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膨胀水箱作用








简介
水在温度变化时体积相应变化。实验证明,水在 4℃ (准确说是 3.98℃)时体积最小,因 此水不仅是在 4-100℃加热时体积会增大,同样从 4-0℃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 4℃时其体积的膨胀系数。 温度℃ 0 10 15 20 25 30 35 系数 0.00013 0.00025 0.00085 0.00180 0.00289 0.00425 0.00582 温度℃ 40 45 50 55 60 65 70 系数 0.00782 0.00984 0.01207 0.01447 0.01704 0.01979 0.02269 温度℃ 75 80 85 90 95 100 系数 0.02575 0.02898 0.03236 0.03590 0.03958 0.04342

水加热膨胀系数‘e’—相对于 4℃时的体积

我们在本章节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 10℃加热到 90℃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 14℃加热到 33℃时,压力从 4 公斤急剧上升到了 12 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。 本章节将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。

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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

图 3 封闭式系统中的气水混合式 膨胀罐

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普通型膨胀罐
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力 0.3 巴左右。这个 0.3 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 装在膨胀罐接口以下的位置, 靠近锅炉的出水口。

图 4 普通型膨胀罐的安装示意图

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及管道中,当再次加 热时水中溶解的空气分离出来, 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。 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。

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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。 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下一章节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章节也不做进一步 介绍了。

图 5 普通型膨胀罐的特殊接头

隔膜式膨胀罐
如果避免空气与水直接接触, 前面章节所介绍的膨胀罐的缺点就能得到克服。20 世纪 50 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。

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: 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。 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。 隔膜式膨胀罐的空气压力可以根据系统注水后的静压调节, 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。 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。

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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 + 0.3
Pa=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,比如此距 离为 10.2 米,系统静压则为 1 bar。 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 = △e X C / 1- ( Pi / Pf )
V=膨胀罐最低容积(升) △e =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=系统总水量(升) Pi=起始压力,为 Pa+1, 即计算的膨胀罐空气预压值+1bar 的大气压(bar) Pf=最终压力,安全阀设定的最大压力+1bar 的大气压 水加热膨胀系数‘e’—相对于水温在 4℃时体积的膨胀系数 温度℃ 0 10 15 20 25 30 35 系数 0.00013 0.00025 0.00085 0.00180 0.00289 0.00425 0.00582 温度℃ 40 45 50 55 60 65 70 系数 0.00782 0.00984 0.01207 0.01447 0.01704 0.01979 0.02269 温度℃ 75 80 85 90 95 100 系数 0.02575 0.02898 0.03236 0.03590 0.03958 0.04342

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:

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膨胀罐商用规格与理论计算容积的对应表 商用规格 5升 8升 12 升 18 升 理论计算的容积范围 4.5—5.5 升 7.2—8.8 升 10.8—13.2 升 16.2—19.8 升 商用规格 24 升 35 升 50 升 80 升 理论计算的容积范围 21.6—26.4 升 31.5—38.5 升 45—55 升 72—88 升

低温供暖系统隔膜式膨胀罐的选型
上面章节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。但这种情况几乎不可能发生。因为水在经过管道和散热装置时温度降低,水温越低, 其膨胀量也越低。 对于高温供水、温差在 10℃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 40-50℃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恶性循环产生。 当今的隔膜式膨胀罐大都运用丁基橡胶或 EPDM 为隔膜材料。尽管这类隔膜与加入了 乙二醇的防冻溶液相容,在安装时最好再次确认产品规格上是否标注了其相容型。 另外一个需要考虑的因素是系统中溶解的氧气。 水暖系统上使用的隔膜式膨胀罐多为封 闭的含氧量少的系统设计,其碳钢罐体内侧与水直接接触,如果系统含氧量大,罐体受到腐 蚀会最终导致膨胀罐失效。 在含有大量氧气的开放式系统里, 应该选择专用的罐体内侧有聚 丙烯衬垫的膨胀罐。

压力和温度指标
隔膜式膨胀罐有最大压力和最高温度值,在罐体上都有标注。耐压因型号不一,通常为 5-10 公斤,耐温通常在 110℃。在选用膨胀罐时一定要注意此技术特征。比如将耐压 5 公 斤的膨胀罐用在安全阀设定压力 6 公斤的系统时,安全阀还未开启,有可能膨胀罐就已经 破损了。

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隔膜式膨胀罐的选择、安装及维护
目前市场上的隔膜式膨胀罐形状大致有两种: 扁平型及圆柱型, 前者又分为方扁及圆扁 两种,因为其体积小,大多安装在壁挂锅炉或小型落地锅炉里面,在锅炉出厂时已经配备; 但由于他们的容积较小(5-12 升左右) ,所以在系统设计时还需要重新计算膨胀量。如果厂 家配备的膨胀罐不能满足系统要求则需要增加膨胀罐。 圆柱型膨胀罐体积及容量更大 (容量 通常在 2-50 升左右) ,因此也更多安装在系统上。他们的接口通常为 3/4”或 1”,一般垂直 安装,由于其本身及容纳的水的重量,通常需要使用固定夹来支撑。见图 7 膨胀罐支架。 较传统的膨胀罐安装方式是将其悬挂在空气分离器的下端, 空气分离器下端的接口通常 为 3/4”内螺纹,就是为方便连接膨胀罐设计的(见图 14) 。在中小型的落地锅炉上通常使用 挂墙式锅炉组件,如图 8 所示,组件包含锅炉接口(通常为 3/4”内螺) 、自动排气阀、安全 阀、压力表及膨胀罐接口(3/4”活接,带自闭阀), 膨胀罐安装在锅炉组件下端。 由于微泡排气阀在系统上逐渐取代了空气分离器, 而微泡排气阀一般没有提供膨胀罐接 口。这时可以将膨胀罐垂直安装在锅炉回水管道上,如图 16 所示, 膨胀罐必须接近于水 泵的吸入端, 而且从膨胀罐到水泵之间的锅炉及管道阻力不大的情况下才可以, 否则会有可 能造成水泵吸入端出现负压,在以下的‘膨胀罐恒压点’一节里将详细阐述。

图7

膨胀罐固定支架

图 8 挂墙式锅炉组件

尽管膨胀罐的工作原理允许其水平或垂直安装,但在膨胀罐非垂直安装时有其它顾虑: 一是系统的空气泡可能会因此滞留在膨胀罐水箱一侧, 空气泡里的氧气会腐蚀罐体; 二是在 膨胀罐没有支撑或支撑不好的情况下, 膨胀罐的重量作用在接口上可能造成接口断裂。 因此 建议膨胀罐都垂直安装。 膨胀罐内部的压力一部分受到预充空气温度的影响。 罐体温度越高, 预充空气的温度相 应越高。 尽管在计算膨胀罐时已经考虑了空气升温带来的升压, 但在安装时仍需考虑减少膨 胀罐自身升温的措施。 将系统的接口与膨胀罐的接口延长 0.5-1 米能有效降低膨胀罐自身升 温。这对于 90℃水温以上的系统尤为重要。 当系统需要大容积的膨胀罐时,可以选择落地式膨胀罐, 或者将多个膨胀罐并联安装。 组合的膨胀罐容积总量不能低于计算的膨胀量。 并联安装时, 每个膨胀罐与系统的接口应该 在同一水平位置,确保每个膨胀罐有足够的支撑且充气阀易于检测。 在膨胀罐的接口处最好安装自闭阀,如图 9 所示,这样易于将膨胀罐从系统上拆换而 不影响系统。接口上端的泄水阀方便将膨胀罐内的压力及残存的水放掉。

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大多数隔膜式膨胀罐的预压空气会保存数年。但是定期对空气舱的压力进行检测非常 必要, 建议每年用气压表(如图 10 所示)检测空气压力:如果打开空气阀有水流出,这 表明膨胀罐隔膜已穿孔, 需要更换新的膨胀罐。 新更换的膨胀罐在安装前必须将空气预充压 力调节到设定压力;如果空气压力变低,则需要从系统上拆下膨胀罐,用空气压缩机或自行 车气筒补气到设定压力然后装回系统。

图 9 膨胀罐泄水及自闭阀

图 10 膨胀罐气压表

计算系统总水量
膨胀罐的选择计算方式里首先需要知道的就是系统的总水量。 系统总水量通常由三部分 构成: 锅炉水量—锅炉制造厂家已标明; 散热设备如散热器、 风机盘管容水量—由厂家提供; 管道容水量,见以下几种常用管材的容水量表格: 钢管特征 口径 3/8” 1/2” 3/4” 1” 1 1/4” 1 1/2” 2” 内截面面积 (平方毫米) 127 209 370 589 1,023 1,385 2,213 容水量 (升/每米) 0.13 0.21 0.37 0.59 1.02 1.38 2.21 铜管特征 外径 10 12 14 16 18 22 28 内截面面积 (平方毫米) 50 79 113 154 201 314 491 容水量 (升/每米) 0.05 0.08 0.11 0.15 0.20 0.31 0.49 管道重量 (公斤/每米) 0.25 0.31 0.37 0.42 0.48 0.59 1.12
8

管道重量 (公斤/每米) 0.72 1.08 1.39 2.17 2.79 3.21 4.51

35 42

804 1,194

0.80 1.19 PEX 管特征

1.41 1.70

外径 12 15 18 20 22 28 32 40 50

内径 8 10 13 16 16 20 26 32.6 40.8

内截面面积 (平方毫米) 50 79 133 201 201 314 531 834 1,307

容水量 (升/每米) 0.05 0.08 0.13 0.20 0.20 0.31 0.53 0.83 1.31

管道重量 (公斤/每米) 0.059 0.092 0.114 0.106 0.168 0.257 0.283 0.396 0.616

膨胀罐恒压点
膨胀罐相对于系统水泵的安装位置至关重要, 它会在水泵运行时影响系统的工作。 膨胀 罐必须总是安装在靠近水泵吸入口的地方。 为了更好地明白其道理, 需要对水泵及膨胀罐之间的关系深入了解。 在封闭循环的系统 中,水量是一定的(包含膨胀罐里面的水) 。水泵无论开关与否它都不会改变。膨胀罐的空 气舱装有密闭加压的空气。 唯一改变空气舱的压力就是让更多的水进入膨胀罐压缩空气使其 压力升高, 或将膨胀罐里面的水推回到系统使空气膨胀压力降低。 这个改变空气压力的水必 须来自于或返回到系统的某个地方。 然而系统的水是不能被压缩的, 系统的水量又是一定的。 所以无论水泵开还是关, 上述的空气压力的改变是不可能发生的。 因此说膨胀罐在其与系统 连接的地方水压是恒定的。这就称为膨胀罐恒压点。值得注意的是, 这儿指的恒压点是在水 温不变的情况下相对于水泵开关时压力变化的恒压点。 现在请参考图 11,这是一个水平铺设的封闭式循环系统,系统的起始压力约为 10 psi, 即水泵未运行时的压力, 这时, 系统每一点的压力均相等—图中实线表明水泵未运行时系统 各点的压力。当水泵开启后(假定其扬程为 9 psi) 其吸入端与出水端马上形成压差。但是, , 膨胀罐与系统的接口处压力不变。 水泵形成的压差、 管道的阻力及膨胀罐的压力恒定点构成 了一个新的系统压力分布情况—如图中虚线所示。 从虚线部分的压力可以看出,在水泵运行时,几乎系统所有部分的压力均有升高。这 是较理想的状态,因为它能促使气体从排气阀排出。而且它使溶解的空气为溶液状态,减小 了水泵入口出现汽蚀的可能性。 从膨胀罐接口到水泵吸入口会因管道阻力有一小点可以忽略 不计的压力损失。所有图 11 中的数据均为指示性的。实际的数据会因流量、水流特征及管 道口径而定。 接下来,请参考图 12,当膨胀罐(不正确地)安装在水泵出水口的时候在水泵运行时 的压力情况。
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膨胀罐与系统连接点的压力始终保持不变, 无论水泵开关与否。 这造成在水泵运行时系 统大多数地方的压力降低。水泵吸入端的压力从 10 psi 降低到了 2psi。这种情况非常不理 想,因为它不利于排气,而且还易造成水泵汽蚀现象发生。

图 11 水泵开关时水平封闭系统的压力分布情况图。注意膨胀罐安装(正确地)在水泵的吸入端

图 12 水泵开关时水平封闭系统的压力分布情况图。注意膨胀罐安装(不正确地)在水泵的出水端

为了说明问题的严重性,我们假设系统初始运行压力不是 10 psi 而是 5 psi,水泵运行 时提供的压差仍然为 9 psi ,所有图 12 中虚线部分的压力均下降 5 psi,如图 13 所示。

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图 13 水泵开关时水平封闭系统的压力分布情况图。注意膨胀罐安装(不正确地)在水泵的出水端,水泵 运行时系统的一部分出现负压

从图 13 虚线的压力分布可以看出, 自系统右上角到水泵的吸入端均为负压。如果在这 一段有排气阀或管道及阀门稍微的泄漏, 空气会在水泵循环时被吸入系统内。 而水泵入口端 的绝对压力降低,因此水泵汽蚀的可能性增大,尤其是在高温水运行的情况下。 遗憾的是,很多住宅的水暖系统都是将水泵面向,而不是背向膨胀罐接口(恒压点) 。 参考图 14,这是一个典型的将水泵面向膨胀罐接口泵入的系统。传统的分节锅炉的压 力损失较小,从压力变化的角度上看,水泵的出水口非常接近恒压点。水泵一旦运行,从膨 胀罐与系统的接口到水泵的吸入口整段系统的压力都会降低。 有很多诸如图 14 一样的系统运行了多年没有出现问题, 而有些则从一开始就出现问题。 这是什么原因呢?这需要很多因素如系统高度、水温、压降、系统预压才能确定系统整个压 力分布的情况。大多数出现问题的系统都集中在水温高、静压低、循环管路阻力高这些特征 上。 与其抱着侥幸心理一赌是否系统出现问题,不如将系统调整,如图 15 所示。这样当水 泵运行时,几乎系统所有部位的压力都会升高。 很多长期存在‘空气问题’的系统只需简单地将膨胀罐调换到水泵吸入端就得到解决。 对于使用压降小的热源如分节锅炉的系统, 可以将膨胀罐放置在回水端, 如图 16 所示。 这种安装方式可以使膨胀罐工作水温相对更低, 利于延长隔膜的使用寿命。 如果在恒压点至 水泵吸入端之间有很大的压力损失则不要采取这种连接方式。 压力损失越大, 避免水泵汽蚀 的空间越小。 在多区域多台水泵供暖系统中,各水泵连接的主管应靠近膨胀罐接口的后面,如图 17 所示。连接水泵的主管口径应设计偏大减小这一段的阻力。 在一次/二次循环系统的供暖系统中,膨胀罐通常安装在一次系统水泵的吸入端。这儿 的一次系统就提供了二次系统的膨胀空间。如图 18 所示,二次系统的各水泵在运行时提高 其所在环路的压力。 在很多供暖系统中,补水系统通常与膨胀罐接口的三通处连接,如图 16 所示。由于连 接点是恒压点,所以在水泵运行时额外的补水系统的水不会灌入系统中。

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图 14 典型的住宅落地锅炉供暖系统。注意膨胀罐 接口与水泵的相对位置

图 15 落地锅炉供暖系统正确的水泵及膨胀罐的安 装位置

图 16 膨胀罐安装在锅炉回水端。只建议在锅炉及水泵前面管道压力损失小的情况下运用

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图 17

多区域供暖方式的膨胀罐安装图示

图 18 一次/二次循环供暖方式的膨胀罐安装图示

总结
膨胀罐是封闭式供暖系统里非常重要的元件。它的选型、预压、及安装并不难于理解, 但遗憾的是在工程安装时经常被误解或忽略了。 靠‘估计’或‘想象’得出的数据往往会给系统带 来或大或小的问题。 因此对于从事供暖系统设计或安装的专业人员, 需要认真地参考各类数 据及仔细研究其安装方式。

参考文献: Modern Hydronic Heating for residential and light commercial Buildings—作者: John Siegenthaler(美国) Caleffi-Idralulica N.24 –作者: Mario Doninelli, Marco Doninelli(意大利) Caleffi-Le reti di distribuzione –作者: Mario Doninelli(意大利)

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