膨胀水箱容积计算方法

空调水系统的膨胀水箱,不但可以对系统水体积随温度变化产生的膨胀或收缩起到调节作用,以减少因系统水的溢出或补充而造成的浪费,而且它兼起系统定压作用,保证系统不倒空、不溢水、不超压。

本文作者：刘传聚 　滕英武，来源于互联网。

长期以来,在计算系统的膨胀水量时，一直把水的膨胀系数α当作常数，即0. 000 6 1/ K(1/ ℃) 。实际上，水的膨胀系数随温度变化而变化,而且变化幅度不可忽视。水的膨胀系数与水温的关系见表1 。

膨胀水箱容积的确定还与空调系统水容量的计算密切相关。在现有的设计资料中,有的给出每m2建筑面积对应的系统水容量经验值,有的给出每kW 冷(热) 量对应的系统水容量经验值。前者给出的是国外15个办公楼的统计值,用于国内非办公楼时可能造成差错。后者没有明确适应范围,如对于室内机械循环管路系统,文献给出6.9 L/ kW ,而文献给出7.8 L/ kW ,设计人员也会感到无所适从。

笔者基于有关理论,推导出了相关计算公式,较好地解决了上述两个问题。

1 膨胀水箱的容积计算

设空调水系统中,管道和设备内的总水量为Vs ,系统水温由t1升高到t2 时,体积由Vs变为( Vs +ΔV )，水的密度由ρ1 变为ρ2 ,则根据质量守恒原理,可以写出下式：

V sρ1 = ( Vs +ΔV )ρ2 (1)

式中　Vs ——系统内的水容量,L ;

ρ1 ——水在温度t1 时的密度,kg/ L ,见表2 ;

ρ2 ——水在温度t2 时的密度,kg/ L ,见表2 ;

ΔV ——水温由t1 升高到t2 时,系统中水的膨胀量,L 。

用膨胀水箱的容积V 代替式(1) 中的膨胀量ΔV ,可以得到：

式中v2 为水在温度t2 时的比体积,L/ kg ,见表2 。对于t1 ,仅冬季供暖的系统,可取20℃;夏季供冷的系统,为系统供水温度,可取7℃。对于t2 ,冬季供暖的系统,为热水的供水温度;仅夏季供冷的系统,为系统运行前的最高水温,可取35℃。由于水在4 ℃时的密度最大,ρ= 1.000 kg/ L 。可知,当t1 = 4 ℃时,由上式得出的系统的水体积膨胀量最大。此时,上式简化为：

式中β为水箱系数,无量纲。系统内单位体积(L)水从4℃升温到t2时的膨胀量(L) ,见表2 。

表2 水的密度ρ,比体积v ,水箱系数β

通常,夏季使用的空调水系统的供回水温度为7 ℃/ 12℃,全年使用的空调水系统的冬季供回水温度为60 ℃/ 40℃,仅冬季使用的供暖(空调) 水系统的供回水温度为95℃/ 70 ℃。

由式(2) 可知,膨胀水箱的容积,对于仅夏季使用的空调水系统小于系统内水容量的0.6 % ,对于全年使用的空调水系统小于1.7 %，对于仅冬季使用的供暖(空调)水系统小于3.8 %。而按文献中方法计算出的值分别为:1.7 % ,3. 2 % ,4. 5 %。

如果考虑系统水温由t1 升高到t2 时,由于系统中管道和设备等金属材料的受热膨胀,系统的容积还会增大,所需的膨胀水箱容积还可小些。这时,式(2) 可改写为：

式中　αs ——水管道或设备材料的线性热膨胀系数,1/ K。对

于钢材,αs = 1.18 ×10-5 1/ K;对于铜材,αs = 1.65 ×10-51/ K。

2 系统水容量的计算

系统内的水容量即系统中管道和设备内存水量的总和。下面推导计算系统中管道和设备水容量的公式。空调系统中设备及供回水管道的水容积Vi ,通过的水流量G,输送的冷(热) 量Qi 分别为：

Vi = LF×1000

G = ωF×1000

Qi= GρcwΔTw

式中　L——水流程或平均水流程,m;

ω——管内或设备内平均水流速,m/ s ;

cw—水的比热容, cw = 4.18 kJ / (kg·K) ;

G ——通过管内或设备的水流量,L/ s ;

F ——管路或设备的水流通面积,m2 ;

Qi ——管路或设备输送的冷(热) 量,kW;

Vi ——管路或设备的水容量,L ;

ρ——水的密度,此时,可近似取ρ= 1. 0 kg/ L ;

Δ Tw ——进出设备的水温差或管道系统供回水温差,K。

由此可得计算管路或设备水容量V i 的公式:

可见,每供1 kW 冷(热) 量的水容量V i/ Qi 与平均水流程L 成正比,与管内或设备内平均水流速ω 、进出设备的水温差或管路系统供回水温差Δ Tw 成反比。

系统的水容量Vs 为：

表3  1kW冷(热) 量对应的水容量L/ kW

注:表中室内管道流程取平均值400 m(温差25 ℃时为500 m) ,管内平均流速取1.5m/s ;室外管道流程取平均值600 m(温差25℃时为700 m) ,管内平均流速取2.0 m/ s。

结论：

采用式(2) 计算膨胀水箱的容积,可靠正确。配合使用表2 ,可使计算工作简便、迅速,并克服了已有方法存在的不确定性。