居民住宅供热节能地热管道内部清洗装置作品
居民住宅供热节能地热管道内部清洗装置
学院名称：机电学院设计者：邢艳山张晓景指导教师：石蕊
摘要：PE管道是常用的地热铺设管道，而地热取暖方式深受大多数采暖用户的青睐，具有噪声小、采暖舒适、改善居住环境、增加住宅使用面积等优点，但是随着地热采暖时间的推移，地热管道内表面会结一定厚度的污垢，随着污垢堆积，不仅造成用户采暖效果下降，而且还会增加大部分热能和电能的白白浪费。因此我们研制的居民住宅供热节能地热采暖管道内部擦洗的装置，经过我们在实验室地热管道的模拟实验以及长春市吉粮康郡小区的实际试验可知，本装置实现了100%的管道清通率，清洁效率可达96%以上，节能效率高，达到了节能减排的目的。
关键词：PLC、电磁阀、自配地热清洗剂、塑胶小球、节能环保
引言
2008年中国北京奥运会以后，中国与国际轨道慢慢接轨。在我们的生活中，不难发现中国的科技发展水平呈现出一个明显上升的趋势。笔记本电脑已经不是贵族的独特品、智能手机人手一部、身边不停穿梭着各种波……当然，随着日用品渐渐更新，人们的日常生活也需要安全、舒适的环境。到夏天人们需要一个凉爽的环境，冬天需要一个温暖的环境。冬天取暖不难会用到暖气，过去都是家庭安装“暖气包”集体供暖，现阶“地暖”这个新词更多的出现在中国普通人民的生活中。但是，地暖的普及随之带来很多问题，其中最主要的就是地暖管的清洗。我们做的就是有关“地暖管”清洗的研究。
一、研制背景及意义
随着地热市场的飞速发展，在国家产业政策和房地产建筑市场的推动下，地热采暖普及率逐年上升。据相中国建筑金属结构协会地面辐射供暖供冷委员常务副主任刘浩指出：目前我国北方严寒、寒冷地区，地暖在新建建筑中的覆盖率已达70%，新建民用建筑更接近100%，北京民用建筑地暖普及率超过37%，济南50%，胶州半岛已达70%~80%。就连长江流域也发展迅猛，仅上海协会的地暖会员就有60多家，当地地暖施工、设计企业共达600多家。
现有资料表明地暖在使用一年后，地暖管的内壁每增加1mm的污垢，就会导致供热室内温度下降3~6℃左右。并且这些污垢的产生，使管道的有效管径减小，大大降低了排水效率，增加了排水的电耗，同时使工作水泵偏离了设计工况，降低了水泵的工作效率，造成可避免能源的白白浪费。研究发现，地热管路的水垢厚度在0.3mm时，其散热效率降低21%。由地热管壁厚度和热交换效率的关系可以看到，当水垢厚度达到1.6mm，其散热损失达到75%以上。这表明水
垢对地热管道的性能影响是相当严重的，为了使地热管路工作性能正常，定期进行管路的清洗，彻底清除水垢和生物粘泥是非常有必要的[1]。
随着中国建筑市场的飞速发展，节能降耗已经成为地热采暖用户降低投资成本的重大研究课题。
二、地热采暖的优点
通过北方住宅建筑采暖的实践表明：与其他的供暖方式相比地热采暖方式为用户冬季供暖具有众多的优点[4]：
（一）、采暖的舒适性
传统的采暖方式使人的头部较热而下半身又较冷，这不符合中医“头为诸阳之会，阴脉者集于足下而聚于足心”的理论。而采用地暖供热的方式正好符合中医的这种理论，温度分布如图1-1所示
图1-1理想温度和地暖温度分布图
（二）、具有明显的节能效果
因建筑物的采暖是在保持室内人们生理需要的一定温度条件下，使供给建筑物的热量与建筑物的散热量的一个热平衡过程。在地热采暖方式中因室内温度场的改变，即温度场的平均温度变小，导致建筑物的内外温差比传统的采暖方式的变小，使通过其围护结构的散热量（即供给建筑物的热量）必然减少。此外，由于在地热采暖方式中是用化学建材（塑料管）代替了传统的金属散热器，而使其金属消耗量比传统的采暖方式约减少50～60%。众所周知，因生产金属时其能源的消耗量较高，对环境的冲击也较大，为建设资源节约型和环境友好型社会，国家已将生产金属列入限制性产业。故减少金属的消耗量也就是节能更是节约资源和改善环境。特别是节约了制作散热器用的高能耗铝材和稀缺的铜，使社会效益可观。
（三）、具有明显的经济效果
地热采暖方式除可降低采暖之时的消费外，实践表明其建设资金也比传统采暖方式的降低约15～25%。
（四）、改善室内居住环境
例如暖气包放在室内，虽然只是放在窗台下面但是还是对于室内空间的利用率造成反面影响，而且大部分的暖气包的样子都不是很美观，影响室内装修的风格，所以在过去人们对于暖气包都是用木质的架子把窗台下面一块包起来，用来遮挡暖气包。对于地暖来说就没有这样的不利影响，因为地暖管就在地板下面，不可能裸露。节省了很多空间供其他用途。
（五）、可降低供热输水能耗
因地热管均用内壁光滑低流体阻力的塑料管又并联连接，实践和计算均表明：地热采暖方式户内设施的总水流阻力，仅为传统采暖方式户内设施总水流阻力的25～35%。从而为降低供热输水能耗提供了可能。
（六）、增加了住宅的使用面积
实践表明它比传统采暖方式的建筑使用面积增加2～4%，即相应地节约了宝贵的土地资源。
三、地热管内部清洗研究现状
（一）、国外研究现状
低温辐射地板采暖起始于北美、北欧的发达国家。目前加拿大西部65%的新建住宅采用交联聚乙烯管地板辐射采暖系统，在韩国的普及率也已超过80%（住宅）[2]。因此在管道清洗方面的研究国外比我们早，但是经过我们大量的查阅文献发现，国外在针对地热管道清洗技术的研究非常少。国外在管道清洗时通常采用高压气塞清洗、化学清洗和高压水射流清洗技术，在美国高压水射流清洗技术占清洗行业的80%。
（二）、国内研究现状
清洗作业一直是工业及民用领域不可缺少的一个重要行业。一般的清洗方法可分为物理清洗和化学清洗两大类。其中利用力学、热学、声学、光学、电
学原理，依靠外来能量的作用，如机器摩擦、超声波、高压、冲击、紫外线、蒸汽等除去物体表面污垢的方法称为物理清洗；依靠化学反应作用，利用化学药品或其他溶剂清除物体表面污垢的方法称为化学清洗。
多年来我国清洗行业一直处于化学清洗与手工清洗为主的落后状态。总体上处于只能完成一些简单的清洗任务，并且工人劳动强度大，效率低，成本高，不能满足工学清洗的需求。随着我国经济和科技的发展，我国在相当长的一段时间里，一直以化学清洗作为主要的清洗方法。据估计，我国工业清洗目前80%是采用化学清洗技术[3]。
在科技进步的推动下，近年来世界的清洗技术发展快速，新的清洗方法、清洗技术不断出现，从目前的清洗技术专利统计看，大部分清洗技术属于物理清洗，化学清洗仅占约1/4。物理清洗技术已经成为世界清洗技术发展的主要方向。
四、设计方案
（一）、地热管道清洗装置的工作原理
我们研制的地热管道清洗装置以自来水为原动力，首先在原动力的作用下，排泄掉地热管道内存留的杂质水，再利用地热清洗装置向地热管道发射一颗大于管路内径10%-20%的塑胶小球，发射前从装置加药点添加地热清洗药剂，使塑胶小球在PLC编程的控制下沿管线来回运动并与管道内壁充分摩擦，提高管道的清洗效率，降低由于地热管道内部污垢而给地热用户带来的损失。
（二）、解决的关键技术问题
1、加药装置的设计
在本设计刚开始时，我们采用医用针管向我们研制的地热采暖管道内部清洗装置添加实验室自配化学清洗药剂。然而在我们进行模拟仿真实验的过程中发现，这样的加药剂方法过程太繁琐，因此我们对加药装置进行了精心的设计，设计示意图如图3所示
2-1加药装置设计示意图
在图2-1化学加药装置的设计中，我们用到的材料有：医用针管1个（容量：30ml）、三通联接2个、药剂瓶1个、阀门3瓶，软管。
表2-1加药装置操作步骤
序号工作状态
阀门编号
针筒状态1 2 3
1 吸取清洗剂关关开拉操作
2 加药点1处加药开关关推操作
3 加药点2处加药关开关推操作
2、地热管道清洗装置来回自动清洗设计
我们所研制的地热地热管道清洗装置可以来回的自动清洗管道，通过PLC 编程使电磁阀动作来完成清洗所用塑胶小球在地热清洗管道内部来回的自动过程，比如：通过编程控制使得塑胶小球先前进3s再后退2s周而复始的循环前进。
3、滤网和加药点的设计
为了不让清洗的塑胶小球在清洗过程中通过排污口排出，在我们研制的地热管道清洗装置中我们采用了两套滤网装置，分别安装在地热管道清洗装置的出口和入口。通过我们的实际操作得出，将加药点设计在地热管道清洗装置出口滤网的前端，这样的设计可以在清洗过程中将化学清洗药剂添加在塑胶小球之前，在塑胶小球在地热管道内部的移动的同时，推动添加的地热清洗药剂在地热管道内部的流动，有效地提高地热管道的清洗效率。滤网和加药点的设计如图2-3所示
图2-2滤网和加药点的设计示意图
1.滤网，
2.加药点1,
3.集、分水器，
4.加药点2,
5.塑胶小球
4、自配化学药剂的配置
（1）、所需仪器：电磁搅拌器、分析天平、pH计、可调速电动搅拌器、各种容器及各种玻璃仪器等。
（2）、试验中所需药剂：EDTA标准溶液；钙红指示剂、2MNaOH溶液、NH3-NH4Cl缓冲溶液、标准H2SO4溶液、酚酞指示剂、甲基橙指示剂、长春工程学院ZW-1205灰水回收阻垢剂。
5、排污口处的缓冲设计
通过我们在实验室模拟实验和小区地热采暖热用户地暖管道的实际试验可知，在实际操作的工程中，由于水源给水压力比较大，作业过程中会溅的到处都是，为了使地热管道清洗过程不会给客户带来太多麻烦，我们对地热清洗装置的排污口进行了缓冲设计。如图2-4为原理示意图
图2-3排污口出的缓冲设计示意图
（三）、硬件设计
1、所需原件
表2-2所需原件
原件名称型号个数其他
PLC OMRON
CQM1H-CUP51 PROGRAMMABLE
CONTROLLER
INPUT 24V DC
10MA 16POINTS
LOT NO.14351
1个OMRON Corporation
MADE IN JAPAN
24V稳压器MODEL：AD-2412
PRI：220Va.c 50/60HZ
SEC:24Vd.c 1.2A
2个
24V
电磁阀博普2w160-15 4个Voltage:DC24V 滤网 DN25
PN20
2个
PPR管1根10m，4分管
压力表BOX80709 1个量程：0~2.5MPa PPR连接件若干比如活接、三通等集、分水器正楷1套2进2处
单相自吸水泵型号：DBZ-750 1个
电压：220V
转速：2850r/min
扬程：20~45m
吸程：8~14m
流量：3~4m3/h
绝缘等级：E级
PE地热管2根20m 4分管内径：16mm
横截面积：0.0002011m2
水箱1个长：30cm，宽：29cm，高：50cm 黄泥土2Kg
黑泥土2Kg
筛子1个孔径：0.20mm
医用针筒1个容量：30ml
饮料瓶1个剪孔处理，容量：500ml
2、设计原理图
图2-4设计原理图
1.电压表，
2.总进水阀门，
3.电磁阀1,
4.电磁阀2,
5.电磁阀4,
6.电磁阀3,
7.滤网1,
8.滤网2,
9.加药点1,10.加药点2,11.排污口（四）、装置实物照片
图2-6装置实物照片
（五）、软件设计
1、系统流程图
开始
排泄原地热管道中残留的污
水
在滤网1处放入塑胶
小球
在加药点1处添加定量清
洗剂
由PLC编程控制1、3电磁阀动作开，
2、4电磁阀关，使塑胶小球运动，进行
正向清洗。
当塑胶小球到达滤网2处，电磁阀1、2、
3、4保持全关，在加药点2处添加清洗
剂。
由PLC编程控制2、4电磁阀动作开，
1、3电磁阀关，使塑胶小球运动，进行
反向清洗。
当塑胶小球到达滤网1
处，电磁阀1、2、3、4
保持全关。
完成清洗
图2-5系统流程图
2、实验室地热管道模拟实验
通过黑黄泥土堆地热管道在使用过程中结垢的模拟，并根据塑胶小球在管道内的运动规律，预设胶球(1)向前进5s，向后退3s；(2)向前进4s，向后退2s；
(3)向前进3s向后退1.5s三种情况，观察胶球清洗地热的情况，并记录下试验数据，最终获得清洗效果最佳的时间设定值进行PLC编程。
表2-5未经沉淀、未加清洗药剂实验结果
杂质时间（s）
前5s 后3s 前4s 后2s 前3s 后1.5s
黄泥土（1kg未经沉淀）清洗效果粗糙，清
洗过程中发生轻微
堵塞现象
效果一般，需反复
清洗
效果较为理想
清洗后泥土质量780g 870g 940g
黑泥土（1kg未经
沉淀）无法清洗，发生堵
塞现象
清洗效果粗糙，发
生轻微堵塞现象
效果较一般，需反
复清洗
清洗后泥土质量—————760g 890g
表2-6 沉淀、未加清洗药剂实验结果
杂质时间（s）
前5s 后3s 前4s 后2s 前3s 后1.5s
黄泥土（1kg）清洗效果粗糙，清洗
过程中发生轻微堵塞
现象
效果一般，仍有堵塞
现象，需反复清洗
效果较为理想
清洗后泥土质量700g 820g 880g
黑泥土（1kg）无法清洗，堵塞现象
明显
清洗效果粗糙，清洗
过程中发生堵塞现象
效果较一般，需反复清
洗
清洗后泥土质量—————720g 850g
表2-7沉淀、加入清洗药剂实验结果
杂质时间（s）
前5s 后3s 前4s 后2s 前3s 后1.5s
黄泥土（1kg）清洗效果粗糙，清洗
过程中出现一次堵塞
效果一般，堵塞现象
不明显，需反复清洗
效果理想
清洗后泥土质量800g 890g 950g
黑泥土（1kg）清洗困难，堵塞现象
明显
清洗效果粗糙，清洗
过程中胶球出现停滞
效果较好，需反复清洗
清洗后泥土质量—————780g 920g
通过以上三组表图我们可以清晰的看出，每个表的三组试验时间对于两种污垢来讲，均是前3s后1.5s清洗效果最为明显，说明胶球在地热管内往复运动的频率越快，清洗效果越好。
实验室地热管道模拟实验表明：当管道内壁污垢厚度在1~2mm时，将塑胶小球的时间设定为先前进3s再后退1.5s使得管道的清洗效率达到最佳，达到了预想的目的。
五、性能分析
我们以长春市吉粮康郡小区的某地热用户为研究对象。用户房屋面积150m2,使用4分PE地热管道750m，地热管道使用满一年。以下是我们记录的相关数据。表3-1记录的相关数据
管道清洗状态分水器进口温度分水器出口温度室内温度
未使用清洗前50.3℃40.2℃21.2℃
使用清洗后50.2℃43.6℃18.6℃
从表中的分水器出口温度分析可知：由于地热管道内部结垢，使得地热管道的传热效率降低，从而降低了地热用户的采暖效率，造成能源的白白浪费。目前的解决方法有：
方法一：在自家分水器进口处安装循环泵。这种方法增加了自家地热管道内流体的流量和流速，能够短期的改善采暖效果，但是这种方法使主给水管路
中泵的工作负荷增加，同时使得自家分水器出口水温增加，进而使主管道的回水温度增加，由于主管道的内外温差较大，因此增加了热能的损失。
方法二：通过间歇性的从分水器出口放污水的方法。这种方法对热能的损失更大，而且采暖效果并没有得到太大的改善。
经过我们的实际试验可知，我们研制的供热节能地热采暖管道内部擦洗装置对管道的清通率达100%，清洗效率达90%以上，大大节约了热能的损失。
六、创新点
（一）、技术创新
该地热清管道洗装置克服了传统的地热管道清洗所不能解决的问题，采用PLC进行软件编程控制4个电磁阀有规律的通断，进一步间接的控制管道内塑胶小球的运动，外加上自配的地热清洗药剂，有效的提高了地热管道内部擦洗的工作效率。
（二）、应用创新
不管集分水器的安装实在户外还是在室内，我们研制的居民住宅供热节能地热采暖管道内部擦洗的装置都可以使用，接管简单，操作方便，经过实验室的模拟实验和长春吉粮康郡小区内的实际试表明，该地热管道清洗装置可以给地热采暖用户带来显著地经济效益，并且节能环保，具有显著地社会效益。
（三）、理念创新
我们研制的居民住宅供热节能地热采暖管道内部擦洗的装置结合了管道喷丸技术和化学清洗技术于一体的新型地热管道清洗技术，在理念上取得了创兴。
七、应用前景
由于我们研制的地热管道内部擦洗装置时结合射弹清洗技术和化学药剂清洗技术于一体的新型清洗技术，从根源上解决了目前地热管道清洗所遇到的种种难题。相对而言，本装置的清洗效率高，安装成本低，操作简便，环保节能。
在实际使用的过程中，可以通过改变塑胶小球的大小来进行不同管道的内部擦洗，比如城市热水浴中的管道、火电厂相关管道的清洗等等。
八、展望
本装置主要应用于地热管道内部的擦洗，也可以应用在电厂局部管道的清洗和城市热水浴管道的清洗，由于使用PLC来控制，增加了装置的初投资，但是一次的投入，终身有效，随着科学技术的发展，其制作成本必然会下降，这种绿色节能环保的循环来回运动的清洗方式将会得到大规模的应用，必会为社会的可持续发展做出巨大的贡献，给社会带来巨大的经济效益、环境效益、社会效益。
何况，地热管内部清洗市场在慢慢的增加。因为，前几年国家一直在调控房地产，房产在不断增加，新型房采用的都是地热取暖方式。经过这几年的过渡，地热管难免会积累污垢，而这恰恰是我们的期望，因为这就是我们的市场。
九、市场分析
（一）、市场现状
经过我们在长春地区的各大小区咨询得知，现阶段很多用户一方面对于自家地热管需要清洗还没有概念，另一方面现阶段地热管清洗技术还属于初级阶段，用户对这方面技术并不太了解，所以导致现阶段市场上清洗地热管的市场没有多大。但是，随着地热管使用年限的增加，清洗地热管是一个必然的趋势。在长春来说，专业清洗地热管道的商家并不是很多。
（二）、自我分析
1、我们的不足
首先，我们的研究是一项技术，由于我们学生身份的限制，我们只是在小范围的家庭住宅进行过实验，所以该技术并没有让大部分人知道。其次，对于前期研究的投资都是我们自费的，所以对于资金来说，我们很难承担一笔巨额的制造资金。
2、我们的优势
关于地热管清洗的技术，现阶段国内没有较多的发展，所以我们的研究是比较靠前的，俗话说，占山为王，山必须要先一步占取才好，而我们现在就是拥有独特的清洗技术。较前景来说，我们的发展前途很广。
我们的研究不仅仅适用于地热管道的清洗，拥有这样的技术我们还可以将其推广到其他工厂以及现阶段还没有被大家广为所知但是较难处理的管道除垢清
理。所以，我们的研究适用范围是非常广的。
（三）、购买力分析
我们的研究主要在于清洗设备的改进和创新，技术前沿的同时，带来的也是成本的增加。例如我们的清洗技术需要购买到PLC仪器，一台普通CQM1H-CUP51型号的PLC大概要3000块左右，我们不只需要一台这样的仪器。但是，这只是前期的投入，这些设备并不会负载到用户身上，费用由公司投入，为用户清理过后，机器是公司收回的，机器可以由公司自由使用。所以，对于用户来说支出的就是一种服务费用而已。对于公司来说，这种前期的投入对比收入肯定是值得的。
十、融资计划
单方面来讲，我们现阶段还是学生，所以靠自己赚钱发展项目是非常不现实的。所以，我们第一种想法就是贷款投入初期计划，起初先自己制造少数机器，成立小公司，在长春市里进行地暖管的清洗。
慢慢的等生意做大，我们将把设备数量提升，扩大公司面积。扩大经营范围，与此同时我们可以与其他公司合作。让更多的人来投资我们这个项目，从而得到大量的资金，投入金设备的生产。
十一、未来公司展望
等到若干年后，我们的公司不仅仅从事地暖管的清理，因为我们拥有较前沿的地暖管清理技术。随着市场的扩大，资金的充足。一方面，我们将成立设
备工厂，生产设备进行销售。另一方面，我们将继续走老路，经营地暖管的清理、其他管道的清洗等。
参考文献
【1】高健姜涛刘禹．地热清洗方式及其安全性探究[J]．沈阳建筑，2009 (1)：77-78
【2】李薀．低温热水地板辐射采暖技术及应用[J]．2010 (1)：50-51
【3】刘军壮．高压水射流在再制造清洗中的应用[M]．山东：山东大学硕士论文，2012.3-5
【4】张正本．对地热采暖再认识—优点以及应用提示[EB/OL]：
https://www.wendangku.net/doc/6b6263024.html,/2007/07/0415*******.shtml
【5】李如福．管道喷丸清洗技术[J]．工业水处理，1990(2)：16-17
【6】宋绛雄．居住示范小区地热采暖供热节能系统研究与应用[J]．建筑热能通风空调1999(4)：1-5 【7】王建民．浅谈管道清洗装置的应用[J]．化工设计，2011,21(6)：13-16
【8】姚金声．基于PLC的组合玩管道清洗系统设计[J]．液压与气动，2012(5)：88-90
【9】霍福钧．弹体式水力清管技术的应用[J]．节能技术，1996(3)：31-32
【10】张南哲．地热采暖管固体清洗剂的研制[J]．化学世界，2006：573-574
【11】王岩．火电厂灰水管道清洗技术的现状[J]．工业水处理，2000(5)：4-5