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

　　摘要：負壓罐引水裝置是一種簡單實用，安全可靠的水泵吸水裝置，被廣泛采用。針對該裝置在運行中存在的問題，從設計選用及設置要點兩個方面進行闡述，供設計時參考。
　　關鍵詞：負壓罐； 自灌式；真空度
　　中圖分類號：TU821．5　　 文獻標識碼：B　　 文章編號：1009—2455(2004)05—0063—03

　　負壓罐是一種水泵吸水裝置，可使水泵由抽吸式吸水變為自灌式吸水，簡單實用、安全可靠，被廣泛采用。然而，某些實際工程常出現如下問題：①罐體容積偏小；②忽略了水溫對水泵吸水的影響；③缺少與補氣式氣壓罐聯用時的必要條件；④水泵選擇不合理(吸程偏小)。上述問題都能影響水泵正常運行供水。究其原因，不外乎設計不合理，對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置條件而致。
　　本文就負壓罐在應用中容易出現的問題，設計原理及設置要點方面進行分析，找出原因，求發揮負壓罐的作用。

1 負壓罐設計原理及其選用

　　負壓罐設計選用首先涉及到容積及相關尺寸的確定^[1]，如圖1所示，其容積由三部分組成。

　　V=V₁+V₂+V₃ （1）
式中：V——負壓罐容積，m3；
　　 V₁——負壓罐初次灌滿水時罐內空氣的容積，m³；
　　 V₂——罐內空氣壓強由P_a(為本地大氣壓)降到P₁，兩水面間的容積，m³；
　　 V₃——保護容積，m’。
　　容積確定可分為計算法和估算法兩種,現分述如下：
1.1 計算法
1.1.1 計算公式
　　如圖1，水泵啟動前先充水至2-2斷面，此時罐內空氣壓強為當地大氣壓Po，然后啟動水泵至正常運行狀態時，水位降到3-3斷面，罐內空氣壓強降至P₁。
　　根據汲義茶定律有：
　　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——水泵正常運行時罐內空氣的絕對壓強，kPa；
　　 P_k——水泵正常運行時罐內真空度，kPa；
　　 V_g——負壓罐吸水管容積，m³；
　　 H——水池最低設計水位與吸水管出口間標高差，m；
　　 L——負壓罐吸水管總長度，m；
　　 D——負壓罐直徑，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 計算步驟
　　①對負壓罐、水泵及管路進行平面布置，負壓罐水管長L基本確定，在根據流量及流速要求（吸水管流速一般小于1.2m/s）確定吸水管管徑d。
　　②h₁和h₃根據構造確定，建議h1=0.1～0.15；h3=d+0.2m。
　　③初定D，h/D不宜過大，建議h/D=1.2～1.5為宜，以降低Pk值。
　　④因為P_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)可以計算出。
　　⑤按式(6)、(7)可計算V和 h。
　　⑥校核h／D是否合理，否則應調整重新按上述步驟計算。
　　⑦P_k應小于所選水泵的允許吸上真空度P_s,注意計算水泵揚程時，應考慮到負壓罐內為負壓這一點。
1.2 估算法
　　負壓罐P_k=γH+γυ²/(2g)+h_ω，H為吸水高度，根據常用水泵吸程H_s值，水泵吸水高度通常不超過6m，吸水管長度上一般不超過10m，若按L=10m計，(γυ²/(2g)+h_ω)可按γ（1+λ（L/d）+ξ）υ²/(2g)進行詳細計算，也可根據吸水管徑d和流速v查水力計算表得i值，并按h_ω=1.25i·L粗略計算，經驗算(取d=40～300mm，v<1.2m／s，(γυ²/(2g)+h_ω)在3～9kPa范圍內，取10kPa，那么m值的范圍見表1，從表1可知，m值在1.25-3.5范圍內，在將V₁和V₃的容積考慮進去，(V1和V3由構造確定，但二者之和占總容積比值較少)，經綜合考慮取m=4.0～4.5。
　　即：y≈(4.0-4.5)V_g是可行的。　　
　　估算法簡便，只要把V_g算出，馬上可確定罐容積V的大小，再根據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 設置要點

2.1 帶底閥的負壓罐引水裝置
　　在負壓罐吸水管上設底閥時，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，而且能保持水泵長期穩定運行。吸氣管的作用是將由水中分離出來的氣體及時隨水流排走，不會積存于罐內，這樣可長期穩定運行。

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

2．3 選泵與水溫
　　負壓罐引水裝置在選泵時應注意以下問題：一是正確計算水泵揚程；二是注意水溫^[2]。
　　負壓罐能使水泵實現自灌式吸水，但這與水池或開式水箱的自灌式吸水條件不同，它是在負壓條件下吸水，所以在確定水泵靜揚程時應從水池最低設計水位算起，當從負壓罐水位算起時，要把罐內的負壓值考慮進去。
　　負壓罐裝置用于循環冷卻水或某些水溫較高的工業廢水(如印染廢水)時，要特別注意水溫這個條件，以免水泵產生氣蝕，當依照流量和揚程選好水泵后，要根據實際水溫對水泵的允許吸上真空度H_s進行修正("。是標準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，否則會產生氣蝕，破壞水泵正常工作，這種情況在實際工程中也發生過。

3 小結

　　負壓罐引水裝置雖然簡單，但在選泵及負壓罐容積確定方面要進行正確計算，同時要注意其它條件，如水溫、吸水高度、與氣壓供水設備聯合使用情況等，此外罐體必須密封，否則都會影響系統的正常供水。

參考文獻：
[1] 姜文源．氣壓給水技術[M]．北京： 中國建筑工業出版社，1993．
[2] 何俊雅．建筑給水排水設計[M]．北京：中國建筑工業出版社，1983．

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作者簡介：苗田林(1968—)，男，山東青島人，工程師。