閉式水循環(huán)系統(tǒng)的膨脹水箱的設(shè)計(jì)改進(jìn)

牛 云

(江蘇省糧油食品進(jìn)出口集團(tuán)股份有限公司，南京 210001)

閉式水循環(huán)管路系統(tǒng)配置的膨脹水箱，在兼用于供冷和供暖兩種工況時(shí)，特別要注意防凍設(shè)計(jì)。本文介紹一個(gè)閉式水循環(huán)系統(tǒng)的膨脹水箱的設(shè)計(jì)改進(jìn)。

1 概況

某商務(wù)樓建筑面積3800m2，配置風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組、閉式變水量半集中式空調(diào)系統(tǒng)，風(fēng)冷式熱泵機(jī)組擱置在樓頂屋面。

閉式水循環(huán)管路系統(tǒng)須配置一個(gè)膨脹水箱，擱置在整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的最高點(diǎn)。

該空調(diào)系統(tǒng)原膨脹水箱是參照采暖通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)圖集T905(一)1號(hào)進(jìn)行配管、制作安裝(見表1、圖1)。

膨脹水箱的有效容積高度(信號(hào)管到溢流管之間的高差)h1=0.5m，有效容積(信號(hào)管到溢流管之間高差內(nèi)的容積)Vp=0.81×0.5=0.41m3；

存水容積高度h2=0.2m，存水容積V2=0.81×0.2=0.16m3；

循環(huán)管、膨脹管與回水總管兩連接點(diǎn)間距L1(見圖1)為2.0m；

保溫材料為巖棉板、巖棉管(厚度δ=20mm)；結(jié)構(gòu)材料為鋼板(δ=3mm)。

在空調(diào)系統(tǒng)冬季供暖運(yùn)行室外氣溫0℃以下期間，遇供暖暫停時(shí)(如夜間、雙休日)，處在屋面空調(diào)系統(tǒng)最高點(diǎn)的膨脹水箱內(nèi)的水、循環(huán)管和膨脹管內(nèi)的水不時(shí)會(huì)發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，強(qiáng)行供暖運(yùn)行，系統(tǒng)內(nèi)超壓會(huì)發(fā)生事故，影響正常運(yùn)行。

表1 T905(一)1號(hào)膨脹水箱的尺寸及配管的公稱直徑

水箱形式有效容積M3尺寸(m)長(zhǎng)寬高保溫厚度水箱配管的公稱直徑(mm)溢流管膨脹管信號(hào)管循環(huán)管排污管水箱自重(kg)方形0.410.90.90.90.024025 2020 32156

圖1 T905(一)1號(hào)膨脹水箱的配管及管路系統(tǒng)連接示意圖

在膨脹水箱兼用于供暖和供冷兩種工況時(shí)，特別要注意膨脹水箱的防凍設(shè)計(jì)，防止冬季供暖時(shí)因水箱內(nèi)的水結(jié)冰而影響系統(tǒng)運(yùn)行；也要注意夏季供冷時(shí)水箱的節(jié)能設(shè)計(jì)。

2 膨脹水箱的設(shè)計(jì)改進(jìn)

2.1 膨脹水箱的有效容積Vp

整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)的水容積Vs為3.5m3；設(shè)冬季最大的水溫變化幅度為：最低水溫4℃～最高水溫46℃。

膨脹水箱有效容積計(jì)算公式：

Vp=αΔtVs

式中:

Vp—膨脹水箱有效容積(信號(hào)管到溢流管之間高差內(nèi)的容積),m3；

Δt—最大的水溫變化值,℃；

α—水的體積膨脹系數(shù)，α=0.0006(1/℃)；

Vs—系統(tǒng)內(nèi)的水容積,m3。

膨脹水箱有效容積Vp=αΔtVs= 0.0006×42×3.5≈0.09m3；

有效容積高度(見圖2)h1=Vp/S=0.09/(0.4×0.4×3.14)≈0.18m。

2.2 膨脹水箱的存水容積V2

存水容積高度(見圖2)h2=0.72 m，則

V2=S×h2=0.4×0.4×3.14×0.72≈0.36 m3。

2.3 膨脹水箱的保溫、結(jié)構(gòu)材料

選取水箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)材料為不銹鋼板(厚度δ=2mm)，導(dǎo)熱系數(shù)λ=45.3 W/(m ℃)；外表面結(jié)構(gòu)材料為彩鋼板(δ=0.5mm)；保溫材料為發(fā)泡聚氨酯(δ=50mm)，密度40kg/m3時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.045 W/(m ℃)。

2.4 膨脹水箱的保溫防凍效果

2.4.1 水箱體每度溫差傳熱

(1)平壁的傳熱:

多層平壁的傳熱計(jì)算公式：Q=KF(tf1-tf2)

式中:Q—傳熱量，W；

F—傳熱的面積，m2；

tf1、tf2—平壁二側(cè)的傳熱溫度，℃；

K—平壁的傳熱系數(shù)，W/(m2℃)；

α1、α2—平壁二側(cè)的總放熱系數(shù)，W/(m2℃)；

λi—材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m ℃)。

設(shè)室外風(fēng)速2.5m/s，水箱外表面放熱系數(shù)α2=22.1 W/(m2℃)；

水箱內(nèi)表面放熱系數(shù)，頂可取α1=20 W/(m2℃)，壁、底可取α1=800 W/(m2℃)。

頂部傳熱系數(shù)K頂

底部傳熱系數(shù)K底

水箱頂、底平均面積F

每℃溫差傳熱量：

頂部：Q頂=K頂F=0.829×0.573≈0.475(W/℃)；

底部：Q底=K底F=0.865×0.573≈0.496(W/℃)。

(2)圓筒壁的傳熱：

多層圓筒壁的傳熱Q：=

式中：

h—圓筒高度，m；

tf1、tf2—圓筒壁二側(cè)的傳熱溫度，℃；

λi—材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m ℃)；

α1、α2—圓筒壁二側(cè)的總放熱系數(shù)，W/(m2℃)；

d1、di+1—圓筒壁內(nèi)外直徑，m。

每℃溫差傳熱量Q圓=

=2.432(W/℃)，不銹鋼板、彩鋼板的熱阻以及內(nèi)壁表面的熱阻可忽略不計(jì)。

(3)傳熱修正：

水箱體每度溫差傳熱Q=Q頂+Q底+Q圓=0.475+0.496+2.432=3.403(W/℃)。

設(shè)水箱每根連接水管的傳熱值占水箱體傳熱值的10%，共5根管路；通氣管占20%，共2根；則修正值Q修=3.403(1+5×10%+2×20%)=6.466(W/℃)(≈5.56kcal/h℃)。

2.4.2 水箱的防凍延續(xù)時(shí)間

(1)水箱存水量及熱量：

水在壓力為1.03kg/cm2，水溫38℃時(shí)，容重γ=992.7kg/m3；比熱Cp=0.997kcal/kg℃。

水箱存水量G=V2×γ=0.360×992.7≈357.4kg。

設(shè)水箱水溫從38℃降至10℃，即Δt=38-10=28(℃)時(shí)，存水放熱量Qh2=G×Cp×Δt=357.4×0.997×28≈9977(kcal)。

(2)防凍延續(xù)時(shí)間：

設(shè)室外氣溫-6℃，水箱水溫從38℃降至10℃時(shí)，

表2 自制膨脹水箱的尺寸及配管的公稱直徑

水箱形式有效容積M3尺寸(m)內(nèi)徑內(nèi)高保溫厚度水箱配管的公稱直徑(mm)溢流管膨脹管信號(hào)管循環(huán)管排污管水箱自重[kg]圓柱形0.090.801.00.05202015202080

圖2 自制膨脹水箱的配管及管路系統(tǒng)連接示意圖

2.5 膨脹水箱的供熱

在回水總管上連接循環(huán)管、膨脹管，兩連接點(diǎn)保持一定距離，使膨脹水箱中的水在兩連接點(diǎn)壓差的作用下處于流動(dòng)，給水箱中的水供熱。

(1)循環(huán)管和膨脹管水頭損失：

循環(huán)管和膨脹管Dg=20mm，總長(zhǎng)度L=10m；設(shè)計(jì)流速v=0.15m/s。

式中：

hf—沿程水頭損失，mH2O；

λ—沿程阻力系數(shù)；

L—直管的長(zhǎng)度，m；

d—管內(nèi)徑，m；

v—斷面平均流速，m/s；

g—重力加速度，m/s2。

參照文獻(xiàn)[3]《流體力學(xué) 泵與風(fēng)機(jī)》表1-1，t=40℃時(shí)，水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)υ=0.661×10-6m2/s；表4-1 工業(yè)管道當(dāng)量糙粒高度，得鍍鋅鋼管K=0.15 mm，鋼管K=0.046mm。

λ≈0.046，

式中：

hd—局部阻力損失，mH2O；

ζ—局部阻力系數(shù)；

v—斷面平均流速，m/s；

g—重力加速度，m/s2。

配件數(shù)量及ζ值：90°彎頭6個(gè)，ζ=2.0；閘閥1個(gè)，ζ=0.5；分流三通一旁支1個(gè)，ζ=1.5；合流三通一旁支1個(gè)，ζ=1.5；進(jìn)水1個(gè)，ζ=1.0；出水1個(gè)，ζ=0.75。

循環(huán)管、膨脹管水頭損失H循=0.026+0.020=0.046(mH2O)=0.46(kPa)。

(2)總管水頭損失：

在回水總管上連接循環(huán)管和膨脹管，兩連接點(diǎn)間距L1(見圖2)為2.5m。

λ≈0.018；

總管水頭損失H總=0.025+0.042=0.067(mH2O)0.67(kPa)。

回水總管兩連接點(diǎn)之間水頭差H總≥循環(huán)管和膨脹管水頭損失H循，滿足膨脹水箱的冬季供熱要求。

3 膨脹水箱的制作安裝及設(shè)計(jì)體會(huì)

(1)膨脹水箱的結(jié)構(gòu)材料選用薄不銹鋼板，不易生銹漏水，水箱自重輕，便于高處安裝。

(2)制作保溫層可以現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡，一次澆注成型，整體保溫效果好。

(3)供暖工程不允許循環(huán)管上裝閥門，但考慮到供冷運(yùn)行時(shí)，會(huì)有冷量損失，還是加裝了閘閥。在冬季供暖工況時(shí)，注意開啟閥門，防止膨脹水箱內(nèi)的水結(jié)冰。在夏季供冷工況時(shí)，注意關(guān)閉閥門，避免膨脹水箱冷量損失。

(4)水箱處于屋面露天，膨脹管、循環(huán)管、信號(hào)管等均要做好保溫防凍處理。

(5)循環(huán)管、膨脹管與回水總管連接，兩連接點(diǎn)跨越一個(gè)閘閥，間距2.5 m，用于確保兩管道中水的溫差和壓差，使膨脹水箱內(nèi)的水處于緩慢流動(dòng)狀態(tài)，使水箱內(nèi)的水聚集足夠的熱量，在室外氣溫0℃以下供暖暫停期間(如夜間、雙休日)，避免水箱內(nèi)的水結(jié)冰。改進(jìn)的膨脹水箱已使用數(shù)年，未發(fā)生過結(jié)冰現(xiàn)象。

(6)設(shè)計(jì)制作膨脹水箱，體積不易大，外表面積盡量小。要注意提高水箱存水容積利用率，有效容積Vp按計(jì)算最大值即可，降低無效容積，保溫效果更好，從而降低制作成本。

[1] 章熙民，飛鳴，張斐利，等.傳熱學(xué)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1980

[2] 陳沛霖,岳孝方.空調(diào)與制冷技術(shù)手冊(cè)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1990

[3] 周謨?nèi)?流體力學(xué) 泵與風(fēng)機(jī)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1979

[4] 楊溥泉，李銘杰，嚴(yán)丹，等.簡(jiǎn)明管道工手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993