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氣壓罐定壓補水裝置的工作原理與計算方法

本文介紹了氣壓罐定壓裝置的工作原理以及系統中定壓點的確定，根據熱力學原理推出該裝置的罐體總容積計算公式，并對該裝置的選擇提出了計算方法。

　　0前言

　　在開式系統中，不存在定壓問題，而在閉式系統中，必須保證系統無論是在運行狀態還是在靜止狀態管道及設備內充滿水，因此，管道中任何一點的壓力都應高于大氣壓力，否則會倒空吸入空氣，這就帶來了供熱、空調水系統的定壓問題。

　　目前國內供熱、空調水系統為了解決的定壓問題，大部分是設高位膨脹水箱。當設置開式膨脹水箱有困難時，通常設置氣壓罐定壓補水裝置來容納或補償系統中水的膨脹量。該裝置（以下稱，定壓裝置）完全具備高位膨脹水箱的三項基本功能：

　　（1）調節系統水體由于溫度波動而引起的膨脹及收縮──脹縮；

　　（2）使系統某點壓力恒定──定壓；

　　（3）當系統發生泄漏時向系統補水──補水。

　　1定壓裝置的工作原理

　　氣壓罐定壓補水裝置由氣壓罐、補水泵、控制箱、底架、壓力感應裝置、管道、電磁閥、電接點繼電器等組合而成，其工作原理：氣室按工藝設計充入預壓所需的空氣（或氮氣），裝置連接系統，安裝完畢，打開裝置與系統之間的閥門（該閥門應有鎖閉裝置，在工作期間嚴禁關閉）。當系統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，使系統壓力穩定在預先設定的壓力上下限的區域里。如果系統由于漏水或其他原因引起壓力下降至預設壓力的下限時，由電接點繼電器動作啟動穩壓泵，使之向系統供水，直至壓力達到所預定的的壓力上限值時止。若系統壓力超過設定的最高壓力值時，安全閥自行向軟水箱或地溝泄水降壓，如此反復，以維持系統的壓力平衡。

                                                  氣壓罐定壓裝置的工作原理與計算方法

　　2系統中定壓點的確定

　　定壓點是系統中最為敏感的點，有著動一點兒牽動全局的“戰略”位置。

　　所謂定壓點就是在系統運行和停止運行時，該點處的壓力始終保持不變，通常一個系統只有一個定壓點，定壓點位置與定壓值一旦確定，系統定壓點的壓力值就是一個不變的常數了，定壓點的壓力值等于靜壓線的壓力值。靜水壓曲線是系統停止工作時，系統上各點測壓管水頭的連接線，它是一條水平的直線。

　　定壓點壓力的高低要考慮兩個因素，一個是系統運行時任一點都不超壓，二是系統停運時系統不倒空。從水壓圖（圖2）的分析可以看得很清楚。顯然，如果定壓點的壓力過高，那么系統中的每一點的壓力也就相應的高，如果超過了管道、閥門或設備的承壓能力，就要出事故。太低的話，一旦停泵（指循環泵），系統頂部就成了負壓，系統就會倒空，下一次運行時就要進行放氣，不然就會出現氣堵。

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

　　                                                    氣壓罐定壓裝置的工作原理與計算方法

　　3氣體定壓罐的選擇計算

　　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)乘積等于常數的原理，利用水壓縮性極小的性質，用外力將水儲存在罐內，氣體受到壓縮壓力升高，當外力消失縮氣體膨脹可將水排除。

　　合理地設計氣壓罐的容積是保證系統安全可靠運行的重要環節。罐體的總容積是由系統水的凈膨脹量（調節水量）V1，罐內最小的氣體空間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算方法

　　罐體內氣體的壓縮膨脹過程可視為閉口系統等溫過程，根據熱力學原理，罐內氣體容積及其相應壓力關系應符合下式

　　PV=常數（1）

　　式中V--罐內氣體空間的容積；

　　P—相應該容積下的絕對壓力。

　　在一個工作循環過程中，設P1為水泵啟動壓力，即最低運轉壓力，（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，即最高運轉壓力，V2為氣室在P2時的體積，（V1+V3）為水室在P2時的體積，根據式（1）可寫成

　　P1（V1+V2）=P2V2（2）

　　V2=V1/（P2/P1-1）（3）

　　罐體總容積VZ=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）[4]，一般取α=0.65-0.85，當P2允許時，盡可能取小值。

　　由上式可以看出，罐體總容積與最小水容積V3、調節水量V1及工作壓力比α有關，α值越小，則所需的容積越小。

　　3.1系統水容量VC的確定

　　進行膨脹罐的選擇計算時，不得不提一個重要的參數—系統水容量，系統水容量通常由兩部分構成：設備水量、管道水容量。

　　影響系統水容量的因素很多，這主要取決于系統形式、管道布置、管徑大小等等。當一個工程完成之后，系統水容量VC值原則上是可以計算出來的，但其工作量實在太大，因而一般都采用估算的方法。

　　系統水容量Vc按下表估算，室外管線較長時取較大值。

　　表1空調水系統的的單位水容量Vc[3]L/m2建筑面積

　       氣壓罐定壓裝置的工作原理與計算方法　

　　3.2調節水量V1的確定[3]

　　調節水量V1應不小于3min補水泵流量，補水泵流量應不小于系統水容量的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、連接管道及防止氮氣進入管道系統而設置的。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，但考慮到調試的方便，罐內應留有一定量的存水。

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

　　1、 補水泵停泵壓力及電磁閥關閉壓力

　　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的計算單位為mH2O。

　　5工程實例：

　　某航站樓（擴建）建筑面積F=18000m2,空調系統最高點標高8.50m，冷凍站設在舊航站樓一端，地面標高±0.00m，冷凍水管走設備管溝穿過舊航站樓（供水長度為180m），管徑DN300，管溝內水管標高-1.8m，冷源為螺桿式冷水機組。補水點設在循環水泵吸入口處，定壓裝置與循環水泵位于同一安裝高度，計算選擇氣壓罐定壓裝置。

　　1、系統水容量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，故室內系統水容量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

　　系統總水容量VC=VC1+VC2=9.0+25.4=34.4m3

　　2、補水泵的小時流量Gb取系統總水容量的5%，則

　　Gb=5%VC=0.05*34.4=1.72m3/h

　　3、罐體的調節水量V1按5min補水泵流量考慮

　　V1=5*1.72/60=0.143m3

　　4、 罐內最小的氣體空間

　　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、 罐體總容積Vz=V3+V1/（1-α）=0.114+0.143/（1-0.75）=0.686m3

　　7、 補水泵啟動壓力P1，大于系統最高點0.5m，則P1=8.5+1=9.5m

　　8、 補水泵停泵壓力及電磁閥關閉壓力

　　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、 補水泵揚程（一般比補水點高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，補水泵流量Gb=2m3/h（一用一備），揚程Hb=14m。

　　6結束語：

　　氣壓罐定壓裝置的選擇在工程設計中至關重要，罐體調節水量過小，補水泵啟動頻繁，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，筆者認為，在設計中應根據建筑面積，高度、系統供水溫度等具體條件合理地設置定壓裝置。

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