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摘要分析了正常和干管堵塞、立管堵塞和閥門關(guān)閉等非正常工況下膨脹水箱設(shè)在不同位置時(shí)，采暖系統(tǒng)內(nèi)的壓力工況及對(duì)系統(tǒng)的影響。指出干管發(fā)生堵塞，將導(dǎo)致堵塞點(diǎn)后的系統(tǒng)處于大面積的不正常狀態(tài)；立管發(fā)生堵塞，將導(dǎo)致被堵立管局部處于不正常狀態(tài)；回水干管堵塞，造成的影響比較嚴(yán)重。闡述了非正常工況下可能導(dǎo)致散熱器超壓等不安全因素以及在設(shè)計(jì)、施工運(yùn)行管理中如何避免這些工況及不良情況。給出了在系統(tǒng)中正確設(shè)置水箱，保證良好的水力工況的措施。對(duì)其他定壓設(shè)備在非正常工況下對(duì)采暖系統(tǒng)的影響有參考意義。

關(guān)鍵詞膨脹水箱熱水采暖系統(tǒng)定壓水力工況故障

0引言

膨脹水箱是中小型系統(tǒng)和空調(diào)水系統(tǒng)常用的定壓設(shè)備之一。它具有簡(jiǎn)單、安全、不用維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。正確了解膨脹水箱定壓采暖系統(tǒng)在各種工況下的壓力分布對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及安全運(yùn)行是非常必要的。膨脹水箱定壓多用于低溫水系統(tǒng)，也可用于高溫水系統(tǒng)。下面用簡(jiǎn)單采暖系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)原理相同。

1正常壓力工況的分析

膨脹水箱在采暖系統(tǒng)聽(tīng)位置以及安裝要求可根據(jù)其系統(tǒng)型式、作用半徑、建筑物（或采暖系統(tǒng)）的高度、供水溫度等因素來(lái)選擇[1][2]。同時(shí)其安裝位置及高度不同，給系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力工況也不同?？煽康南到y(tǒng)，其壓力工況必須滿足不汽化、不超壓、不倒空，及有足夠循環(huán)動(dòng)力的要求。

1．1膨脹水箱連接在上供下回式系統(tǒng)供水主立管上方

如圖1所示，當(dāng)采暖系統(tǒng)半徑不大，即AB管長(zhǎng)較小時(shí)，能保證供水干管末端C點(diǎn)為正壓時(shí)，即可采用將膨脹水箱連接在供水主立管上方的安裝形式。水壓圖上c點(diǎn)高于管路C點(diǎn)位置高度，使水管最不利點(diǎn)不汽化，同時(shí)要保證靜水壓線j～j到底層散熱器（一般用回水干管D點(diǎn)來(lái)考慮）的高差不大于散熱器承壓能力。圖1中圖形abcdefgha為其水壓圖。A點(diǎn)為定壓點(diǎn)，Hjj≤40m。運(yùn)行時(shí)底層散熱器隨的壓力比靜止時(shí)低，不會(huì)超壓。對(duì)一般采暖系統(tǒng)，圖1中水壓圖各點(diǎn)的高差為：熱源設(shè)備的阻力損失較大，ΔHgh=10～15mH2O；采暖系統(tǒng)的阻力損失ΔHaf=1～2mH2O。一般散熱器的最大工作壓力為40mH2O，而試驗(yàn)壓力不大于40mH2O。雖然實(shí)際系統(tǒng)的壓力短時(shí)間超過(guò)其最大工作壓力，而不超過(guò)實(shí)驗(yàn)壓力，可能不會(huì)泄漏，但長(zhǎng)時(shí)間會(huì)出問(wèn)題，是不允許的。超壓運(yùn)行的系統(tǒng)，運(yùn)行不可行，應(yīng)極力避免發(fā)生。

圖1膨脹水箱連接在供水主立管上方的正常工況水壓圖

1－循環(huán)水泵；2－鍋爐或換熱器；3－膨脹水箱；4－集氣罐

（以下圖2～圖9中數(shù)字標(biāo)號(hào)的意義與本圖相同）

1．2膨脹水箱連接在上供下回式系統(tǒng)供水主立管末端

膨脹水箱連接在上供下回式系統(tǒng)供水主立管末端時(shí)的系統(tǒng)圖及正常工況水壓圖如圖2所示。水溫較高的供水干管末端C點(diǎn)壓力為h(正壓)，可保證95℃以下低溫水采暖系統(tǒng)不汽化，水箱安裝高度比圖1低。該系統(tǒng)只宜用于系統(tǒng)有一個(gè)大環(huán)路的情況（即A點(diǎn)只有向C點(diǎn)的一個(gè)分支）[3]，C點(diǎn)為定壓點(diǎn)。同圖1一樣，運(yùn)行時(shí)回水干線壓力降低，不會(huì)超過(guò)散熱器的承壓能力。

圖2膨脹水箱連接在供水干管末端的正常工況水壓圖

1．3膨脹水箱連接在上供下回式系統(tǒng)循環(huán)水泵入口

膨脹水箱連接在上供下回式系統(tǒng)循環(huán)水泵入口時(shí)的系統(tǒng)圖及水壓圖如圖3所示。水壓圖上的c點(diǎn)高出系統(tǒng)C點(diǎn)，因此保證不汽化是無(wú)問(wèn)題的。在系統(tǒng)較大（即AC管較長(zhǎng)），而且系統(tǒng)的高度（CD間高差）較大（接近40m）時(shí)，要考慮運(yùn)行時(shí)立管底層散熱器是否超壓的問(wèn)題，對(duì)高層建筑采暖系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)時(shí)也要考慮這一問(wèn)題。即分區(qū)的位置不僅要考慮系統(tǒng)底層散熱器停止運(yùn)行時(shí)不超壓，還要注意系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不超壓。例如：如取Hjj=40m，則運(yùn)行時(shí)HdD>40m。底層散熱器將長(zhǎng)期在超壓狀態(tài)下工作，經(jīng)常會(huì)有泄漏之處。分區(qū)的高度界限應(yīng)小于40m，使系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)底層散熱器承受的壓力不大于40mH2O。

圖3膨脹水箱連接在循環(huán)水泵入口的系統(tǒng)及正常工況水壓圖

1．4膨脹水箱連接在下供上回式系統(tǒng)回水總管上方

膨脹水箱連接在下供上回式系統(tǒng)回水總管上方時(shí)的系統(tǒng)圖及水壓圖如圖4所示，供水先進(jìn)入底層供水干管。如用于水較低的高溫水系統(tǒng)（例如水溫為110℃）時(shí)，應(yīng)使供水干管最不利點(diǎn)C點(diǎn)的壓力，即圖中的HcC≤40m。使底層散熱器不超壓，同時(shí)可防止汽化。因?yàn)?10℃水的汽化壓力為4.7m，即建筑物只要為二層以上即不會(huì)有汽化問(wèn)題。由圖可見(jiàn)，這種采暖系統(tǒng)的高度（C、D之間的高差）應(yīng)比圖3中的還要小一些，才能保證底層散熱器承受的壓力HcC≤40m。在這種系統(tǒng)中，不僅應(yīng)保證最無(wú)立管、而且應(yīng)該保證最近立管底層散熱器不超壓及HbB≤40m。

圖4膨脹水箱連接在回水總管上方的系統(tǒng)及正常工況水壓圖

2非正常壓力工況的分析

系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障有：由閥芯脫落，施工中焊渣、棍棒、破布、麻團(tuán)等造成的堵塞，機(jī)械碰撞、凍害，水擊等原因造成的散熱器破裂、管道腐蝕泄漏等。這些故障將引起系統(tǒng)壓力工況的變化，甚至停止供熱，下面重點(diǎn)分析由管道堵塞可能導(dǎo)致系統(tǒng)局部或全部停止供熱或損壞的情況[4]。系統(tǒng)堵塞給系統(tǒng)造成的影響及其大小與系統(tǒng)型式及堵塞點(diǎn)位置有關(guān)。以圖3所示系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。以下圖中用實(shí)線表示設(shè)計(jì)水壓圖，虛線表示非正常工況下水壓圖。

2．1膨脹水箱與系統(tǒng)相連管道堵塞

水箱用膨脹管或膨脹管加循環(huán)管與系統(tǒng)連接。

2．1．1水箱膨脹管堵塞

如水箱膨脹管堵塞，系統(tǒng)水被加熱后膨脹多余的水無(wú)去路，系統(tǒng)內(nèi)壓力升高，設(shè)備（含散熱器）和管道將會(huì)被破壞。所以施工時(shí)應(yīng)清理該管內(nèi)污物，安裝時(shí)將膨脹管設(shè)在水箱側(cè)壁而不是底部，可減少事故發(fā)生。系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)備有安全閥或泄水閥，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)壓力超過(guò)一定限度時(shí)，排水降壓，防止管道和散熱器等設(shè)備被破壞。在系統(tǒng)投入運(yùn)行，充水時(shí)應(yīng)該先檢查水箱信號(hào)管和膨脹管出水通暢之后才能加熱，即可排除這種工況和防止這種工況造成的影響。

2．1．2水箱循環(huán)管堵塞

水箱循環(huán)管被堵時(shí)，箱內(nèi)水不循環(huán)。短時(shí)間對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行不會(huì)有影響；但若時(shí)間較長(zhǎng)，在嚴(yán)寒地區(qū)水箱房和水箱保溫不佳時(shí)，有可能凍結(jié)。膨脹管和循環(huán)管上都不允許設(shè)閥門，一旦該管被堵塞，需要停止供熱進(jìn)行疏通和檢修，這將影響正常供熱。因此施工中應(yīng)注意清理該管內(nèi)污物；啟動(dòng)時(shí)應(yīng)檢查該管是否有熱媒流動(dòng)，以便在初寒期排除這一類故障。

2．2干管堵塞

2．2．1供水干管起點(diǎn)堵塞

如圖5中從泵出口到B點(diǎn)中間的任何一點(diǎn)J點(diǎn)堵塞，系統(tǒng)水不循環(huán)，系統(tǒng)全部不熱。管段HJ內(nèi)壓力升高到HgF（因?yàn)榇蠖鄶?shù)離心泵流量為零時(shí)，揚(yáng)程增加；在分析其他工況認(rèn)為水泵揚(yáng)程不變），但傳遞不到散熱器，散熱器承受的壓力為HfF，而不會(huì)引起散熱器泄漏。供水干和內(nèi)的水不會(huì)汽化，但應(yīng)采取措施防止鍋爐或換熱器內(nèi)的水汽化。

圖5供水干管起點(diǎn)堵塞的壓力工況

2．2．2供水干管中段堵塞

如圖6中K點(diǎn)堵塞，水通過(guò)堵塞點(diǎn)前面的立管循環(huán)，總流量減小，而通路流量增加。堵塞點(diǎn)后面的點(diǎn)不熱。BK管段內(nèi)壓力增加為Hb′B，但傳遞不到底層散熱器，堵塞點(diǎn)后部的立管底層散熱器隨的壓力為He′E，它不會(huì)引起散熱器泄漏。

圖6供水干管中段堵塞的壓力工況

2．2．3回水干管起點(diǎn)堵塞

在圖7中，從E點(diǎn)到水泵入口任何一點(diǎn)（例如J′點(diǎn)）堵塞，系統(tǒng)中的水不循環(huán)，系統(tǒng)所有散熱器全部不熱，水泵輸出流量為零，水泵揚(yáng)程增加，出口壓力為Hg′F，系統(tǒng)內(nèi)承受的水靜壓力等于供不干管內(nèi)的高壓，并傳遞到底層散熱器，對(duì)所有立管下部散熱器造成威脅，如Hg′F遠(yuǎn)大于散熱器的承壓能力，則散熱器泄漏、乃至破壞。是應(yīng)該嚴(yán)禁發(fā)生的工況。

圖7回水干管起點(diǎn)堵塞的壓力工況

2．2．4回水干管中段堵塞

在圖8中，從D點(diǎn)到E點(diǎn)之間的K′堵塞，系統(tǒng)內(nèi)的水通過(guò)前面靠近主立管的其他立管循環(huán)。K′點(diǎn)以前的立管供熱；K′點(diǎn)以后的立管散熱器不熱。B點(diǎn)以后的系統(tǒng)承受供水干管傳遞來(lái)的靜水壓力Hb′E，其各立管底部散熱器有超壓的可能。如Hjj=40mH2O，顯然Hb′D將大于40m。應(yīng)驗(yàn)算這種工況下各立管底部壓力，以防止底層散熱器泄漏。

圖8回水干管中段堵塞的壓力工況

2．3立管堵塞

一般采暖系統(tǒng)都由多根立管構(gòu)成。如果某根立管堵塞，該立管水不循環(huán)，通過(guò)其他立管的流量有所增加。對(duì)系統(tǒng)的影響與被堵立管的位置以及被堵塞點(diǎn)在立管上的位置有關(guān)。

2．3．1靠近主立管的立管被堵塞

靠近主立管的立管被堵塞，其水壓圖如圖9（α）虛線的示。被堵立管流量為零，其余各立管流量增加。系統(tǒng)其余立管流量增加，堵塞點(diǎn)的位置對(duì)被堵立管本身有影響。如果堵塞點(diǎn)α的高度較低，則傳遞到α點(diǎn)以上各處的水靜壓力Hb′E有可能超過(guò)散熱器的最大工作壓力而漏水。但其影響的是局部的散熱器。

2．3．2靠近末梢的立管被堵塞

靠近末梢的立管被堵，其水壓圖如圖9（b）虛線所示。雖然水壓圖與圖9（α）有差別，但對(duì)系統(tǒng)的影響與圖9（α）類似。遠(yuǎn)端立管被堵塞點(diǎn)α以上各處隨的壓力為Hb′E減去α點(diǎn)的位置高度。如α點(diǎn)位置較低，則α點(diǎn)附近散熱器可能泄漏。

圖9立管堵塞時(shí)的壓力工況3水箱與安全運(yùn)行的關(guān)系

3．1非正常工況下系統(tǒng)內(nèi)壓力工況發(fā)生變化，其中以回水干管堵塞影響最大，堵塞點(diǎn)離熱源越近，影響范圍越大，損失也越大。為了防止管道堵塞和杜絕不良工況，可采取以下措施：

（1）施工時(shí)注意疏通設(shè)備和管內(nèi)的污物。

（2）下部回水干管低點(diǎn)，特別是過(guò)門下返彎的低點(diǎn)設(shè)放水閥。

（3）可采取自動(dòng)補(bǔ)入冷水，降低熱媒溫度，防止供水干管起點(diǎn)堵塞時(shí)汽化。對(duì)水泵應(yīng)有空轉(zhuǎn)時(shí)的過(guò)載保護(hù)。

（4）應(yīng)在系統(tǒng)啟動(dòng)之前和運(yùn)行初期排除各種不良工況，以免在嚴(yán)寒期造成損失。

（5）監(jiān)查回水干、循環(huán)水泵入口閥門的狀態(tài)，嚴(yán)防閥芯脫落，堵塞管道，特別是對(duì)有兩個(gè)大環(huán)路以上的系統(tǒng)，當(dāng)一個(gè)環(huán)路供熱比較正常，另一個(gè)環(huán)路供熱不正常時(shí)要考慮是否分支大環(huán)路上閥門或管道發(fā)生問(wèn)題。例如圖10中如果閥1堵塞或未開(kāi)啟，系統(tǒng)左環(huán)水不循環(huán)，水壓圖由實(shí)線變虛線，左環(huán)承受A點(diǎn)傳遞過(guò)來(lái)的不靜壓力HaF，系統(tǒng)內(nèi)壓力增加，有可能使左環(huán)底層散熱器超壓。因此運(yùn)行時(shí)回水干管上閥門狀態(tài)應(yīng)良好，并先開(kāi)啟閥1、2，再啟動(dòng)水泵運(yùn)行。

圖10兩個(gè)環(huán)路的膨脹水箱定壓采暖系統(tǒng)

3．2多環(huán)路膨脹水箱的位置

3.2.1一個(gè)采暖系統(tǒng)只用一個(gè)水箱。當(dāng)采用兩個(gè)水箱時(shí)功能易混亂，因此將中小采暖系統(tǒng)合并成大型系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)取消處于低位置的水箱，并將處于高位置的水箱容積擴(kuò)大。

3．2．2從非正常工況考慮，水箱與系統(tǒng)的連接位置宜選在熱源處循環(huán)水泵入口。

膨脹水箱安裝在供水干管末端，如只有一個(gè)大環(huán)路是可以的。如像圖11中有兩個(gè)環(huán)路。這種安裝位置在非正常工況下有弊端。正常工況定壓點(diǎn)在C點(diǎn)，水壓圖如實(shí)線所示。如圖中閥4未開(kāi)啟或堵塞，系統(tǒng)右環(huán)水不循環(huán)，F(xiàn)變?yōu)槎▔狐c(diǎn)，水壓圖變成圖（a）虛所示，左邊大環(huán)路壓力普遍升高，左環(huán)底層散熱器有超壓的可能。如閥2關(guān)閉或堵塞，右環(huán)不循環(huán)，A點(diǎn)變?yōu)槎▔狐c(diǎn)，水壓圖變成圖（b）虛線所示，集氣罐所在M點(diǎn)有可能變成負(fù)壓，不能正常排氣和供水干管局部產(chǎn)生汽化，系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。如閥3關(guān)閉或堵塞，左環(huán)不循環(huán)，右環(huán)流量增加，定壓點(diǎn)不變，左、右環(huán)流量增加，定壓點(diǎn)不變，左、右環(huán)不會(huì)發(fā)生散熱器泄漏事件，其水壓圖如圖（c）所示。如閥1關(guān)閉或堵塞，左環(huán)不循環(huán)，右環(huán)流量增加，定壓點(diǎn)不變，左環(huán)可能發(fā)生散熱器泄漏事件，其水壓圖如圖（d）所示。

圖11膨脹水箱安裝在系統(tǒng)一個(gè)環(huán)路供水干管末端當(dāng)某閥門被堵時(shí)的水壓圖

(a)閥4被堵；(b)閥2被堵；(c)閥3被堵；(d)閥1被堵

3．2．3膨脹水箱起安全作用

在發(fā)生水擊時(shí)，膨脹水箱可減緩壓力突然增加所產(chǎn)生的破壞作用。

4結(jié)論

4．1膨脹水箱簡(jiǎn)便、應(yīng)用廣。如在設(shè)計(jì)和施工中加以采取措施，在非采暖期進(jìn)行維護(hù)、檢修，可以避免在非正常工況下可能出現(xiàn)的底層散熱器超壓等問(wèn)題。

4．2所研究的壓力工況對(duì)其他定壓方式有參考價(jià)值。

4．3關(guān)于散熱器是否超壓的問(wèn)題，不僅要用靜水壓曲線、而且要用動(dòng)水壓曲線校核。

參考文獻(xiàn)

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