第九课管道设计与布置

第九课管道设计与布置2第一节概述3一、管道布置设计的意义管道是生产过程不可缺少的部分，其重要性：-物料、水、汽、气、冷、都用管道输送；-设备间的相互连接要靠管道；-与操作有直接的关系；-影响厂房车间设计的美观、通风和采光。在发酵工厂的工艺设计中，管道的布置设计是施工图阶段中工作量最大、费时最长的一项工作。4德国KASPARSCHULZ微型啤酒设备5捷克的微型啤酒设备6包装车间管道系统7啤酒过滤机管道系统硅藻土过滤机8发酵区管道系统9组成：由管、管件、阀门以及输送机械等组成的。作用：将生产设备连接起来，担负输送任务。管路系统

当流体流经管和管件、阀门时，为克服流动阻力而消耗能量。因此，在讨论流体在管内的流动阻力时，必需对管、管件以及阀门有所了解。一、管路系统10分类：按材料：铸铁管、钢管、特殊钢管、有色金属、塑料管及橡胶管等；按加工方法：钢管又有有缝与无缝之分；按颜色：有色金属管又可分为紫钢管、黄铜管、铅管及铝管等。表示方法：φA×B×C，其中A指管外径，B指管壁厚度，C指管子长度，如φ108×4×6000即管外径为108mm，管壁厚为4mm，管长为6000mm。1管子(pipe)11作用：改变管道方向(弯头);

连接支管(三通);改变管径(变形管);堵塞管道(管堵)。螺旋接头卡箍接头弯头三通变形管管件：管与管的连接部件。2管件(pipefitting)1213截止阀

(globevalve)闸阀(gatevalve)止逆阀(checkvalve):单向阀装于管道中用以开关管路或调节流量。3阀门

(Valve)14阀门按用途和作用分类调节阀类——主要用于调节介质的流量、压力等。包括调节阀、节流阀、减压阀等。止回阀类——用于阻止介质倒流。包括各种结构的止回阀。分流阀类——用于分离、分配或混合介质。包括各种结构的分配阀和疏水阀等。安全阀类——用于介质超压时的安全保护。包括各种类型的安全阀。截断阀类——主要用于截断或接通介质流。包括闸阀、截止阀、隔膜阀、球阀、旋塞阀、碟阀、柱塞阀、球塞阀、针型仪表阀等。15Installationmaterial•Tubes•Fittings•PipeconnectionsValves•Butterflyvalves•Double/single-seatvalves•Diaphragmvalves•SamplingdevicesFilters,sightglasses•Passage/angularfilters•Crosssightglasses1617LKBAutomaticorManualButterflyValve1819202122TheKIESELMANNDoubleSeatValve232425MixproofValvesUniqueUltraCleanTopofthelineinourUniquerange,meetingthehighestdemandsforhygienicprocessing.2627Tubesandfittings28人孔29阀阵30Leakagebutterflyvalves31截止阀(globevalve)

特点：构造较复杂。在阀体部分液体流动方向经数次改变，流动阻力较大。但这种阀门严密可靠，而且可较精确地调节流量。应用：常用于蒸汽、压缩空气及液体输送管道。若流体中含有悬浮颗粒时应避免使用。结构：依靠阀盘的上升或下降，改变阀盘与阀座的距离，以达到调节流量的目的。32闸阀(gatevalve)：闸板阀特点：构造简单，液体阻力小，且不易为悬浮物所堵塞，故常用于大直径管道。其缺点是闸阀阀体高；制造、检修比较困难。应用：较大直径管道的开关。结构：闸阀是利用闸板的上升或下降，以调节管路中流体的流量。33止逆阀(checkvalve):单向阀特点：只允许流体单方向流动。应用：只能在单向开关的特殊情况下使用。结构：如图所示。当流体自左向右流动时，阀自动开启；如遇到有反向流动时，阀自动关闭。3435离心泵离心风机高压风机

4输送机械(泵、风机)361结构2工作原理

叶轮轴

6~12片叶片机壳等。蜗牛形通道；叶轮偏心放；可减少能耗，有利于动能转化为静压能。叶轮机壳底阀(防止“气缚”)滤网(阻拦固体杂质)

由于离心力的作用，泵的进出口出产生压力差，从而使流体流动。离心泵的工作原理373工作过程启动后，叶轮旋转，并带动液体旋转。液体在离心力的作用下，沿叶片向边缘抛出，获得能量，液体以较高的静压能及流速流入机壳(沿叶片方向，u,P静

)。由于涡流通道的截面逐渐增大，P动

P静。液体以较高的压力排出泵体，流到所需的场地。叶片不断转动，液体不断被吸入、排出，形成连续流动。

由于液体被抛出，在泵的吸扣处形成一定的真空度，泵外流体的压力较高，在压力差的作用下被吸入泵口，填补抛出液体的空间。启动前，前段机壳须灌满被输送的液体，以防止气缚。38离心泵实际安装示意图39

离心泵若在启动前未充满液体，则泵壳内存在空气。由于空气密度很小，所产生的离心力也很小。此时，在吸入口处所形成的真空不足以将液体吸入泵内。虽启动离心泵，但不能输送液体。此现象称为“气缚”。

“气缚”（airbinding）

为便于使泵内充满液体，在吸入管底部安装带吸滤网的底阀，底阀为止逆阀，滤网是为了防止固体物质进入泵内，损坏叶轮的叶片或妨碍泵的正常操作。40气蚀现象

当离心泵的进口压力小于环境温度下的液体的饱和蒸汽压时，将有大量的蒸汽液体中逸出，并与气体混合形成许多小气泡。当气泡到达高压区时，蒸汽凝结，气泡破裂，液体质点快速冲向气泡中心，质点相互碰撞，产生很高的局部压力。如果气泡在金属表面破裂凝结，则会以较大的力打击金属表面，时其遭到破坏，并产生震动，这种现象称为“气蚀现象”。气蚀现象一旦发生，会造成很大的破坏作用，应尽量避免。41敞开式半开式封闭式泵壳：蜗牛壳形通道。有利于将叶轮抛出液体的动能转变成静压能；有利于减少能耗。

叶轮：离心泵的主要工作部件42单螺杆泵是一种内啮合回转式容积泵，当单线螺旋的转子在双线螺旋的定子孔内绕定子轴线作行星回转时，转子一定子付之间形成的密闭腔就连续的、匀速的、容积不变的将介质从吸入端输送到压出端。43离心式通风机离心式通风机工作原理与离心泵相同，结构也大同小异。

离心通风机及叶轮1—机壳;2—叶轮;3—吸入口;4—排出口244罗茨鼓风机罗茨鼓风机的工作原理与齿轮泵类似。如图所示，机壳内有两个渐开摆线形的转子，两转子的旋转方向相反，可使气体从机壳一侧吸，从另一侧排出。转子与转子、转子与机壳之间的缝隙很小，使转子能自由运动而无过多泄漏。45真空泵真空泵的一般特点

真空泵就是从真空容器中抽气、一般在大气压下排气的输送机械。若将前述任何一种气体输送机械的进口与设备接通，即成为从设备抽气的真空泵。然而，专门为产生真空用的设备却有其获得之处。（1）由于吸入气体的密度很低，要求真空泵的体积必须足够大；（2）压缩比很高，所以余隙的影响很大。46水环式真空泵工作原理47水环真空泵的外壳呈圆形，其中的叶轮偏心安装。启动前，泵内注入一定量的水，当叶轮旋转时，由于离心力的作用，水被甩至壳壁形成水环。此水环具有密封作用，使叶片间的空隙形成许多大小不同的密封室。由于叶轮的旋转运动，密封室外由小变大形成真空，将气体从吸入口吸入；继而密封室由大变小，气体由压出口排出。水环真空泵结构简单、紧凑，最高真空度可达85%。48改变离心泵的转速或改变叶轮外径，以改变泵的特性曲线。

调节流量实质上就是改变离心泵的特性曲线或管路特性曲线，从而改变泵的工作点。离心泵的流量调节，通常从两方面考虑：两者均可以改变泵的工作点，以调节流量。在排出管线上装适当的调节阀，以改变管路特性曲线；二、管路的流量调节49当阀门关小时，管路局部阻力加大，管路特性曲线变陡，泵的工作点由M移到M1。流量由QM减小到QM1。

改变阀门开度以调节流量，实质是用开大或关小阀门的方法来改变管路特性曲线。M1MM2QM1QMQM2Q或QeH或HeH-Q12当阀门开大时，管路局部阻力减小，管路特性曲线变得平坦一些，工作点移到M2，流量加大到QM2。1改变阀门的开度50要把泵的转数提高到n1，泵的特性曲线就上移到nM1位置，工作点由M移到M1，流量和压头都相应加大;

改变离心泵的转数以调节流量，实质上是维持管路特性曲线不变，而改变泵的特性曲线。M1MM2Q或QeH或HeH-QHe-Qen1nn2若把泵的转数降到n2，泵的特性曲线就移到nM2位置，工作点移到M2，流量和压头都相应地减小。2改变泵的转数51

车削叶轮的外径是离心泵调节流量的一种独特方法。在车床上将泵叶轮的外径车小，这时叶轮直径、流量、压头和功率之间关系，可按经验公式进行计算。3车削叶轮的外径52采用什么方法来调节流量，关系到能耗问题。改变阀门开度调节流量方法简便，应用广泛。但关小阀门会使阻力加大，因而需要多消耗一部分能量以克服附加的阻力，该法不经济的。改变转速调节流量可保持管路特性曲线不变，流量随转速下降而减小，动力消耗也相应降低，因节能效果显著，但需要变速装置，难以做到流量连续调节。4几种流量调节方法的比较53改变叶轮直径可改变泵的特性曲线，但可调节流量范围不大，且直径减小不当还会降低泵的效率。

在输送流体量不大的管路中，一般都用阀门来调节流量，只有在输液量很大的管路才考虑使用调速的方法。54并联和分支管路称为复杂管路。ABABC并联管路分支管路三、复杂管路551、测速管（毕托管）2、孔板流量计3、转子流量计四、流量的测定56Ru1,p1U2=0p2u3外测压孔管口1测速管5721RA1A0A2缩脉：流体截面的最小处。2孔板流量计58组成：锥形玻璃管和转子原理：转子上下的压差与转子的净重力（重力与浮力之差）相等。注：流体的流动方向。3转子流量计5960阀门管子管件(弯头)输送机械(泵)返回麦汁一级发酵罐柱式供养器泵板式灭菌器二级发酵罐酵母分离器搅拌式多罐型啤酒连续发酵流程图菌种啤酒酵母泥61

二、管道设计与布置的内容

-管道的设计计算-管道的布置62三、管道设计与布置的步骤

1．选材（根据介质的化学性质、流动状态、温度和压力，进行经济合理地选择）2．流速（根据介质的性质、输送状态、粘度、成分和流量，参照有关表格数据选择合理经济的介质流速）3．确定管径（根据介质的流量和流速，通过计算、查图或查表）4．确定壁厚（满足压力的要求，按公称压力计算的壁厚可以满足强度的要求）635．连接方式（等径连接，不等径连接；可根据管材、管径、介质的压力、性质、用途、设备或管道的使用状态，确定连接方式）6．选阀门7．热补偿器8．绝热形式9．布置三、管道设计与布置的步骤6410．阻力损失11．管架和固定方式12．确定管架跨度13．管道固定用具14．绘制管道图15．编制管材、管件、阀门、管架、绝热材料综合汇总表16．选择管道防腐措施三、管道设计与布置的步骤65不锈钢化学成分66轴向/轴向密封的双座防混阀在开关过程中阀盘的位置阀开启时，下部的阀盘提升，下部阀盘和阀座间的腔体使阀开启时的泄漏量降到最少。当下阀盘接触到上阀盘，隔离腔关闭。下阀盘推动上阀盘到阀门完全开启时，阀门完全打开。6768过滤机管道系统69第二节工艺管道的设计计算70

一、管子、管件和阀门的选择

1．公称直径为了使管子、法兰和阀门等部件连接尺寸统一，将管子和管道用的零部件的直径加以标准化后的标准直径，称公称直径。用DN表示。例如DN100。公称直径是管子的名义直径，既不是内径，也不是外径。它是一个相近于外径又小于外径的一个数值。只要管子的公称直径一定，管子的外径就确定了。管子的内径则因壁厚不同而不同。例：DN150外径=159常用壁厚4.5和6.0，则内径分别为150和147712．公称压力

公称压力就是通称压力，一般应大于或等于实际工作的最大压力。管道、法兰和阀门等零部件所承受的压力，分成若干个规定的压力等级，这种规定的标准压力等级就是公称压力。公称压力的数值，一般是指在工作介质温度在0～120℃范围内的最高允许的工作压力。公称压力25×105Pa,用ＰＮ２５表示。723.管材选择（１）无缝钢管材料：碳钢用途：压力物料、蒸汽、压缩空气管路。温度：超过４３５℃，则须用合金钢管。热轧：外径３２～６００；壁厚２５～５０；冷拉：外径４～１５０；壁厚１～１２；例：Φ４５×３.５73（２）电焊钢管螺旋电焊钢管：碳钢板条卷制，连续螺旋焊接，壁厚６～８；用于：大口径（Φ２００）低温、低压管道，钢板卷管：碳钢板条卷制，直缝焊接，壁厚８～１２；用于：大口径（Φ６００）低温、低压管道，一般为安装单位在现场制作。74（３）水煤汽管材料：碳钢，壁厚２.７５～４.５；加厚３.２５～５.５用于：低温、低压的水管种类：镀锌管（白管）；不镀锌管（黑管）75（4）不锈钢管1Cr18Ni9Ti0Cr18Ni12Mo2Ti0Cr18Ni9Ti1Cr14Mn14Ni不锈钢耐酸不锈钢76二、管径计算（一）管径的计算与选择

Q

D=１８.８ω

D-管道内径（mm）Q-液体流量(m3/h)ω-液体的流速(m/s)77（二）管道介质流速选择

（查表８－１Ｐ１７３）78三、管子壁厚计算根据公称压力ＰＮ和公称直径ＤＮ，查表选择管道壁厚。一般情况下很少计算管壁厚度。79四、管道压力降计算（一）直管阻力Ｈ１计算

ιγω2

ΔＰ＝λd2gιω2

H1＝λd2gΔＰ-直管压力降（kPa）H1-直管阻力（m液体柱）ι-管道总长度（m）

d-管道内径(m)ω-流体流速(m/s)

γ-流体重度(kg/m3)g-重力加速度λ-摩擦系数。是雷诺数Re与管道粗糙度的函数，查《化工原理》。80(二)局部阻力Ｈ２计算(当量长度法)

当量长度概念：流体通过某一管件或阀门时，局部阻力造成的压力损失，相当于流体通过与其具有相同管径的若干米长度的直管的压力损失，此直管长度称为当量长度，用符号le表示。意义：将局部阻力转化为计算直管阻力。应用：将管路中直管长度和管件、阀门、三通、各种弯头等的当量长度合并在一起计算，十分方便。81例：一个截止阀全开时的Le/d数值由表查得为300，若此截止阀是装在管径为114×4mm的管路中，求它的当量长度（单位为m）。