膨胀罐在供暖系统的选型与应用

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1、膨胀罐在供暖系统的选型与应用水在温度变化时体积相应变化。实验证明，水在4C （准确说是3.98C）时体积最小，因此水不仅是在4- 100C加热时体积会增大，同样从4-0C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 4C 时其体积的膨胀系数。温度C系数温度C系数温度C系数00.00013400.00782750.02575100.00025450.00984800.02898150.00085500.01207850.03236200.00180550.01447900.03590250.00289600.01704950.03958300.00425650.019791000.0

2、4342350.00582700.02269水加热膨胀系数相对于4C时的体积我们在本课件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10C加热到90C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

3、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14C加热到33C时，压力从 4公斤急剧上升到了1 2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

4、。 本课件将着重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。Volume 由 nlerinientQ1.000 IIncremento volumep = 9(rc |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1图3封闭式系统中的气水混合式膨胀罐mdHltomprBM na f普通型膨胀罐:XJ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

5、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0.3巴左 右。这个0.

6、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图4普通型膨胀罐的安装示意图罐接口以下的位置,靠近锅炉的出水口。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 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。及

7、管道中，当再次加热时水中溶解的空气分离出来，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

8、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。wnlrfiymn-i图5普通型膨胀罐的特殊接头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相关课件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课件也不做进一步介绍了。 隔膜式膨胀罐如果避免空气与水直接接触 ,前面所介绍的膨胀罐的 缺点就能得到克服。20 世纪 50

9、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。air i串CtWM 汨Mras砂网waiiinixi tnnk删利 cgrtrejling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:1. 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。2. 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。3. 隔膜式膨胀罐的空气压力可以根据系统注水后

10、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。4. 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。5. 普通型膨胀罐要求的锅炉接头不再需要。 隔膜式膨胀罐的选型： 正确选择的隔膜式膨胀罐应该在系统水加热到最高 温度时,其压力低于安全阀设定压力 0.3 巴左右。低 于设定压力 0.3 巴的富余量能防止安全阀泄水。同时 也方便将安全阀安装在膨胀罐接口的下端。 隔膜式膨胀罐选型的第一步是计算空气预压值，通过 公式1计算：Pa=Ps+0.3Pa二空气预充压力(bar) Ps=系统静压(bar),指膨胀 罐的接口到系统最高点的这段距离的水柱压力，比如

11、此距离为10.2米，系统静压则为1bar。正确的空气预充压力是膨胀罐入口处的静压，加上系 统顶部0.3巴的额外量。在系统注水前，需要将膨胀 罐的空气预充压力调节到计算出来的空气预压值。膨 胀罐壳体上的充气阀可以实现加气或放气：加气可以 通过一个小的空气压缩机或自行车气筒实现，在加气 时需要使用一个精度为 0.1 巴的气压表检测。正确的空气预充压力保证膨胀罐隔膜在系统注水后 未加热时完全膨胀到壳体。如果空气预充压力低于计 算值，系统在未加热时就有一部分系统水进入到膨胀 罐里面，因此当系统 加热时膨胀罐的容积不够。空气 预充压力不够就等同于膨胀罐容积偏小，会造成每次 系统加 热时安全阀泄水，这种情

12、况必须予以避免。 计算了空气预压值后，可以通过公式2 计算膨胀罐最 低容积：V=A XC/1-（P/P）e i fV二膨胀罐最低容积（升）e二水加热膨胀系数差，即水加热到最高温度的系数水冷却时的温度系数；C二系统总水量（升）；P二起始压力，为Pa+1,即计算的膨胀罐空气预压值i+1bar的大气压（bar）；P二最终压力，安全阀设定的最大压力+1bar的大气压 f水加热膨胀系数e相对于水温在4C时体积的膨 胀系数。温度C系数温度C系数温度C系数00.00013400.00782750.02575100.00025450.00984800.02898150.00085500.01207850.03

13、236200.00180550.01447900.03590250.00289600.01704950.03958300.0042565350.00582700.019791000.043420.02269水加热膨胀系数相对于4C时的体积由于市场上的膨胀罐容积规格较固定，因此计算出来的膨胀罐容积不一定有相应的准确的规格。为了方便 选择，下表提供了每一规格的膨胀罐可涵盖的容积：膨胀罐商用规格与理论计算容积的对应表：商用规格理论计算的容积范围商用规格理论计算的容积范围5升4.55.5 升24 升21.626.4 升8升7.28.8 升35升31.538.5 升12升10.813.2 升50 升45

14、55 升18升16.219.8 升80 升7288 升前面所提到的选型公式里有一个非常保守的假设：即系统所有水温均同时达到最高温度。但这种情况几乎 低，水温越低，其膨胀量也越低。不可能发生。因为水在经过管道和散热装置时温度降对于高温供水、温差在10C左右的小型水暖系统以上 假设意义不大，因为没有更小的膨胀罐可以使用了。 但是对于低温辐射供暖系统则不同，因为大量的系统 水存在于辐射环路里，而辐射环路的工作水温往往在 40-50C左右，这会明显地减低系统水膨胀量。如果按系统水都达到锅炉出水温度计算膨胀罐，对于 低温辐射系统其容积必然过大。虽然膨胀罐容积过大 对系统运行没有危害，但却造成不必要的浪费。 因此，在为低温辐射系统选型时，应该把系统分成两 部分计算：一是锅炉高温水部分：即锅炉容水量+锅炉 至温控中心的水量；二是温控中心后面辐射系统的管 道水容量。同样用公式2 分别予以计算，然后将两部 分的膨胀水容积相加。膨胀罐与系统水的相容性：隔膜式膨胀罐的隔膜材料必须与系统水或溶解于系 统水的空气在化学成份上相容，这点至关重要。如果隔膜材料不相容，隔膜会逐渐被水溶解，系统会因此 出现酸渣使别的系统元件粘合堵塞。当隔膜最终破裂 时，膨胀罐形成水涝，安全阀与补水阀之间的