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教学进度表 第六章环保设备设计基础 概述薄壁容器的强度计算容器的封头容器的刚度设计设备的零部件环保设备选型 第一节概述 一 环保设备与产业概况环保企业 生产环保设备产品的企业环保产业是指在国民经济结构中 以防治环境污染 改善生态环境 保护自然资源为目的而进行的技术产品开发 商业流通 资源利用 信息服务 工程承包等活动的总称 它在美国称为 环境产业 在日本称为 生态产业 或 生态商务 第一节概述 一 环保设备与产业概况环保产业是一个跨产业 跨领域 跨地域 与其他经济部门相互交叉 相互渗透的综合性新兴产业 因此 有专家提出应列为继 知识产业 之后的 第五产业 环保产业在国际上有狭义和广义的两种理解 对环保产业的狭义理解是终端控制 即在环境污染控制与减排 污染清理以及废物处理等方面提供产品和服务 广义的理解则包括生产中的清洁技术 节能技术 以及产品的回收 安全处置与再利用等 是对产品从 生 到 死 的绿色全程呵护 清洁生产据统计 全球环保产业的市场规模已从1992年的2500亿美元增至去年的6000亿美元 年均增长率8 远远超过全球经济增长率 成为各个国家十分重视的 朝阳产业 农业 工业 服务业 第一节概述 一 环保设备与产业概况中国环保产业现状及发展前景随着中国经济的持续快速发展 城市进程和工业化进程的不断增加 环境污染日益严重 国家对环保的重视程度也越来越高 十五 期间 由于国家加大了环保基础设施的建设投资 有力拉动了相关产业的市场需求 环保产业总体规模迅速扩大 产业领域不断拓展 产业结构逐步调整 产业水平明显提升 在发展循环经济的要求下 从2007年开始 环保支出科目被正式纳入国家财政预算 政府对环保工作提出了新思路 新对策 受益于此 中国环保行业继续高速增长 且增速进一步提高 第一节概述 一 环保设备与产业概况中国环保产业现状及发展前景2007年 中国采取综合措施推进污染减排 全国装备脱硫设施的燃煤机组占全部火电机组的比例由2005年的12 提高到48 城镇污水处理率由52 提高到60 全年全国化学需氧量排放量1383 3万吨 比2006年下降3 14 二氧化硫排放量2468 1万吨 比2006年下降4 66 主要污染物排放量实现双下降 首次出现了 拐点 污染防治由被动应对转向主动防控 环保历史性转变迈出坚实步伐 第一节概述 一 环保设备与产业概况中国环保产业现状及发展前景2008年国家要求关停1300万千瓦小火电 淘汰600万吨炼钢 5000万吨水泥 1400万吨炼铁等一大批落后产能 削减二氧化硫排放量60万吨 削减化学需氧量排放量40万吨 环保产品和服务的需求进一步扩大 2008年上半年 全国化学需氧量排放总量674 2万吨 同比下降2 48 二氧化硫排放总量1213 3万吨 同比下降3 96 新增城市污水处理能力678万吨 日 2008年下半年 受美国金融危机影响 中国为扩大内需 大规模加大基础设施建设 对环保产业的投资也进一步加大 第一节概述 一 环保设备与产业概况中国环保产业现状及发展前景中国环保产业还处于快速发展阶段 总体规模相对还很小 其边界和内涵仍在不断延伸和丰富 随着中国社会经济的发展和产业结构的调整 中国环保产业对国民经济的直接贡献将由小变大 逐渐成为改善经济运行质量 促进经济增长 提高经济技术档次的产业 产业内涵扩展的方向将主要集中在洁净技术 洁净产品 环境服务等方面 中国环保产业的概念也将演变为 环境产业 或 绿色产业 经过20多年的发展 中国环保产业已初具规模 一些技术 设备和服务项目已接近发达国家20世纪80年代的水平 中国环保产品以空气和水污染治理设备为主 分别占环保产品年总值的40 以上 固体废物设备的年产值占全国环保产品总产值的比率约5 噪声与振动控制设备的年产值占全国环保产品产值的6 5 环境监测仪器年产值约占2 3 第一节概述 一 环保设备与产业概况中国环保产业现状及发展前景 十一五 期间 中国环保产业可望保持年均15 17 的增长速度 环保投资的重点领域主要包括水环境 大气环境 固体废物 生态环境 核安全及辐射环境保护建设以及环境能力建设 2010年环保产业的年收入总值将达8800 10000亿元左右 其中资源综合利用产值6600亿元 环保装备产值1200亿元 环境服务产值1000亿元 2006年1 12月 我国环境保护专用设备产量为106 860台 比2005年同比增长20 82 2007年1 12月 我国环境保护专用设备产量为80 208 30台 比2006年同比增长29 91 2008年1 10月 我国环境保护专用设备产量为96 069 95台 比2005年同比增长33 10 第一节概述 一 环保设备与产业概况中国环保产业现状及发展前景今后几年环保市场的投资结构为 水污染处理投资占46 2 大气污染治理投资占31 9 固体废弃物处置投资占9 7 生态保护投资占8 6 其他占3 其中固体废弃物处置中对城市生活垃圾处理的投资会增长较快 2010年我国环保设备的总产值预测为 环境监测仪器为60 70亿 大气污染防治设备350 430亿元 水污染防治设备375 455亿元 噪声与振动控制设备25 35亿元 固体废弃物处置设备为90 110亿元 第一节概述 一 环保设备与产业概况环保产业特征 法规政策引导型产业跨学科的综合性产业技术密集型产业环境保护产业中极为重要的部分 第一节概述 一 环保设备与产业概况环保设备是指用于控制环境污染 改善环境质量而有生产单位或建筑安装单位制造和建造出来的机械产品 构筑物及系统 第一节概述 二 环保设备的分类 见P114表6 2分类方法 功能 构成 性质 通用化程度三 我国环保设备的发展方向标准化 系列化 高技术集成 第一节概述 四 非标准设备 一 容器金属及非金属材料制作的各式各样独特 还未定型的处理设备 非标准设备 非标设备 容器的构成 筒 壳体 法兰 封头 端盖 支座 接口管 入孔 手孔 视镜 液位计 设备通用零部件图6 1 第一节概述 四 非标准设备 一 容器1 筒 壳体 第一节概述 四 非标准设备 一 容器2 法兰 法兰 Flange 又叫法兰盘或突缘 法兰是使管子与管子相互连接的零件 连接于管端 法兰上有孔眼 螺栓使两法兰紧连 法兰间用衬垫密封 法兰分螺纹连接 丝接 法兰和焊接法兰 第一节概述 四 非标准设备 一 容器2 法兰 钢制管法兰国家标准 1 公称压力 0 25Mpa 42 0Mpa2 公称通径 10mm 4000mm3 法兰的结构形式 整体法兰 单元法兰4 法兰密封面 平面 突面 凹凸面 榫槽面 环连接面 第一节概述 四 非标准设备 一 容器3 封头封头是容器的一个部件 如图 根据几何形状的不同 可分为球形 椭圆形 碟形 球冠型 锥壳和平盖等几种 其中球形 椭圆形 碟形 球冠型封头又统称为凸型封头 运用于各种容器设备 如储罐 换热器 塔 反应釜 锅炉和分离设备等 第一节概述 四 非标准设备 一 容器4 开孔补强 openingreinforcement 压力容器为弥补开孔周围区域强度下降而采取的加强措施 图4 1 壳体开孔后因承载面积减小及应力集中使开孔边缘应力增大且强度受到削弱 为使孔边应力下降至允许范围以内 可采用增加大面积壳体厚度的整体式补强或在开孔附近区域内增加补强元件金属的局部补强 第一节概述 四 非标准设备 一 容器5 支座用以支承容器或设备的重量 并使其固定于一定位置的支承部件 还要承受操作时的振动与地震载荷 第一节概述 四 非标准设备 二 容器的分类1 按压力分内压容器 容器内工作压力大于外界压力外压容器 容器内工作压力小于外界压力2 按设计方法薄壁容器 筒体 封头的设计厚壁容器 第二节薄壁容器的强度计算 一 内压薄壁圆筒壁厚计算材料受到的外力称为拉力 材料内部产生的反作用力称为应力 一个物体两端受拉 那么沿着它轴线方向的应力就是拉应力 拉应力就是指使物体有拉伸趋势的应力 一 筒体的受力与变形 二 筒体的应力计算 三 圆筒壁厚强度计算公式 强度 金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度 强度是指材料承受外力而不被破坏 不可恢复的变形也属被破坏 的能力 根据受力种类的不同分为以下几种 1 抗压强度 材料承受压力的能力 2 抗拉强度 材料承受拉力的能力 3 抗弯强度 材料对致弯外力的承受能力 4 抗剪强度 材料承受剪切力的能力 第二节薄壁容器的强度计算 一 内压薄壁圆筒壁厚计算 四 壁厚设计计算有关参数的确定1 设计压力2 设计温度3 壁厚及其附加量 第二节薄壁容器的强度计算 二 容器的材料和许用应力 一 钢材的选择 二 许用应力的确定 第二节薄壁容器的强度计算 三 焊缝结构和焊缝系数1 焊缝结构四种主要焊接接头形式 对接 角接 T字 搭接 第二节薄壁容器的强度计算 三 焊缝结构和焊缝系数1 焊缝结构四种主要焊接接头形式 对接 角接 T字 搭接 第二节薄壁容器的强度计算 三 焊缝结构和焊缝系数2 焊缝系数 表6 8为焊缝金属强度与母材强度的比值影响因素 焊缝的结构形式 焊缝检验级别 焊后热处理 第二节薄壁容器的强度计算 四 容器的压力试验 表6 9目的 检查容器有无渗漏现象类型 液压试验 气压试验 第二节薄壁容器的强度计算 五 容器设计的标准化基本参数 公称直径 公称压力公称直径DN 目的是使容器的直径形成一系列一定的数值 以便于零部件的标准化 注意 DN的单位是mm 用钢板卷焊制成的筒体 DN是内径 无缝钢管作筒体时 DN是外径 管子的DN既不是内径 也不是外径 封头的公称直径与筒体一致 第二节薄壁容器的强度计算 五 容器设计的标准化一般来说 管子的直径可分为外径 内径 公称直径 管材为无缝钢管的管子的外径用字母D来表示 其后附加外直径的尺寸和壁厚 例如外径为108的无缝钢管 壁厚为5MM 用D108 5表示 管子的公称直径和其内径 外径都不相等 例如 公称直径为100MM的无缝钢管有102 5 108 5等好几种 108为管子的外径 5表示管子的壁厚 因此 该钢管的内径为 108 5 5 98MM 但是它不完全等于钢管外径减两倍壁厚之差 也可以说 公称直径是接近于内径 但是又不等于内径的一种管子直径的规格名称 第二节薄壁容器的强度计算 五 容器设计的标准化在设计图纸中所以要用公称直径 目的是为了根据公称直径可以确定管子 管件 阀门 法兰 垫片等结构尺寸与连接尺寸 公称直径采用符号DN表示 工程中所用的无缝管 如输送流体用无缝钢管 GB8163 87 石油裂化用无缝钢管 GB9948 88 化肥设备用高压无缝钢管 GB6479 86 等 标记方法不用公称直径 而是以外径乘厚度表示 标准中称此外径与厚度为公称外径与公称厚度 第二节薄壁容器的强度计算 五 容器设计的标准化容器零部件的公称直径有些零部件如法兰 支座等的公称直径 指的是与它相配的筒体 封头的公称直径 DN2000法兰是指与DN2000筒体 容器 或封头相配的法兰 DN2000鞍座是指支承DN2000mm容器的鞍式支座 还有一些零部件的公称直径是与它相配的管子公称直径表示的 如管法兰 DN200管法兰是指连接DN200mm管子的管法兰 另有一些容器零部件 其公称直径是指结构中的某一重要尺寸 如视镜的视孔 填料箱的轴径等 视镜 其窥视孔的直径为80mm 第二节薄壁容器的强度计算 五 容器设计的标准化公称压力公称压力PN MPa 与管道系统部件耐压能力有关的参考数值 为便于使用 通常取R10系列的优先数 公称压力是指管材20 时输水的工作压力 若水温在25 45 之间应按不同的温度下降系数 修正工作压力 工作压力是指给水管道正常工作状态下作用在管内壁的最大持续运行压力 不包括水的波动压力 设计压力是指给水管道系统作用在管内壁上的最大瞬时压力 一般采用工作压力及残余水锤压力之和 第二节薄壁容器的强度计算 五 容器设计的标准化公称压力同一公称压力PN值所标示的同一公称通径 的所有管路附件具有与端部连接型式相适应的同一连接尺寸 三者的关系 公称压力 工作压力设计压力 1 5 工作压力工作压力由管网水力计算而得出 第二节薄壁容器的强度计算 六 球形容器球形容器内部受压后的变形特点见图6 5结论 球壳壁厚可比相同条件下圆筒壁厚减薄50 而且当容积相同时 球壳具有最小的表面积 第三节容器的封头 一 半球形封头组成 半个球壳注意 理论上 封头壁厚为筒体厚度的一半 实际中 封头壁厚与筒体厚度相同 为方便制造加工 容器直径应大于2 5m 第三节容器的封头 二 椭圆形封头组成 半个椭球面 短圆筒特点 易加工 应用广 钢制压力容器 规定标准椭圆形封头的有效厚度应不小于封头内直径的0 15 非标准椭圆形封头的有效厚度应不小于0 30 第三节容器的封头 三 内压碟形封头组成 球面 过度圆弧 直边四 平板形封头优点 结构简单 制造方便 缺点 受内压作用时 处于弯曲的不利状态 在相同的内压及筒体直径条件下 平板形封头的壁厚比其他形状的封头要大得多 第四节容器的刚度设计 失稳 临界压力 临界应力当容器受外压作用时 在筒体内产生环向压缩应力 若该压缩应力达到材料的屈服极限或强度极限时 筒体被压扁 失稳 筒体的刚性不足 导致筒体失稳的外压 临界外压 临界压力对应的筒体产生的环向压缩应力 临界应力 第四节容器的刚度设计 失稳 临界压力 临界应力一 临界压力criticalpressure物质处于临界状态时的压力 压强 就是在临界温度时使气体液化所需要的最小压力 也就是液体在临界温度时的饱和蒸气压 各种物质的临界压力 压强 不同 如氧是4 87兆帕 49 7公斤力 厘米2 氨是11兆帕 112 2公斤力 厘米2 氯是7 46兆帕 76 1公斤力 厘米2 等 1 与筒体尺寸的关系2 与材料性能的关系 第四节容器的刚度设计 二 外压容器的设计计算1 外压长圆筒的临界压力圆筒足够长 两端边界影响可忽略不计 易被压扁2 外压短圆筒的临界压力圆筒两端边界影响不可忽略不计3 临界长度Lcr实际长度 Lcr 筒体中部可得到封头支撑 短圆筒实际长度 Lcr 筒体中部可不到封头支撑 长圆筒 第四节容器的刚度设计 二 外压容器的设计计算4 外压圆筒图算法设计步骤1 图算法原理 图6 92 图算法设计步骤3 设计参数的确定 第四节容器的刚度设计 三 加强圈设计加强圈 stiffeningring 是指为增强容器的刚性和稳定性而固定于容器的内侧或外侧的环状构件称为加强圈 1 加强圈间距 式6 292 加强圈尺寸 惯性矩I3 加强圈结构 焊接总长 圆筒外周长设计加强圈时 最基本的要求就是加强圈的实际惯性矩大于最小惯性矩 可采用角钢 工字钢 矩形钢等加工制作 可以焊接在容器的外面 也可以焊接在容器的里面 当加强圈焊在筒体外面时 加强圈每侧间断焊缝的总长度 不小于容器外周长度的1 2 当设置在容器内部时 应不少于容器内圆周长度的1 3 第五节设备的零部件 一 设备的法兰连接设计 一 法兰连接密封结构及工作原理 螺栓法兰组成 一对法兰 若干个螺栓 螺母和一个垫片 二 法兰结构类型及标准1 整体法兰 图6 15将法兰与壳体锻成一体或全熔透的法兰2 松式法兰 活套法兰 螺纹法兰3 任意式法兰4 法兰标准及选用原则按用途分 管法兰 容器法兰主要参数 公称压力PN 公称直径DN 第五节设备的零部件 一 设备的法兰连接设计 三 法兰密封面的选择全平面 突面 凹凸面等 四 垫片的选择密封效果主要取决于垫片的密封性能类型 金属垫片 非金属垫片 非金属 金属垫片管法兰垫片选用手册 第五节设备的零部件 二 设备的开孔与补强JB T4736 2002 第五节设备的零部件 三 手孔与人孔 化工设备设计手册作用 检查安装 拆卸设备的内部装置大小 手孔150 250mm 人孔400mm1 不需要补强的最大开孔直径设计压力 2 5MPa 两相邻开孔中心的间距 两孔直径之和的两倍接管公称外径 89mm 接管最小壁厚与公称外径对应 表6 16 第五节设备的零部件 三 手孔与人孔 化工设备设计手册2 补强的结构形式1 补强圈补强补强圈补强是指在壳体开孔周围贴焊一圈钢板 即补强圈 补强圈一般与器壁采用搭接结构 材料与器壁相同 补强圈尺寸可参照标准确定 也可按等面积补强原则进行计算 当补强圈厚度超过8mm时 一般采用全焊透结构 使其与器壁同时受力 否则不起补强作用 第五节设备的零部件 三 手孔与人孔 化工设备设计手册2 补强的结构形式1 补强圈补强 JB4736 2002补强圈 第五节设备的零部件 三 手孔与人孔 化工设备设计手册2 补强的结构形式2 厚壁接管补强即在开孔处焊上一段厚壁接管3 整锻件补强即用增加整个筒壁或封头壁厚的办法来降低最大应力 使之达到工程上许可的程度 补强圈与加强圈的区别 补强圈是在压力容器开孔部位补强由于开孔造成的应力集中问题 简单理解就是开孔部位材料减少了 开孔附近部位材料受力就大了 一般补强圈面积等于开孔面积 增加加强圈和加大容器壁厚是增加容器刚度和提高外压容器的临界压力的两种方法 尤其在外压容器筒体上适当的增设加强圈更为经济 第五节设备的零部件 三 手孔与人孔 化工设备设计手册3 等面积补强设计计算方法 中低压容器基本原则 使有效补强的金属面积等于或大于开孔所消弱的金属面积1 允许开孔的范围 钢制压力容器 2 所需的最小补强面积A 式6 323 有效补强范围 图6 204 补强范围内补强金属面积Ae 第五节设备的零部件 四 设备的支座作用 支撑设备的质量 振动 风载荷 地震载荷 并将其固定与某一特定位置 一 立式容器支座1 耳式支座适用对象 反应釜及立式热换器等直立设备 第五节设备的零部件 四 设备的支座 一 立式容器支座2 支撑式支座适用对象 高度不大 安装位置距基础面较近且具有凸形封头的立式容器 第五节设备的零部件 四 设备的支座 一 立式容器支座3 腿式支座适用对象 高度较小的中小型立式容器与支撑式支座区别 支撑点不同圆柱体上 底部封头上 第五节设备的零部件 四 设备的支座 一 立式容器支座4 裙式支座适用对象 高大 塔式 立式容器类型 圆锥形 圆筒形 第五节设备的零部件 四 设备的支座 二 卧式容器支座形式及其适用对象 鞍座 大型卧式储罐圈座 大直径的薄壁容器和真空容器支腿 质量较轻的小型容器 思考题 P151579 第六节环保设备选型 环保设备有定型的产品和非定型的产品 要根据污染物的性质 场地条件 处理要求 处理费用等诸多因素决定选择定型产品还是非定型产品 一 定型设备的选择定型的环保没备也称为标准设备 是成批成系列生产的 可以现成买到 定型设备有产品目录或样本手册 有各种规格牌号 有不同的生产厂家 如电机 水泵 风机等 定型设备选择的原则如下 1 合理性即选择的设备必须满足处理工艺一般要求 与工艺流程 处理规模 操作条件 控制水平相适应 又能充分发挥设备的作用 2 先进性设备的运行可靠性 白控水平 处理能力 处理效率要尽量达到先进水平 同时还要注意处理的水平要尽量考虑今后发展的要求 3 安全性要求安全可靠 操作稳定 有缓冲能力 无事故隐患 对工艺 建筑物 地基 厂房等无过多的苛刻要求 操作时劳动强度小等 4 经济性设备较为便宜 易于维修 更新 尽员减少侍殊维护要求 设备的远行费用要尽量的低 总之 要综合考虑以上的原则 审慎地研究对比 选择最合理的定形设备 同时注意定型设备更新换代 第六节环保设备选型 二 非定型设备的设计环境工程中需要专门设计的特殊设备 称为非标准设备或非定型设备 由于污染物的种类非常多 处理的力法也较多 非标淮设备在环境工程中大量存在 它是根据处理工艺要求 通过处理工艺的计算 提出设备的形式 材料 大小尺寸和其他 些要求 由建筑 结构 机械或环境上程等专业人员进行设计 由有关工厂或施工单位创造完成 第六节环保设备选型 二 非定型设备的设计非定型设备没汁原则与定型设备的相问c其主要的设H程序如下 1 处理上艺梳程上确定的处理设备的类型处理工艺流和大体上己确定 如生活污水采用活性行泥法处理 曝气池和二沉池常为构筑物 除尘常用机械设备 2 确定设备的材质根据处理的污染物 工艺流程和操作条件 确定适合的设备材料 如上述处理水的曝气池和二沉池一般采用钢筋混凝土材料 除尘机械采用钢铁材料 气态污染物处理设备一般采用不锈钢或工程塑料等防腐材料 3 汇集设计条件和参数根据处理污染物的昆 处埋效率 物料平衡和热量平衡等 确定设备的负荷 设备的操作条件 如温度 压力 流速 加药 仰灰形式 工作周期等 作为设备设计计算的主要依据 4 选定设备的基本结构形式用特点和使用范围 依据各类规范较 确定设备的基本结构形式 根据各类处理设备的性能 使样本和说明书v进行权衡比 5 设计设备的基伞尺寸根据设计数据进行有关的计算和分析 确定处理设备的外形尺寸 确定设备的各种工艺附件 设备基本尺寸计算和设汁完成之后 回出设备尔意草图 标注有关尺寸 第六节环保设备选型 二 非定型设备的设计 6 选型利选择标准图纸确定基本结构形式之历 根据处理上乙计算 选择非定型设备 在没叶出摹本尺寸后 此查问有关标准规范 将有关尺寸规范化 尽量采用标服图纸 7 设计数据汇总 8 向有关专业人员提出设计要求 完成时间等 9 汇总列比设备一览表 三 设备设计实例 某厂铸钠车间设置两台HXK3 3 0型电弧炼钢炉 要求设计除尘设备 每台电炉的主要工艺参数为 容量3t 最大装料量5t 每炉铸钢的冶炼时间3h 吹氧时间30min 吹氧强度1m3 t min 最大脱碳速度每分钟为0 065 烟气温温度1200 吹氧期烟尘浓度达18g m3 当地气象参数 夏季通风计算温度32 大气压力96kPa 三 设备设计实例 1 尘的粒径分布确定采用的处理设备电炉烟吨很细 小于1Pm的约占80 一90 团此 般多采用稍袋除火器 2 选择滤料除尘的效率 滤料的价格 气体的温度和湿度是主要考虑的冈素 为保匠处理效果 同时从价格方mf考虑 多采用涤纶绒布滤料 清灰方式采用脉冲喷吹 3 根据烟气温度和滤料最高限制温度确定预冷却系统每种滤料都有一个可以使用的最高限制温度 涤纶绒布的最高限制温度为130 而处理的烟气温度较高 因此要对烟气进行预冷却 通过混入大量车间内冷空气来实现烟气降温 三 设备设计实例 4 根据经验确定和计算烟气量根据经验数据 烟气冷却到120Y时 每吨炉料发生的烟气量为5500m341 则总烟气星为5x5500 27500m3 h 换算成标准状态 273K 101 3kPa 下的烟气量为 三 设备设计实例 考虑到管道回转装置和惯性灭火器漏风 附加20 则除尘器进口烟气量为 混风后烟气温度降为 三 设备设计实例 三 设备设计实例 脉冲喷欢清灰方式的滤袋长度可达十几米 这里选择滤袋长度为2 5m 直径为0 2m 所以每个滤袋的面积为 三 设备设计实例 泵与风机 泵与风机是提供流体流动动力的流体机械 是处理常用的定型设备 根据泵与风机的工作原理 通常可以将它们分类如下 a 容积式容积式泵与风机在运转时 机械内部的工作容积不断发生变化 从而吸入或排山流体 按其结构个同 又可分为往复式和回转式两种b 叶片式叶片式泵均风机的主要站构是可旋转的 借叶片的叶轮和固定的机壳 通过叶轮的旋转对流体作功 从而使流体获得能量 根据流体的流动情况 可将它们再分为下列几种 离心式泵句风饥 混流式泵匈风机 贯流式泵与风机 c 其他类型的泵与风机如引射泵 旋涡泵 真空泵等 泵与风机 其中叶片式是在环境工程中常用的一种 下面简单介绍叶片式中离心式泵与风机的情况 一 离心式泵与风机的工作原理及性能参数1 工作原理离心式泵与风机的主要结构部件是叶轮和机壳 机壳内的叶轮同定安装于由电动机拖动的转铀上 当电动机带动叶轮旋转时 机内流体便获得能量 2泵的扬程泵的扬程 H 的定义是 泵所输送的单位重量流体从进口至出口的能量增值 也就是单位重量的流体通过泵所获得的有效能量 单位是Nm N m 一 离心式泵与风机的工作原理及性能参数 3 风机的全压和静压 一 离心式泵与风机的工作原理及性能参数 泵的选择与计算 第七章管道布置与设计管道布置与设计是环境工程设计中一个重要的组成部分 管道布置与设计是在完成设备平 立面布置之后进行的一项工作 如一城市的建筑物之间用道路连接一样 环保处理设备 构筑物之间的物料输送都是通过管道进行的 管道布置与设计的主要内容包括 管道材质 管径的选择与计算 管道支架的设计 管道布置图 配管图 管道投资概算 施工说明 第一节管道 阀门 管件的选择与设计一 管道1 常用管材种类 1 钢管钢管有铸铁管 硅铁管 镀锌管和无缝钢管 铸铁管常用作污水管 不能用于输送蒸汽及在有压力下输送爆炸性与有毒气体 其公称直径有50mm 75mm 100mm 125mm 150mm 200mm 250mm 300mm 350mm 400mm 450mm 500mm 600mm 700mm 800mm 900mm和1000mm等 联结方式有承插式 单端法兰式和双端法兰式3种 联结件和管子一起铸出 高硅铁管与抗氯硅铁管适用于输送公称压力2 5 105Pa以下的腐蚀性介质 高硅铁管能耐强酸 含钼的抗氯硅铁管可耐各种含量 温度的盐酸 镀锌管常用于给水 暖气 压缩空气 煤气 真空 低压蒸汽和凝液以及无腐蚀性物料的输送 其极限工作温度为175 且不得用以输送有爆炸性及毒性介质 它分为普通型 公称压力 1MPa 和加强型 公称压力 1 6MPa 两种 无缝钢管可用来输送有压力的物料如水蒸气 高压水 过热水等 还可输送可燃性的和有爆炸性或有毒性的物料 其极限工作温度为435 若输送强腐蚀性或高温介质 900 950 则用合金钢或耐热钢制成的无缝钢管 例如镍铬钢能耐硝酸与磷酸的腐蚀 但它不宜输送具有还原性的介质 2 有色金属管有色金属管有铜管 铝管等 铜管分黄铜管与紫铜管 多用作低温管道 冷冻系统 仪表的测压管线或传送有压力的液体 油压系统 润滑系统 的管道 当温度高于250X 时不宜在压力下工作 铝管常用于浓硝酸 醋酸 甲酸等物料的输送 不能抗碱温度大于160 3时不宜在压力下使用 极限工作温度为200 3 其他管道有搪瓷管 陶瓷管 有衬钢管 聚氯乙烯管凝土管 石棉压力管等 搪瓷管和陶瓷管有很好的耐腐蚀性 且来源广泛 价格便宜 但有脆性 强度差 不耐温度剧变 常用作排除腐蚀性介质的下水管和通风管道 有衬钢管主要用于输送腐蚀性介质 由于有色金属较稀少且价格较高 故可用衬里减少有色金属的 用量 衬里的金属材料有铝 铅等 也可用非金属材料如搪瓷 玻璃 橡胶或塑料等做衬里材料 聚氯乙烯管对于任何含量的各种酸类 碱类和盐类都是稳定的 但对强氧化剂 芳香族碳氢化合物 氯化物及碳氧化物不稳定 可用来输送60C以下的介质 也可用于输送0 以下的液体 常温下轻型管材的工作压力不超过2 5X105Pa 重型管材的工作压力不超过6X10sPa 该材料的优点是轻 抗腐蚀性能好 易加工 但耐热性差 混凝土管有普通 轻型和重型三种 主要用于排水 混凝土管制造容易 价格便宜 但不承压 石棉压力管是输送有压力介质的管道 2 管径管道直径的定性尺寸 管道直径的大小可用管道外径 内径或内外径作为定性尺寸 公称直径 工程上将外径相同而实际内径相近 但不一定相等 的管道用常用公称直径来表示其管道直径的大小 用符号Dg和DN表示 例如 108mm 4mm和 108mm 6mm无缝钢管 都称作公称直径为100mm的钢管 但它们的内径分别是100mm和98mm 采用公称直径的目的 公称直径是管道 阀门和管件的特性参数 采用公称直径可使管道 阀门和管件的联结参数统一 利于装管工程的标准化 公称直径的单位一般以 mm 计 如Dg100 是指公称直径为100mm的管子 另一种是用英制单位 吋 计 1吋约折合25mm Dg100管子也称为4吋管 通风除尘管道一般是用薄钢板制成的 常用的管道规格见下表 实际工程中也可用非标准的管道 3 公称压力公称压力 指管道中在一定温度范围内的最高允许压力 用符号Pg或PN表示 一般来说 管路工作温度在0 120 范围内时 工作压力和公称压力是一致的 但温度高于120 时工作压力低于公称压力 在不同温度下 工作压力与公称压力的关系如下表所示 公称压力从0 25MPa 32MPa共分12级 分别是0 25 0 6 1 0 1 6 2 5 4 0 6 4 10 0 16 0 20 0 25 0 30 0MPa 按目前习惯 Pg0 25 Pg1 6为低压 Pgl 6 Pg6 4为中压 4 阀门与管件 1 阀门阀门可定义为截断 接通流体 含粉体 通路或改变流向 流量及压力值的装置 功能 导流 截流 调节 节流 防止倒流 分流或卸压等 传动方式 手动 气动 电动 液动及电磁动等 阀门的基本参数 公称直径 公称压力 温度以及动力参数 阀门的公称直径系列见下表 阀门种类 按其作用的不同可分为截止阀 调节阀 止逆阀 稳压阀 减压阀 换向阀 防爆安全阀 卸灰阀等 按照阀门的形状和构造分为球心阀 闸阀 蝶阀 针形阀等 截止阀又称为球心阀 它的优点是易于调节流量 操仟可靠 广泛用于各种受压流体管路 在蒸汽和压缩空气管路上也针常使用 但截止阀不能用在输送含有悬浮物和易结晶物料的们路上 闸阀又称闸板阀或插板阀 其特点是利用闸板升降进行开启和流量调节 闸阀的优点是阻力小 容易调节流量 既可用来切断管路 又可用来调节流量 故广泛用于各种气体和液体管路上 蝶阀蝶阀又称翻板阀 由于蝶阀不易和管壁严密配合 所以只适用于调节流量 而不能用于切断管路 在输送空气和烟气的管路上经常用于调节流量 有手动 电动和气动等几种 旋塞阀旋塞阀又称考克 其优点是结构简单 体积小 关启迅速 阻力小且经久耐用 适用于含有悬浮物和固体杂质的管路 但不能精确地调节流量 旋塞阀只适用于公称直径为15 20mm的小口径管路以及温度不高 公称压力在1MPa以下的管路 二 管道设计计算任务管道设计的计算任务为 确定管道的管径和管道系统的压力损失 计算程序及内容 1 绘制管道系统图 又称轴测图 在图中对管段进行编号 标注长度和流量 2 选择管内流速以计算管径 流速选择的原则是 从技术和经济两方面来确定管内流速 当流量一定时 所选择的管内流速较高 则管径降低 材料消耗少 一次性投资减少 但是由于流速较高 压力损失也就较高 运行所需的动力消耗增加 也就是运行费用增加 管道和设备磨损加大 噪声增加 反之 选择低流速所需的管径加大 材料消耗大 一次性投资增加 但压力损失小 上图中 p1 2kgf cm2 200kPa p2 1 5kgf cm2 150kPa A与B的距离为200m 两点的压差为 p1 p2 50kPa 管道阻力与压力差数值相等 两点阻力 压差 也可用公式表示 F阻 f阻 L C V2 L式中 f阻 1m管长的阻力 Pa m C 阻力系数 V 流速 m s L 管道长度 m 由上式可以看出 管道的阻力F阻 L倍 管道的阻力F阻 V2 当流速V相同 管段L相等时 管径d越小 阻力F越大 当管道的材料 输送的流体 温度 管径不变时 阻力系数C也不变 因此 管道直径越小 阻力越大 在选择流速时要选择较低的流速 3 确定管径流速确定后 可根据处理的流体流量计算出管径 计算方法如下 如果管道是圆管则 Q SV d2V 4式中Q 流体体积流量 m3 s S 管道横截面积 m2 V 流体平均流速 m s d 管道直径 m 所以如果管道截面为方形则 S a b Q V式中 a与b分别为管道长边和短边 m 矩形管道一般是通风管道 4 计算系统总压力损失a 最不利管路的概念最不利管路是指压力损失最大的管路 如图所示为某一除尘系统管道 从图中可以看出 最不利管道是1 2 3 4 5 6 7 一般最不利管道是从最远的管段开始 b 计算管路的摩擦压力损失从图中可以看出 管路摩擦压力损失有 p1 2 p2 3 p2 3 p4 5 p6 7 p8 2 各管段的摩擦压力损失可根据式进行计算 c 局部压力损失从图中可以看出 局部压力损失有 pm1 2 有三部分 集气罩 弯头和三通压力损失 pm3 变径管压力损失 pm3 4 设备压力损失 pm4 5 有三个弯头 pm6 7 风帽 pm2 8 集气罩和弯头 d 并联管路压损平衡为了保证并联的各个管路能正常地运行 并联各个管路的压力损失应尽量相等 如不能相等时 各个管路的压损相 差不能超过10 因为 P Pa b Pm 所以图中的两并联管路的压损分别为 P 1 2 p1 2 pm1 2和 p 8 2 p8 2 pm8 2如果 则两并联管道不能按照设计风量进行工作 因此需要通过调节管径或调节阀门开启的位置 来调整压力损失 以使二者压力损失平衡 e 根据上述计算的压力损失值选择风机根据上述计算的并联管道的压力损失加上串联管道 总的压力损失选择风机的大小 同时要考虑整个系统的漏风率 一般漏风率为总风量的10 20 第二节管道布置的原则与要求1 划分系统的原则对于复杂管网下列情况不能合为一个系统 污染物混合可能引起燃烧和爆炸 不同温度气体混合引起管道内结露 不同污染物混合影响回收利用 2 管道布置设计的要求管道布置应符合下列要求 符合处理工艺流程的要求 并能满足处理的要求 便于操作管理 并能保证安全运行 便于管道的安装和维护 要求管道整齐美观 标志明显 并尽量节约材料和投资 管道布置除了符合上述要求外 还应仔细考虑下列问题 1 物料特性输送易燃 易爆物料时 管道中应设安全阀 防爆阀 阻火器 水封 且远离人们经常工作和生活的区域 腐蚀性物料的管道不要安装在通道的上方 在管束中应设置于下方或外侧 冷热管道尽量避开 一般是热管道在上 冷管道在下方 2 考虑便于施工 操作和维修管道要尽量明装架空 尽量减少管道暗装的长度 管道尽量成行 平行敷设 走直线 靠墙布置 减少交叉和拐弯 管道与梁 柱 墙 设备及其他管道之间留出距离 如管道距墙应不小于150 200mm 阀门位置要便于操作和维修 阀门 法兰应尽量错开 以减小间距 3 管道与道路的关系通过人行横道的管道与地面的净距离要大于2m 通过公路的管道与道路的净距离要大于4 5m 通过铁路的管道与铁路的净距离要大于6m 高压电线下不宜架设管道 4 管道维护一般金属管道要注意防锈 同时要用颜色表明管道的用途 输送冷或热的流体 一般要注意保温 并要考虑热胀冷缩 尽量利用L或Z形管道 L或Z形管道不足时架设时需在管道中增加膨胀器 5 与处理工艺的配合以除尘风管为例 风管应垂直或倾斜布置 倾斜角不小于55 如必须水平敷设 要使管道内有足够的流速 保证在风管内不堆积尘 另外