气压罐定压补水装置的工作原理与计算方法

本文介绍了气压罐定压装置的工作原理以及系统中定压点的确定，根据热力学原理推出该装置的罐体总容积计算公式，并对该装置的选择提出了计算方法。

　　0前言

　　在开式系统中，不存在定压问题，而在闭式系统中，必须保证系统无论是在运行状态还是在静止状态管道及设备内充满水，因此，管道中任何一点的压力都应高于大气压力，否则会倒空吸入空气，这就带来了供热、空调水系统的定压问题。

　　目前国内供热、空调水系统为了解决的定压问题，大部分是设高位膨胀水箱。当设置开式膨胀水箱有困难时，通常设置气压罐定压补水装置来容纳或补偿系统中水的膨胀量。该装置（以下称，定压装置）完全具备高位膨胀水箱的三项基本功能：

　　（1）调节系统水体由于温度波动而引起的膨胀及收缩──胀缩；

　　（2）使系统某点压力恒定──定压；

　　（3）当系统发生泄漏时向系统补水──补水。

　　1定压装置的工作原理

　　气压罐定压补水装置由气压罐、补水泵、控制箱、底架、压力感应装置、管道、电磁阀、电接点继电器等组合而成，其工作原理：气室按工艺设计充入预压所需的空气（或氮气），装置连接系统，安装完毕，打开装置与系统之间的阀门（该阀门应有锁闭装置，在工作期间严禁关闭）。当系统水温的变化引起水的容积膨胀或者收缩时，由气压罐自行予以吸入或吐出，使系统压力稳定在预先设定的压力上下限的区域里。如果系统由于漏水或其他原因引起压力下降至预设压力的下限时，由电接点继电器动作启动稳压泵，使之向系统供水，直至压力达到所预定的的压力上限值时止。若系统压力超过设定的最高压力值时，安全阀自行向软水箱或地沟泄水降压，如此反复，以维持系统的压力平衡。

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　　2系统中定压点的确定

　　定压点是系统中最为敏感的点，有着动一点儿牵动全局的“战略”位置。

　　所谓定压点就是在系统运行和停止运行时，该点处的压力始终保持不变，通常一个系统只有一个定压点，定压点位置与定压值一旦确定，系统定压点的压力值就是一个不变的常数了，定压点的压力值等于静压线的压力值。静水压曲线是系统停止工作时，系统上各点测压管水头的连接线，它是一条水平的直线。

　　定压点压力的高低要考虑两个因素，一个是系统运行时任一点都不超压，二是系统停运时系统不倒空。从水压图（图2）的分析可以看得很清楚。显然，如果定压点的压力过高，那么系统中的每一点的压力也就相应的高，如果超过了管道、阀门或设备的承压能力，就要出事故。太低的话，一旦停泵（指循环泵），系统顶部就成了负压，系统就会倒空，下一次运行时就要进行放气，不然就会出现气堵。

　　闭式系统的动水压图大致为一个梯形，见图2，补水泵的接口点的压力就相当于静压线的高度。如果补水泵定压的接口在循环泵的入口，则运行时动水压图就位于静压线以上。这就意味着系统每一点的压力都大于静压线的压力。反之，补水泵定压的接口在循环泵的出口，则运行时动水压图就位于静压线以下。而系统每一点的压力则都小于静压线的压力。对于采暖、空调系统，为保证系统的每一点都不产生汽化和倒空，通常把补水泵的补水点（即定压点）设在循环水泵的入口，压力保持在P1和P2之间的范围内，通常取P1和P2之间波动范围为5mH2O，不宜过小，否则触点开关动作过于频繁而易于损坏。

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　　3气体定压罐的选择计算

　　气压罐是利用波义耳—马略特定律：在一定温度下气体压力(P)与容积(V)乘积等于常数的原理，利用水压缩性极小的性质，用外力将水储存在罐内，气体受到压缩压力升高，当外力消失缩气体膨胀可将水排除。

　　合理地设计气压罐的容积是保证系统安全可靠运行的重要环节。罐体的总容积是由系统水的净膨胀量（调节水量）V1，罐内最小的气体空间V2以及最低水位所需要的最小水容积V3组成的（见图3）。 气压罐定压装置的工作原理与计算方法

　　罐体内气体的压缩膨胀过程可视为闭口系统等温过程，根据热力学原理，罐内气体容积及其相应压力关系应符合下式

　　PV=常数（1）

　　式中V--罐内气体空间的容积；

　　P—相应该容积下的绝对压力。

　　在一个工作循环过程中，设P1为水泵启动压力，即最低运转压力，（V1+V2）为气室在P1时的体积，，V3为水室在P1时的体积；P2为水泵停泵时压力，即最高运转压力，V2为气室在P2时的体积，（V1+V3）为水室在P2时的体积，根据式（1）可写成

　　P1（V1+V2）=P2V2（2）

　　V2=V1/（P2/P1-1）（3）

　　罐体总容积VZ=V1+V2+V3则

　　V2=Vz-V1-V3（4）

　　将式（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称为工作压力比（以绝对压力计）[4]，一般取α=0.65-0.85，当P2允许时，尽可能取小值。

　　由上式可以看出，罐体总容积与最小水容积V3、调节水量V1及工作压力比α有关，α值越小，则所需的容积越小。

　　3.1系统水容量VC的确定

　　进行膨胀罐的选择计算时，不得不提一个重要的参数—系统水容量，系统水容量通常由两部分构成：设备水量、管道水容量。

　　影响系统水容量的因素很多，这主要取决于系统形式、管道布置、管径大小等等。当一个工程完成之后，系统水容量VC值原则上是可以计算出来的，但其工作量实在太大，因而一般都采用估算的方法。

　　系统水容量Vc按下表估算，室外管线较长时取较大值。

　　表1空调水系统的的单位水容量Vc[3]L/m2建筑面积

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　　3.2调节水量V1的确定[3]

　　调节水量V1应不小于3min补水泵流量，补水泵流量应不小于系统水容量的4%-5%。

　　3.3最低水位时水容积V3的确定

　　最低水位时水容积V3主要是为了沉积泥渣、连接管道及防止氮气进入管道系统而设置的。一般V3可按下式求得：

　　V3=（0.1-0.3）（V1+V2）

　　特别提出，空气定压虽采用弹性密封材料（如橡胶等）相隔离，无以上问题，但考虑到调试的方便，罐内应留有一定量的存水。

　　4气压罐工作压力值按以下方法确定（推荐）[3]补水泵启动压力P1，大于系统最高点0.5mH2O；

　　1、 补水泵停泵压力及电磁阀关闭压力

　　P2=（P1+10）/α-10

　　式中α为工作压力比。

　　2、 水膨胀时电磁阀开启压力P3，一般取P3=P2+（2-4）

　　3、 安全阀开启压力P4，一般取P4=P3+（1-2）

　　式中P1-P4的计算单位为mH2O。

　　5工程实例：

　　某航站楼（扩建）建筑面积F=18000m2,空调系统最高点标高8.50m，冷冻站设在旧航站楼一端，地面标高±0.00m，冷冻水管走设备管沟穿过旧航站楼（供水长度为180m），管径DN300，管沟内水管标高-1.8m，冷源为螺杆式冷水机组。补水点设在循环水泵吸入口处，定压装置与循环水泵位于同一安装高度，计算选择气压罐定压装置。

　　1、系统水容量VC=vcF

　　式中vc—单位水容量，L/m2建筑面积；

　　F—建筑面积。

　　由表1取vc=0.50L/m2建筑面积，故室内系统水容量VC1=0.50*18000=9.0m3

　　又因室外短线长度较长（来回360m），其水容量不容忽视，则

　　VC2≈（0.3/2）2*3.14*360=25.4m3

　　系统总水容量VC=VC1+VC2=9.0+25.4=34.4m3

　　2、补水泵的小时流量Gb取系统总水容量的5%，则

　　Gb=5%VC=0.05*34.4=1.72m3/h

　　3、罐体的调节水量V1按5min补水泵流量考虑

　　V1=5*1.72/60=0.143m3

　　4、 罐内最小的气体空间

　　V2=0.143/（1/0.75-1）=0.429m3

　　5、 最低水位所需要的最小水容积

　　V3=0.2*（0.143+0.429）=0.114m3

　　6、 罐体总容积Vz=V3+V1/（1-α）=0.114+0.143/（1-0.75）=0.686m3

　　7、 补水泵启动压力P1，大于系统最高点0.5m，则P1=8.5+1=9.5m

　　8、 补水泵停泵压力及电磁阀关闭压力

　　P2=（P1+10）/α-10=16m

　　10、水膨胀时电磁阀开启工作压力

　　P3=P2+4=16+4=20m

　　11、安全阀开启工作压力

　　P4=P3+2=22+2=24m

　　12、 补水泵扬程（一般比补水点高3-5mH2O）[3]

　　Hb=P1+4=9.5+4=13.5m

　　本工程选用定压装置气压罐容积Vz=800L，补水泵流量Gb=2m3/h（一用一备），扬程Hb=14m。

　　6结束语：

　　气压罐定压装置的选择在工程设计中至关重要，罐体调节水量过小，补水泵启动频繁，故障率高；罐体选择过大，则增加成本，也给安装带来困难。针对以上问题，笔者认为，在设计中应根据建筑面积，高度、系统供水温度等具体条件合理地设置定压装置。

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