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空气阀有三个功能：
前两个功能是由大孔径“出气和进气”阀来完成的。第三个功能是用小孔径“排气”阀来实现。“组合空气阀“结合了多个孔口于一体来完成所有三个功能，两种空气阀可以被定制组合。采用标准单体配置是不合适的。
美国水工协会手册M51提供了清水和污水管道应用中选择、定位和安装空气阀的详细指南。本文提出了适用于大多数原水和供水管道的一些简化设计，可以显著降低此类管道的设计费用，而不会影响主管道的完整性。
空气阀放在哪里？
一般来说，在管道最高点上放置大孔“出气和进气”阀，这些位置在管道运行期间通常是空气收集点，因此在那里也应该设置一个小孔“排气”阀。在可能产生负压的地方也要设置大孔径“出气和进气”阀，比如管道陡峭下坡的高点，在这里还需要进行压力瞬变的分析计算。在水力坡度线HGL（Hydraulic Grade Line）附近设置这些空气阀时需要十分小心，管道压力的波动会导致HGL附近的水位接近这些空气阀的高度，引起这些阀门迅速、猛烈地打开和关闭。如果这些位置需要安装空气阀时则应考虑这种情况，将这些条件考虑到大孔径“出气和进气”阀的设计中，或者在大孔径“出气和进气”阀下面增加一个中心导向止回阀，包括重力通风口。大孔径“出气和进气”阀的另一个候选位置是管道隔离阀的一侧。 小孔“排气”阀应位于高点，并且平坦长坡上规定间隔不超过500m长，因为这些位置随时都处在欠压状态，在这里安装一个单体小孔阀就足够了（如果高度上升很小）。但是大多数小孔阀位置将与大孔径“排气和进气”阀重合，因此下面提出的方法假设需要首先确定空气阀的位置和尺寸。在直径较大的原水主管中留有许多可进入管道的人孔，必须认识到这些竖向人孔是一个高效空气收集器，所以空气阀应该被安装在顶部，或者管道上每个人孔的顶部都设置这个空气阀。
步骤1：确定主空气阀的出气量
最好是将管道的充水最大流速限制在0.25 m/s，先计算出管道的横截面积，然后查询空气阀厂家的产品目录，查找通常标有“出气和进气阀性能”的图表，然后用管道横截面积计算出每秒标准立方体积中填充期间需要排空的空气体积，并在厂家图表上以14kPa压差查看流出量，以14kPa压力限制通过阀门的空气流速，是为了减小对管道中空气的压缩以及意外压力瞬变的影响，选择最接近空气流速和14kPa压差交点的空气阀尺寸。因为这是基于通过圆形孔的空气的速度，所以从一个厂家的图表中选出的尺寸与另一厂家的图表没有区别。实际校验所选择的空气阀尺寸是主管道直径的1/12。（例如，DN1200管道选用DN100的空气阀）。 如果管道是泵系统的一部分，当泵关闭时，管道内的这部分水会重力流排放，泵起动时要替换的空气体积可能比初始充水时要大。在这种情况下，需以每秒立方体积的泵流量，检查这个未充满区域排气阀参数。（同样的方法可用于确定泵站空气阀的尺寸。）
步骤2：检查主阀进气尺寸
当管道内的水排放时，管道必须进气以替换排水空间。这种排水通常是卸压阀打开，或者是其它规范中包括的管道意外破裂的情况，在地震活跃的地区，管道突然断裂的情况应该包含在现实的设计规范中。在大多数情况下，检查出水一侧的空气阀是否有能力在重力流下进气，可以用下公式进行简单的近似计算：
其中： C =谢才系数，（铁管110，混凝土管120，钢管130，PVC管190） Q =出水流量=进气流量，m3/h S =相邻管段的坡度 说明：在谢才，海澄威廉和达西公式中，S是指水力坡度线的坡度，而不是管道坡度。对于斜率较大的坡度，水力坡度线和管道坡度差别很大，在重力流进气流量图表中，S最大值为1（45o）。 D =管道排气阀内径，mm
用流量Q来检查步骤1中的空气阀尺寸。为了让空气进入管道，进气速度受到空气声速的限制，而且随压力和温度的变化而变化，最大压力值约为48 kPa（0.5kgf/cm2）。简化设计起见，请查看制造厂家的图表，以35 kPa的压差对应进气量，如果数值大于步骤1中选用的空气阀，请考虑减小出水口的尺寸。如果管道穿过河流发生故障，或者可以被重力排入蓄水池，或者穿过活动断裂带潜在地发生剪切破坏，则应考虑使用上述等式中的管径D来确定真空释放的旁路空气阀。在这种情况下，如果指定的空气阀尺寸大于200mm或甚至250mm，请使用多个空气阀，以避免定制非标（即使已编目）空气阀。多个空气阀的替代方案是使用其它导向止回阀定向进气，在这种情况下，这种阀只有一个功能，只进气不排气。
步骤3：排气阀尺寸 夹带在水中的空气会随着压力的降低和温度的升高而从溶液中排出，解决每个问题不能省钱，小孔排气阀尺寸是压力下管道空气排出的关键，而不是主阀体的尺寸，孔径尺寸是压力释放空气体积的基础，确定这一点有两种简单的方法。 第一种方法是预设在高点排出的空气量是管道中水量的2%，这种方法没有考虑阀之间的间距或阀之间的压力差。通过管道截面积乘以流速来确定每分钟内流动的水量，其中的2%可以被认为是设计排气量。 第二种方法需要花一些时间，假设沿整个管道长度上温度升高，以此确定从液体中排出的空气量，甚至可以在每个排气阀位置确定该值，一个普遍的假设是每公里温度上升0.35oC。该方法需要对压力温度数据进行外推，有时结果可能不比上述2%假设更准确。如果您有足够的设计时间可以继续计算。
使用同类空气阀厂家的产品样本可以找到一个标有“”小孔尺寸表“的图表，查找排气量并与工作（非试验压力）压力进行比较，然后选择小孔尺寸和匹配的空气阀尺寸。需要注意的是，厂家为了控制装配和库存成本会限制组合阀小孔排气的规格数量。因此，每个管道空气阀站位置都需要重新选择每个厂家的阀体和小孔口尺寸。另外，我们通常是在最大设计条件下设计管道，在这种情况下选择的小孔口尺寸在一般条件较低流速下将会太大，建议采用指定空气阀的最小孔径尺寸。如果在管道运行中排气相当恒定，可以采用更大的空气阀来替换，可以给出一个管道站位置排气流量和压力设计参数的表格，通过步骤1和2确定阀体尺寸。 上述内容为大多数原水和供水管道提出了一些空气阀的简化设计，，在不影响管道完整性的前提下可以显着降低这种安装和设计耗费。首先，对管道业主的维修人员来说，他们不希望储备和修理许多尺寸和类型的空气阀，考虑到管道的运行状况可能永远都不会达到最终的设计条件，因此建议如下：
1. 对于原水管道，在所有位置都选择一个尺寸的空气阀。 2. 每米管道直径对应的主空气阀直径为83mm。 3. 都使用“组合式空气阀”。 4. 指定市场上最小孔径的小孔排气阀。 5. 仅使用有现货的空气阀尺寸。
细节决定成败 如前所述，人孔比任何其他类型的出口收集的空气都要多得多，因此，应在任何紧邻垂直出口的地方设置排气阀。如果需要方便进入管道，在空气阀组和人孔法兰（或隔离阀）之间可以安装沟槽卡箍连接器或其他易于拆卸的管道连接器。 当然，如果设计中考虑到了管道的全部操作，那么空气阀组件将会按预期工作。设计工程师通常按照可以预见的“极端”或最高负荷条件设计管道，但几乎没有任何管道会在极端情况下运行，而包括排气阀在内的附件通常也被设计用于管道预计的操作极限，多年的操作远低于设计负荷可能会导致空气阀运行失效，当然，如果真正需要在极端条件下运行，它们也将无法动作。替代方案是根据一段时间的运行参数再计算用于极端运行工况的连接（接管）的尺寸，确定近期正常运行工况下更小的排气阀。当工况稳定时可更换和小空气阀连接的法兰。
AWWAM51手册包含了空气阀安装的建议和示意图，使用图6-5“带排气管的组合空气阀井安装示意图“（第51页）和图6-6“具有防冻和防洪保护的阀井安装示意图”（第52页）可能会导致在真空阀上方的通风管内积水，这些污染的水会在水锤或其它真空情况下被吸进管道，进而影响到水质。对于饮用水管道，在不会被淹没的位置通过更仔细地定位进气/排气阀来避免这种情况的发生，类似于图6-3的安装示意图。一种替代方案是重新设计分析管道剖面，在易发生洪涝的地方不要安装空气阀。饮用水管道的另一种设计方法是安装手动阀门，维修人员可操作这些阀门以避免意外的交叉污染造成的任何饮水安全问题。 结论 上述讨论并未涉及到可能影响管道空气阀设计的所有条件，特别是处于异常的流态情况。对于上述建议，设计人员还需参照AWWA M51设计手册和厂家的技术要求。然而，本文旨在帮助设计人员减少普通输水管道的设计工作，在任何情况下，建议进行工程评估。 |
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