对密闭式膨胀罐容积计算公式和设置方式的探讨

对密闭式膨胀罐容积计算公式和设置方式的探讨
黄秉政
提要　从量纲分析指出了生活热水系统现行密闭式膨胀罐总容积计算公式中存在的问题,提出了改正后的计算公式。

并对膨胀罐的设置方式即高置和低置进行了比较,指出了在高层建筑中宜采用高置的设置方式。

关键词　密闭式膨胀罐　膨胀量　容积比　高置　低置
随着我国国民经济的高速发展,人民生活水平日益提高,在民用建筑中生活热水供应系统逐渐得到了普及,它不仅在公共建筑中得到了广泛的应用,现在不少居住建筑也设有集中制备的生活热水供应系统。

集中制备的热水供应系统,从系统的形式来说,大致可分为两类:一谓敞开式系统,一谓密闭式系统。

开式系统以敞开的高位水箱的生活贮水作为热水系统的补给水源。

其供水压力受到高位水箱液位高度的限制,顶层的热水供水压力往往偏低,有时会影响生活热水的正常使用。

闭式系统常以变频供水的冷水系统为热水的补给水源。

其供水压力可根据需要人为设定,它不受建筑物自身高度的限制,较好地解决了顶层供水压力不足的问题,同时又避免了高位水箱的水质污染,因此近几年来闭式热水供应系统已逐渐增多。

1　密闭式膨胀罐的工作原理
在热水制备的过程中,随着水温的变化,热水系统中水的密度也随之发生变化。

水温升高,密度减小,其体积相应增大。

由于水是不可压缩的液体,如不能将与其膨胀体积相当的水量排出系统,则在分子力的作用下,系统内将产生很大的压力,使系统超压,以致会造成对设备或系统配件的损坏,因此闭式热水系统必需设置泄压设施。

一般泄压的方法有两种,一种是在系统中设置泄压阀,当系统压力超过设定压力时,阀门即自动打开,将系统中的一部分水排出,随之系统压力下降,阀门也即自动关闭。

当系统温度频繁变化时泄压阀也就频繁启闭。

为了避免水的浪费,除了在较小的热水系统中为了简化系统设施而采用泄压阀放水的办法解决热水的膨胀问题外,对较大的生活热水系统,由于其膨胀量较大,故一般都采用密闭式膨胀罐。

膨胀罐是具有一定容积的密闭容器,它连接在热水系统的回水干管上。

在其工作的初始状态,罐内充满与膨胀罐所在位置的系统压力相当的气体,其底部与系统管线相连。

利用气体可压缩的特性,当系统中水温升高,热水体积膨胀时,与膨胀体积相当的水量被压入膨胀罐。

当系统水温下降时系统中水的体积发生收缩,膨胀罐内的水又被压回热水系统。

在系统热水温度发生变化的过程中,罐内的气体时而被压缩,时而又松弛,系统的水压也随之发生变化,但水量没有损失。

由此可见,在闭式热水系统中设置密闭式膨胀罐也是节水措施之一。

膨胀罐的容积究竟需要多大呢?它需要经过计算才能确定。

2　膨胀罐总容积的计算
目前专业书藉中介绍的膨胀罐容积计算公式大致有两种形式。

一种是用二步法的计算方法,即先计算系统的膨胀量,而后代入简化后的理想气体公式。

另一种是将有关参数直接代入计算公式,一次求得膨胀罐的总容积。

二步法计算的公式如下:简化后的理想气体公式P1V=P2(V-V P)
V=
V P
1-
P1
P2
=
V P·P2
(P2-P1)
(1)
V P=(
1
γ
2
-
1
γ
1
)V C(2)式中V———闭式膨胀罐的总体积,L;
V P———热水系统的膨胀量,L;
V C———热水系统的总容积,L;
P1———闭式膨胀罐所处位置的正常系统压力,绝压m;
给水排水　V ol127　N o110　200179　
P2———闭式膨胀罐所处位置的最大允许压力, 绝压m,P2=P1+P m;
P m———热水系统允许增加的压力,m;
γ
1
———加热前水的密度,kg/L;
γ
2
———加热后水的密度,kg/L。

另一种直接求解的公式如下:
V=(γ1-γ2)·P2·V C
(P2-P1)·γ1·γ2
(3)
这一公式实际上是将(2)式代入(1)式后经数学整理的结果,所以两者是完全一致的。

笔者认为上述热水膨胀量的计算公式(2)在函数关系上是欠妥的。

这从量纲分析可以看出,密度的倒数与系统总容积的乘积,其量纲是:L/kg·L= L2/kg并不等于膨胀罐总容积的量纲L。

合理的方法应该从不同温度水的密度比来求膨胀量。

公式(2)应作如下修改:
V P=
1
γ
2
1
γ
1
·V C-V C=
γ
1
γ
2
-1·V C
=γ
1-
γ2
γ
2
·V C(4)
以(4)式代入(1)式得:
V=
P2
(P2-P1)
·
(γ1-γ2)
γ
2
·V C(5)
公式(5)从量纲分析可以看出等式前后是完全一致的。

它与公式(3)相比,在分母中少了一个“γ1”。

由于γ1在数值上接近于1,所以其计算误差不是很大,也可以说几乎没有影响。

但从计算理论上来说却是不可忽视的。

3　膨胀罐的设置方式
密闭式膨胀罐的设置方式可分成高置和低置两种形式。

低置膨胀罐一般与热水换热器设置在同一平面中。

高置膨胀罐一般都设在屋顶水箱间内。

从上述膨胀罐总容积计算公式的函数关系可以看出,在系统设计温度和系统总容积不变的情况下,系统的膨胀量是一个定值,故实际影响膨胀罐容积大小的主要因素是系统的工作压力参数。

如膨胀罐与热水换热器布置在同一个站房里,则其工作压力参数与热水换热器完全相同。

如果我们将膨胀罐设在顶层,则膨胀罐的最大允许工作压力应减少膨胀罐设置位置与换热器所在位置的几何高差所形成的水压值。

如两者的高差为70m,换热器的最高允许工作压力为110MPa,系统正常工作压力为019MPa,则高置膨胀罐的最高允许工作压力为013MPa,(近似计算)系统正常工作压力为012MPa。

为了便于说明问题,我们再导入一个容积比的概念,即膨胀罐总容积与系统膨胀量之比。

现将公式(1)的形式作一变换,即容积比的计算式为
V
V P
=
P2
(P2-P1)
(6) 现将上述膨胀罐不同设置位置的相关压力以绝压值代入(6)式即可求得结果如下:
低置膨胀罐V
V P
=
2
(2-119)=20
高置膨胀罐V
V P
=
113
(113-112)=13
即低置膨胀罐的总容积应等于或大于热水系统膨胀量的20倍,而高置膨胀罐的总容积仅需等于或大于热水系统膨胀量的13倍,这从容积上高置膨胀罐可比低置膨胀罐减小35%,且罐体的耐压等级也可大幅度降低。

它与低置膨胀罐相比可从110MPa
降至013MPa,罐体的原材料消耗即可大大下降,所
以特别在高层建筑中,生活热水膨胀罐的设置方式
宜采用高置而避免采用低置。

在此还需指出,为确
保发挥膨胀罐的作用,与膨胀罐相连接的膨胀管应
从回水总管上引出专用立管与它相接,不应为了简
化系统而利用就近的热水供水主管顶部引管与膨胀
罐相连。

作者通讯处:100037北京市海淀区增光路21号
中国纺织设计院
　电话:(010)68395874
　收稿日期:2001Ο7Ο2
3本期责任编辑:谢　雁3
80　给水排水　V ol127　N o110　2001
WATER&WASTEWATER ENGINEERING Vol127No110Ocotober2001
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