摘要：采暖建筑熱計量是重大的節能環保措施。本文分析了現有電磁式、超聲波式和機械式熱能表在采暖建筑熱計量領域的應用前景，以及機械式熱能表本身具有突出的經濟性而應作為主流熱能表加以推廣。調研和分析了現有機械式熱能表存在著堵塞問題、磨損問題、丟信號問題和結垢問題，這些問題嚴重制約著它的實際應用。分析和研究了兩種流量計防堵塞的差異，進而引出了防堵塞原理，并提出了機械式流量計的防堵塞結構特征。為克服現有機械式熱能表的技術缺陷，提出了全新概念的SST設計理念，并成功研制出了性能卓越的SST技術的新型機械式熱能表。
關鍵詞：采暖熱計量、熱能表、堵塞、磨損、SST技術
引言
在我國，城市采暖建筑熱計量與溫控是重大的節能環保措施，實現采暖建筑熱計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械式熱能表。這三種熱能表的技術特點以及存在的問題如何？哪種熱能表更適合作為我國采暖建筑熱計量的主流熱能表？以及如何才能使主流熱能表長期、穩定和可靠地工作？這些問題的研究解決，對我國實現城市采暖建筑熱計量的節能環保措施，有著積極的促進作用，本文將分析和解決這些問題。
1 三種熱能表的技術特點以及主流熱能表
熱計量所采用的儀表稱為熱能表，用于計量給用戶的采暖供熱量。熱能表由流量計、采暖供水與回水溫度計和積算器組成。根據流量計的測量原理，現有熱能表分為三種，分別為電磁式、超聲波式和機械式熱能表[1]。這三種熱能表在測溫方面是相同的，區別僅在于流量計的測量原理不同而已，現分析它們之間的性能差異。
1.1 電磁式熱能表
電磁式流量計根據法拉第定律，具有導電性的水流通過電磁場時，會產生感應電動勢。水流的速度越高，產生的感應電動勢就越大。通過測量感應電動勢的大小就可以得出管道內的水流速度，然后再由水的密度和管徑就可確定管道內的水流量。
電磁式流量計的優點表現為，因無轉動部件(即無磨損部件)而使用壽命長，且測量精度高，但也存在著缺點，它不僅對水流的導電率有要求，而且水溫的變化引起水流的導電率變化，水流的導電率變化又影響著對水流流速的測量精度。另外，電磁式流量計耗電量大，需要220 V的交流供電，并對環境的電磁干擾敏感。
1.2 超聲波式熱能表
超聲波流量計，利用超聲波在管道內順水流和逆水流的傳播速度不同這一原理，來測量管道內水流的速度。水流的速度越高，超聲波在管道內順水流和逆水流的傳播速度相差就越大，在相同的長度內，測量管道順水流和逆水流超聲波的傳播時間差，就可以得出管道內的水流速度。
超聲波與電磁式流量計的優點相同，表現為無轉動部件、使用壽命長，測量精度高。但它也存在著缺點，超聲波發射器、超聲波接收器以及處在這兩者之間的測量腔體，易被水中污垢粘附或結垢，這對其測量精度有很大影響。
1.3 機械式熱能表
機械式流量計，利用水流流經流量計的葉輪時能推動葉輪旋轉，水流的速度越大，葉輪的轉速就越高，通過測量葉輪的轉速就可以得出水流的速度。
機械式流量計與電磁式流量計和超聲波流量計相比，因有轉動部件即流量計的葉輪，其使用壽命和測量精度如果設計不當的話，就會低于電磁式流量計和超聲波流量計，但機械式流量計的優點卻避免了電磁式流量計的缺點即計量耗電量大并對水流導電率有要求、避免了超聲波流量計的的缺點即測量腔體的污垢或結垢對測量精度影響大，特別是機械式熱能表的造價遠低于電磁式熱能表和超聲波式熱能表，所以機械式熱能表在經濟性方面的突出優勢，就展現出它在建筑熱計
量領域里更具有廣泛的應用前景，更適合作為我國采暖建筑熱計量的主流熱能表。
1.4 作為主流熱能表存在的問題
合理設計的機械式熱能表的使用壽命和測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到國際或國內熱能表的標準，即使用壽命完全可以超過6年、最大計量誤差小于2％或3％。若機械式熱能表發揮其優勢，消除其劣勢，理當成為我國采暖建筑熱計量領域中的主流熱能表。然而，現有機械式熱能表，受流量計本身結構所限，特別是在我國受采暖水質所限，存在著嚴重的技術缺陷，表現為流量計堵塞問題、磨損問題、流量信號丟失問題和結垢問題等[2－12]。只有克服了現有機械式熱能表的這些技術缺陷，才能使機械式熱能表在我國得到廣泛的應用，以下本文將對機械式熱能表存在的技術缺陷進行細致分析研究，并提出改進的方向和途徑。
2 現有機械式熱能表存在的問題和技術缺陷
2.1 熱能表的堵塞問題
我國的采暖水質潔凈度明顯低于國外，采暖水的凈化處理程度也遠低于國外。采暖水質潔凈度低，這是我國與國外在采暖建筑熱計量上的重大差別。正因為如此，就對于在我國使用的熱能表提出了更苛刻的使用條件、更高的技術要求。
我國采暖水質潔凈度不高，表現為水中含有較多的雜質。水中雜質的來源有兩個方面：一是我國室外采暖管網大多采用鋼管，室內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因為氧化而產生銹蝕。另外我國的采暖系統也不像歐洲那樣系統中的水被常年保留。在我國，當采暖期過后，就將采暖系統中的水排掉，這樣就加速了采暖系統的氧化和銹蝕。采暖系統的氧化和銹蝕，便不斷產生鐵銹顆粒和鐵銹屑，這是水中雜質的持續來源；二是采暖系統施工后的殘
留物，如泥沙、鐵屑、焊渣、纖維等物體，有時還有更大的物體，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。
采暖系統中的大尺寸雜質不僅可能堵塞采暖管道，還能撞擊、破壞和堵塞熱能表。當然，在安裝熱能表前，先沖洗采暖管道以及在熱能表前加裝過濾器，可以消除采暖系統中的大部分以及大尺寸的雜質。 在采取采暖管道沖洗和加裝過濾器的措施后，采暖系統仍會有少量的雜質，這些雜質比較細小，不會堵塞采暖管道，但也無法被過濾器過濾掉，屬于采暖系統難于處理的雜質。正是這些細小的雜質，卻對熱能表的穩定性、測量精度和使用壽命造成了重大的不利影響。機械式熱能表有轉動部件，當含有雜質的采暖水通過時，水中雜質會對葉輪的旋轉產生影響。通過對大量的熱能表使用狀況的調研，以及對熱能表的運行狀況的分析，發現含有雜質的采暖水對熱能表的影響表現為如下四種情況：一是，細小的顆粒，如泥沙、鐵銹屑等直徑小于0.1mm的雜質，會淤積在流量計葉輪的軸孔內（現有機械式熱能表軸孔間隙大于0.5mm），增加葉輪轉動阻力并引起熱能表堵塞；二是，直徑大于1mm的雜質顆粒會卡在葉輪與流量計的腔體之間，造成葉輪轉動困難或卡死葉輪，導致熱能表堵塞；三是，水中纖維狀的雜質，如麻絲、生膠帶等雜質，會纏繞在葉輪的上下軸上，造成葉輪轉動困難或無法轉動，導致熱能表堵塞；四是，水中的鐵銹顆粒和鐵銹屑會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，造成葉輪轉動困難，并可能卡死葉輪轉動，導致熱能表堵塞[2]。
由上所述可知，因為我國采暖水質潔凈度不高，采暖水中含有雜質，尤其是那些采暖系統難于排出的細小雜質，會堵塞機械式熱能表，或者使熱能表的測量精度迅速下降。因此，具有防堵塞功能，適應含有細小雜質的采暖水，采用無磁流量傳感器，是對我國機械式熱能表的最重要也是最基本的技術要求。
2.2 熱能表的磨損問題
現有機械式熱能表的流量計，實際上是借鑒國外水表而來的，其本質是把以追求較小的計量啟動流量（如10L/h以下，而熱能表的啟動流量為50L/h）、間歇方式工作在冷水中的流量計，移植到采暖熱水中使用。由于機械式熱能表的葉輪，需連續和長期處在500轉/分的高轉速，介于75－95之間且含雜質的高溫水中的工作，其工作一個月所通過的水量，相當于普通水表工作三年，這不可避免地會對機械式熱能表的葉輪產生很大的磨損。 C0現有機械式熱能表的流量計，主要為單流束和多流束兩種。無論是單流束的還是多流束流量計，其葉輪都采用了兩段式立軸結構，見圖1。該立軸結構，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動輕便，支撐軸與軸碗之間在橫向和縱向都留有0.5mm左右的間隙。
現有機械式熱能表流量計的兩段式立軸結構，其優點表現為：因為軸與軸碗是點接觸，接觸點小，所以摩擦力小，轉動靈敏度高，流量計的啟動流量較小，10升/小時的小流量就可以推動流量計的葉輪轉動，很適宜作為需要啟動流量小、流量變化頻率高、潔凈程度高的流體計量，如作為自來水表使用。但是，當這種兩段式立軸結構的流量計用于熱能表時，就顯現出了它的嚴重缺陷，因為在制造上，兩段式立軸，上下部分粗細不等，直徑分別為0.12、2.7mm，需要有較
高的強度、韌性和特有的錐形，所以這樣的兩段式立軸當前全都采用防銹耐磨的金屬制造。在采暖期內，高水溫、較高的水壓和連續的大流量，使得葉輪長期高速地旋轉，尤其是采暖熱水中含有細小的雜質，加速了立軸各端部的磨損，進一步擴大了軸與軸碗間橫向與縱向的間隙，加大了葉輪的擺動幅度，這就會引起葉輪的轉動失衡，導致設計的流量曲線變化，計量精度迅速下降。對于單流束的流量計，其立軸還會受到側面水流的壓力從而產生更為嚴重的側向磨損。
在我國的熱能表生產和檢驗標準中，為了檢驗熱能表的耐久性，采取了大流量加速磨損的檢驗方法，例如對于20mm管徑的戶用熱能表，須在最大流量5000升/小時下連續工作300小時仍能保持原有的測量精度，才為合格的熱能表。這種大流量加速磨損的檢驗方法，使得不少生產廠家的機械式熱能表，因為葉輪磨損、導致流量計測量精度下降而難于通過合格性檢驗。另外根據我國多家采暖建筑熱計量的試點結果來看，現有機械式熱能表的磨損現象十分嚴重，經過一年的
采暖計量后，有20％的熱能表因為流量計的磨損，計量誤差已超過了15％，而不能再繼續使用了。由此可見，現有機械式熱能表的流量計結構、由耐磨金屬軸與瑪瑙軸碗組成的兩段式立軸結構，不適宜我國的采暖建筑熱計量，所以，研制具有抗磨損的新型流量計，是對我國機械式熱能表的重要技術要求。
圖1 現有機械式熱能表的多流束流量計結構
2.3 熱能表的流量信號檢測失靈問題
由于水中的鐵銹顆粒和鐵銹屑會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，造成葉輪轉動困難，導致熱能表堵塞。為克服這一弊病，現在國內外大部分機械式熱能表的流量計，都采用了無磁流量傳感器來檢測葉輪的轉速。無磁流量傳感器是通過一種LC振蕩阻尼電路，以非接觸的方式，來探測附在葉輪上的無磁金屬片的轉動，實現了無磁性元件的檢測[13]。為了提高檢測精度和電路集成度，美國TI公司專門為無磁流量傳感器成功開發了專用芯片MSP430系列。但是在實踐中發現，無磁流量傳感器對無磁金屬片和感應探頭的間距要求很嚴格，該間距的變化和不穩定，常常使葉輪轉數信號檢測失靈，即出現熱能表部分流量信號丟失的現象。
熱能表部分流量信號丟失現象的原因在于，現有機械式熱能表的單流束或多流束流量計，其葉輪都采用了兩段式立軸結構，支撐軸與軸碗之間點接觸的方式使得葉輪在工作時，在正常情況下，其橫向和縱向設計的間隙都大于0.5mm，都會產生上下串動和水平擺動，上下串動和水平擺動，當該流量計發生磨損即支撐軸與軸碗之間的磨損，或者流量計的堵塞，都會加劇葉輪上下串動和水平擺動的幅度，從而引起熱能表部分流量信號丟失的現象發生，這必然導致測量的流量小
于真實流量，使得熱能表的測量精度和可信度下降。
由此可見，現有機械式熱能表的兩段式立軸結構，會隨著熱能表的磨損與堵塞程度加劇，出現流量信號丟失的現象，造成熱能表的測量精度下降，因此改進機械式熱能表的葉輪結構，提高熱能表的抗磨損性，是對我國機械式熱能表穩定性和耐久性的重要技術要求。
2.4 熱能表的結垢問題
采暖水中含有化學物質，結垢在熱水比在冷水中更容易發生，在采暖熱能表中完全避免結垢是很困難的，所以對熱能表中的結垢問題應給予重視，因為當結垢現象不嚴重時僅僅使流量計流水不暢，壓力損失大，但當結垢嚴重時就能阻塞熱能表。
由采暖熱計量試點工程的調研以及熱能表運行實驗可知，在熱能表流量計中，轉動的固體表面以及與速度高的水流相平行的固體表面，結垢現象不很明顯，水垢更易發生在緩水、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，其流道彎曲復雜，存在著多處阻水結構，這些阻水處表面常為流體的緩流和滯流區，所以多流束熱能表比單流束熱能表更容易結垢。
由于現有機械式熱能表的流量計，大多都是多流束流量計，更容易形生水垢，而水垢的發生和發展是熱能表堵塞的一個方面，所以改進機械式熱能表的流量計的結構，使其具有防結垢的能力，是對我國機械式熱能表穩定性和耐久性的另一項重要技術要求。
3 防堵塞原理以及新型熱能表的SST技術思想
3.1 機械式熱能表的防堵塞原理
在現有機械式熱能表中，相同管徑的多流束流量計與單流束流量計相比，具有啟動流量小、量程寬、測量精度高、壓力損失稍大的特點，一段時間我國機械式熱能表大多都選用了多流束流量計。但對大量的機械式熱能表的使用調查，發現了這樣一個普遍現象：即單流束流量計的熱能表，其防堵塞性遠遠高于多流束流量計的熱能表。問題是為什么有這樣的結果呢？它們之間在結構上有什么差別呢？下面將分析和回答這個問題。
多流束流量計，其結構特點是水流進入流量計殼體后，先通過扭曲的水道，由葉輪盒將水流分成多束流，再將各束流引導至沿葉輪外緣均勻分布的各葉片噴口處，形成了多束流同時噴射葉片。這種多流束流量計的結構，能充分和有效地利用水流動力，因而它具有啟動流量小、量程寬、測量精度高的優點，但在獲得此優點的同時也帶來了嚴重的弊病，即由于使水流方向改變大，流道彎曲復雜，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，從而導致了多流束流量計在含有細小雜質的水中工作時，很容易結垢而被堵塞。調查結果顯示，在我國含有雜質的采暖熱水中，短者3、4個月，長者兩個采暖期，大部分多流束機械式熱能表就被堵塞而不能正常工作了。
單流束流量計，其結構特點是水流進入流量計殼體后，不進行分流，引導單束流流至葉輪側向的葉輪噴口，以固定的方向從葉輪一側噴射葉片。這種單流束流量計的結構，對流體不分流，流體方向改變小、流道簡單，從而具有流體壓力損失小，尤其是葉輪與葉輪腔的間隙大，它具有了在含有細小雜質的水中工作時、不容易被堵塞的突出優點。但是，它未能充分和有效地利用水流動力，因而它的啟動流量稍大、測量精度也稍差。 理論和采暖計量實踐中都揭示了單流束機械式熱能表，在防堵塞性方面遠遠優于多流束機械式熱能表。由單流束機械式熱能表的結構，可從中得出機械式流量計的防堵塞原理：流量計的流體通道應有足夠的尺寸，使含有雜質的流體順暢通過。為此機械式流量計的防堵塞結構應具有這樣的特征：流量計對流體不分流、使流道簡單、保持葉輪與葉輪腔之間有較大的間隙。
3.2 新型機械式熱能表的SST技術思想
為了解決現有機械式熱能表的堵塞問題、磨損問題、流量信號丟失問題和結垢問題，依據上述機械式流量計的防堵塞原理，以機械式流量計防堵塞結構特征為指導方向，從機械式流量計的結構、部件和系統配置上進行全面分析與改進。以消除熱能表堵塞問題為關鍵，以解決熱能表磨損問題為重點，形成了機械式熱能表的全新設計理念——SST技術的設計理念，SST技術的設計理念主要表現為以下三項技術特征[14－21]，關于對SST技術以及由該技術研制的新型機械式熱
能表的分析論述詳見文獻[22]：
(1) 對稱設計（S —— Symmetry Design）
對稱設計，就是流量計內外部結構的對稱性。由此，熱能表具有了這樣的優點：在保持相同的測量精度下，熱能表不受進出口方向的安裝限制，更適合于各種復雜多變的安裝現場，使安裝的操作性和可靠性得以極大地提高。
(2) 直通式進出水管路（S —— Straight Routeway Tube）
直通式進出水管路，就是流量計的進出水管路與計量腔體形成直接的流暢通路。由此，熱能表具有了這樣的優點：可使流體通暢流動，具有抗結垢、低壓損的特性。
(3) 獨立橫軸葉輪系統(T —— Transverse Axle Impeller Set)
獨立橫軸葉輪系統，就是將單根葉輪軸、葉片組、定位器、發訊感應片組成橫向優化配置。橫軸葉輪系統是由一根固定橫軸貫穿轉動的葉輪，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的穩定系統。獨立橫軸葉輪系統是機械式流量計防堵塞的關鍵，它與直通式進出水管路配合，實現了計量與排污同體完成。由此，熱能表具有了這樣的優點：具有防堵塞、抗磨損、穩定性高、可使熱能表水平或垂直
或傾斜角度隨意安裝的特點。
經過四年來的研究和實驗，已成功研制出了SST技術的機械式熱能表，并獲得國家級計量監督局的認證。經過一年多的實驗室驗證、一個采暖期的住宅采暖計量使用，實踐表明：與現有國內外機械式熱能表相比，SST技術的機械式熱能表具有：防堵塞、抗磨損、防結垢、低壓損、穩定性高、精度高和多方位靈活安裝的卓越性能。
3 結論
（1）電磁式、超聲波式和機械式熱能表都可用于采暖建筑的熱計量，但機械式熱能表在經濟上具有突出的優勢，更適合作為我國采暖建筑熱計量的主流熱能表。
（2）現有機械式熱能表，無論單流束還是多流束熱能表，都存在著堵塞問題、磨損問題、流量信號丟失問題和結垢問題，這些技術缺陷嚴重制約著它在我國采暖計量的實際應用。
（3）機械式流量計的防堵塞原理，就是使流量計的流體通道應有足夠的尺寸，使含有雜質的流體順暢通過。
（4）SST技術的新型機械式熱能表能克服現有機械式熱能表所存在的四大技術缺陷。
（5）與現有國內外機械式熱能表相比，實踐驗證了，SST技術的熱能表具有：
防堵塞、抗磨損、防結垢、低壓損、穩定性高、精度高和靈活安裝的卓越性能。
參考文獻
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[19] 青島海納電氣自動化系統有限公司，，沖排式葉輪流量計的傳感器，中國實用新型專利號: ZL200520103578.6, 2007.01.31
[20] 青島海納電氣自動化系統有限公司，雙向式葉輪流量表，中國實用新型專利號: ZL2005000000.X，2007.01.31
[21] 西北工業大學，一種用于葉輪流量表的平板式葉片，中國實用新型專利號: ZL200620078402.4，2007.08.01
[22] 李世武，SST技術的新型機械式熱能表，于本文同時同一刊物投稿。 聯系作者和第一作者簡介：
李世武(1957年-)，博導，教授,西北工業大學動力與能源學院，西安市友誼西路127號，710072，電話029－88492746，傳真029－88495911，shiwuli@nwpu.edu.cn
李世武(1957年-)，男，四川省開江縣，教授,博士，從事供熱工程與節能方面的研究。029－88492746，shiwuli@nwpu.edu.cn
關鍵詞：采暖熱計量、熱能表、堵塞、磨損、SST技術
引言
在我國，城市采暖建筑熱計量與溫控是重大的節能環保措施，實現采暖建筑熱計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械式熱能表。這三種熱能表的技術特點以及存在的問題如何？哪種熱能表更適合作為我國采暖建筑熱計量的主流熱能表？以及如何才能使主流熱能表長期、穩定和可靠地工作？這些問題的研究解決，對我國實現城市采暖建筑熱計量的節能環保措施，有著積極的促進作用，本文將分析和解決這些問題。
1 三種熱能表的技術特點以及主流熱能表
熱計量所采用的儀表稱為熱能表，用于計量給用戶的采暖供熱量。熱能表由流量計、采暖供水與回水溫度計和積算器組成。根據流量計的測量原理，現有熱能表分為三種，分別為電磁式、超聲波式和機械式熱能表[1]。這三種熱能表在測溫方面是相同的，區別僅在于流量計的測量原理不同而已，現分析它們之間的性能差異。
1.1 電磁式熱能表
電磁式流量計根據法拉第定律，具有導電性的水流通過電磁場時，會產生感應電動勢。水流的速度越高，產生的感應電動勢就越大。通過測量感應電動勢的大小就可以得出管道內的水流速度，然后再由水的密度和管徑就可確定管道內的水流量。
電磁式流量計的優點表現為，因無轉動部件(即無磨損部件)而使用壽命長，且測量精度高，但也存在著缺點，它不僅對水流的導電率有要求，而且水溫的變化引起水流的導電率變化，水流的導電率變化又影響著對水流流速的測量精度。另外，電磁式流量計耗電量大，需要220 V的交流供電，并對環境的電磁干擾敏感。
1.2 超聲波式熱能表
超聲波流量計，利用超聲波在管道內順水流和逆水流的傳播速度不同這一原理，來測量管道內水流的速度。水流的速度越高，超聲波在管道內順水流和逆水流的傳播速度相差就越大，在相同的長度內，測量管道順水流和逆水流超聲波的傳播時間差，就可以得出管道內的水流速度。
超聲波與電磁式流量計的優點相同，表現為無轉動部件、使用壽命長，測量精度高。但它也存在著缺點，超聲波發射器、超聲波接收器以及處在這兩者之間的測量腔體，易被水中污垢粘附或結垢，這對其測量精度有很大影響。
1.3 機械式熱能表
機械式流量計，利用水流流經流量計的葉輪時能推動葉輪旋轉，水流的速度越大，葉輪的轉速就越高，通過測量葉輪的轉速就可以得出水流的速度。
機械式流量計與電磁式流量計和超聲波流量計相比，因有轉動部件即流量計的葉輪，其使用壽命和測量精度如果設計不當的話，就會低于電磁式流量計和超聲波流量計，但機械式流量計的優點卻避免了電磁式流量計的缺點即計量耗電量大并對水流導電率有要求、避免了超聲波流量計的的缺點即測量腔體的污垢或結垢對測量精度影響大，特別是機械式熱能表的造價遠低于電磁式熱能表和超聲波式熱能表，所以機械式熱能表在經濟性方面的突出優勢，就展現出它在建筑熱計
量領域里更具有廣泛的應用前景，更適合作為我國采暖建筑熱計量的主流熱能表。
1.4 作為主流熱能表存在的問題
合理設計的機械式熱能表的使用壽命和測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到國際或國內熱能表的標準，即使用壽命完全可以超過6年、最大計量誤差小于2％或3％。若機械式熱能表發揮其優勢，消除其劣勢，理當成為我國采暖建筑熱計量領域中的主流熱能表。然而，現有機械式熱能表，受流量計本身結構所限，特別是在我國受采暖水質所限，存在著嚴重的技術缺陷，表現為流量計堵塞問題、磨損問題、流量信號丟失問題和結垢問題等[2－12]。只有克服了現有機械式熱能表的這些技術缺陷，才能使機械式熱能表在我國得到廣泛的應用，以下本文將對機械式熱能表存在的技術缺陷進行細致分析研究，并提出改進的方向和途徑。
2 現有機械式熱能表存在的問題和技術缺陷
2.1 熱能表的堵塞問題
我國的采暖水質潔凈度明顯低于國外，采暖水的凈化處理程度也遠低于國外。采暖水質潔凈度低，這是我國與國外在采暖建筑熱計量上的重大差別。正因為如此，就對于在我國使用的熱能表提出了更苛刻的使用條件、更高的技術要求。
我國采暖水質潔凈度不高，表現為水中含有較多的雜質。水中雜質的來源有兩個方面：一是我國室外采暖管網大多采用鋼管，室內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因為氧化而產生銹蝕。另外我國的采暖系統也不像歐洲那樣系統中的水被常年保留。在我國，當采暖期過后，就將采暖系統中的水排掉，這樣就加速了采暖系統的氧化和銹蝕。采暖系統的氧化和銹蝕，便不斷產生鐵銹顆粒和鐵銹屑，這是水中雜質的持續來源；二是采暖系統施工后的殘
留物，如泥沙、鐵屑、焊渣、纖維等物體，有時還有更大的物體，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。
采暖系統中的大尺寸雜質不僅可能堵塞采暖管道，還能撞擊、破壞和堵塞熱能表。當然，在安裝熱能表前，先沖洗采暖管道以及在熱能表前加裝過濾器，可以消除采暖系統中的大部分以及大尺寸的雜質。 在采取采暖管道沖洗和加裝過濾器的措施后，采暖系統仍會有少量的雜質，這些雜質比較細小，不會堵塞采暖管道，但也無法被過濾器過濾掉，屬于采暖系統難于處理的雜質。正是這些細小的雜質，卻對熱能表的穩定性、測量精度和使用壽命造成了重大的不利影響。機械式熱能表有轉動部件，當含有雜質的采暖水通過時，水中雜質會對葉輪的旋轉產生影響。通過對大量的熱能表使用狀況的調研，以及對熱能表的運行狀況的分析，發現含有雜質的采暖水對熱能表的影響表現為如下四種情況：一是，細小的顆粒，如泥沙、鐵銹屑等直徑小于0.1mm的雜質，會淤積在流量計葉輪的軸孔內（現有機械式熱能表軸孔間隙大于0.5mm），增加葉輪轉動阻力并引起熱能表堵塞；二是，直徑大于1mm的雜質顆粒會卡在葉輪與流量計的腔體之間，造成葉輪轉動困難或卡死葉輪，導致熱能表堵塞；三是，水中纖維狀的雜質，如麻絲、生膠帶等雜質，會纏繞在葉輪的上下軸上，造成葉輪轉動困難或無法轉動，導致熱能表堵塞；四是，水中的鐵銹顆粒和鐵銹屑會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，造成葉輪轉動困難，并可能卡死葉輪轉動，導致熱能表堵塞[2]。
由上所述可知，因為我國采暖水質潔凈度不高，采暖水中含有雜質，尤其是那些采暖系統難于排出的細小雜質，會堵塞機械式熱能表，或者使熱能表的測量精度迅速下降。因此，具有防堵塞功能，適應含有細小雜質的采暖水，采用無磁流量傳感器，是對我國機械式熱能表的最重要也是最基本的技術要求。
2.2 熱能表的磨損問題
現有機械式熱能表的流量計，實際上是借鑒國外水表而來的，其本質是把以追求較小的計量啟動流量（如10L/h以下，而熱能表的啟動流量為50L/h）、間歇方式工作在冷水中的流量計，移植到采暖熱水中使用。由于機械式熱能表的葉輪，需連續和長期處在500轉/分的高轉速，介于75－95之間且含雜質的高溫水中的工作，其工作一個月所通過的水量，相當于普通水表工作三年，這不可避免地會對機械式熱能表的葉輪產生很大的磨損。 C0現有機械式熱能表的流量計，主要為單流束和多流束兩種。無論是單流束的還是多流束流量計，其葉輪都采用了兩段式立軸結構，見圖1。該立軸結構，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動輕便，支撐軸與軸碗之間在橫向和縱向都留有0.5mm左右的間隙。
現有機械式熱能表流量計的兩段式立軸結構，其優點表現為：因為軸與軸碗是點接觸，接觸點小，所以摩擦力小，轉動靈敏度高，流量計的啟動流量較小，10升/小時的小流量就可以推動流量計的葉輪轉動，很適宜作為需要啟動流量小、流量變化頻率高、潔凈程度高的流體計量，如作為自來水表使用。但是，當這種兩段式立軸結構的流量計用于熱能表時，就顯現出了它的嚴重缺陷，因為在制造上，兩段式立軸，上下部分粗細不等，直徑分別為0.12、2.7mm，需要有較
高的強度、韌性和特有的錐形，所以這樣的兩段式立軸當前全都采用防銹耐磨的金屬制造。在采暖期內，高水溫、較高的水壓和連續的大流量，使得葉輪長期高速地旋轉，尤其是采暖熱水中含有細小的雜質，加速了立軸各端部的磨損，進一步擴大了軸與軸碗間橫向與縱向的間隙，加大了葉輪的擺動幅度，這就會引起葉輪的轉動失衡，導致設計的流量曲線變化，計量精度迅速下降。對于單流束的流量計，其立軸還會受到側面水流的壓力從而產生更為嚴重的側向磨損。
在我國的熱能表生產和檢驗標準中，為了檢驗熱能表的耐久性，采取了大流量加速磨損的檢驗方法，例如對于20mm管徑的戶用熱能表，須在最大流量5000升/小時下連續工作300小時仍能保持原有的測量精度，才為合格的熱能表。這種大流量加速磨損的檢驗方法，使得不少生產廠家的機械式熱能表，因為葉輪磨損、導致流量計測量精度下降而難于通過合格性檢驗。另外根據我國多家采暖建筑熱計量的試點結果來看，現有機械式熱能表的磨損現象十分嚴重，經過一年的
采暖計量后，有20％的熱能表因為流量計的磨損，計量誤差已超過了15％，而不能再繼續使用了。由此可見，現有機械式熱能表的流量計結構、由耐磨金屬軸與瑪瑙軸碗組成的兩段式立軸結構，不適宜我國的采暖建筑熱計量，所以，研制具有抗磨損的新型流量計，是對我國機械式熱能表的重要技術要求。
圖1 現有機械式熱能表的多流束流量計結構
2.3 熱能表的流量信號檢測失靈問題
由于水中的鐵銹顆粒和鐵銹屑會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，造成葉輪轉動困難，導致熱能表堵塞。為克服這一弊病，現在國內外大部分機械式熱能表的流量計，都采用了無磁流量傳感器來檢測葉輪的轉速。無磁流量傳感器是通過一種LC振蕩阻尼電路，以非接觸的方式，來探測附在葉輪上的無磁金屬片的轉動，實現了無磁性元件的檢測[13]。為了提高檢測精度和電路集成度，美國TI公司專門為無磁流量傳感器成功開發了專用芯片MSP430系列。但是在實踐中發現，無磁流量傳感器對無磁金屬片和感應探頭的間距要求很嚴格，該間距的變化和不穩定，常常使葉輪轉數信號檢測失靈，即出現熱能表部分流量信號丟失的現象。
熱能表部分流量信號丟失現象的原因在于，現有機械式熱能表的單流束或多流束流量計，其葉輪都采用了兩段式立軸結構，支撐軸與軸碗之間點接觸的方式使得葉輪在工作時，在正常情況下，其橫向和縱向設計的間隙都大于0.5mm，都會產生上下串動和水平擺動，上下串動和水平擺動，當該流量計發生磨損即支撐軸與軸碗之間的磨損，或者流量計的堵塞，都會加劇葉輪上下串動和水平擺動的幅度，從而引起熱能表部分流量信號丟失的現象發生，這必然導致測量的流量小
于真實流量，使得熱能表的測量精度和可信度下降。
由此可見，現有機械式熱能表的兩段式立軸結構，會隨著熱能表的磨損與堵塞程度加劇，出現流量信號丟失的現象，造成熱能表的測量精度下降，因此改進機械式熱能表的葉輪結構，提高熱能表的抗磨損性，是對我國機械式熱能表穩定性和耐久性的重要技術要求。
2.4 熱能表的結垢問題
采暖水中含有化學物質，結垢在熱水比在冷水中更容易發生，在采暖熱能表中完全避免結垢是很困難的，所以對熱能表中的結垢問題應給予重視，因為當結垢現象不嚴重時僅僅使流量計流水不暢，壓力損失大，但當結垢嚴重時就能阻塞熱能表。
由采暖熱計量試點工程的調研以及熱能表運行實驗可知，在熱能表流量計中，轉動的固體表面以及與速度高的水流相平行的固體表面，結垢現象不很明顯，水垢更易發生在緩水、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，其流道彎曲復雜，存在著多處阻水結構，這些阻水處表面常為流體的緩流和滯流區，所以多流束熱能表比單流束熱能表更容易結垢。
由于現有機械式熱能表的流量計，大多都是多流束流量計，更容易形生水垢，而水垢的發生和發展是熱能表堵塞的一個方面，所以改進機械式熱能表的流量計的結構，使其具有防結垢的能力，是對我國機械式熱能表穩定性和耐久性的另一項重要技術要求。
3 防堵塞原理以及新型熱能表的SST技術思想
3.1 機械式熱能表的防堵塞原理
在現有機械式熱能表中，相同管徑的多流束流量計與單流束流量計相比，具有啟動流量小、量程寬、測量精度高、壓力損失稍大的特點，一段時間我國機械式熱能表大多都選用了多流束流量計。但對大量的機械式熱能表的使用調查，發現了這樣一個普遍現象：即單流束流量計的熱能表，其防堵塞性遠遠高于多流束流量計的熱能表。問題是為什么有這樣的結果呢？它們之間在結構上有什么差別呢？下面將分析和回答這個問題。
多流束流量計，其結構特點是水流進入流量計殼體后，先通過扭曲的水道，由葉輪盒將水流分成多束流，再將各束流引導至沿葉輪外緣均勻分布的各葉片噴口處，形成了多束流同時噴射葉片。這種多流束流量計的結構，能充分和有效地利用水流動力，因而它具有啟動流量小、量程寬、測量精度高的優點，但在獲得此優點的同時也帶來了嚴重的弊病，即由于使水流方向改變大，流道彎曲復雜，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，從而導致了多流束流量計在含有細小雜質的水中工作時，很容易結垢而被堵塞。調查結果顯示，在我國含有雜質的采暖熱水中，短者3、4個月，長者兩個采暖期，大部分多流束機械式熱能表就被堵塞而不能正常工作了。
單流束流量計，其結構特點是水流進入流量計殼體后，不進行分流，引導單束流流至葉輪側向的葉輪噴口，以固定的方向從葉輪一側噴射葉片。這種單流束流量計的結構，對流體不分流，流體方向改變小、流道簡單，從而具有流體壓力損失小，尤其是葉輪與葉輪腔的間隙大，它具有了在含有細小雜質的水中工作時、不容易被堵塞的突出優點。但是，它未能充分和有效地利用水流動力，因而它的啟動流量稍大、測量精度也稍差。 理論和采暖計量實踐中都揭示了單流束機械式熱能表，在防堵塞性方面遠遠優于多流束機械式熱能表。由單流束機械式熱能表的結構，可從中得出機械式流量計的防堵塞原理：流量計的流體通道應有足夠的尺寸，使含有雜質的流體順暢通過。為此機械式流量計的防堵塞結構應具有這樣的特征：流量計對流體不分流、使流道簡單、保持葉輪與葉輪腔之間有較大的間隙。
3.2 新型機械式熱能表的SST技術思想
為了解決現有機械式熱能表的堵塞問題、磨損問題、流量信號丟失問題和結垢問題，依據上述機械式流量計的防堵塞原理，以機械式流量計防堵塞結構特征為指導方向，從機械式流量計的結構、部件和系統配置上進行全面分析與改進。以消除熱能表堵塞問題為關鍵，以解決熱能表磨損問題為重點，形成了機械式熱能表的全新設計理念——SST技術的設計理念，SST技術的設計理念主要表現為以下三項技術特征[14－21]，關于對SST技術以及由該技術研制的新型機械式熱
能表的分析論述詳見文獻[22]：
(1) 對稱設計（S —— Symmetry Design）
對稱設計，就是流量計內外部結構的對稱性。由此，熱能表具有了這樣的優點：在保持相同的測量精度下，熱能表不受進出口方向的安裝限制，更適合于各種復雜多變的安裝現場，使安裝的操作性和可靠性得以極大地提高。
(2) 直通式進出水管路（S —— Straight Routeway Tube）
直通式進出水管路，就是流量計的進出水管路與計量腔體形成直接的流暢通路。由此，熱能表具有了這樣的優點：可使流體通暢流動，具有抗結垢、低壓損的特性。
(3) 獨立橫軸葉輪系統(T —— Transverse Axle Impeller Set)
獨立橫軸葉輪系統，就是將單根葉輪軸、葉片組、定位器、發訊感應片組成橫向優化配置。橫軸葉輪系統是由一根固定橫軸貫穿轉動的葉輪，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的穩定系統。獨立橫軸葉輪系統是機械式流量計防堵塞的關鍵，它與直通式進出水管路配合，實現了計量與排污同體完成。由此，熱能表具有了這樣的優點：具有防堵塞、抗磨損、穩定性高、可使熱能表水平或垂直
或傾斜角度隨意安裝的特點。
經過四年來的研究和實驗，已成功研制出了SST技術的機械式熱能表，并獲得國家級計量監督局的認證。經過一年多的實驗室驗證、一個采暖期的住宅采暖計量使用，實踐表明：與現有國內外機械式熱能表相比，SST技術的機械式熱能表具有：防堵塞、抗磨損、防結垢、低壓損、穩定性高、精度高和多方位靈活安裝的卓越性能。
3 結論
（1）電磁式、超聲波式和機械式熱能表都可用于采暖建筑的熱計量，但機械式熱能表在經濟上具有突出的優勢，更適合作為我國采暖建筑熱計量的主流熱能表。
（2）現有機械式熱能表，無論單流束還是多流束熱能表，都存在著堵塞問題、磨損問題、流量信號丟失問題和結垢問題，這些技術缺陷嚴重制約著它在我國采暖計量的實際應用。
（3）機械式流量計的防堵塞原理，就是使流量計的流體通道應有足夠的尺寸，使含有雜質的流體順暢通過。
（4）SST技術的新型機械式熱能表能克服現有機械式熱能表所存在的四大技術缺陷。
（5）與現有國內外機械式熱能表相比，實踐驗證了，SST技術的熱能表具有：
防堵塞、抗磨損、防結垢、低壓損、穩定性高、精度高和靈活安裝的卓越性能。
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[22] 李世武，SST技術的新型機械式熱能表，于本文同時同一刊物投稿。 聯系作者和第一作者簡介：
李世武(1957年-)，博導，教授,西北工業大學動力與能源學院，西安市友誼西路127號，710072，電話029－88492746，傳真029－88495911，shiwuli@nwpu.edu.cn
李世武(1957年-)，男，四川省開江縣，教授,博士，從事供熱工程與節能方面的研究。029－88492746，shiwuli@nwpu.edu.cn
