暖通空调HV&AC 2004年第34卷第6期 设计参考·61·
闭式水系统膨胀水箱的选用
中南建筑设计院 高养田
闭式水箱的预充气压力值、水泵定压值的确定等问题。
关键词 闭式水系统 加压膨胀水箱 预充气压力
☆
摘要 介绍了闭式水系统的特点,讨论了空调水系统膨胀水箱容积计算、水箱安装位置、
Selectionofexpansiontankinclosedwatersystems
ByGaoYangtian
★
Abstract Presentsthecharacteristicsofclosedwatersystems.Discussesthevolumecalculationofexpansiontankinairconditioningwatersystemsandthedeterminationofinstalledpositionofwatertanks,pre-chargingpressureofclosedwatertanks,constantpressurevalueofpumps.
Keywords closedwatersystem,pressurizationexpansiontank,pre-chargingpressure
★ZhongnanArchitectureDesignInstitute,Wuhan,China①
膨胀水箱在空调闭式水系统中是一个重要的组成部分,然而也是常被忽视的部分。在具体工程
应用中,水箱的选用、膨胀管与系统的连接、闭式水箱预充气压力值的确定、水泵定压值的确定等问题,有进一步弄清的必要。1 闭式水系统的特点
闭式与开式水系统的区分应是:与大气相通的界面不多于一个的系统是闭式系统,与大气相通的界面多于一个的系统是开式系统,如图1所示
。
水力功能,
为系统提供一个压力基准点(恒压点),保证系统各处所需压力及系统的正常运行。
为保证闭式系统正常运行(泵运行和泵停止),关键点是:
a)水泵扬程除能克服环路沿程各项阻力外,还应保证水泵吸入口压力大于水泵的有效净正吸入压头(NPSRA)。
b)在停泵时环路最高点介质不汽化和保证排空压力。
c)系统各处(管路、部件及设备等)压力均应在其允许的工作压力以内。
2 膨胀水箱型式及闭式膨胀水箱容积计算
水箱型式可分为开式与闭式两类,开式又分为密闭板式、隔膜式、球胆式、水泵定压补水一体式四种,见图2。
在两种水箱中,高位开式水箱因安装简便、投资少、可兼作排气补水用,得到了广泛的应用。但它也存在因与空气接触易腐蚀,受高温、建筑条件限制,不便于扩建,易冻结等缺点。从箱内压力变化考虑,膨胀水箱又可分为定压式和变压式两种。定压式水箱在固定压力下运行,当水系统内介质温度变化引
图1 开式与闭式水系统
膨胀水箱有两种功能,一是热力功能,在温度①☆高养田,男,1934年10月生,大学,高级工程师
430071武汉市武昌区中南二路10号中南建筑设计院(027)87841939收稿日期:20020617
·62·设计参考 暖通空调HV&AC 2004年第34卷第6期
图2 膨胀水箱类型
起其容积增减而使压力超过或低于规定压力值时,
水进入低压水箱或从水箱泵入,水泵定压式属于此种类型。而变压式是指系统水温变化,造成系统水容积增减,水进入水箱或从水箱排出,此时水箱内压力在一定范围内变化,加压水箱属于此种类型。
关于闭式膨胀水箱的容积计算,不同资料表述略有不同,但基本上是一致的。现以文献[1]所列隔膜加压水箱容积计算公式进行讨论。
v2
-1-3αΔtv1
Vt=Vs(1)
p11-p2
式中 Vt———膨胀水箱容积,m3;
Vs———系统水容积,m;
v1———低温时水的比体积,m3/kg;v2———高温时水的比体积,m3/kg;α———线膨胀系数,钢为11.7×10
-6-1
铜为17.1×10℃;
Δt———温差,℃;p1———低温时压力,kPa;p2———高温时压力,kPa。
-6
3
静压头+100kPa(1个大气压);p2=阀门开启压力+100kPa(1个大气压)。在不同的水箱容积下,系统的静压头、阀门开启压力(设定的阀门开启压力)、水箱运行压力和试验压力之间的关系见表2。
表1 闭式水系统停泵时液面最高点的最小加压值 kPa
泵上部系统静压头
[**************]
0(泵在顶部)28.228.291.5119.1175.915.228.228.277.4105.6161.930.528.228.263.391.5147.861.028.228.228.256.5112.331.428.228.228.228.284.4121.928.228.228.228.256.2152.428.228.228.228.228.2182.9以上28.228.228.228.228.2 注:文献[2]表中为英制单位数据,此为笔者换算后的数据。
表2 系统静压头、阀门开启压力、使用压力、
试验压力的关系
℃
-1
,
静压头/m
5347
容积/m3
6～[***********]7
24～4000
2530354.555.[1**********]15
40
61015
阀门开启压力/105Pa使用压力/105Pa试验压力/105Pa 注:水箱承受静压头最大40m,温度范围:-10～110℃。
此公式与很多水箱容积计算公式不同之点是,在水箱容积计算中扣除了水系统本身的容积增长
量,公式中除p1和p2值外,其他各值均可根据具体工程条件和资料中数据确定。
p1和p2的取值关系到系统各个部件的承压要求、系统的安全运行和设备投资。
关于p1和p2值的确定,文献[2～3]都作了具体说明。文献[2]规定p1=箱体静压头+系统顶部的最小压力值,见表1;p2=运行时最高压力(低于。[3]p文献[4]规定运行温度小于等于120℃的热水供暖系统,定压设定值由设计者酌情确定,一般为系统最高点加1m。
3 关于预充气压力值和定压水箱安装位置空调供冷供热水系统介质温度一般为:供冷冷
水5～15℃,冰蓄冷冷水2～15℃,乙二醇水溶液-5～15℃;供暖热水95～75℃(供暖供冷两用时,热水温度一般不高于60℃),供暖高温水110～70℃,130～70℃。供冷系统最高水温可取空
暖通空调HV&AC 2004年第34卷第6期 设计参考·63·
压,减少管路,在满足式(2),(3)的条件下,可选定
膨胀水箱及膨胀管满足安全运行的最合适的位置,如图4所示。图4c中膨胀水箱中p1=Hsρg+h,
图3 供暖供冷闭式膨胀水箱内部压力变化
供暖供冷两种工况下水箱内压力变化示于图3。p1值为加压水箱的预充气压力值,即系统未运行,
水箱内气体仅承受静压及附加的高点安全压力值,未接纳液体膨胀或收缩时的压力。p2值是温度升高后,水箱内接纳膨胀容积后所承受的压力。
水泵净正吸入压头是标准大气压力下针对输送水时防止汽化而提出的。净正吸入压头(hj)分为需要净正吸入压头(hjx)和有效(资用)净正吸入压头(hjz),国外的水泵厂家样本中均标有hjx曲线(国内厂家样本中常常没有)。应用中hjz≥hjx。
对于开式水箱
hjz=pa+ps-pvp-pf(2)
对于闭式水箱
hjz=p1-pvp-pf
(3)
图4 膨胀水箱位置与系统压力
其中Hs为水系统高度,ρ为水的密度,g为重力
加速度,h为安全压头。图4d中膨胀水箱p1=h。
以上所列举的文献[2～3]中的p1值的确定方法都是以满足式(2),(3)及系统最高点处不汽化为前提的。文献[4]的水泵定压值“系统最高点加1米”,对所述定压装置的适用范围温度小于等于120℃来讲,就不够全面和确切了。另外,水泵定压或水箱定压定压值的确定,不能忘掉水泵定压点或膨胀水箱的膨胀管与系统连接的具体位置,因为其中包括静压值的因素。
当然,在工程设计中,根据具体条件(如海拔标高,建筑空间,传热介质性能(水或乙二醇溶液))等,在选用计算中还应作出相应的修正。参考文献
1 ASHRAE.2000ASHRAEhandbook.HVACsystemsandequipment
2 ITT.Pressurizedexpansiontanksizing/installationinstructionforhydronicheating/coolingsystems.19883 Salmson.Bladderordiaphragmforexpansionorpressurizationapplications.19964 上海海鹰机械厂.HD定压装置.2000
式(2),(3)中 pa———水面上的大气压力,kPa;
ps———水泵叶轮以上水的静压头,
kPa;
pvp———水泵入口处运行温度下水的
饱和蒸气压力,kPa;pf———膨胀水箱至水泵吸入口管
路、配件、阀门和设备的阻力
损失,kPa;p1———闭式水箱预充气压力值,
kPa。
4 结语
暖通空调HV&AC 2004年第34卷第6期 设计参考·61·
闭式水系统膨胀水箱的选用
中南建筑设计院 高养田
闭式水箱的预充气压力值、水泵定压值的确定等问题。
关键词 闭式水系统 加压膨胀水箱 预充气压力
☆
摘要 介绍了闭式水系统的特点,讨论了空调水系统膨胀水箱容积计算、水箱安装位置、
Selectionofexpansiontankinclosedwatersystems
ByGaoYangtian
★
Abstract Presentsthecharacteristicsofclosedwatersystems.Discussesthevolumecalculationofexpansiontankinairconditioningwatersystemsandthedeterminationofinstalledpositionofwatertanks,pre-chargingpressureofclosedwatertanks,constantpressurevalueofpumps.
Keywords closedwatersystem,pressurizationexpansiontank,pre-chargingpressure
★ZhongnanArchitectureDesignInstitute,Wuhan,China①
膨胀水箱在空调闭式水系统中是一个重要的组成部分,然而也是常被忽视的部分。在具体工程
应用中,水箱的选用、膨胀管与系统的连接、闭式水箱预充气压力值的确定、水泵定压值的确定等问题,有进一步弄清的必要。1 闭式水系统的特点
闭式与开式水系统的区分应是:与大气相通的界面不多于一个的系统是闭式系统,与大气相通的界面多于一个的系统是开式系统,如图1所示
。
水力功能,
为系统提供一个压力基准点(恒压点),保证系统各处所需压力及系统的正常运行。
为保证闭式系统正常运行(泵运行和泵停止),关键点是:
a)水泵扬程除能克服环路沿程各项阻力外,还应保证水泵吸入口压力大于水泵的有效净正吸入压头(NPSRA)。
b)在停泵时环路最高点介质不汽化和保证排空压力。
c)系统各处(管路、部件及设备等)压力均应在其允许的工作压力以内。
2 膨胀水箱型式及闭式膨胀水箱容积计算
水箱型式可分为开式与闭式两类,开式又分为密闭板式、隔膜式、球胆式、水泵定压补水一体式四种,见图2。
在两种水箱中,高位开式水箱因安装简便、投资少、可兼作排气补水用,得到了广泛的应用。但它也存在因与空气接触易腐蚀,受高温、建筑条件限制,不便于扩建,易冻结等缺点。从箱内压力变化考虑,膨胀水箱又可分为定压式和变压式两种。定压式水箱在固定压力下运行,当水系统内介质温度变化引
图1 开式与闭式水系统
膨胀水箱有两种功能,一是热力功能,在温度①☆高养田,男,1934年10月生,大学,高级工程师
430071武汉市武昌区中南二路10号中南建筑设计院(027)87841939收稿日期:20020617
·62·设计参考 暖通空调HV&AC 2004年第34卷第6期
图2 膨胀水箱类型
起其容积增减而使压力超过或低于规定压力值时,
水进入低压水箱或从水箱泵入,水泵定压式属于此种类型。而变压式是指系统水温变化,造成系统水容积增减,水进入水箱或从水箱排出,此时水箱内压力在一定范围内变化,加压水箱属于此种类型。
关于闭式膨胀水箱的容积计算,不同资料表述略有不同,但基本上是一致的。现以文献[1]所列隔膜加压水箱容积计算公式进行讨论。
v2
-1-3αΔtv1
Vt=Vs(1)
p11-p2
式中 Vt———膨胀水箱容积,m3;
Vs———系统水容积,m;
v1———低温时水的比体积,m3/kg;v2———高温时水的比体积,m3/kg;α———线膨胀系数,钢为11.7×10
-6-1
铜为17.1×10℃;
Δt———温差,℃;p1———低温时压力,kPa;p2———高温时压力,kPa。
-6
3
静压头+100kPa(1个大气压);p2=阀门开启压力+100kPa(1个大气压)。在不同的水箱容积下,系统的静压头、阀门开启压力(设定的阀门开启压力)、水箱运行压力和试验压力之间的关系见表2。
表1 闭式水系统停泵时液面最高点的最小加压值 kPa
泵上部系统静压头
[**************]
0(泵在顶部)28.228.291.5119.1175.915.228.228.277.4105.6161.930.528.228.263.391.5147.861.028.228.228.256.5112.331.428.228.228.228.284.4121.928.228.228.228.256.2152.428.228.228.228.228.2182.9以上28.228.228.228.228.2 注:文献[2]表中为英制单位数据,此为笔者换算后的数据。
表2 系统静压头、阀门开启压力、使用压力、
试验压力的关系
℃
-1
,
静压头/m
5347
容积/m3
6～[***********]7
24～4000
2530354.555.[1**********]15
40
61015
阀门开启压力/105Pa使用压力/105Pa试验压力/105Pa 注:水箱承受静压头最大40m,温度范围:-10～110℃。
此公式与很多水箱容积计算公式不同之点是,在水箱容积计算中扣除了水系统本身的容积增长
量,公式中除p1和p2值外,其他各值均可根据具体工程条件和资料中数据确定。
p1和p2的取值关系到系统各个部件的承压要求、系统的安全运行和设备投资。
关于p1和p2值的确定,文献[2～3]都作了具体说明。文献[2]规定p1=箱体静压头+系统顶部的最小压力值,见表1;p2=运行时最高压力(低于。[3]p文献[4]规定运行温度小于等于120℃的热水供暖系统,定压设定值由设计者酌情确定,一般为系统最高点加1m。
3 关于预充气压力值和定压水箱安装位置空调供冷供热水系统介质温度一般为:供冷冷
水5～15℃,冰蓄冷冷水2～15℃,乙二醇水溶液-5～15℃;供暖热水95～75℃(供暖供冷两用时,热水温度一般不高于60℃),供暖高温水110～70℃,130～70℃。供冷系统最高水温可取空
暖通空调HV&AC 2004年第34卷第6期 设计参考·63·
压,减少管路,在满足式(2),(3)的条件下,可选定
膨胀水箱及膨胀管满足安全运行的最合适的位置,如图4所示。图4c中膨胀水箱中p1=Hsρg+h,
图3 供暖供冷闭式膨胀水箱内部压力变化
供暖供冷两种工况下水箱内压力变化示于图3。p1值为加压水箱的预充气压力值,即系统未运行,
水箱内气体仅承受静压及附加的高点安全压力值,未接纳液体膨胀或收缩时的压力。p2值是温度升高后,水箱内接纳膨胀容积后所承受的压力。
水泵净正吸入压头是标准大气压力下针对输送水时防止汽化而提出的。净正吸入压头(hj)分为需要净正吸入压头(hjx)和有效(资用)净正吸入压头(hjz),国外的水泵厂家样本中均标有hjx曲线(国内厂家样本中常常没有)。应用中hjz≥hjx。
对于开式水箱
hjz=pa+ps-pvp-pf(2)
对于闭式水箱
hjz=p1-pvp-pf
(3)
图4 膨胀水箱位置与系统压力
其中Hs为水系统高度,ρ为水的密度,g为重力
加速度,h为安全压头。图4d中膨胀水箱p1=h。
以上所列举的文献[2～3]中的p1值的确定方法都是以满足式(2),(3)及系统最高点处不汽化为前提的。文献[4]的水泵定压值“系统最高点加1米”,对所述定压装置的适用范围温度小于等于120℃来讲,就不够全面和确切了。另外,水泵定压或水箱定压定压值的确定,不能忘掉水泵定压点或膨胀水箱的膨胀管与系统连接的具体位置,因为其中包括静压值的因素。
当然,在工程设计中,根据具体条件(如海拔标高,建筑空间,传热介质性能(水或乙二醇溶液))等,在选用计算中还应作出相应的修正。参考文献
1 ASHRAE.2000ASHRAEhandbook.HVACsystemsandequipment
2 ITT.Pressurizedexpansiontanksizing/installationinstructionforhydronicheating/coolingsystems.19883 Salmson.Bladderordiaphragmforexpansionorpressurizationapplications.19964 上海海鹰机械厂.HD定压装置.2000
式(2),(3)中 pa———水面上的大气压力,kPa;
ps———水泵叶轮以上水的静压头,
kPa;
pvp———水泵入口处运行温度下水的
饱和蒸气压力,kPa;pf———膨胀水箱至水泵吸入口管
路、配件、阀门和设备的阻力
损失,kPa;p1———闭式水箱预充气压力值,
kPa。
4 结语