CN108978793A - 一种防水击无能耗自补气压力罐和方法及压力罐设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种防水击无能耗自补气压力罐和方法及压力罐设计方法，包括：安装在容易发生水击的输水管上的连接管，所述的连接管与直径大于输水管的竖直安装的压力罐底部连接，所述的压力罐顶部封闭，在压力罐内或压力罐侧壁设置气口，所述的气口通过通气管与通气阀门连接。本发明通过将气口设置在压力罐中下部的方式，一旦压力罐内水位高于气口，压力罐内气体就不能通过气口排出压力罐并形成气垫。在水击发生的时候，这个气垫能够起到类似弹簧的作用，将水击产生的震荡降到最低，避免水击对管道系统的破坏。本发明还在气口上设置了通气阀门，在水击发生时，就能够自动向气室补气，避免了由于气室中空气消失而造成严重的水击破坏。

Description

一种防水击无能耗自补气压力罐和方法及压力罐设计方法

技术领域

本发明涉及一种防水击无能耗自补气压力罐和方法及压力罐设计方法，是一种水工设施和方法，是一种管道安全设施和方法以及压力罐的设计方法。

背景技术

泵站输水系统事故断电时，随着机组转速的迅速下降，甚至反向飞逸，输水管道中发生水击现象，水流将发生反向流动，如果水压降低到液体汽化压力，将产生液柱分离现象，稍后，随着液柱的弥合形成巨大的冲击水压，可能导致机组损坏和爆管事故。

压力罐是加压输水系统水击危害防护的常用设备。在一般情况下，压力罐的上部是压缩气体，下部是液体，其底部孔口与输水管道T型连接。当输水管道发生水击，随着管道水压的升高，液体由管道流入压力罐，气体压缩，以消减管道水压的升高，防止爆管事故的发生；然后，随着管道水压的下降，罐内气体膨胀，压力罐给管道补水，以防止管道水压降低到液体汽化压力，发生液柱分离现象。

压力罐中气体会溶解在液体中，随着罐内液体的流出，气体会损失，而流入罐内的新液体又会使罐内气体溶解，因此，在采用压力罐时需要考虑为压力罐及时补气，或者使压力罐内气体与液体隔离以防止气体损失。

目前输水工程中采用的压力罐可划分为三种类型，空压机自动补气式压力罐（常规压力罐），气囊式压力罐，隔膜式压力罐。空压机自动补气式压力罐由压力罐、空压机及附属自动化系统组成，当罐内气体溶解在液体中损失后，空压机自动启动为压力罐补气。气囊式压力罐是在罐体内加装了一个气囊，以使得罐内气体与液体隔离，可以避免气体溶解在液体中的损失，优点是在预先充气后无需配套空压机及附属自动化系统补气，缺点是这种新型的气囊式压力罐价格较高，目前大约为10万元/m³，并且罐内气囊需要定期更换，更换代价较大。隔膜式压力罐是在罐内加装了一个隔膜，以使得罐内气体与液体隔离，与气囊式压力罐比较，投资较少，但隔膜接口故障率高，可靠性较差。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种防水击无能耗自补气压力罐和方法及压力罐设计方法。所述的自补气压力罐和方法充分利用管道水击的特点，在压力罐的顶部设置永久的空气垫，并利用通气阀门给压力罐自动补气，不仅无需配套空压机及附属自动化系统，而且无需在罐体内加装昂贵的气囊，投资少，可靠性高。

本发明的目的是这样实现的：一种防水击无能耗自补气压力罐，包括：安装在容易发生水击的输水管上的连接管，所述的连接管与直径大于输水管的竖直安装的压力罐底部连接，所述的压力罐顶部封闭，在压力罐内或压力罐侧壁设置气口，所述的气口通过通气管与通气阀门连接。

进一步的，所述的气口设置在压力罐内或压力罐侧壁接近底部的三分之一至二分之一处。

进一步的，所述的通气管是一段穿过压力罐顶部的竖直管，所述的竖直管底部为所述的气口，顶部设置通气阀门。

进一步的，所述的通气管包括一段与设置在压力罐侧壁与所述的气口连接的水平管，所述的水平管与一段立管连接，所述的立管末端设置通气阀门。

进一步的，所述的通气阀门是空气阀或真空破坏阀。

一种使用上述压力罐的压力罐防水击无能耗自补气方法，所述方法包括如下过程：

充水的过程：在输水管道系统充水前，压力罐中没有水，充满空气，气压为大气压，通气阀门关闭或处于开启状态，在输水管道系统充水的过程中，随着罐内水位的上升，气体压缩或部分排出压力罐，当压力罐中的水位超过气口后，压力罐中的空气不再排出压力罐，压力罐中的水位只能缓慢的上升，缓慢上升的原因是压力罐内的空气被压缩，同时压力罐内的空气部分溶解在水中，当压力罐内的空气被压缩到极限和水溶解达到极限后，压力罐中的水位停止上升；

正常输水的过程：在输水管道系统正常输水过程中，通气阀门处于关闭状态，压力罐处于上半部分为空气，下半部分为水的稳定状态，压力罐上半部分的空气处于压缩状态，压力罐下半部分的水中溶解了大量空气；

水击发生的过程：当输水管道系统发生水击时，首先，输水管道系统内的压力快速下降，压力罐内的水被输水管道系统吸出，留在压力罐内水中的气体迅速析出，与管内原有的气体融合，同时压力罐内原有的气体膨胀，将压力罐中的水压出压力罐，输水管道系统补水，以消减水压的下降速度，防止管道发生液柱分离现象；

当输水管道系统中的压力下降到大气压以下时，也引起压力罐内的气压和水压的下降，这时，不论压力罐中的水位是否低于气口，通气阀门都会打开，向压力罐内补气，补气的同时压力罐继续向输水管道系统补水；

压力罐通过补水和补气，起到了减小输水管道系统内压力快速降低的作用；

然后随着输水管道系统内水压的升高，压力罐内水位上升，当压力罐内气压超过大气压时，通气阀门关闭；随着输水管道系统内的水压继续增加，压力罐中的空气压缩并部分溶解到水中；

压力罐通过空气的压缩和溶解，起到了减小输水管道系统内压力快速增加的作用；

在水击发生过程中，压力罐反复的补水和补气、压缩和溶解，将水击过程中的水压反复增加和减小的震荡及对管道的冲击降到最低。

一种设计上述压力罐的设计方法，所述方法的参数确定如下：

通气阀门的通气孔径的计算：

式中：为通气阀门通气孔径相对值，其中D为输水管道内径，d _in 为通气阀门进气时的进气孔直径； v输水管内的水流流速；C _in 为进气时的通气阀门的流量系数；p _a 为大气压；为大气密度；p _r 为压力罐气内气压的压力p与大气压p _a 的相对值，即：p _r = p / p _a ；

空气在水中的溶解量计算：

V _s ＜ 0.001K _T V _w （p－p _a ）

式中：V _s 为正常输水时溶解于罐内液体的空气体积；K _T 为亨利常数或溶解度系数；V _w 为罐内液体的体积；

压力罐容积中容纳空气的气室容积V的计算：

式中：V _z 为压力罐容积；为多变指数；

通气管长度L计算：

其中，D _P 为圆柱形压力罐的直径。

本发明产生的有益效果是：本发明通过将气口设置在压力罐中下部的方式，一旦压力罐内水位高于气口，压力罐内气体就不能通过气口排出压力罐，这样就等于在压力罐中设置了一个永久性的气室，不论什么情况下，气室中都能容纳一定的数量的空气并形成气垫。在水击发生的时候，这个气垫能够起到类似弹簧的作用，将水击产生的震荡降到最低，避免水击对管道系统的破坏。本发明还在气口上设置了通气阀门，能够自动补气。这种补气方式无需人为的控制，也不需要电子等自动化系统控制，在水击发生时，就能够自动向气室补气，避免了由于气室中空气消失而造成严重的水击破坏。由于气口位置设置巧妙，即便通气阀门发生漏气故障，都能够确保压力罐内始终有足够的气体。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述的气口在压力罐内的压力罐示意图；

图2是本发明的实施例一所述的气口在压力罐侧壁上的压力罐示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种防水击无能耗自补气压力罐，包括：安装在容易发生水击的输水管1上的连接管2，所述的连接管与直径大于输水管的竖直安装的压力罐3底部连接，所述的压力罐顶部封闭，在压力罐内或压力罐侧壁设置气口4，如图1、2所示。所述的气口通过通气管5与通气阀门6连接。

本实施例所述的“容易发生水击的输水管”通常为水泵的出水管，特别是大型水泵的输水管。由于大型水泵的电机转子惯性大，产生的水击也较大，十分需要防止水击破坏的设施。

压力罐通常情况下是竖直的圆筒，以保证圆筒上部有足够容纳空气的空间。圆筒的上下两端用半球形壳体封闭，压力罐的底部是水和空气进出的通道。

所述的输水管通常情况下是水平或接近水平的，但在特殊情况下也可以是竖直或接近竖直的，但这时连接管则应当有一段水平段和一段竖直段连在一起的折管构成，以便连接压力罐的底部。

本实施例的关键在于气口位置的设置。以往的设计中，有将气口设置在压力罐的顶部，这样的设置在水压较大时，有可能将空气完全排出压力罐中，压力罐失去了空气垫，使缓冲水击的作用消失，这是不能允许出现的。还有一种设计是在压力罐上不设气口，而在底部的水和空气进出的通道（连接管）上设置压差阀，但这样的设计虽然能够很好的解决空气垫消失的问题，但压差阀过于复杂，制造成本较高，同时罐中的空气也不太好控制，空气还有可能完全充满压力罐，也会产生失去空气垫的作用。如何解决空气过多或过少的问题，本实施例给出了一个简单而巧妙的方案：将气口设置在压力罐的中下部，当压力罐内的水位超过气口时，压力罐中的空气无处排出，只能聚集在压力罐内的上半部，形成空气垫，减缓管道中水击的冲击。空气口的位置决定了压力罐中稳定的保持半罐水和半罐空气的状态，在任何情况下都不会改变这种半罐水和半罐空气的状态。

本实施例就是利用简单的气口位置变化，摒弃了复杂的电控自动化系统和昂贵的弹性膜，在不消耗任何能源的前提下，达到了完全无需人工干预的自动调节，同时大大的降低了压力罐的成本。

本实施例还设置了通气阀门，在水击产生的过程中，能够自动的调节压力罐中的空气量，使空气量保持在大约为压力罐的一半，加上空气在水中的溶解量，空气在压力罐中能够形成很好的空气垫，有效的缓解了水击的作用力。

由于气口设置在压力罐的下半部，可以有两种设置的方式：

一种是将气口设置在压力罐的侧壁上，即在压力罐的侧壁上设置气口，并在气口上设置通气阀门。在通常情况下，需要在侧壁上的气口和通气阀门之间设置一段折管，即带有水平段和竖直段的管道，以使通气阀门处于水平的状态，以利于通气阀门的开闭。

另一种方式是穿过压力罐的顶部，设置一根通到压力罐内的立管。立管的底端为气口，顶端设置通气阀门。立管的长度为确定了气口在压力罐内的位置。

本实施例中通气阀门的作用十分重要。通气阀门的工作过程为：当整个输水系统充水时，通气阀门打开，在水逐步的充满整个输水系统，将系统中多余的空气排出。当出现水击时，由于负压的作用，通气阀门打开，吸入空气，补充压力罐中的空气。在正常输水过程中，通气阀门的罐内端充满了水，这时空气阀门应当阻止水排出压力罐。由此，可以看出，通气阀门的作用是使空气能够进入或排出压力罐中，但阻止水进入或排出压力罐。

本实施例中的通气阀门是一种单向或双向通气的阀门，阀门的两端分为管道端和空气端，即一端连接管道，另一端没有管道，直接与大气连接。本实施例中的通气阀门可以是空气阀也可以是真空破坏阀。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于气口位置细化。本实施例所述的气口设置在压力罐内或压力罐侧壁距离压力罐底部的三分之一至二分之一处。

气口的位置十分重要，通常情况下要根据输水系统的整体状态，气罐的大小进行精确的计算，本实施例给出了位置的范围：距离压力罐底部的1/3-1/2处，图1中H所表示的压力罐总高度的1/3-1/2。当水位超过这个位置后，压力罐中的空气就无法逃逸出压力罐，形成有效的气垫。这一高度还考虑了空气溶解在水中的情况，如果这个气口距离压力罐顶部过近，当水击出现时，有可能水对空气的压力很大，会出现气垫中的空气完全溶解在水中的情况，这样，空气垫就可能完全消失。另外，每一次水击出现后，都有空气大量的溶解在水中，并由水流带走，也就是说，压力罐中的空气需要不断的补充，但由于气口的存在，当水击产生负压的时候，通气阀门打开，使空气进入压力罐，自然的产生补气的作用。为实现补气，气口的位置也不能过低，过低会影响补气作用。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例中关于通气管的细化。本实施例所述的通气管是一段穿过压力罐顶部的竖直管，所述的竖直管底部为所述的气口，顶部设置通气阀门，如图1所示。

本实施例的关键在于将气口设置在压力罐中。一段立管穿过压力罐的顶部进入压力罐中，并深入到距离压力罐底部1/2-1/3的位置，这时这段立管底部的管口就是气口，而立管的顶端，由于其立管的优势，可以直接水平的安装通气阀门，而无需再连接任何改变方向的支管。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例中关于通气管的细化。本实施例所述的通气管包括一段与设置在压力罐侧壁与所述的气口连接的水平管，所述的水平管与一段立管连接，所述的立管末端设置通气阀门，如图2所示。

在本实施例中气口设置在压力罐的侧壁上，由于多数通气阀门需要水平安装，因此，不能将通气阀门直接安装在气口上，还要在气口上连接一段由水平管和竖直管构成的折管，以确保通气阀门的正常运行。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例中关于通气阀门的细化。本实施例所述的通气阀门是空气阀或真空破坏阀。

空气阀是一种在管道系统内水压或气压低于或等于外部的大气压状态下，保持开启的阀门，在这种状态下，管道外部的空气能够进入管道系统内或管道内外保持平衡。当管道系统内部的气压大于外部的大气压时，阀门仍能够开启，产生排气的作用，但当阀门管道端充满了水，并且水压大于管道外部大气压时，阀门关闭，由此可以看出，空气阀是一种双向通气阀门，即：空气即可以通过空气阀进入管道系统，空气也可以通过空气阀排出管道系统。

本实施例使用空气阀主要是考虑在管道系统充水的过程中，空气阀能够起到排出管道系统内空气的作用，这对于大型的管道系统十分重要。因为大型的管道系统中空间大，充水过程中不太容易将空气排出干净，需要较多的排气口。

真空破坏阀是一种单向通气阀门，当管道系统内的水压或大气压低于或等于外部大气压的状态下，保持关闭的阀门，在这种状态下，管道外部的空气不能够进入管道系统内。与空气阀不同的是当管道系统内部的气压大于外部的大气压时，阀门处于不能开启，即不能产生排气的作用。与空气阀相同的是，当阀门管道端充满了水，并且水压大于管道外部大气压时，阀门关闭。只有管道系统内部的气压或水压小于外部的大气压时真空破坏阀才开启。由此可以看出，真空破坏阀是一种单向通气阀门，即：空气只能通过真空破坏阀进入管道系统，而管道系统内的空气不能通过真空破坏阀排出管道系统。

真空破坏阀一般使用在中、小型的管道系统中。由于中、小型管道系统内部空间较小，在充水过程中空气较容易排出管道系统中，可以不考虑将空气排出压力罐，当水充满管道系统后，压力罐是的空气能够部分的溶解在水中，压力罐中同样可以形成半罐水、半罐空气的状态。

实施例六：

本实施例是一种使用实施例一所述压力罐的压力罐防水击无能耗自补气方法。本实施例所述方法的原理是：

本专利发明的防水击无能耗自补气压力罐装置的工作原理是：

（1）在输水管道充水前，压力罐中没有水，充满空气，气压为大气压，通气阀门关闭。在压力管道充水的过程中，随着罐内水位的上升，气体压缩，通气阀门不排气，然后，随着管道水压的升高或者下降，气室压缩或者膨胀，以消减水击危害。

（2）在泵站正常输水时，通气阀门始终关闭。当机组事故断电时，输水管道压力下降，罐内气体膨胀，压力罐向管道补水，以消减水压的下降速度，防止管道发生液柱分离现象；当通气管底端压力下降到大气压以下时，通气阀门立刻向罐内补气，这时，压力罐的作用相当于双向调压室，继续向管道补水；然后随着输水管道水压的升高，罐内水位上升，当罐内气压超过大气压时，通气阀门迅速关闭不排气，然后，随着管道水压的升高或者下降，气室压缩或者膨胀，以消减水击危害。

（3）当泵站正常输水时，压力罐气体完全溶解于液体中。在机组事故断电情况下，一旦通气管底部压力小于大气压，则通气阀门立刻向罐内补气，压力罐就像双向调压室一样给输水管道补水，以消减水压的下降速度，防止管道发生液柱分离现象，同时空气上浮在压力罐顶部形成气室；然后随着输水管道水压的升高，罐内水位上升，当通气管底端压力超过大气压，则通气阀门迅速关闭不排气，然后，随着管道水压的升高或者下降，气室压缩或者膨胀，以消减水击危害。

所述方法包括如下具体过程：

一、充水的过程：在输水管道系统充水前，压力罐中没有水，充满空气，气压为大气压，通气阀门关闭或处于开启状态，在输水管道系统充水的过程中，随着罐内水位的上升，气体压缩或部分排出压力罐，当压力罐中的水位超过气口后，压力罐中的空气不再排出压力罐，压力罐中的水位只能缓慢的上升，缓慢上升的原因是压力罐内的空气被压缩，同时压力罐内的空气部分溶解在水中，当压力罐内的空气被压缩到极限和水溶解达到极限后，压力罐中的水位停止上升。

二、正常输水的过程：在输水管道系统正常输水过程中，通气阀门处于关闭状态，压力罐处于上半部分为空气，下半部分为水的稳定状态，压力罐上半部分的空气处于压缩状态，压力罐下半部分的水中溶解了大量空气。

三、水击发生的过程：当输水管道系统发生水击时，首先，输水管道系统内的压力快速下降，压力罐内的水被输水管道系统吸出，留在压力罐内水中的气体迅速析出，与管内原有的气体融合，同时压力罐内原有的气体膨胀，将压力罐中的水压出压力罐，输水管道系统补水，以消减水压的下降速度，防止管道发生液柱分离现象。

当输水管道系统中的压力下降到大气压以下时，也引起压力罐内的气压和水压的下降，这时，不论压力罐中的水位是否低于气口，通气阀门都会打开，向压力罐内补气，补气的同时压力罐继续向输水管道系统补水。

压力罐通过补水和补气，起到了减小输水管道系统内压力快速降低的作用。

然后随着输水管道系统内水压的升高，压力罐内水位上升，当压力罐内气压超过大气压时，通气阀门关闭；随着输水管道系统内的水压继续增加，压力罐中的空气压缩并部分溶解到水中。

压力罐通过空气的压缩和溶解，起到了减小输水管道系统内压力快速增加的作用。

在水击发生过程中，压力罐反复的补水和补气、压缩和溶解，将水击过程中的水压反复增加和减小的震荡及对管道的冲击降到最低。

实施例七：

本实施例是一种上述压力罐的设计方法，主要是设计计算各个关键性的参数：真空破坏阀通气孔径，罐内空气溶解于的气量，压力罐尺寸，通气管直径和长度。

（一）真空破坏阀通气孔径的设计：

流过通气阀门的空气质量流量取决于管外大气的压力p _a （绝对压力）、绝对温度T _a 、以及管内的绝对温度T和压力p（绝对压力）。

假设空气以亚声速流入，则：

，0.35＜p _r ＜1 （1）

式中：为空气质量流量kg/s；Q为流入空气流量, m³/s；ρ罐内气体密度, kg/m³，ρ _a 为大气密度, kg/m³； C _in 为进气时阀的流量系数；p _a 为大气压力，Pa；A _in 为进气时阀的流通面积, m²； p _r = p / p _a 为压力罐气室压力p的相对值。

在设计通气阀门通气孔径时，应避免气室出现深度负压，使压力罐气压接近大气压，这时ρ约等于ρ _a ，Q等于压力罐流出液体的流量Q _v 。在一般情况下，Q _v 小于输水管道的正常流量Q _v ，即：

Q=Q _v ＜ Q _p =A v （2）

式中：A为输水管道截面积，m²；v为输水管内水流流速，m/s。

将式（2）代入式（1）并取ρ≈ ρ _a ，可得：

或者

（3）

式中：为通气阀门通气孔径相对值，其中D为输水管道内径，m。

在通常情况下，即20摄氏度和标准大气压下， p _a =101325.0 Pa， ρ _a =1.205kg/m³。在正常输水情况下，输水管道流速V＜2.0m/s， C _in 约等于0.7，由式（3）计算可得通气阀门相对孔径与绝对压力相对值p _r 和管道流速V的对应关系，见表1，其中：p _r =1.0，表示罐内气压为大气压；p _r ＜1.0，表示罐内气压小于大气压，相对压力为负压，例如，当p _r = 0.9，罐内气压比大气压小1.0m水头左右，相对压力约为-1.0m水头。

表1. 与 p _r 和 V的对应关系

观察表1可见，当取时，即通气阀门通径为15%输水管道内径时，压力罐内负压>-1.0m水头。在这种情况下，压力罐补气过程水位的过渡过程与调压室类似。

（二）空气在水中的溶解量：

空气对水属于难溶气体，它在水中的平衡溶解量与溶气压力成正比，且与温度有关。空气在水中的溶解平衡可用亨利定律表示为

C _a =K _T p （4）

式中: C _a 为空气在水中的饱和溶解度，L／m³；p 为溶液上方气体的绝对压力（等于表压力加上大气压力），kPa；K _T 为亨利常数或溶解度系数， L／kPa·m³，K _T 值与温度的关系列于表2。气体的溶解过程是很缓慢的，但气体释放的速度却较快。在一般情况下水力瞬变持续的时间很短，在水力瞬变计算的过程中可以不考虑罐内气体的溶解和释放。

表2 K _T 与温度的关系

由于液体溶解的气体越多，溶液的质量密度越小，所以，罐内溶液含气量分布是从水面到罐底逐渐减小。假设输水管道内液体温度与压力罐内液体温度相同，则正常输水时罐内空气溶解于液体的平衡溶解量体积为：

V _s ＜0.001K _T V _w （p－p _a ） （5）

式中：V _s 为溶解于罐内液体的空气体积（对应大气压条件下），m³；V _w 为罐内液体的体积，m³；p _a 为大气的绝对压力，kPa。在标准大气压下，p _a =101.325 kPa。

当将压力罐与输水管道垂直连接时，在正常工况下，可以做到使管道水流对压力罐的扰动微小，不使溶解于罐内液体的气体流出罐体。换句话说，在正常工况一定的时期，溶解于罐内液体中的气量随时间逐渐增加达到饱和后，只要没有液体流出压力罐，气室气量就保持相对稳定。

（三）压力罐容积的设计：

首先假设压力罐气体完全溶解于液体中，即压力罐初始气体体积为零，然后通过水力过渡过程计算确定压力罐的尺寸参数。在水泵事故断电输水管道压力下降的过程中，如果通气阀门补气充足，压力罐的作用相当于单向调压井，其高度和容积按照满足管道负压控制要求进行选择。

考虑气体溶解，充水后正常运行气室体积的计算：

若假设在任何瞬间压力罐气室中各处的压力都相同，气体的惯性和室壁的摩擦可忽略不计，在不考虑气体溶解或者溢出的条件下，假定气体服从可逆的多变关系，则 ：

pV ^k = p _a V _a ^k （6）

式中： k为多变指数； V _a 为罐内气压为大气压p _a 时气室的体积，m³； V 为罐内气压为p时气室的体积，m³。指数k取决于气体的热力学过程，如果假定是完善气体，一个极端情况是等温过程k = 1，或另一个极端情况可以是等熵（可逆、绝热）过程k = 1.4。对于同样的气室体积变化，绝热过程的压力变化较大，所以这个过程更保守一些。对于响应时间很快的小气室，这个过程可以认为是等熵的。压力罐气室属于小气室，因此在设计计算过程中可采用k = 1.4。

当考虑溶解于罐内液体的气体损失，则：

pV ^k = p _a （V _a － V _s ） ^k （7）

在通气阀门不漏气的条件下，压力罐对应p _a 的空气体积等于压力罐的容积，

V _a = V _z （8）

式中：V _z 为压力罐的容积，m³。

联立式（7）和式（8），

（9）

式中：V _s 为溶解于罐内液体的空气体积（对应大气压条件下），m³。

把式（5）代入式（9）得

（10）

压力罐液体的体积：

（11）

所以，

，

整理可得考虑气体溶解充水后正常运行气室体积的计算公式：

（12）。

例如： 已知p _a =101.325 kPa，温度为⁰C， p=5101.325 kPa， V _z =10.0m³，求V：

解：由式（5）和表2得：

，

当取k = 1.4，由式（12）得：

。

（四）通气管设计：

设计时可取通气管直径与通气阀门通径相同。当不考虑气体的溶解时，压力罐正常运行的最大气体体积为：

（13）

在已知压力罐的体型和尺寸参数时，则可以计算得到通气管长度L。

例如： 已知p _a =101.325 kPa，温度为⁰C， p=5101.325 kPa，压力罐为圆柱形，直径D=2.0m，V _z =10.0m³，求V：

解：当取k = 1.4，由式（13）得：

则通气管长度：

。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如压力罐的个数、形式、各种公式的运用、运行过程的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种防水击无能耗自补气压力罐，包括：安装在容易发生水击的输水管上的连接管，所述的连接管与直径大于输水管的竖直安装的压力罐底部连接，其特征在于，所述的压力罐顶部封闭，在压力罐内或压力罐侧壁设置气口，所述的气口通过通气管与通气阀门连接。

2.根据权利要求1所述的压力罐，其特征在于，所述的气口设置在压力罐内或压力罐侧壁接近底部的三分之一至二分之一处。

3.根据权利要求2所述的压力罐，其特征在于，所述的通气管是一段穿过压力罐顶部的竖直管，所述的竖直管底部为所述的气口，顶部设置通气阀门。

4.根据权利要求2所述压力罐，其特征在于，所述的通气管包括一段与设置在压力罐侧壁与所述的气口连接的水平管，所述的水平管与一段立管连接，所述的立管末端设置通气阀门。

5.根据权利要求3或2所述的压力罐，其特征在于，所述的通气阀门是空气阀或真空破坏阀。

6.一种使用权利要求1所述压力罐的压力罐防水击无能耗自补气方法，其特征在于，所述方法包括如下过程：

充水的过程：在输水管道系统充水前，压力罐中没有水，充满空气，气压为大气压，通气阀门关闭或处于开启状态，在输水管道系统充水的过程中，随着罐内水位的上升，气体压缩或部分排出压力罐，当压力罐中的水位超过气口后，压力罐中的空气不再排出压力罐，压力罐中的水位只能缓慢的上升，缓慢上升的原因是压力罐内的空气被压缩，同时压力罐内的空气部分溶解在水中，当压力罐内的空气被压缩到极限和水溶解达到极限后，压力罐中的水位停止上升；

正常输水的过程：在输水管道系统正常输水过程中，通气阀门处于关闭状态，压力罐处于上半部分为空气，下半部分为水的稳定状态，压力罐上半部分的空气处于压缩状态，压力罐下半部分的水中溶解了大量空气；

水击发生的过程：当输水管道系统发生水击时，首先，输水管道系统内的压力快速下降，压力罐内的水被输水管道系统吸出，留在压力罐内的水中的气体迅速析出，与管内原有的气体融合，同时压力罐内原有的气体膨胀，将压力罐中的水压出压力罐，输水管道系统补水，以消减水压的下降速度，防止管道发生液柱分离现象；

当输水管道系统中的压力下降到大气压以下时，也引起压力罐内的气压和水压的下降，这时，不论压力罐中的水位是否低于气口，通气阀门都会打开，向压力罐内补气，补气的同时压力罐继续向输水管道系统补水；

压力罐通过补水和补气，起到了减小输水管道系统内压力快速降低的作用；

然后随着输水管道系统内水压的升高，压力罐内水位上升，当压力罐内气压超过大气压时，通气阀门关闭；随着输水管道系统内的水压继续增加，压力罐中的空气压缩并部分溶解到水中；

压力罐通过空气的压缩和溶解，起到了减小输水管道系统内压力快速增加的作用；

在水击发生过程中，压力罐反复的补水和补气、压缩和溶解，将水击过程中的水压反复增加和减小的震荡及对管道的冲击降到最低。

7.一种设计权利要求1所述压力罐的设计方法，其特征在于，所述方法的参数确定如下：

通气阀门的通气孔径的计算：

式中：为通气阀门通气孔径相对值，其中D为输水管道内径，d _in 为通气阀门进气时的进气孔直径； v输水管内的水流流速；C _in 为进气时的通气阀门的流量系数；p _a 为大气压；为大气密度；p _r 为压力罐气内气压的压力p与大气压p _a 的相对值，即：p _r = p / p _a ；

空气在水中的溶解量计算：

V _s ＜ 0.001K _T V _w （p－p _a ）

式中：V _s 为正常输水时溶解于罐内液体的空气体积；K _T 为亨利常数或溶解度系数；V _w 为罐内液体的体积；

压力罐容积中容纳空气的气室容积V的计算：

式中：V _z 为压力罐容积；为多变指数；

通气管长度L计算：

其中，D _P 为圆柱形压力罐的直径。