苗田林¹，王屹²，劉家平¹
(1．青島市環(huán)保局李滄分局，山東 青島 266041；2．青島市排水管理處，山東　　 青島　　 266071）

　　摘要：負(fù)壓罐引水裝置是一種簡(jiǎn)單實(shí)用，安全可靠的水泵吸水裝置，被廣泛采用。針對(duì)該裝置在運(yùn)行中存在的問(wèn)題，從設(shè)計(jì)選用及設(shè)置要點(diǎn)兩個(gè)方面進(jìn)行闡述，供設(shè)計(jì)時(shí)參考。
　　關(guān)鍵詞：負(fù)壓罐； 自灌式；真空度
　　中圖分類號(hào)：TU821．5　　 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B　　 文章編號(hào)：1009—2455(2004)05—0063—03

　　負(fù)壓罐是一種水泵吸水裝置，可使水泵由抽吸式吸水變?yōu)樽怨嗍轿?，?jiǎn)單實(shí)用、安全可靠，被廣泛采用。然而，某些實(shí)際工程常出現(xiàn)如下問(wèn)題：①罐體容積偏??；②忽略了水溫對(duì)水泵吸水的影響；③缺少與補(bǔ)氣式氣壓罐聯(lián)用時(shí)的必要條件；④水泵選擇不合理(吸程偏小)。上述問(wèn)題都能影響水泵正常運(yùn)行供水。究其原因，不外乎設(shè)計(jì)不合理，對(duì)其工作原理不甚清楚，僅憑大概選用，或忽視了不同情況下的設(shè)置條件而致。
　　本文就負(fù)壓罐在應(yīng)用中容易出現(xiàn)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)原理及設(shè)置要點(diǎn)方面進(jìn)行分析，找出原因，求發(fā)揮負(fù)壓罐的作用。

1 負(fù)壓罐設(shè)計(jì)原理及其選用

　　負(fù)壓罐設(shè)計(jì)選用首先涉及到容積及相關(guān)尺寸的確定^[1]，如圖1所示，其容積由三部分組成。

　　V=V₁+V₂+V₃ （1）
式中：V——負(fù)壓罐容積，m3；
　　 V₁——負(fù)壓罐初次灌滿水時(shí)罐內(nèi)空氣的容積，m³；
　　 V₂——罐內(nèi)空氣壓強(qiáng)由P_a(為本地大氣壓)降到P₁，兩水面間的容積，m³；
　　 V₃——保護(hù)容積，m’。
　　容積確定可分為計(jì)算法和估算法兩種,現(xiàn)分述如下：
1.1 計(jì)算法
1.1.1 計(jì)算公式
　　如圖1，水泵啟動(dòng)前先充水至2-2斷面，此時(shí)罐內(nèi)空氣壓強(qiáng)為當(dāng)?shù)卮髿鈮篜o，然后啟動(dòng)水泵至正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，水位降到3-3斷面，罐內(nèi)空氣壓強(qiáng)降至P₁。
　　根據(jù)汲義茶定律有：
　　P_a(V_g+V₁)=P₁(V_l+V₂)　　　　 (2)
　　寫出斷面0-0和1—1能量方程(以0-0斷面為基準(zhǔn)面)
　　P_a/γ=H+P₁/γ+υ²/（2g)+h_ω
　　即：P_k=P_a-P₁=γH+γυ²/(2g)+h_ω (3)
　　令 Pa/(Pa-Pk)=m,將（3）式代入（2）式得：
　　V₂=mV_g+(m-1)V_{1　　　　　　　　 (4)}
　　或 h₂=m(d/D)²·L+(m-1)h₁　　 (5)
　　將式(4)、(5)代入(1)，則有：
　　V=m(V_g+V₁)+V₃　　　　　　　　 (6)
　　或 h=m[(d/D)²×L+h₁]+h₃　　　　 (7)
式中：P_a——本地大氣壓，kPa；
　　 P₁——水泵正常運(yùn)行時(shí)罐內(nèi)空氣的絕對(duì)壓強(qiáng)，kPa；
　　 P_k——水泵正常運(yùn)行時(shí)罐內(nèi)真空度，kPa；
　　 V_g——負(fù)壓罐吸水管容積，m³；
　　 H——水池最低設(shè)計(jì)水位與吸水管出口間標(biāo)高差，m；
　　 L——負(fù)壓罐吸水管總長(zhǎng)度，m；
　　 D——負(fù)壓罐直徑，m；
　　 d——吸水管直徑，m；
　　 h_ω——吸水管總水頭損失，kPa；
　　 υ——吸水管流速，m/s；
　　 γ——水的容量，kN/m3；
　　 g——重力加速度，m/s²。
1.1.2 計(jì)算步驟
　?、賹?duì)負(fù)壓罐、水泵及管路進(jìn)行平面布置，負(fù)壓罐水管長(zhǎng)L基本確定，在根據(jù)流量及流速要求（吸水管流速一般小于1.2m/s）確定吸水管管徑d。
　　②h₁和h₃根據(jù)構(gòu)造確定，建議h1=0.1～0.15；h3=d+0.2m。
　　③初定D，h/D不宜過(guò)大，建議h/D=1.2～1.5為宜，以降低Pk值。
　?、芤?yàn)镻_k=γH+γυ²/(2g)+h_ω＝γ[H+(1+λL/d+ξ)υ²/(2g)],其中γ，λ，L，d,ξ,υ均已知，故Pk為已知，所以m=P_a/(P_a-P_k)可以計(jì)算出。
　　⑤按式(6)、(7)可計(jì)算V和 h。
　?、扌：薶／D是否合理，否則應(yīng)調(diào)整重新按上述步驟計(jì)算。
　　⑦P_k應(yīng)小于所選水泵的允許吸上真空度P_s,注意計(jì)算水泵揚(yáng)程時(shí)，應(yīng)考慮到負(fù)壓罐內(nèi)為負(fù)壓這一點(diǎn)。
1.2 估算法
　　負(fù)壓罐P_k=γH+γυ²/(2g)+h_ω，H為吸水高度，根據(jù)常用水泵吸程H_s值，水泵吸水高度通常不超過(guò)6m，吸水管長(zhǎng)度上一般不超過(guò)10m，若按L=10m計(jì)，(γυ²/(2g)+h_ω)可按γ（1+λ（L/d）+ξ）υ²/(2g)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，也可根據(jù)吸水管徑d和流速v查水力計(jì)算表得i值，并按h_ω=1.25i·L粗略計(jì)算，經(jīng)驗(yàn)算(取d=40～300mm，v<1.2m／s，(γυ²/(2g)+h_ω)在3～9kPa范圍內(nèi)，取10kPa，那么m值的范圍見(jiàn)表1，從表1可知，m值在1.25-3.5范圍內(nèi)，在將V₁和V₃的容積考慮進(jìn)去，(V1和V3由構(gòu)造確定，但二者之和占總?cè)莘e比值較少)，經(jīng)綜合考慮取m=4.0～4.5。
　　即：y≈(4.0-4.5)V_g是可行的。　　
　　估算法簡(jiǎn)便，只要把V_g算出，馬上可確定罐容積V的大小，再根據(jù)h／D的要求，確定罐體的高度h和直徑D，并能滿足工程要求。

表1　　 m值的取值范圍

H/m (γυ²/(2g)+h_ω)/kPa P_k/kPa (P_a-P_k)/kPa m=H_a/(H_a-H_k)(取大氣壓Pa=100kPa 1 10 20 80 1.25 2 10 30 70 1.43 3 10 40 60 1.67 4 10 50 50 2.00 5 10 60 40 2.50 6 10 70 30 3.33

2 設(shè)置要點(diǎn)

2.1 帶底閥的負(fù)壓罐引水裝置
　　在負(fù)壓罐吸水管上設(shè)底閥時(shí)，由式(6)知，V=mV₁+V₃，其容積可減少很多，如果在水泵吸水管和負(fù)壓罐排氣管之間再連接一條吸氣管，如圖2所示，不僅能減小罐容積，而且能保持水泵長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。吸氣管的作用是將由水中分離出來(lái)的氣體及時(shí)隨水流排走，不會(huì)積存于罐內(nèi)，這樣可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

2．2 負(fù)壓罐與氣壓罐組合給水系統(tǒng)
　　如圖3所示，當(dāng)補(bǔ)氣罐及水泵出水管上止回閥以前的管道水容積較小時(shí)(小于負(fù)壓罐容積V₂)停泵后，在補(bǔ)氣罐補(bǔ)氣過(guò)程中，外界空氣有可能進(jìn)入負(fù)壓罐，破壞了真空度，在下次啟泵時(shí)不出水，這種情況在實(shí)際工程中曾發(fā)生過(guò)，后將補(bǔ)氣罐容積加大而得到解決。解決方法可適當(dāng)加大補(bǔ)氣罐容積或增加一個(gè)浮球式補(bǔ)水箱。

2．3 選泵與水溫
　　負(fù)壓罐引水裝置在選泵時(shí)應(yīng)注意以下問(wèn)題：一是正確計(jì)算水泵揚(yáng)程；二是注意水溫^[2]。
　　負(fù)壓罐能使水泵實(shí)現(xiàn)自灌式吸水，但這與水池或開式水箱的自灌式吸水條件不同，它是在負(fù)壓條件下吸水，所以在確定水泵靜揚(yáng)程時(shí)應(yīng)從水池最低設(shè)計(jì)水位算起，當(dāng)從負(fù)壓罐水位算起時(shí)，要把罐內(nèi)的負(fù)壓值考慮進(jìn)去。
　　負(fù)壓罐裝置用于循環(huán)冷卻水或某些水溫較高的工業(yè)廢水(如印染廢水)時(shí)，要特別注意水溫這個(gè)條件，以免水泵產(chǎn)生氣蝕，當(dāng)依照流量和揚(yáng)程選好水泵后，要根據(jù)實(shí)際水溫對(duì)水泵的允許吸上真空度H_s進(jìn)行修正("。是標(biāo)準(zhǔn)狀況下水泵的允許吸上真空高度，修正公式略)，使修正后的H_s不得小于P_k，否則會(huì)產(chǎn)生氣蝕，破壞水泵正常工作，這種情況在實(shí)際工程中也發(fā)生過(guò)。

3 小結(jié)

　　負(fù)壓罐引水裝置雖然簡(jiǎn)單，但在選泵及負(fù)壓罐容積確定方面要進(jìn)行正確計(jì)算，同時(shí)要注意其它條件，如水溫、吸水高度、與氣壓供水設(shè)備聯(lián)合使用情況等，此外罐體必須密封，否則都會(huì)影響系統(tǒng)的正常供水。

參考文獻(xiàn)：
[1] 姜文源．氣壓給水技術(shù)[M]．北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1993．
[2] 何俊雅．建筑給水排水設(shè)計(jì)[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1983．

---

作者簡(jiǎn)介：苗田林(1968—)，男，山東青島人，工程師。