膨胀水箱作用

膨胀罐

简介

水在温度变化时体积相应变化。实验证明，水在4℃ (准确说是3.98℃)时体积最小，因此水不仅是在4-100℃加热时体积会增大，同样从4-0℃冷却时体积也会膨胀。以下图表说明了水在不同温度下相对于4℃时其体积的膨胀系数。

温度℃系数温度℃系数温度℃系数

0 0.00013 40 0.00782 75 0.02575

10 0.00025 45 0.00984 80 0.02898

15 0.00085 50 0.01207 85 0.03236

20 0.00180 55 0.01447 90 0.03590

25 0.00289 60 0.01704 95 0.03958

30 0.00425 65 0.01979 100 0.04342

35 0.00582 70 0.02269

水加热膨胀系数‘e’—相对于4℃时的体积

我们在本章节中只涉及供暖系统的水膨胀。众所周知，供暖系统的水在加热时都会膨胀。这种热膨胀是不可避免且相当强烈的自然现象。加热时，系统中上万亿的水分子每一个都会轻微变大。从宏观的角度来看，大家会觉得是系统的水量增加了，但事实并非如此。同样的水分子只是在温度升高时占据更多空间。水的体积上升了，但是系统总的水量并没有改变。见图1所示，1000升水从10℃加热到90℃体积增加了35.6升。

在实际的用途中，水是不能被压缩的。一定量的水分子除非是在巨大的压力作用下才能被压缩为更小的体积。任何容器在完全盛满水并且与大气隔离的情况下在加热时压力会迅速地升高。如果此压力继续升高，容器则会爆炸，有时后果非常严重。见图2，水在密闭式的换热罐里水温从14℃加热到33℃时，压力从4公斤急剧上升到了12公斤，由此可见封闭式容器里水温上升后带来的压力增大多么剧烈。

为了避免上述情况发生，所有的水暖系统都需要安装相应的设备容纳水在加热时增大的体积。在与大气相通的系统里，比如无压储水罐，其上部多余的空间能容纳增大的体积。

在更典型的封闭式水暖系统中，通常由一个单独的称为膨胀罐的设备提供水加热膨胀需要的空间。如图3所示，膨胀罐的上半部分有一定量的空气，当系统水体积膨胀时，空气像弹簧一样地起到吸收的作用。

本章节将介绍闭式循环系统中运用到的两种膨胀罐，他们的计算方法及安装位置等。

图1 水温升高时体积的增长图2 密闭式换热罐内水在加热时压力的变化

图3 封闭式系统中的气水混合式

膨胀罐

普通型膨胀罐

早期的水暖系统通常在最高点安装一个顶部开放的水箱。水加热膨胀时会上升到水箱。多数情况下水箱安装在屋顶或阁楼内。

这种水箱会带来较多问题：首先，系统水会从开放式的水箱蒸发减少，水量减少后通常需要提水到屋顶水箱加水，加入的水含有大量溶解的氧气，会因此腐蚀系统的钢铁元件。其次，水箱所在的高度有限，系统运行压力低，水温也受到限制。最后，由于水箱通常远离供暖区域，在某些情况下可能结冻，这样会造成水箱破裂给用户带来更多麻烦。毫无疑问，这类水箱在现代的水暖系统中早已被淘汰。

膨胀罐技术随后的更新就是使用封闭式的水箱, 如图4所示。

这种普通型膨胀罐内最初储存的空气等于大

气压力。当系统开始注水后一部分空气滞留在膨胀

罐顶部被部分压缩。管道的高度越高于膨胀罐所在

高度，其罐体内的空气被压缩程度越强。当水加热

膨胀时水位进一步上升，再次压缩罐内空气。

如果膨胀罐设计得当, 系统水在加热到最高

温度时, 罐内空气压力应该低于安全阀设定压力

0.3巴左右。这个0.3巴的差值能避免安全阀在设

定压力值达到时开启泄水，同时也能方便安全阀安

装在膨胀罐接口以下的位置, 靠近锅炉的出水口。

图4 普通型膨胀罐的安装示意图

普通型膨胀罐在很多年以前的水暖系统上使用过,有些系统今天仍然在使用中。这种罐通常安装在锅炉上方的屋顶横梁下。

普通型膨胀罐最本质的缺点是空气和水直接接触。当系统水冷却时它能吸收溶解一部分空气，在膨胀罐与锅炉之间产生虹吸倒流，溶解了空气的水进入到锅炉及管道中，当再次加热时水中溶解的空气分离出来，不过这次是分离在系统内。被分离出来的空气被排气阀排出。自动补水系统则会补进少量水取代损失的空气。这样多次往复的加热/冷却过程造成膨胀罐里面的空气逐渐被水取代。最终膨胀罐形成水涝，即完全充满了水。

膨胀罐形成水涝后，里面没有空气舱让系统水膨胀。这样会造成每次系统加热时安全阀都有少量泄水。而系统冷却压力降低后自动补水阀又会补充新鲜水进入系统。这样重复的过程会让大量的新鲜水（含氧量大）在采暖季节里进入系统，因此导致系统腐蚀加剧。

为了防止水涝现象发生，普通型膨胀罐每年需要进行两次排水和重新注入空气。特殊构造的排水阀能保证在排水时让空气进入膨胀罐内，排水阀还能起到在排水过程中将系统与膨胀罐隔离的功能。

普通型膨胀罐需要使用特殊的接头，如图5所示。通过这种连接方式，空气泡能聚积在

锅炉上端并且进入膨胀罐，接头内包含有一段浸入锅炉

里面的供水管，这样空气泡才不会进入供水管道内。这

种连接方式易于系统里面的空气进入到膨胀罐里。

从接头到膨胀管的连接管必须有一定的倾斜度，这

样方便空气泡进入膨胀罐。连接管必须在3米以上，以

减少锅炉热量向膨胀罐的传导，传导的热量会导致膨胀

罐内空气压力增大。

由于普通型膨胀罐在当今的住宅及商用建筑中几

乎不再使用，他们的安装维修费用、体积、以及配套的

接头和阀门都远不如下一章节介绍的隔膜式膨胀罐理

想，因此对于其选型的计算公式在此章节也不做进一步

介绍了。

图5 普通型膨胀罐的特殊接头

隔膜式膨胀罐

如果避免空气与水直接接触, 前面章节所介绍的膨胀罐的缺点就能得到克服。20世纪50年代开始出现了内部装置有弹型隔膜的膨胀罐。膨胀罐隔膜的一侧充满加压的空气，另一侧容纳膨胀的系统水体积。当系统水进入膨胀罐里面时，隔膜受力弯曲，预充空气被压缩。图6是一个小型隔膜式膨胀罐及其工作示意图。

图6 隔膜式膨胀罐工作原理

隔膜式膨胀罐较之普通型膨胀罐的优点有：

z隔膜将空气与水隔离开，空气不会被水重新吸收，所以隔膜式膨胀罐不需要定期排水以免水涝发生。

z由于没有水涝发生，就不会由于安全阀泄水而补充新鲜水，而由此带来的系统腐蚀问题则会避免。

z隔膜式膨胀罐的空气压力可以根据系统注水后的静压调节，使系统加热前几乎没有水进入膨胀罐，因此膨胀罐的体积及重量更小。

z预压空气为密封状态，因此膨胀罐（理论上）可以安装在系统任何位置。