CN103510578B - 混合气压力罐供水装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种工作压力接近恒定、容积利用率达95％以上的压力罐供水装置，采用的方法是将气液混合气(例如石油液化气)充入到压力罐内，以此作为储能的工作介质。由于气、液混合气在气体容积变化时，其饱和气压维持不变，因此稳定了压力罐吞吐水量时的压力，有效地提高了压力罐的容积了利用率。此外，为了降低环境温度对混合气饱和气压的影响，利用水源自身温度变化小的特点，通过温度交换装置，将水与混合气进行温度交换，从而使混合气的温度得以恒定。

Description

混合气压力罐供水装置

技术领域：本发明属于压力罐无塔供水领域

背景技术：压力罐供水是无塔供水领域中的一种供水方式，目前是在压力罐体内充有氮气或空气，利用气体的弹性使压力罐工作在压差的状态，工作的压差越大，容积利用率越高，能耗也越高；反之压力差越小，容积利用率越小，能耗越小。为了不至于能耗太大，压力罐的容积利用率一般在15～25％(取25％时能耗已经很大了)。所以，容积利用率低是压力罐供水的突出弱点。

本发明要解决的问题，是在保持供水高效前提下，大幅度提高压力罐的容积利用率，压力罐容积利用率可达95％以上。

发明内容：

我们知道，常温常压(这里指温度在0～60℃之间，压力小于3MPa，下同)下氮气或是空气都是纯气体状态，近似于理想气体。

本发明采用的方法，是在常温常压下，充入压力罐内的是具有饱和气压的气体与液体的混合气(以下简称混合气)，例如可以是石油液化气，而不是氮气或空气。当温度一定时，由于混合气的压力保持不变(饱和气压)，与容积变化的大小无关，因此在实现恒压供水之时，大幅度提高压力罐的容积利用率，从而避免了压差式供水产生的弊病。

由于环境温度的变化，加上混合气液化或气化过程时的吸入与放热，都会导致混合气自身温度的变化，而这种温度的变化会导致饱和气压压力值的改变。为了更好地使混合气的压力恒定，应该保证混合气的环境温度接近不变，本发明采用了如下措施来消除温度的变化：

(1)采用水源(自来水或地下水)与混合气进行热量交换的方法，以使混合气的温度保持相对稳定。

在一天当中或是在一段时间内，气温虽高低变化较大，但自来水或地下水的水温接近不变，因此用自来水或地下水与混合气进行热量交换，可以保证一天当中或一段时间内的混合气温度基本不变。

(2)根据节气的变化，定期更换混合气的种类，使混合气的饱和气压基本保持不变。

水源温度的变化虽然比气温小，但也是有变化的。例如东北地区的地下水的温度大约为5～15℃。在冬季水温最低为5℃，夏季最高为15℃。显然如果用同一种混合气，饱和气压的压力相差会较大。为了消除这个影响，本发明采用了定期更换混合气种类的方法，即冬季用冬季的混合气，夏季用夏季的混合气。

此外，为了保证混合气不泄露，本发明采用了诸如双胶囊、压力报警器、气水分离器或油水分离器等安全措施。

以下以充入压力罐内混合气是石油液化气为例，来说明本发明实现的方法。

一、不同温度、不同饱和气压的石油液化气的配制

石油液化气的组分主要是由丙烷、丙烯、异丁烷、正丁烷等组成(见表1)。各单一组分不同温度下的饱和气压值见表1。

表1：各类气体的饱和气压(MPa)

注：在表1中的最后一列，也列出了乙烷(乙烷主要属于天然气中的成份)的饱和气压。

我们知道，不同组分的石油液化气，它们的饱和气压不同，因此可以人为地通过调整各组分所占的比例，达到控制饱和气压大小的目的。

在表2中，各组分间的饱和气压变化的范围较大，例如，10℃时，乙烷的饱和气压最高为2.99MPa，而丁烯-2的则为0.148MPa。因此利用表2中的气体的不同组分，理论上就可以配制出10℃时饱和气压从0.148MPa到2.99MPa的各类混合气。

由于建筑供水的压力普遍不高，例如100米高的大楼，供水压力一般不超过1.3MPa，通常高楼供水压力在0.25MPa～0.70MPa最为常用，所以通常的高楼供水，只要配制若干种混合气，就可以满足要求了。

于是，我们可以人为地配制出在不同温度、不同饱和气压的石油液化气，如表2，就像水泵制造厂将水泵的型号规格系列化一样。

表2：混合气的系列化

下面举例说明表2中混合气的选用方法：

假设东北某小区生活用水需要的压力为0.22MPa，地下水的温度为5～15℃，查表2，冬季可选取2a^#混合气，夏季可选取2b^#混合气，即可满足要求。

二、装有液化石油气的压力罐体的结构

本发明在压力罐体内同时设置了两个胶囊(也可以是囊状物)：水胶囊(盛水的胶囊)和气胶囊(盛气的胶囊)，按照水胶囊所处的位置不同，采用了两种实施方案：上水胶囊和下水胶囊，前者水胶囊1在上方(如图1)，后者水胶囊10在下方(如图2)，分述如下：

(一)上水胶囊方案

1、构造

1.1、如图1所示。每个胶囊的最大容积都与罐体的整个容积相当(图中所示的状态为水胶囊1与气胶囊2的容积正处于大小各半的状态，本图所画的胶囊是一种简化画法，实际上胶囊应为折叠的工作状态)。在压力罐的下方设有温度交换器3，温度交换器3内的两种介质一种是水，另一种是石油液化气，因此，温度交换器3还兼做储液器之用。水源通过水泵4经止回阀5后，一路通过温度交换器3接水胶囊1入口，一路通过气水分离器或油水分离器6到达用户。

此外，在罐体的侧壁开一小通孔7，小通孔与压力传感器8相连。当水胶囊1或气胶囊2有流体渗漏时，渗漏的液体或气体就会流进压力传感器8内，产生压力信号而报警停泵，从而防止石油液化气进入水中。

1.2、在出水管处设置气水分离器或油水分离器6

为了防止压力报警器失灵，导致石油液化气进入水中，特设置了气水分离器或油水分离器6(如图1)

由于石油液化气的液体比重比水轻(比重约为水的一半)，会浮在水的上部，当进入气水分离器或油水分离器6时，流速降低，石油液化气就会集聚在气水分离器或油水分离器6的顶部，

该顶部设有专用传感器，混合气达到一定量时，发出报警信号，同时停机，故起到保障安全供水的目的。

1.3、设置储液器3便于适时更换混合气

由于季节水温的不同，会影响混合气的饱和气压，因此应根据不同的水温定期更换合适的混合气的种类(如表2)。方法是：在压力罐的旁边附加了一个小储液器3，储液器3与压力罐的气胶囊2用管路相连，当需要更换混合气种类时，可将水泵4开启，将水胶囊1充满水，于是气胶囊2被压缩，所有的混合气几乎被压缩在小储液器3内，关上闸阀，即可方便地更换所需要的混合气。

1.4、设置温度交换器以降低混合气温度的变化

由于环境温度的变化及混合气气化或液化吸收或释放的热量，将导致混合气环境温度的较大变化，会进而影响到饱和气压的大小。为了减少温度的变化，本发明在储液器中设置了温度交换器3，利用水源与混合气进行热量交换，从而达到稳定混合气温度的目的。

2、工作过程

本混合气压力罐供水装置的运行过程与目前的压差供水大体相同，叙述如下。

首先，水泵4开机工作，水流经止回阀5、气水分离器或油水分离器6向用户供水，多余的水量经温度交换器3流人水胶囊1，进而压缩气胶囊2，混合气中的气体随之液化。当水胶囊1膨胀到位置下限时，会触发下限限位开关(图中未示出)，水泵停机，此时管网的水压由压力罐水胶囊1来维持。随着用户用水的继续，气胶囊2膨胀，压缩水胶囊1，水流经温度交换器3、气水分离器或油水分离器6到达用户。当气胶囊2膨胀到压力罐位置上限时，触发上限限位开关(图中未示出)，于是水泵4重新开机，至此完成一个工作循环，以后的过程周而复始。

这里，由于储液器3位于压力罐的下部，而混合气中的液体在下而气体在上，故液体首先聚集在储液器内，于是水源在温度交换器3内与大部分的混合气(指混合气的质量)进行温度交换，达到有效稳定液化石油气温度的目的。

混合气中的液体气化后，因气体体积为液体的250倍左右，因此所需储液器的容积比压力罐的小得多。一般推荐，储液器的容量应为混合气全为液体时容量的1.3倍以上，以保证气胶囊1内装的全为气体，这样利于提高容积利用率，并且避免石油液化气膨胀导致的危险。

显然，由于采用了混合气作为介质，本装置的罐体容积利用率显著提高，可在95％以上。此外由于接近恒压供水，无剩余水头，水泵也能工作在高效区间，对能耗、供水质量(压力稳定、不忽高忽低)、节约钢材、节省占地面积都有显著的提高，达到了本发明的目的。

(二)下水胶囊方案

1、构造

参见图2。与上水胶囊方案不同，本方案采用了水胶囊10在下气胶囊11在上的方案。水胶囊10和气胶囊11采用公用的导热系数高的金属板如铝合金板12作为胶囊端面，即水胶囊10和气胶囊11分别将各自的囊体与同一块的铝合金板12固定胶黏在一起。就气胶囊11而言，由于混合气的液体较气体沉，故液体在下气体在上，混合气中的液体始终与铝合金板12接触，水胶囊10中的水通过铝合金板12与混合气进行热量交换，从而达到稳定混合气温度的目的。为了更好地传热，将铝合金板12的两面加上散热片，以增加散热面积。由于上述的水、气胶囊接触面较大，故省去了专用的温度交换器。此外，在气胶囊11的出口用管道与储液罐9相连，水源经水泵4、止回阀5，一路到达水胶囊10，另一路经气水分离器或油水分离器6到达用户。

2、工作过程

首先，水源经水泵4、止回阀5，一路去往水胶囊10，另一路经气水分离器或油水分离器6到达用户，随着流入水胶囊10水量的增加，水胶囊10的容积变大(铝合金板12上升)，气胶囊11的容积变小，当铝合金板12上升触及到上线限位开关(图中未示出)时，水泵4停机。在此之后，用户管网的压力由压力罐来维持，此时水流经水胶囊10、气水分离器或油水分离器6到达用户。

Claims (3)

1.混合气压力罐供水装置，该供水装置采用上水胶囊方案或下水胶囊方案，供水装置的压力罐内设有两个胶囊，分别盛装水和混合气，采用两个胶囊的目的是防止混合气渗漏到水中，其中

(1)上水胶囊方案

本方案采用了水胶囊(1)在上、气胶囊(2)在下的布置方式，在压力罐外部的下面设有温度交换器(3)，温度交换器(3)也兼做储液器之用，水源通过水泵(4)经止回阀(5)后，一路通过温度交换器(3)接水胶囊(1)入口，一路通过气水分离器或油水分离器到达用户，在罐体的侧壁开一小通孔(7)，小通孔与压力传感器(8)相连；

(2)下水胶囊方案

本方案采用了水胶囊(10)在下、气胶囊(11)在上的布置方式，水胶囊(10)和气胶囊(11)采用公用的铝合金板(12)作为各胶囊的端面，即水胶囊(10)和气胶囊(11)分别将各自的囊体与同一块的铝合金板(12)固定胶黏在一起，铝合金板(12)的两面设有若干个散热片，水源经水泵(4)、止回阀(5)，一路接水胶囊(10)，另一路经气水分离器到达用户，在罐体的侧壁开一小通孔(7)，小通孔与压力传感器(8)相连；

其特征在于：在压力罐内充入的工作介质，是在常温常压下具有饱和气压的气液混合气。

2.根据权利要求1所述的混合气压力罐供水装置，其特征在于：该混合气是石油液化气。

3.根据权利要求2所述的混合气压力罐供水装置，其特征在于：根据石油液化气各组分比例的不同，按不同温度配制成所需要的具有不同饱和气压的石油液化气，以满足供水压力系列化的需要。