氣壓罐定壓補(bǔ)水裝置的工作原理與計(jì)算方法

本文介紹了氣壓罐定壓裝置的工作原理以及系統(tǒng)中定壓點(diǎn)的確定，根據(jù)熱力學(xué)原理推出該裝置的罐體總?cè)莘e計(jì)算公式，并對該裝置的選擇提出了計(jì)算方法。

　　0前言

　　在開式系統(tǒng)中，不存在定壓問題，而在閉式系統(tǒng)中，必須保證系統(tǒng)無論是在運(yùn)行狀態(tài)還是在靜止?fàn)顟B(tài)管道及設(shè)備內(nèi)充滿水，因此，管道中任何一點(diǎn)的壓力都應(yīng)高于大氣壓力，否則會倒空吸入空氣，這就帶來了供熱、空調(diào)水系統(tǒng)的定壓問題。

　　目前國內(nèi)供熱、空調(diào)水系統(tǒng)為了解決的定壓問題，大部分是設(shè)高位膨脹水箱。當(dāng)設(shè)置開式膨脹水箱有困難時，通常設(shè)置氣壓罐定壓補(bǔ)水裝置來容納或補(bǔ)償系統(tǒng)中水的膨脹量。該裝置（以下稱，定壓裝置）完全具備高位膨脹水箱的三項(xiàng)基本功能：

　　（1）調(diào)節(jié)系統(tǒng)水體由于溫度波動而引起的膨脹及收縮──脹縮；

　　（2）使系統(tǒng)某點(diǎn)壓力恒定──定壓；

　　（3）當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生泄漏時向系統(tǒng)補(bǔ)水──補(bǔ)水。

　　1定壓裝置的工作原理

　　氣壓罐定壓補(bǔ)水裝置由氣壓罐、補(bǔ)水泵、控制箱、底架、壓力感應(yīng)裝置、管道、電磁閥、電接點(diǎn)繼電器等組合而成，其工作原理：氣室按工藝設(shè)計(jì)充入預(yù)壓所需的空氣（或氮?dú)猓b置連接系統(tǒng)，安裝完畢，打開裝置與系統(tǒng)之間的閥門（該閥門應(yīng)有鎖閉裝置，在工作期間嚴(yán)禁關(guān)閉）。當(dāng)系統(tǒng)水溫的變化引起水的容積膨脹或者收縮時，由氣壓罐自行予以吸入或吐出，使系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在預(yù)先設(shè)定的壓力上下限的區(qū)域里。如果系統(tǒng)由于漏水或其他原因引起壓力下降至預(yù)設(shè)壓力的下限時，由電接點(diǎn)繼電器動作啟動穩(wěn)壓泵，使之向系統(tǒng)供水，直至壓力達(dá)到所預(yù)定的的壓力上限值時止。若系統(tǒng)壓力超過設(shè)定的最高壓力值時，安全閥自行向軟水箱或地溝泄水降壓，如此反復(fù)，以維持系統(tǒng)的壓力平衡。

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　　2系統(tǒng)中定壓點(diǎn)的確定

　　定壓點(diǎn)是系統(tǒng)中最為敏感的點(diǎn)，有著動一點(diǎn)兒牽動全局的“戰(zhàn)略”位置。

　　所謂定壓點(diǎn)就是在系統(tǒng)運(yùn)行和停止運(yùn)行時，該點(diǎn)處的壓力始終保持不變，通常一個系統(tǒng)只有一個定壓點(diǎn)，定壓點(diǎn)位置與定壓值一旦確定，系統(tǒng)定壓點(diǎn)的壓力值就是一個不變的常數(shù)了，定壓點(diǎn)的壓力值等于靜壓線的壓力值。靜水壓曲線是系統(tǒng)停止工作時，系統(tǒng)上各點(diǎn)測壓管水頭的連接線，它是一條水平的直線。

　　定壓點(diǎn)壓力的高低要考慮兩個因素，一個是系統(tǒng)運(yùn)行時任一點(diǎn)都不超壓，二是系統(tǒng)停運(yùn)時系統(tǒng)不倒空。從水壓圖（圖2）的分析可以看得很清楚。顯然，如果定壓點(diǎn)的壓力過高，那么系統(tǒng)中的每一點(diǎn)的壓力也就相應(yīng)的高，如果超過了管道、閥門或設(shè)備的承壓能力，就要出事故。太低的話，一旦停泵（指循環(huán)泵），系統(tǒng)頂部就成了負(fù)壓，系統(tǒng)就會倒空，下一次運(yùn)行時就要進(jìn)行放氣，不然就會出現(xiàn)氣堵。

　　閉式系統(tǒng)的動水壓圖大致為一個梯形，見圖2，補(bǔ)水泵的接口點(diǎn)的壓力就相當(dāng)于靜壓線的高度。如果補(bǔ)水泵定壓的接口在循環(huán)泵的入口，則運(yùn)行時動水壓圖就位于靜壓線以上。這就意味著系統(tǒng)每一點(diǎn)的壓力都大于靜壓線的壓力。反之，補(bǔ)水泵定壓的接口在循環(huán)泵的出口，則運(yùn)行時動水壓圖就位于靜壓線以下。而系統(tǒng)每一點(diǎn)的壓力則都小于靜壓線的壓力。對于采暖、空調(diào)系統(tǒng)，為保證系統(tǒng)的每一點(diǎn)都不產(chǎn)生汽化和倒空，通常把補(bǔ)水泵的補(bǔ)水點(diǎn)（即定壓點(diǎn)）設(shè)在循環(huán)水泵的入口，壓力保持在P1和P2之間的范圍內(nèi)，通常取P1和P2之間波動范圍為5mH2O，不宜過小，否則觸點(diǎn)開關(guān)動作過于頻繁而易于損壞。

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　　3氣體定壓罐的選擇計(jì)算

　　氣壓罐是利用波義耳—馬略特定律：在一定溫度下氣體壓力(P)與容積(V)乘積等于常數(shù)的原理，利用水壓縮性極小的性質(zhì)，用外力將水儲存在罐內(nèi)，氣體受到壓縮壓力升高，當(dāng)外力消失縮氣體膨脹可將水排除。

　　合理地設(shè)計(jì)氣壓罐的容積是保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。罐體的總?cè)莘e是由系統(tǒng)水的凈膨脹量（調(diào)節(jié)水量）V1，罐內(nèi)最小的氣體空間V2以及最低水位所需要的最小水容積V3組成的（見圖3）。 氣壓罐定壓裝置的工作原理與計(jì)算方法

　　罐體內(nèi)氣體的壓縮膨脹過程可視為閉口系統(tǒng)等溫過程，根據(jù)熱力學(xué)原理，罐內(nèi)氣體容積及其相應(yīng)壓力關(guān)系應(yīng)符合下式

　　PV=常數(shù)（1）

　　式中V--罐內(nèi)氣體空間的容積；

　　P—相應(yīng)該容積下的絕對壓力。

　　在一個工作循環(huán)過程中，設(shè)P1為水泵啟動壓力，即最低運(yùn)轉(zhuǎn)壓力，（V1+V2）為氣室在P1時的體積，，V3為水室在P1時的體積；P2為水泵停泵時壓力，即最高運(yùn)轉(zhuǎn)壓力，V2為氣室在P2時的體積，（V1+V3）為水室在P2時的體積，根據(jù)式（1）可寫成

　　P1（V1+V2）=P2V2（2）

　　V2=V1/（P2/P1-1）（3）

　　罐體總?cè)莘eVZ=V1+V2+V3則

　　V2=Vz-V1-V3（4）

　　將式（3）代入式（2），并整理得

　　Vz=V3+V1/（P1/P2-1）（5）

　　令α=P1/P2代入上式，得

　　Vz=V3+V1/（1-α）（6）

　　α稱為工作壓力比（以絕對壓力計(jì)）[4]，一般取α=0.65-0.85，當(dāng)P2允許時，盡可能取小值。

　　由上式可以看出，罐體總?cè)莘e與最小水容積V3、調(diào)節(jié)水量V1及工作壓力比α有關(guān)，α值越小，則所需的容積越小。

　　3.1系統(tǒng)水容量VC的確定

　　進(jìn)行膨脹罐的選擇計(jì)算時，不得不提一個重要的參數(shù)—系統(tǒng)水容量，系統(tǒng)水容量通常由兩部分構(gòu)成：設(shè)備水量、管道水容量。

　　影響系統(tǒng)水容量的因素很多，這主要取決于系統(tǒng)形式、管道布置、管徑大小等等。當(dāng)一個工程完成之后，系統(tǒng)水容量VC值原則上是可以計(jì)算出來的，但其工作量實(shí)在太大，因而一般都采用估算的方法。

　　系統(tǒng)水容量Vc按下表估算，室外管線較長時取較大值。

　　表1空調(diào)水系統(tǒng)的的單位水容量Vc[3]L/m2建筑面積

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　　3.2調(diào)節(jié)水量V1的確定[3]

　　調(diào)節(jié)水量V1應(yīng)不小于3min補(bǔ)水泵流量，補(bǔ)水泵流量應(yīng)不小于系統(tǒng)水容量的4%-5%。

　　3.3最低水位時水容積V3的確定

　　最低水位時水容積V3主要是為了沉積泥渣、連接管道及防止氮?dú)膺M(jìn)入管道系統(tǒng)而設(shè)置的。一般V3可按下式求得：

　　V3=（0.1-0.3）（V1+V2）

　　特別提出，空氣定壓雖采用彈性密封材料（如橡膠等）相隔離，無以上問題，但考慮到調(diào)試的方便，罐內(nèi)應(yīng)留有一定量的存水。

　　4氣壓罐工作壓力值按以下方法確定（推薦）[3]補(bǔ)水泵啟動壓力P1，大于系統(tǒng)最高點(diǎn)0.5mH2O；

　　1、 補(bǔ)水泵停泵壓力及電磁閥關(guān)閉壓力

　　P2=（P1+10）/α-10

　　式中α為工作壓力比。

　　2、 水膨脹時電磁閥開啟壓力P3，一般取P3=P2+（2-4）

　　3、 安全閥開啟壓力P4，一般取P4=P3+（1-2）

　　式中P1-P4的計(jì)算單位為mH2O。

　　5工程實(shí)例：

　　某航站樓（擴(kuò)建）建筑面積F=18000m2,空調(diào)系統(tǒng)最高點(diǎn)標(biāo)高8.50m，冷凍站設(shè)在舊航站樓一端，地面標(biāo)高±0.00m，冷凍水管走設(shè)備管溝穿過舊航站樓（供水長度為180m），管徑DN300，管溝內(nèi)水管標(biāo)高-1.8m，冷源為螺桿式冷水機(jī)組。補(bǔ)水點(diǎn)設(shè)在循環(huán)水泵吸入口處，定壓裝置與循環(huán)水泵位于同一安裝高度，計(jì)算選擇氣壓罐定壓裝置。

　　1、系統(tǒng)水容量VC=vcF

　　式中vc—單位水容量，L/m2建筑面積；

　　F—建筑面積。

　　由表1取vc=0.50L/m2建筑面積，故室內(nèi)系統(tǒng)水容量VC1=0.50*18000=9.0m3

　　又因室外短線長度較長（來回360m），其水容量不容忽視，則

　　VC2≈（0.3/2）2*3.14*360=25.4m3

　　系統(tǒng)總水容量VC=VC1+VC2=9.0+25.4=34.4m3

　　2、補(bǔ)水泵的小時流量Gb取系統(tǒng)總水容量的5%，則

　　Gb=5%VC=0.05*34.4=1.72m3/h

　　3、罐體的調(diào)節(jié)水量V1按5min補(bǔ)水泵流量考慮

　　V1=5*1.72/60=0.143m3

　　4、 罐內(nèi)最小的氣體空間

　　V2=0.143/（1/0.75-1）=0.429m3

　　5、 最低水位所需要的最小水容積

　　V3=0.2*（0.143+0.429）=0.114m3

　　6、 罐體總?cè)莘eVz=V3+V1/（1-α）=0.114+0.143/（1-0.75）=0.686m3

　　7、 補(bǔ)水泵啟動壓力P1，大于系統(tǒng)最高點(diǎn)0.5m，則P1=8.5+1=9.5m

　　8、 補(bǔ)水泵停泵壓力及電磁閥關(guān)閉壓力

　　P2=（P1+10）/α-10=16m

　　10、水膨脹時電磁閥開啟工作壓力

　　P3=P2+4=16+4=20m

　　11、安全閥開啟工作壓力

　　P4=P3+2=22+2=24m

　　12、 補(bǔ)水泵揚(yáng)程（一般比補(bǔ)水點(diǎn)高3-5mH2O）[3]

　　Hb=P1+4=9.5+4=13.5m

　　本工程選用定壓裝置氣壓罐容積Vz=800L，補(bǔ)水泵流量Gb=2m3/h（一用一備），揚(yáng)程Hb=14m。

　　6結(jié)束語：

　　氣壓罐定壓裝置的選擇在工程設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，罐體調(diào)節(jié)水量過小，補(bǔ)水泵啟動頻繁，故障率高；罐體選擇過大，則增加成本，也給安裝帶來困難。針對以上問題，筆者認(rèn)為，在設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)建筑面積，高度、系統(tǒng)供水溫度等具體條件合理地設(shè)置定壓裝置。

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