闭式水循环系统的膨胀水箱的设计改进

牛 云

(江苏省粮油食品进出口集团股份有限公司，南京 210001)

闭式水循环管路系统配置的膨胀水箱，在兼用于供冷和供暖两种工况时，特别要注意防冻设计。本文介绍一个闭式水循环系统的膨胀水箱的设计改进。

1 概况

某商务楼建筑面积3800m2，配置风机盘管机组、闭式变水量半集中式空调系统，风冷式热泵机组搁置在楼顶屋面。

闭式水循环管路系统须配置一个膨胀水箱，搁置在整个空调系统的最高点。

该空调系统原膨胀水箱是参照采暖通风标准图集T905(一)1号进行配管、制作安装(见表1、图1)。

膨胀水箱的有效容积高度(信号管到溢流管之间的高差)h1=0.5m，有效容积(信号管到溢流管之间高差内的容积)Vp=0.81×0.5=0.41m3；

存水容积高度h2=0.2m，存水容积V2=0.81×0.2=0.16m3；

循环管、膨胀管与回水总管两连接点间距L1(见图1)为2.0m；

保温材料为岩棉板、岩棉管(厚度δ=20mm)；结构材料为钢板(δ=3mm)。

在空调系统冬季供暖运行室外气温0℃以下期间，遇供暖暂停时(如夜间、双休日)，处在屋面空调系统最高点的膨胀水箱内的水、循环管和膨胀管内的水不时会发生结冰现象，强行供暖运行，系统内超压会发生事故，影响正常运行。

表1 T905(一)1号膨胀水箱的尺寸及配管的公称直径

水箱形式有效容积M3尺寸(m)长宽高保温厚度水箱配管的公称直径(mm)溢流管膨胀管信号管循环管排污管水箱自重(kg)方形0.410.90.90.90.024025 2020 32156

图1 T905(一)1号膨胀水箱的配管及管路系统连接示意图

在膨胀水箱兼用于供暖和供冷两种工况时，特别要注意膨胀水箱的防冻设计，防止冬季供暖时因水箱内的水结冰而影响系统运行；也要注意夏季供冷时水箱的节能设计。

2 膨胀水箱的设计改进

2.1 膨胀水箱的有效容积Vp

整个空调系统内的水容积Vs为3.5m3；设冬季最大的水温变化幅度为：最低水温4℃～最高水温46℃。

膨胀水箱有效容积计算公式：

Vp=αΔtVs

式中:

Vp—膨胀水箱有效容积(信号管到溢流管之间高差内的容积),m3；

Δt—最大的水温变化值,℃；

α—水的体积膨胀系数，α=0.0006(1/℃)；

Vs—系统内的水容积,m3。

膨胀水箱有效容积Vp=αΔtVs= 0.0006×42×3.5≈0.09m3；

有效容积高度(见图2)h1=Vp/S=0.09/(0.4×0.4×3.14)≈0.18m。

2.2 膨胀水箱的存水容积V2

存水容积高度(见图2)h2=0.72 m，则

V2=S×h2=0.4×0.4×3.14×0.72≈0.36 m3。

2.3 膨胀水箱的保温、结构材料

选取水箱内部结构材料为不锈钢板(厚度δ=2mm)，导热系数λ=45.3 W/(m ℃)；外表面结构材料为彩钢板(δ=0.5mm)；保温材料为发泡聚氨酯(δ=50mm)，密度40kg/m3时，导热系数λ=0.045 W/(m ℃)。

2.4 膨胀水箱的保温防冻效果

2.4.1 水箱体每度温差传热

(1)平壁的传热:

多层平壁的传热计算公式：Q=KF(tf1-tf2)

式中:Q—传热量，W；

F—传热的面积，m2；

tf1、tf2—平壁二侧的传热温度，℃；

K—平壁的传热系数，W/(m2℃)；

α1、α2—平壁二侧的总放热系数，W/(m2℃)；

λi—材料的导热系数，W/(m ℃)。

设室外风速2.5m/s，水箱外表面放热系数α2=22.1 W/(m2℃)；

水箱内表面放热系数，顶可取α1=20 W/(m2℃)，壁、底可取α1=800 W/(m2℃)。

顶部传热系数K顶

底部传热系数K底

水箱顶、底平均面积F

每℃温差传热量：

顶部：Q顶=K顶F=0.829×0.573≈0.475(W/℃)；

底部：Q底=K底F=0.865×0.573≈0.496(W/℃)。

(2)圆筒壁的传热：

多层圆筒壁的传热Q：=

式中：

h—圆筒高度，m；

tf1、tf2—圆筒壁二侧的传热温度，℃；

λi—材料的导热系数，W/(m ℃)；

α1、α2—圆筒壁二侧的总放热系数，W/(m2℃)；

d1、di+1—圆筒壁内外直径，m。

每℃温差传热量Q圆=

=2.432(W/℃)，不锈钢板、彩钢板的热阻以及内壁表面的热阻可忽略不计。

(3)传热修正：

水箱体每度温差传热Q=Q顶+Q底+Q圆=0.475+0.496+2.432=3.403(W/℃)。

设水箱每根连接水管的传热值占水箱体传热值的10%，共5根管路；通气管占20%，共2根；则修正值Q修=3.403(1+5×10%+2×20%)=6.466(W/℃)(≈5.56kcal/h℃)。

2.4.2 水箱的防冻延续时间

(1)水箱存水量及热量：

水在压力为1.03kg/cm2，水温38℃时，容重γ=992.7kg/m3；比热Cp=0.997kcal/kg℃。

水箱存水量G=V2×γ=0.360×992.7≈357.4kg。

设水箱水温从38℃降至10℃，即Δt=38-10=28(℃)时，存水放热量Qh2=G×Cp×Δt=357.4×0.997×28≈9977(kcal)。

(2)防冻延续时间：

设室外气温-6℃，水箱水温从38℃降至10℃时，

表2 自制膨胀水箱的尺寸及配管的公称直径

水箱形式有效容积M3尺寸(m)内径内高保温厚度水箱配管的公称直径(mm)溢流管膨胀管信号管循环管排污管水箱自重[kg]圆柱形0.090.801.00.05202015202080

图2 自制膨胀水箱的配管及管路系统连接示意图

2.5 膨胀水箱的供热

在回水总管上连接循环管、膨胀管，两连接点保持一定距离，使膨胀水箱中的水在两连接点压差的作用下处于流动，给水箱中的水供热。

(1)循环管和膨胀管水头损失：

循环管和膨胀管Dg=20mm，总长度L=10m；设计流速v=0.15m/s。

式中：

hf—沿程水头损失，mH2O；

λ—沿程阻力系数；

L—直管的长度，m；

d—管内径，m；

v—断面平均流速，m/s；

g—重力加速度，m/s2。

参照文献[3]《流体力学 泵与风机》表1-1，t=40℃时，水的运动粘性系数υ=0.661×10-6m2/s；表4-1 工业管道当量糙粒高度，得镀锌钢管K=0.15 mm，钢管K=0.046mm。

λ≈0.046，

式中：

hd—局部阻力损失，mH2O；

ζ—局部阻力系数；

v—断面平均流速，m/s；

g—重力加速度，m/s2。

配件数量及ζ值：90°弯头6个，ζ=2.0；闸阀1个，ζ=0.5；分流三通一旁支1个，ζ=1.5；合流三通一旁支1个，ζ=1.5；进水1个，ζ=1.0；出水1个，ζ=0.75。

循环管、膨胀管水头损失H循=0.026+0.020=0.046(mH2O)=0.46(kPa)。

(2)总管水头损失：

在回水总管上连接循环管和膨胀管，两连接点间距L1(见图2)为2.5m。

λ≈0.018；

总管水头损失H总=0.025+0.042=0.067(mH2O)0.67(kPa)。

回水总管两连接点之间水头差H总≥循环管和膨胀管水头损失H循，满足膨胀水箱的冬季供热要求。

3 膨胀水箱的制作安装及设计体会

(1)膨胀水箱的结构材料选用薄不锈钢板，不易生锈漏水，水箱自重轻，便于高处安装。

(2)制作保温层可以现场发泡，一次浇注成型，整体保温效果好。

(3)供暖工程不允许循环管上装阀门，但考虑到供冷运行时，会有冷量损失，还是加装了闸阀。在冬季供暖工况时，注意开启阀门，防止膨胀水箱内的水结冰。在夏季供冷工况时，注意关闭阀门，避免膨胀水箱冷量损失。

(4)水箱处于屋面露天，膨胀管、循环管、信号管等均要做好保温防冻处理。

(5)循环管、膨胀管与回水总管连接，两连接点跨越一个闸阀，间距2.5 m，用于确保两管道中水的温差和压差，使膨胀水箱内的水处于缓慢流动状态，使水箱内的水聚集足够的热量，在室外气温0℃以下供暖暂停期间(如夜间、双休日)，避免水箱内的水结冰。改进的膨胀水箱已使用数年，未发生过结冰现象。

(6)设计制作膨胀水箱，体积不易大，外表面积尽量小。要注意提高水箱存水容积利用率，有效容积Vp按计算最大值即可，降低无效容积，保温效果更好，从而降低制作成本。

[1] 章熙民，飞鸣，张斐利，等.传热学[M].北京：中国建筑工业出版社，1980

[2] 陈沛霖,岳孝方.空调与制冷技术手册[M].上海：同济大学出版社，1990

[3] 周谟仁.流体力学 泵与风机[M].北京：中国建筑工业出版社，1979

[4] 杨溥泉，李铭杰，严丹，等.简明管道工手册[M].北京：机械工业出版社，1993