要求、避免了超聲波流量計(jì)的的缺點(diǎn)即測(cè)量腔體的污垢或結(jié)垢對(duì)測(cè)量精度影響大，特別是機(jī)械式熱能表的造價(jià)遠(yuǎn)低于電磁式熱能表和超聲波式熱能表，所以機(jī)械式熱能表在經(jīng)濟(jì)性方面的突出優(yōu)勢(shì)，就展現(xiàn)出它在建筑熱計(jì)
量領(lǐng)域里更具有廣泛的應(yīng)用前景，更適合作為我國(guó)采暖建筑熱計(jì)量的主流熱能表。
1.4 作為主流熱能表存在的問(wèn)題
合理設(shè)計(jì)的機(jī)械式熱能表的使用壽命和測(cè)量精度并不比電磁式熱能表和超聲波熱能表低，而且它的使用壽命能達(dá)到國(guó)際或國(guó)內(nèi)熱能表的標(biāo)準(zhǔn)，即使用壽命完全可以超過(guò)6年、最大計(jì)量誤差小于2％或3％。若機(jī)械式熱能表發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，消除其劣勢(shì)，理當(dāng)成為我國(guó)采暖建筑熱計(jì)量領(lǐng)域中的主流熱能表。然而，現(xiàn)有機(jī)械式熱能表，受流量計(jì)本身結(jié)構(gòu)所限，特別是在我國(guó)受采暖水質(zhì)所限，存在著嚴(yán)重的技術(shù)缺陷，表現(xiàn)為流量計(jì)堵塞問(wèn)題、磨損問(wèn)題、流量信號(hào)丟失問(wèn)題和結(jié)垢問(wèn)題等[2－12]。只有克服了現(xiàn)有機(jī)械式熱能表的這些技術(shù)缺陷，才能使機(jī)械式熱能表在我國(guó)得到廣泛的應(yīng)用，以下本文將對(duì)機(jī)械式熱能表存在的技術(shù)缺陷進(jìn)行細(xì)致分析研究，并提出改進(jìn)的方向和途徑。
2 現(xiàn)有機(jī)械式熱能表存在的問(wèn)題和技術(shù)缺陷
2.1 熱能表的堵塞問(wèn)題
我國(guó)的采暖水質(zhì)潔凈度明顯低于國(guó)外，采暖水的凈化處理程度也遠(yuǎn)低于國(guó)外。采暖水質(zhì)潔凈度低，這是我國(guó)與國(guó)外在采暖建筑熱計(jì)量上的重大差別。正因?yàn)槿绱耍蛯?duì)于在我國(guó)使用的熱能表提出了更苛刻的使用條件、更高的技術(shù)要求。
我國(guó)采暖水質(zhì)潔凈度不高，表現(xiàn)為水中含有較多的雜質(zhì)。水中雜質(zhì)的來(lái)源有兩個(gè)方面：一是我國(guó)室外采暖管網(wǎng)大多采用鋼管，室內(nèi)的采暖管道和散熱器許多也是鋼制的，鋼管和鋼制散熱器會(huì)因?yàn)檠趸a(chǎn)生銹蝕。另外我國(guó)的采暖系統(tǒng)也不像歐洲那樣系統(tǒng)中的水被常年保留。在我國(guó)，當(dāng)采暖期過(guò)后，就將采暖系統(tǒng)中的水排掉，這樣就加速了采暖系統(tǒng)的氧化和銹蝕。采暖系統(tǒng)的氧化和銹蝕，便不斷產(chǎn)生鐵銹顆粒和鐵銹屑，這是水中雜質(zhì)的持續(xù)來(lái)源；二是采暖系統(tǒng)施工后的殘
留物，如泥沙、鐵屑、焊渣、纖維等物體，有時(shí)還有更大的物體，如螺絲、木頭、石頭塊、水泥塊、鋼筋等，這些殘留物會(huì)因施工清掃不善或者管理不善等原因被遺留在采暖管道中。
采暖系統(tǒng)中的大尺寸雜質(zhì)不僅可能堵塞采暖管道，還能撞擊、破壞和堵塞熱能表。當(dāng)然，在安裝熱能表前，先沖洗采暖管道以及在熱能表前加裝過(guò)濾器，可以消除采暖系統(tǒng)中的大部分以及大尺寸的雜質(zhì)。 在采取采暖管道沖洗和加裝過(guò)濾器的措施后，采暖系統(tǒng)仍會(huì)有少量的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)比較細(xì)小，不會(huì)堵塞采暖管道，但也無(wú)法被過(guò)濾器過(guò)濾掉，屬于采暖系統(tǒng)難于處理的雜質(zhì)。正是這些細(xì)小的雜質(zhì)，卻對(duì)熱能表的穩(wěn)定性、測(cè)量精度和使用壽命造成了重大的不利影響。機(jī)械式熱能表有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，當(dāng)含有雜質(zhì)的采暖水通過(guò)時(shí)，水中雜質(zhì)會(huì)對(duì)葉輪的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響。通過(guò)對(duì)大量的熱能表使用狀況的調(diào)研，以及對(duì)熱能表的運(yùn)行狀況的分析，發(fā)現(xiàn)含有雜質(zhì)的采暖水對(duì)熱能表的影響表現(xiàn)為如下四種情況：一是，細(xì)小的顆粒，如泥沙、鐵銹屑等直徑小于0.1mm的雜質(zhì)，會(huì)淤積在流量計(jì)葉輪的軸孔內(nèi)（現(xiàn)有機(jī)械式熱能表軸孔間隙大于0.5mm），增加葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)阻力并引起熱能表堵塞；二是，直徑大于1mm的雜質(zhì)顆粒會(huì)卡在葉輪與流量計(jì)的腔體之間，造成葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)困難或卡死葉輪，導(dǎo)致熱能表堵塞；三是，水中纖維狀的雜質(zhì)，如麻絲、生膠帶等雜質(zhì)，會(huì)纏繞在葉輪的上下軸上，造成葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)困難或無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致熱能表堵塞；四是，水中的鐵銹顆粒和鐵銹屑會(huì)吸附在用干簧管或者霍爾或者韋根元件作為流量傳感器的磁鐵上，造成葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)困難，并可能卡死葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致熱能表堵塞[2]。
由上所述可知，因?yàn)槲覈?guó)采暖水質(zhì)潔凈度不高，采暖水中含有雜質(zhì)，尤其是那些采暖系統(tǒng)難于排出的細(xì)小雜質(zhì)，會(huì)堵塞機(jī)械式熱能表，或者使熱能表的測(cè)量精度迅速下降。因此，具有防堵塞功能，適應(yīng)含有細(xì)小雜質(zhì)的采暖水，采用無(wú)磁流量傳感器，是對(duì)我國(guó)機(jī)械式熱能表的最重要也是最基本的技術(shù)要求。
2.2 熱能表的磨損問(wèn)題
現(xiàn)有機(jī)械式熱能表的流量計(jì)，實(shí)際上是借鑒國(guó)外水表而來(lái)的，其本質(zhì)是把以追求較小的計(jì)量啟動(dòng)流量（如10L/h以下，而熱能表的啟動(dòng)流量為50L/h）、間歇方式工作在冷水中的流量計(jì)，移植到采暖熱水中使用。由于機(jī)械式熱能表的葉輪，需連續(xù)和長(zhǎng)期處在500轉(zhuǎn)/分的高轉(zhuǎn)速，介于75－95之間且含雜質(zhì)的高溫水中的工作，其工作一個(gè)月所通過(guò)的水量，相當(dāng)于普通水表工作三年，這不可避免地會(huì)對(duì)機(jī)械式熱能表的葉輪產(chǎn)生很大的磨損。 C0現(xiàn)有機(jī)械式熱能表的流量計(jì)，主要為單流束和多流束兩種。無(wú)論是單流束的還是多流束流量計(jì)，其葉輪都采用了兩段式立軸結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。該立軸結(jié)構(gòu)，由下部支撐軸和上部支撐軸組成的軸系。下部支撐軸的下端固定在葉輪腔的底座上，其上端嵌套于葉輪下部的軸碗中；上部支撐軸的主體固定在葉輪上，其支撐軸的上端嵌套于葉輪腔上蓋的軸碗中。為了使支撐軸與軸碗之間轉(zhuǎn)動(dòng)輕便，支撐軸與軸碗之間在橫向和縱向都留有0.5mm左右的間隙。
現(xiàn)有機(jī)械式熱能表流量計(jì)的兩段式立軸結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為：因?yàn)檩S與軸碗是點(diǎn)接觸，接觸點(diǎn)小，所以摩擦力小，轉(zhuǎn)動(dòng)靈敏度高，流量計(jì)的啟動(dòng)流量較小，10升/小時(shí)的小流量就可以推動(dòng)流量計(jì)的葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，很適宜作為需要啟動(dòng)流量小、流量變化頻率高、潔凈程度高的流體計(jì)量，如作為自來(lái)水表使用。但是，當(dāng)這種兩段式立軸結(jié)構(gòu)的流量計(jì)用于熱能表時(shí)，就顯現(xiàn)出了它的嚴(yán)重缺陷，因?yàn)樵谥圃焐希瑑啥问搅⑤S，上下部分粗細(xì)不等，直徑分別為0.12、2.7mm，需要有較
高的強(qiáng)度、韌性和特有的錐形，所以這樣的兩段式立軸當(dāng)前全都采用防銹耐磨的金屬制造。在采暖期內(nèi)，高水溫、較高的水壓和連續(xù)的大流量，使得葉輪長(zhǎng)期高速地旋轉(zhuǎn)，尤其是采暖熱水中含有細(xì)小的雜質(zhì)，加速了立軸各端部的磨損，進(jìn)一步擴(kuò)大了軸與軸碗間橫向與縱向的間隙，加大了葉輪的擺動(dòng)幅度，這就會(huì)引起葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)失衡，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的流量曲線變化，計(jì)量精度迅速下降。對(duì)于單流束的流量計(jì)，其立軸還會(huì)受到側(cè)面水流的壓力從而產(chǎn)生更為嚴(yán)重的側(cè)向磨損。
在我國(guó)的熱能表生產(chǎn)和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中，為了檢驗(yàn)熱能表的耐久性，采取了大流量加速磨損的檢驗(yàn)方法，例如對(duì)于20mm管徑的戶用熱能表，須在最大流量5000升/小時(shí)下連續(xù)工作300小時(shí)仍能保持原有的測(cè)量精度，才為合格的熱能表。這種大流量加速磨損的檢驗(yàn)方法，使得不少生產(chǎn)廠家的機(jī)械式熱能表，因?yàn)槿~輪磨損、導(dǎo)致流量計(jì)測(cè)量精度下降而難于通過(guò)合格性檢驗(yàn)。另外根據(jù)我國(guó)多家采暖建筑熱計(jì)量的試點(diǎn)結(jié)果來(lái)看，現(xiàn)有機(jī)械式熱能表的磨損現(xiàn)象十分嚴(yán)重，經(jīng)過(guò)一年的
采暖計(jì)量后，有20％的熱能表因?yàn)榱髁坑?jì)的磨損，計(jì)量誤差已超過(guò)了15％，而不能再繼續(xù)使用了。由此可見(jiàn)，現(xiàn)有機(jī)械式熱能表的流量計(jì)結(jié)構(gòu)、由耐磨金屬軸與瑪瑙軸碗組成的兩段式立軸結(jié)構(gòu)，不適宜我國(guó)的采暖建筑熱計(jì)量，所以，研制具有抗磨損的新型流量計(jì)，是對(duì)我國(guó)機(jī)械式熱能表的重要技術(shù)要求。
圖1 現(xiàn)有機(jī)械式熱能表的多流束流量計(jì)結(jié)構(gòu)
2.3 熱能表的流量信號(hào)檢測(cè)失靈問(wèn)題
由于水中的鐵銹顆粒和鐵銹屑會(huì)吸附在用干簧管或者霍爾或者韋根元件作為流量傳感器的磁鐵上，造成葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)困難，導(dǎo)致熱能表堵塞。為克服這一弊病，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外大部分機(jī)械式熱能表的流量計(jì)，都采用了無(wú)磁流量傳感器來(lái)檢測(cè)葉輪的轉(zhuǎn)速。無(wú)磁流量傳感器是通過(guò)一種LC振蕩阻尼電路，以非接觸的方式，來(lái)探測(cè)附在葉輪上的無(wú)磁金屬片的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)磁性元件的檢測(cè)[13]。為了提高檢測(cè)精度和電路集成度，美國(guó)TI公司專門為無(wú)磁流量傳感器成功開(kāi)發(fā)了專用芯片MSP430系列。但是在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，無(wú)磁流量傳感器對(duì)無(wú)磁金屬片和感應(yīng)探頭的間距要求很嚴(yán)格，該間距的變化和不穩(wěn)定，常常使葉輪轉(zhuǎn)數(shù)信號(hào)檢測(cè)失靈，即出現(xiàn)熱能表部分流量信號(hào)丟失的現(xiàn)象。
熱能表部分流量信號(hào)丟失現(xiàn)象的原因在于，現(xiàn)有機(jī)械式熱能表的單流束或多流束流量計(jì)，其葉輪都采用了兩段式立軸結(jié)構(gòu)，支撐軸與軸碗之間點(diǎn)接觸的方式使得葉輪在工作時(shí)，在正常情況下，其橫向和縱向設(shè)計(jì)的間隙都大于0.5mm，都會(huì)產(chǎn)生上下串動(dòng)和水平擺動(dòng)，上下串動(dòng)和水平擺動(dòng)，當(dāng)該流量計(jì)發(fā)生磨損即支撐軸與軸碗之間的磨損，或者流量計(jì)的堵塞，都會(huì)加劇葉輪上下串動(dòng)和水平擺動(dòng)的幅度，從而引起熱能表部分流量信號(hào)丟失的現(xiàn)象發(fā)生，這必然導(dǎo)致測(cè)量的流量小
于真實(shí)流量，使得熱能表的測(cè)量精度和可信度下降。
由此可見(jiàn)，現(xiàn)有機(jī)械式熱能表的兩段式立軸結(jié)構(gòu)，會(huì)隨著熱能表的磨損與堵塞程度加劇，出現(xiàn)流量信號(hào)丟失的現(xiàn)象，造成熱能表的測(cè)量精度下降，因此改進(jìn)機(jī)械式熱能表的葉輪結(jié)構(gòu)，提高熱能表的抗磨損性，是對(duì)我國(guó)機(jī)械式熱能表穩(wěn)定性和耐久性的重要技術(shù)要求。
2.4 熱能表的結(jié)垢問(wèn)題
采暖水中含有化學(xué)物質(zhì)，結(jié)垢在熱水比在冷水中更容易發(fā)生，在采暖熱能表中完全避免結(jié)垢是很困難的，所以對(duì)熱能表中的結(jié)垢問(wèn)題應(yīng)給予重視，因?yàn)楫?dāng)結(jié)垢現(xiàn)象不嚴(yán)重時(shí)僅僅使流量計(jì)流水不暢，壓力損失大，但當(dāng)結(jié)垢嚴(yán)重時(shí)就能阻塞熱能表。
由采暖熱計(jì)量試點(diǎn)工程的調(diào)研以及熱能表運(yùn)行實(shí)驗(yàn)可知，在熱能表流量計(jì)中，轉(zhuǎn)動(dòng)的固體表面以及與速度高的水流相平行的固體表面，結(jié)垢現(xiàn)象不很明顯，水垢更易發(fā)生在緩水、積水和扭曲滯流的固體表面。
由于多流束熱能表比單流束熱能表，其流道彎曲復(fù)雜，存在著多處阻水結(jié)構(gòu)，這些阻水處表面常為流體的緩流和滯流區(qū)，所以多流束熱能表比單流束熱能表更容易結(jié)垢。
由于現(xiàn)有機(jī)械式熱能表的流量計(jì)，大多都是多流束流量計(jì)，更容易形生水垢，而水垢的發(fā)生和發(fā)展是熱能表堵塞的一個(gè)方面，所以改進(jìn)機(jī)械式熱能表的流量計(jì)的結(jié)構(gòu)，使其具有防結(jié)垢的能力，是對(duì)我國(guó)機(jī)械式熱能表穩(wěn)定性和耐久性的另一項(xiàng)重要技術(shù)要求。
3 防堵塞原理以及新型熱能表的SST技術(shù)思想
3.1 機(jī)械式熱能表的防堵塞原理
在現(xiàn)有機(jī)械式熱能表中，相同管徑的多流束流量計(jì)與單流束流量計(jì)相比，具有啟動(dòng)流量小、量程寬、測(cè)量精度高、壓力損失稍大的特點(diǎn)，一段時(shí)間我國(guó)機(jī)械式熱能表大多都選用了多流束流量計(jì)。但對(duì)大量的機(jī)械式熱能表的使用調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了這樣一個(gè)普遍現(xiàn)象：即單流束流量計(jì)的熱能表，其防堵塞性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于多流束流量計(jì)的熱能表。問(wèn)題是為什么有這樣的結(jié)果呢？它們之間在結(jié)構(gòu)上有什么差別呢？下面將分析和回答這個(gè)問(wèn)題。
多流束流量計(jì)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是水流進(jìn)入流量計(jì)殼體后，先通過(guò)扭曲的水道，由葉輪盒將水流分成多束流，再將各束流引導(dǎo)至沿葉輪外緣均勻分布的各葉片噴口處，形成了多束流同時(shí)噴射葉片。這種多流束流量計(jì)的結(jié)構(gòu)，能充分和有效地利用水流動(dòng)力，因而它具有啟動(dòng)流量小、量程寬、測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，但在獲得此優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也帶來(lái)了嚴(yán)重的弊病，即由于使水流方向改變大，流道彎曲復(fù)雜，因而也造成了水流的壓力損失大，尤其是流道在葉輪盒的間隙小、葉輪與葉輪腔
的間隙小、多流束流道狹窄，從而導(dǎo)致了多流束流量計(jì)在含有細(xì)小雜質(zhì)的水中工作時(shí)，很容易結(jié)垢而被堵塞。調(diào)查結(jié)果顯示，在我國(guó)含有雜質(zhì)的采暖熱水中，短者3、4個(gè)月，長(zhǎng)者兩個(gè)采暖期，大部分多流束機(jī)械式熱能表就被堵塞而不能正常工作了。
單流束流量計(jì)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是水流進(jìn)入流量計(jì)殼體后，不進(jìn)行分流，引導(dǎo)單束流流至葉輪側(cè)向的葉輪噴口，以固定的方向從葉輪一側(cè)噴射葉片。這種單流束流量計(jì)的結(jié)構(gòu)，對(duì)流體不分流，流體方向改變小、流道簡(jiǎn)單，從而具有流體壓力損失小，尤其是葉輪與葉輪腔的間隙大，它具有了在含有細(xì)小雜質(zhì)的水中工作時(shí)、不容易被堵塞的突出優(yōu)點(diǎn)。但是，它未能充分和有效地利用水流動(dòng)力，因而它的啟動(dòng)流量稍大、測(cè)量精度也稍差。 理論和采暖計(jì)量實(shí)踐中都揭示了單流束機(jī)械式熱能表，在防堵塞性方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于多流束機(jī)械式熱能表。由單流束機(jī)械式熱能表的結(jié)構(gòu)，可從中得出機(jī)械式流量計(jì)的防堵塞原理：流量計(jì)的流體通道應(yīng)有足夠的尺寸，使含有雜質(zhì)的流體順暢通過(guò)。為此機(jī)械式流量計(jì)的防堵塞結(jié)構(gòu)應(yīng)具有這樣的特征：流量計(jì)對(duì)流體不分流、使流道簡(jiǎn)單、保持葉輪與葉輪腔之間有較大的間隙。
3.2 新型機(jī)械式熱能表的SST技術(shù)思想
為了解決現(xiàn)有機(jī)械式熱能表的堵塞問(wèn)題、磨損問(wèn)題、流量信號(hào)丟失問(wèn)題和結(jié)垢問(wèn)題，依據(jù)上述機(jī)械式流量計(jì)的防堵塞原理，以機(jī)械式流量計(jì)防堵塞結(jié)構(gòu)特征為指導(dǎo)方向，從機(jī)械式流量計(jì)的結(jié)構(gòu)、部件和系統(tǒng)配置上進(jìn)行全面分析與改進(jìn)。以消除熱能表堵塞問(wèn)題為關(guān)鍵，以解決熱能表磨損問(wèn)題為重點(diǎn)，形成了機(jī)械式熱能表的全新設(shè)計(jì)理念——SST技術(shù)的設(shè)計(jì)理念，SST技術(shù)的設(shè)計(jì)理念主要表現(xiàn)為以下三項(xiàng)技術(shù)特征[14－21]，關(guān)于對(duì)SST技術(shù)以及由該技術(shù)研制的新型機(jī)械式熱
能表的分析論述詳見(jiàn)文獻(xiàn)[22]：
(1) 對(duì)稱設(shè)計(jì)（S —— Symmetry Design）
對(duì)稱設(shè)計(jì)，就是流量計(jì)內(nèi)外部結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性。由此，熱能表具有了這樣的優(yōu)點(diǎn)：在保持相同的測(cè)量精度下，熱能表不受進(jìn)出口方向的安裝限制，更適合于各種復(fù)雜多變的安裝現(xiàn)場(chǎng)，使安裝的操作性和可靠性得以極大地提高。
(2) 直通式進(jìn)出水管路（S —— Straight Routeway Tube）
直通式進(jìn)出水管路，就是流量計(jì)的進(jìn)出水管路與計(jì)量腔體形成直接的流暢通路。由此，熱能表具有了這樣的優(yōu)點(diǎn)：可使流體通暢流動(dòng)，具有抗結(jié)垢、低壓損的特性。
(3) 獨(dú)立橫軸葉輪系統(tǒng)(T —— Transverse Axle Impeller Set)
獨(dú)立橫軸葉輪系統(tǒng)，就是將單根葉輪軸、葉片組、定位器、發(fā)訊感應(yīng)片組成橫向優(yōu)化配置。橫軸葉輪系統(tǒng)是由一根固定橫軸貫穿轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪，軸與嵌入葉輪中部的軸套，軸與軸套采用兩種不同的非金屬碳氮化合物材料，相互配合組成，形成了高耐磨和防止擺動(dòng)的穩(wěn)定系統(tǒng)。獨(dú)立橫軸葉輪系統(tǒng)是機(jī)械式流量計(jì)防堵塞的關(guān)鍵，它與直通式進(jìn)出水管路配合，實(shí)現(xiàn)了計(jì)量與排污同體完成。由此，熱能表具有了這樣的優(yōu)點(diǎn)：具有防堵塞、抗磨損、穩(wěn)定性高、可使熱能表水平或垂直
或傾斜角度隨意安裝的特點(diǎn)。
經(jīng)過(guò)四年來(lái)的研究和實(shí)驗(yàn)，已成功研制出了SST技術(shù)的機(jī)械式熱能表，并獲得國(guó)家級(jí)計(jì)量監(jiān)督局的認(rèn)證。經(jīng)過(guò)一年多的實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證、一個(gè)采暖期的住宅采暖計(jì)量使用，實(shí)踐表明：與現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外機(jī)械式熱能表相比，SST技術(shù)的機(jī)械式熱能表具有：防堵塞、抗磨損、防結(jié)垢、低壓損、穩(wěn)定性高、精度高和多方位靈活安裝的卓越性能。
3 結(jié)論
（1）電磁式、超聲波式和機(jī)械式熱能表都可用于采暖建筑的熱計(jì)量，但機(jī)械式熱能表在經(jīng)濟(jì)上具有突出的優(yōu)勢(shì)，更適合作為我國(guó)采暖建筑熱計(jì)量的主流熱能表。
（2）現(xiàn)有機(jī)械式熱能表，無(wú)論單流束還是多流束熱能表，都存在著堵塞問(wèn)題、磨損問(wèn)題、流量信號(hào)丟失問(wèn)題和結(jié)垢問(wèn)題，這些技術(shù)缺陷嚴(yán)重制約著它在我國(guó)采暖計(jì)量的實(shí)際應(yīng)用。
（3）機(jī)械式流量計(jì)的防堵塞原理，就是使流量計(jì)的流體通道應(yīng)有足夠的尺寸，使含有雜質(zhì)的流體順暢通過(guò)。
（4）SST技術(shù)的新型機(jī)械式熱能表能克服現(xiàn)有機(jī)械式熱能表所存在的四大技術(shù)缺陷。
（5）與現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外機(jī)械式熱能表相比，實(shí)踐驗(yàn)證了，SST技術(shù)的熱能表具有：
防堵塞、抗磨損、防結(jié)垢、低壓損、穩(wěn)定性高、精度高和靈活安裝的卓越性能。
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[22] 李世武，SST技術(shù)的新型機(jī)械式熱能表，于本文同時(shí)同一刊物投稿。 聯(lián)系作者和第一作者簡(jiǎn)介：
李世武(1957年-)，博導(dǎo)，教授,西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，西安市友誼西路127號(hào)，710072，電話029－88492746，傳真029－88495911，shiwuli@nwpu.edu.cn
李世武(1957年-)，男，四川省開(kāi)江縣，教授,博士，從事供熱工程與節(jié)能方面的研究。029－88492746，shiwuli@nwpu.edu.cn
關(guān)鍵詞：采暖熱計(jì)量、熱能表、堵塞、磨損、SST技術(shù)
引言
在我國(guó)，城市采暖建筑熱計(jì)量與溫控是重大的節(jié)能環(huán)保措施，實(shí)現(xiàn)采暖建筑熱計(jì)量的儀表稱為熱能表。熱能表主要有三種，分別為電磁式熱能表、超聲波式熱能表和機(jī)械式熱能表。這三種熱能表的技術(shù)特點(diǎn)以及存在的問(wèn)題如何？哪種熱能表更適合作為我國(guó)采暖建筑熱計(jì)量的主流熱能表？以及如何才能使主流熱能表長(zhǎng)期、穩(wěn)定和可靠地工作？這些問(wèn)題的研究解決，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)城市采暖建筑熱計(jì)量的節(jié)能環(huán)保措施，有著積極的促進(jìn)作用，本文將分析和解決這些問(wèn)題。
1 三種熱能表的技術(shù)特點(diǎn)以及主流熱能表
熱計(jì)量所采用的儀表稱為熱能表，用于計(jì)量給用戶的采暖供熱量。熱能表由流量計(jì)、采暖供水與回水溫度計(jì)和積算器組成。根據(jù)流量計(jì)的測(cè)量原理，現(xiàn)有熱能表分為三種，分別為電磁式、超聲波式和機(jī)械式熱能表[1]。這三種熱能表在測(cè)溫方面是相同的，區(qū)別僅在于流量計(jì)的測(cè)量原理不同而已，現(xiàn)分析它們之間的性能差異。
1.1 電磁式熱能表
電磁式流量計(jì)根據(jù)法拉第定律，具有導(dǎo)電性的水流通過(guò)電磁場(chǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。水流的速度越高，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就越大。通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小就可以得出管道內(nèi)的水流速度，然后再由水的密度和管徑就可確定管道內(nèi)的水流量。
電磁式流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為，因無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件(即無(wú)磨損部件)而使用壽命長(zhǎng)，且測(cè)量精度高，但也存在著缺點(diǎn)，它不僅對(duì)水流的導(dǎo)電率有要求，而且水溫的變化引起水流的導(dǎo)電率變化，水流的導(dǎo)電率變化又影響著對(duì)水流流速的測(cè)量精度。另外，電磁式流量計(jì)耗電量大，需要220 V的交流供電，并對(duì)環(huán)境的電磁干擾敏感。
1.2 超聲波式熱能表
超聲波流量計(jì)，利用超聲波在管道內(nèi)順?biāo)骱湍嫠鞯膫鞑ニ俣炔煌@一原理，來(lái)測(cè)量管道內(nèi)水流的速度。水流的速度越高，超聲波在管道內(nèi)順?biāo)骱湍嫠鞯膫鞑ニ俣认嗖罹驮酱螅谙嗤拈L(zhǎng)度內(nèi)，測(cè)量管道順?biāo)骱湍嫠鞒暡ǖ膫鞑r(shí)間差，就可以得出管道內(nèi)的水流速度。
超聲波與電磁式流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)相同，表現(xiàn)為無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件、使用壽命長(zhǎng)，測(cè)量精度高。但它也存在著缺點(diǎn)，超聲波發(fā)射器、超聲波接收器以及處在這兩者之間的測(cè)量腔體，易被水中污垢粘附或結(jié)垢，這對(duì)其測(cè)量精度有很大影響。
1.3 機(jī)械式熱能表
機(jī)械式流量計(jì)，利用水流流經(jīng)流量計(jì)的葉輪時(shí)能推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，水流的速度越大，葉輪的轉(zhuǎn)速就越高，通過(guò)測(cè)量葉輪的轉(zhuǎn)速就可以得出水流的速度。
機(jī)械式流量計(jì)與電磁式流量計(jì)和超聲波流量計(jì)相比，因有轉(zhuǎn)動(dòng)部件即流量計(jì)的葉輪，其使用壽命和測(cè)量精度如果設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)脑挘蜁?huì)低于電磁式流量計(jì)和超聲波流量計(jì)，但機(jī)械式流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)卻避免了電磁式流量計(jì)的缺點(diǎn)即計(jì)量耗電量大并對(duì)水流導(dǎo)電率有要求、避免了超聲波流量計(jì)的的缺點(diǎn)即測(cè)量腔體的污垢或結(jié)垢對(duì)測(cè)量精度影響大，特別是機(jī)械式熱能表的造價(jià)遠(yuǎn)低于電磁式熱能表和超聲波式熱能表，所以機(jī)械式熱能表在經(jīng)濟(jì)性方面的突出優(yōu)勢(shì)，就展現(xiàn)出它在建筑熱計(jì)
量領(lǐng)域里更具有廣泛的應(yīng)用前景，更適合作為我國(guó)采暖建筑熱計(jì)量的主流熱能表。
1.4 作為主流熱能表存在的問(wèn)題
合理設(shè)計(jì)的機(jī)械式熱能表的使用壽命和測(cè)量精度并不比電磁式熱能表和超聲波熱能表低，而且它的使用壽命能達(dá)到國(guó)際或國(guó)內(nèi)熱能表的標(biāo)準(zhǔn)，即使用壽命完全可以超過(guò)6年、最大計(jì)量誤差小于2％或3％。若機(jī)械式熱能表發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，消除其劣勢(shì)，理當(dāng)成為我國(guó)采暖建筑熱計(jì)量領(lǐng)域中的主流熱能表。然而，現(xiàn)有機(jī)械式熱能表，受流量計(jì)本身結(jié)構(gòu)所限，特別是在我國(guó)受采暖水質(zhì)所限，存在著嚴(yán)重的技術(shù)缺陷，表現(xiàn)為流量計(jì)堵塞問(wèn)題、磨損問(wèn)題、流量信號(hào)丟失問(wèn)題和結(jié)垢問(wèn)題等[2－12]。只有克服了現(xiàn)有機(jī)械式熱能表的這些技術(shù)缺陷，才能使機(jī)械式熱能表在我國(guó)得到廣泛的應(yīng)用，以下本文將對(duì)機(jī)械式熱能表存在的技術(shù)缺陷進(jìn)行細(xì)致分析研究，并提出改進(jìn)的方向和途徑。
2 現(xiàn)有機(jī)械式熱能表存在的問(wèn)題和技術(shù)缺陷
2.1 熱能表的堵塞問(wèn)題
我國(guó)的采暖水質(zhì)潔凈度明顯低于國(guó)外，采暖水的凈化處理程度也遠(yuǎn)低于國(guó)外。采暖水質(zhì)潔凈度低，這是我國(guó)與國(guó)外在采暖建筑熱計(jì)量上的重大差別。正因?yàn)槿绱耍蛯?duì)于在我國(guó)使用的熱能表提出了更苛刻的使用條件、更高的技術(shù)要求。
我國(guó)采暖水質(zhì)潔凈度不高，表現(xiàn)為水中含有較多的雜質(zhì)。水中雜質(zhì)的來(lái)源有兩個(gè)方面：一是我國(guó)室外采暖管網(wǎng)大多采用鋼管，室內(nèi)的采暖管道和散熱器許多也是鋼制的，鋼管和鋼制散熱器會(huì)因?yàn)檠趸a(chǎn)生銹蝕。另外我國(guó)的采暖系統(tǒng)也不像歐洲那樣系統(tǒng)中的水被常年保留。在我國(guó)，當(dāng)采暖期過(guò)后，就將采暖系統(tǒng)中的水排掉，這樣就加速了采暖系統(tǒng)的氧化和銹蝕。采暖系統(tǒng)的氧化和銹蝕，便不斷產(chǎn)生鐵銹顆粒和鐵銹屑，這是水中雜質(zhì)的持續(xù)來(lái)源；二是采暖系統(tǒng)施工后的殘
留物，如泥沙、鐵屑、焊渣、纖維等物體，有時(shí)還有更大的物體，如螺絲、木頭、石頭塊、水泥塊、鋼筋等，這些殘留物會(huì)因施工清掃不善或者管理不善等原因被遺留在采暖管道中。
采暖系統(tǒng)中的大尺寸雜質(zhì)不僅可能堵塞采暖管道，還能撞擊、破壞和堵塞熱能表。當(dāng)然，在安裝熱能表前，先沖洗采暖管道以及在熱能表前加裝過(guò)濾器，可以消除采暖系統(tǒng)中的大部分以及大尺寸的雜質(zhì)。 在采取采暖管道沖洗和加裝過(guò)濾器的措施后，采暖系統(tǒng)仍會(huì)有少量的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)比較細(xì)小，不會(huì)堵塞采暖管道，但也無(wú)法被過(guò)濾器過(guò)濾掉，屬于采暖系統(tǒng)難于處理的雜質(zhì)。正是這些細(xì)小的雜質(zhì)，卻對(duì)熱能表的穩(wěn)定性、測(cè)量精度和使用壽命造成了重大的不利影響。機(jī)械式熱能表有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，當(dāng)含有雜質(zhì)的采暖水通過(guò)時(shí)，水中雜質(zhì)會(huì)對(duì)葉輪的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響。通過(guò)對(duì)大量的熱能表使用狀況的調(diào)研，以及對(duì)熱能表的運(yùn)行狀況的分析，發(fā)現(xiàn)含有雜質(zhì)的采暖水對(duì)熱能表的影響表現(xiàn)為如下四種情況：一是，細(xì)小的顆粒，如泥沙、鐵銹屑等直徑小于0.1mm的雜質(zhì)，會(huì)淤積在流量計(jì)葉輪的軸孔內(nèi)（現(xiàn)有機(jī)械式熱能表軸孔間隙大于0.5mm），增加葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)阻力并引起熱能表堵塞；二是，直徑大于1mm的雜質(zhì)顆粒會(huì)卡在葉輪與流量計(jì)的腔體之間，造成葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)困難或卡死葉輪，導(dǎo)致熱能表堵塞；三是，水中纖維狀的雜質(zhì)，如麻絲、生膠帶等雜質(zhì)，會(huì)纏繞在葉輪的上下軸上，造成葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)困難或無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致熱能表堵塞；四是，水中的鐵銹顆粒和鐵銹屑會(huì)吸附在用干簧管或者霍爾或者韋根元件作為流量傳感器的磁鐵上，造成葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)困難，并可能卡死葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致熱能表堵塞[2]。
由上所述可知，因?yàn)槲覈?guó)采暖水質(zhì)潔凈度不高，采暖水中含有雜質(zhì)，尤其是那些采暖系統(tǒng)難于排出的細(xì)小雜質(zhì)，會(huì)堵塞機(jī)械式熱能表，或者使熱能表的測(cè)量精度迅速下降。因此，具有防堵塞功能，適應(yīng)含有細(xì)小雜質(zhì)的采暖水，采用無(wú)磁流量傳感器，是對(duì)我國(guó)機(jī)械式熱能表的最重要也是最基本的技術(shù)要求。
2.2 熱能表的磨損問(wèn)題
現(xiàn)有機(jī)械式熱能表的流量計(jì)，實(shí)際上是借鑒國(guó)外水表而來(lái)的，其本質(zhì)是把以追求較小的計(jì)量啟動(dòng)流量（如10L/h以下，而熱能表的啟動(dòng)流量為50L/h）、間歇方式工作在冷水中的流量計(jì)，移植到采暖熱水中使用。由于機(jī)械式熱能表的葉輪，需連續(xù)和長(zhǎng)期處在500轉(zhuǎn)/分的高轉(zhuǎn)速，介于75－95之間且含雜質(zhì)的高溫水中的工作，其工作一個(gè)月所通過(guò)的水量，相當(dāng)于普通水表工作三年，這不可避免地會(huì)對(duì)機(jī)械式熱能表的葉輪產(chǎn)生很大的磨損。 C0現(xiàn)有機(jī)械式熱能表的流量計(jì)，主要為單流束和多流束兩種。無(wú)論是單流束的還是多流束流量計(jì)，其葉輪都采用了兩段式立軸結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。該立軸結(jié)構(gòu)，由下部支撐軸和上部支撐軸組成的軸系。下部支撐軸的下端固定在葉輪腔的底座上，其上端嵌套于葉輪下部的軸碗中；上部支撐軸的主體固定在葉輪上，其支撐軸的上端嵌套于葉輪腔上蓋的軸碗中。為了使支撐軸與軸碗之間轉(zhuǎn)動(dòng)輕便，支撐軸與軸碗之間在橫向和縱向都留有0.5mm左右的間隙。
現(xiàn)有機(jī)械式熱能表流量計(jì)的兩段式立軸結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為：因?yàn)檩S與軸碗是點(diǎn)接觸，接觸點(diǎn)小，所以摩擦力小，轉(zhuǎn)動(dòng)靈敏度高，流量計(jì)的啟動(dòng)流量較小，10升/小時(shí)的小流量就可以推動(dòng)流量計(jì)的葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，很適宜作為需要啟動(dòng)流量小、流量變化頻率高、潔凈程度高的流體計(jì)量，如作為自來(lái)水表使用。但是，當(dāng)這種兩段式立軸結(jié)構(gòu)的流量計(jì)用于熱能表時(shí)，就顯現(xiàn)出了它的嚴(yán)重缺陷，因?yàn)樵谥圃焐希瑑啥问搅⑤S，上下部分粗細(xì)不等，直徑分別為0.12、2.7mm，需要有較
高的強(qiáng)度、韌性和特有的錐形，所以這樣的兩段式立軸當(dāng)前全都采用防銹耐磨的金屬制造。在采暖期內(nèi)，高水溫、較高的水壓和連續(xù)的大流量，使得葉輪長(zhǎng)期高速地旋轉(zhuǎn)，尤其是采暖熱水中含有細(xì)小的雜質(zhì)，加速了立軸各端部的磨損，進(jìn)一步擴(kuò)大了軸與軸碗間橫向與縱向的間隙，加大了葉輪的擺動(dòng)幅度，這就會(huì)引起葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)失衡，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的流量曲線變化，計(jì)量精度迅速下降。對(duì)于單流束的流量計(jì)，其立軸還會(huì)受到側(cè)面水流的壓力從而產(chǎn)生更為嚴(yán)重的側(cè)向磨損。
在我國(guó)的熱能表生產(chǎn)和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中，為了檢驗(yàn)熱能表的耐久性，采取了大流量加速磨損的檢驗(yàn)方法，例如對(duì)于20mm管徑的戶用熱能表，須在最大流量5000升/小時(shí)下連續(xù)工作300小時(shí)仍能保持原有的測(cè)量精度，才為合格的熱能表。這種大流量加速磨損的檢驗(yàn)方法，使得不少生產(chǎn)廠家的機(jī)械式熱能表，因?yàn)槿~輪磨損、導(dǎo)致流量計(jì)測(cè)量精度下降而難于通過(guò)合格性檢驗(yàn)。另外根據(jù)我國(guó)多家采暖建筑熱計(jì)量的試點(diǎn)結(jié)果來(lái)看，現(xiàn)有機(jī)械式熱能表的磨損現(xiàn)象十分嚴(yán)重，經(jīng)過(guò)一年的
采暖計(jì)量后，有20％的熱能表因?yàn)榱髁坑?jì)的磨損，計(jì)量誤差已超過(guò)了15％，而不能再繼續(xù)使用了。由此可見(jiàn)，現(xiàn)有機(jī)械式熱能表的流量計(jì)結(jié)構(gòu)、由耐磨金屬軸與瑪瑙軸碗組成的兩段式立軸結(jié)構(gòu)，不適宜我國(guó)的采暖建筑熱計(jì)量，所以，研制具有抗磨損的新型流量計(jì)，是對(duì)我國(guó)機(jī)械式熱能表的重要技術(shù)要求。
圖1 現(xiàn)有機(jī)械式熱能表的多流束流量計(jì)結(jié)構(gòu)
2.3 熱能表的流量信號(hào)檢測(cè)失靈問(wèn)題
由于水中的鐵銹顆粒和鐵銹屑會(huì)吸附在用干簧管或者霍爾或者韋根元件作為流量傳感器的磁鐵上，造成葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)困難，導(dǎo)致熱能表堵塞。為克服這一弊病，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外大部分機(jī)械式熱能表的流量計(jì)，都采用了無(wú)磁流量傳感器來(lái)檢測(cè)葉輪的轉(zhuǎn)速。無(wú)磁流量傳感器是通過(guò)一種LC振蕩阻尼電路，以非接觸的方式，來(lái)探測(cè)附在葉輪上的無(wú)磁金屬片的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)磁性元件的檢測(cè)[13]。為了提高檢測(cè)精度和電路集成度，美國(guó)TI公司專門為無(wú)磁流量傳感器成功開(kāi)發(fā)了專用芯片MSP430系列。但是在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，無(wú)磁流量傳感器對(duì)無(wú)磁金屬片和感應(yīng)探頭的間距要求很嚴(yán)格，該間距的變化和不穩(wěn)定，常常使葉輪轉(zhuǎn)數(shù)信號(hào)檢測(cè)失靈，即出現(xiàn)熱能表部分流量信號(hào)丟失的現(xiàn)象。
熱能表部分流量信號(hào)丟失現(xiàn)象的原因在于，現(xiàn)有機(jī)械式熱能表的單流束或多流束流量計(jì)，其葉輪都采用了兩段式立軸結(jié)構(gòu)，支撐軸與軸碗之間點(diǎn)接觸的方式使得葉輪在工作時(shí)，在正常情況下，其橫向和縱向設(shè)計(jì)的間隙都大于0.5mm，都會(huì)產(chǎn)生上下串動(dòng)和水平擺動(dòng)，上下串動(dòng)和水平擺動(dòng)，當(dāng)該流量計(jì)發(fā)生磨損即支撐軸與軸碗之間的磨損，或者流量計(jì)的堵塞，都會(huì)加劇葉輪上下串動(dòng)和水平擺動(dòng)的幅度，從而引起熱能表部分流量信號(hào)丟失的現(xiàn)象發(fā)生，這必然導(dǎo)致測(cè)量的流量小
于真實(shí)流量，使得熱能表的測(cè)量精度和可信度下降。
由此可見(jiàn)，現(xiàn)有機(jī)械式熱能表的兩段式立軸結(jié)構(gòu)，會(huì)隨著熱能表的磨損與堵塞程度加劇，出現(xiàn)流量信號(hào)丟失的現(xiàn)象，造成熱能表的測(cè)量精度下降，因此改進(jìn)機(jī)械式熱能表的葉輪結(jié)構(gòu)，提高熱能表的抗磨損性，是對(duì)我國(guó)機(jī)械式熱能表穩(wěn)定性和耐久性的重要技術(shù)要求。
2.4 熱能表的結(jié)垢問(wèn)題
采暖水中含有化學(xué)物質(zhì)，結(jié)垢在熱水比在冷水中更容易發(fā)生，在采暖熱能表中完全避免結(jié)垢是很困難的，所以對(duì)熱能表中的結(jié)垢問(wèn)題應(yīng)給予重視，因?yàn)楫?dāng)結(jié)垢現(xiàn)象不嚴(yán)重時(shí)僅僅使流量計(jì)流水不暢，壓力損失大，但當(dāng)結(jié)垢嚴(yán)重時(shí)就能阻塞熱能表。
由采暖熱計(jì)量試點(diǎn)工程的調(diào)研以及熱能表運(yùn)行實(shí)驗(yàn)可知，在熱能表流量計(jì)中，轉(zhuǎn)動(dòng)的固體表面以及與速度高的水流相平行的固體表面，結(jié)垢現(xiàn)象不很明顯，水垢更易發(fā)生在緩水、積水和扭曲滯流的固體表面。
由于多流束熱能表比單流束熱能表，其流道彎曲復(fù)雜，存在著多處阻水結(jié)構(gòu)，這些阻水處表面常為流體的緩流和滯流區(qū)，所以多流束熱能表比單流束熱能表更容易結(jié)垢。
由于現(xiàn)有機(jī)械式熱能表的流量計(jì)，大多都是多流束流量計(jì)，更容易形生水垢，而水垢的發(fā)生和發(fā)展是熱能表堵塞的一個(gè)方面，所以改進(jìn)機(jī)械式熱能表的流量計(jì)的結(jié)構(gòu)，使其具有防結(jié)垢的能力，是對(duì)我國(guó)機(jī)械式熱能表穩(wěn)定性和耐久性的另一項(xiàng)重要技術(shù)要求。
3 防堵塞原理以及新型熱能表的SST技術(shù)思想
3.1 機(jī)械式熱能表的防堵塞原理
在現(xiàn)有機(jī)械式熱能表中，相同管徑的多流束流量計(jì)與單流束流量計(jì)相比，具有啟動(dòng)流量小、量程寬、測(cè)量精度高、壓力損失稍大的特點(diǎn)，一段時(shí)間我國(guó)機(jī)械式熱能表大多都選用了多流束流量計(jì)。但對(duì)大量的機(jī)械式熱能表的使用調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了這樣一個(gè)普遍現(xiàn)象：即單流束流量計(jì)的熱能表，其防堵塞性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于多流束流量計(jì)的熱能表。問(wèn)題是為什么有這樣的結(jié)果呢？它們之間在結(jié)構(gòu)上有什么差別呢？下面將分析和回答這個(gè)問(wèn)題。
多流束流量計(jì)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是水流進(jìn)入流量計(jì)殼體后，先通過(guò)扭曲的水道，由葉輪盒將水流分成多束流，再將各束流引導(dǎo)至沿葉輪外緣均勻分布的各葉片噴口處，形成了多束流同時(shí)噴射葉片。這種多流束流量計(jì)的結(jié)構(gòu)，能充分和有效地利用水流動(dòng)力，因而它具有啟動(dòng)流量小、量程寬、測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，但在獲得此優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也帶來(lái)了嚴(yán)重的弊病，即由于使水流方向改變大，流道彎曲復(fù)雜，因而也造成了水流的壓力損失大，尤其是流道在葉輪盒的間隙小、葉輪與葉輪腔
的間隙小、多流束流道狹窄，從而導(dǎo)致了多流束流量計(jì)在含有細(xì)小雜質(zhì)的水中工作時(shí)，很容易結(jié)垢而被堵塞。調(diào)查結(jié)果顯示，在我國(guó)含有雜質(zhì)的采暖熱水中，短者3、4個(gè)月，長(zhǎng)者兩個(gè)采暖期，大部分多流束機(jī)械式熱能表就被堵塞而不能正常工作了。
單流束流量計(jì)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是水流進(jìn)入流量計(jì)殼體后，不進(jìn)行分流，引導(dǎo)單束流流至葉輪側(cè)向的葉輪噴口，以固定的方向從葉輪一側(cè)噴射葉片。這種單流束流量計(jì)的結(jié)構(gòu)，對(duì)流體不分流，流體方向改變小、流道簡(jiǎn)單，從而具有流體壓力損失小，尤其是葉輪與葉輪腔的間隙大，它具有了在含有細(xì)小雜質(zhì)的水中工作時(shí)、不容易被堵塞的突出優(yōu)點(diǎn)。但是，它未能充分和有效地利用水流動(dòng)力，因而它的啟動(dòng)流量稍大、測(cè)量精度也稍差。 理論和采暖計(jì)量實(shí)踐中都揭示了單流束機(jī)械式熱能表，在防堵塞性方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于多流束機(jī)械式熱能表。由單流束機(jī)械式熱能表的結(jié)構(gòu)，可從中得出機(jī)械式流量計(jì)的防堵塞原理：流量計(jì)的流體通道應(yīng)有足夠的尺寸，使含有雜質(zhì)的流體順暢通過(guò)。為此機(jī)械式流量計(jì)的防堵塞結(jié)構(gòu)應(yīng)具有這樣的特征：流量計(jì)對(duì)流體不分流、使流道簡(jiǎn)單、保持葉輪與葉輪腔之間有較大的間隙。
3.2 新型機(jī)械式熱能表的SST技術(shù)思想
為了解決現(xiàn)有機(jī)械式熱能表的堵塞問(wèn)題、磨損問(wèn)題、流量信號(hào)丟失問(wèn)題和結(jié)垢問(wèn)題，依據(jù)上述機(jī)械式流量計(jì)的防堵塞原理，以機(jī)械式流量計(jì)防堵塞結(jié)構(gòu)特征為指導(dǎo)方向，從機(jī)械式流量計(jì)的結(jié)構(gòu)、部件和系統(tǒng)配置上進(jìn)行全面分析與改進(jìn)。以消除熱能表堵塞問(wèn)題為關(guān)鍵，以解決熱能表磨損問(wèn)題為重點(diǎn)，形成了機(jī)械式熱能表的全新設(shè)計(jì)理念——SST技術(shù)的設(shè)計(jì)理念，SST技術(shù)的設(shè)計(jì)理念主要表現(xiàn)為以下三項(xiàng)技術(shù)特征[14－21]，關(guān)于對(duì)SST技術(shù)以及由該技術(shù)研制的新型機(jī)械式熱
能表的分析論述詳見(jiàn)文獻(xiàn)[22]：
(1) 對(duì)稱設(shè)計(jì)（S —— Symmetry Design）
對(duì)稱設(shè)計(jì)，就是流量計(jì)內(nèi)外部結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性。由此，熱能表具有了這樣的優(yōu)點(diǎn)：在保持相同的測(cè)量精度下，熱能表不受進(jìn)出口方向的安裝限制，更適合于各種復(fù)雜多變的安裝現(xiàn)場(chǎng)，使安裝的操作性和可靠性得以極大地提高。
(2) 直通式進(jìn)出水管路（S —— Straight Routeway Tube）
直通式進(jìn)出水管路，就是流量計(jì)的進(jìn)出水管路與計(jì)量腔體形成直接的流暢通路。由此，熱能表具有了這樣的優(yōu)點(diǎn)：可使流體通暢流動(dòng)，具有抗結(jié)垢、低壓損的特性。
(3) 獨(dú)立橫軸葉輪系統(tǒng)(T —— Transverse Axle Impeller Set)
獨(dú)立橫軸葉輪系統(tǒng)，就是將單根葉輪軸、葉片組、定位器、發(fā)訊感應(yīng)片組成橫向優(yōu)化配置。橫軸葉輪系統(tǒng)是由一根固定橫軸貫穿轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪，軸與嵌入葉輪中部的軸套，軸與軸套采用兩種不同的非金屬碳氮化合物材料，相互配合組成，形成了高耐磨和防止擺動(dòng)的穩(wěn)定系統(tǒng)。獨(dú)立橫軸葉輪系統(tǒng)是機(jī)械式流量計(jì)防堵塞的關(guān)鍵，它與直通式進(jìn)出水管路配合，實(shí)現(xiàn)了計(jì)量與排污同體完成。由此，熱能表具有了這樣的優(yōu)點(diǎn)：具有防堵塞、抗磨損、穩(wěn)定性高、可使熱能表水平或垂直
或傾斜角度隨意安裝的特點(diǎn)。
經(jīng)過(guò)四年來(lái)的研究和實(shí)驗(yàn)，已成功研制出了SST技術(shù)的機(jī)械式熱能表，并獲得國(guó)家級(jí)計(jì)量監(jiān)督局的認(rèn)證。經(jīng)過(guò)一年多的實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證、一個(gè)采暖期的住宅采暖計(jì)量使用，實(shí)踐表明：與現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外機(jī)械式熱能表相比，SST技術(shù)的機(jī)械式熱能表具有：防堵塞、抗磨損、防結(jié)垢、低壓損、穩(wěn)定性高、精度高和多方位靈活安裝的卓越性能。
3 結(jié)論
（1）電磁式、超聲波式和機(jī)械式熱能表都可用于采暖建筑的熱計(jì)量，但機(jī)械式熱能表在經(jīng)濟(jì)上具有突出的優(yōu)勢(shì)，更適合作為我國(guó)采暖建筑熱計(jì)量的主流熱能表。
（2）現(xiàn)有機(jī)械式熱能表，無(wú)論單流束還是多流束熱能表，都存在著堵塞問(wèn)題、磨損問(wèn)題、流量信號(hào)丟失問(wèn)題和結(jié)垢問(wèn)題，這些技術(shù)缺陷嚴(yán)重制約著它在我國(guó)采暖計(jì)量的實(shí)際應(yīng)用。
（3）機(jī)械式流量計(jì)的防堵塞原理，就是使流量計(jì)的流體通道應(yīng)有足夠的尺寸，使含有雜質(zhì)的流體順暢通過(guò)。
（4）SST技術(shù)的新型機(jī)械式熱能表能克服現(xiàn)有機(jī)械式熱能表所存在的四大技術(shù)缺陷。
（5）與現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外機(jī)械式熱能表相比，實(shí)踐驗(yàn)證了，SST技術(shù)的熱能表具有：
防堵塞、抗磨損、防結(jié)垢、低壓損、穩(wěn)定性高、精度高和靈活安裝的卓越性能。
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[14] 西北工業(yè)大學(xué)，遠(yuǎn)傳水表精度的等水量校調(diào)方法,中國(guó)發(fā)明專利號(hào): ZL200510041726.0, 2006.10.11
[15] 西北工業(yè)大學(xué)，一種有軸套的葉輪式流量表，中國(guó)發(fā)明專利號(hào): 200610041662.9 ,公告日：2007.07.18
[16] 西北工業(yè)大學(xué)，葉輪式流量表，中國(guó)發(fā)明專利號(hào): 200510096312.1 ,公告日：2007.05.16
[17] 西北工業(yè)大學(xué)，一種機(jī)械式熱量表流量計(jì)，中國(guó)實(shí)用新型專利號(hào): ZL200520079325.X，2005.09.13
[18] 青島海納電氣自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司，沖排式葉輪流量計(jì)，中國(guó)實(shí)用新型專利號(hào): ZL200520103577.1, 2006.11.29
[19] 青島海納電氣自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司，，沖排式葉輪流量計(jì)的傳感器，中國(guó)實(shí)用新型專利號(hào): ZL200520103578.6, 2007.01.31
[20] 青島海納電氣自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司，雙向式葉輪流量表，中國(guó)實(shí)用新型專利號(hào): ZL2005000000.X，2007.01.31
[21] 西北工業(yè)大學(xué)，一種用于葉輪流量表的平板式葉片，中國(guó)實(shí)用新型專利號(hào): ZL200620078402.4，2007.08.01
[22] 李世武，SST技術(shù)的新型機(jī)械式熱能表，于本文同時(shí)同一刊物投稿。 聯(lián)系作者和第一作者簡(jiǎn)介：
李世武(1957年-)，博導(dǎo)，教授,西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，西安市友誼西路127號(hào)，710072，電話029－88492746，傳真029－88495911，shiwuli@nwpu.edu.cn
李世武(1957年-)，男，四川省開(kāi)江縣，教授,博士，從事供熱工程與節(jié)能方面的研究。029－88492746，shiwuli@nwpu.edu.cn
