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1、第11章 管道系统的设计,生化工程系,管道布置与设计是环境工程设计中一个重要的组成部分。在对净化装置及管道进行配置和设计计算后，才能合理的选择设计净化系统的通风机、泵及电动机，以及进行运行控制设计等。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。 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。,一、管道系统的设计,1划分系统的原则：下列复杂管网不能合为一个系统 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管道布置应符合下列要求： 符合处理工艺流程
2、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,（一）管道系统配置的原则与要求,管道布置除了符合上述要求外，还应仔细考虑下列问题： 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。 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
3、及其他管道之间留出距离，如管道距墙应不小于150200 mm； 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。,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。 管道维护 一般金属管道要注意防锈，同时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。,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
4、够的流速，保证在风管内不堆积尘。另外，在管道上要设置卸灰装置和清扫孔。 不同性质的排气，如水蒸气和粉尘不能合用同一管道系统，以免管道堵塞。 风管直径100mm，调节风量可用斜插板阀，且向上开启。 要考虑气流中物料对管道的磨损程度，选择管道的材料、管内流速及弯头处的特殊处理方式与此有关。 高温烟气在进入除尘净化系统前，由于设备材料和结构条件所限，必须予以冷却降温。冷却降温：水冷（又分为直接水冷和间接水冷）；风（空气）冷（分为直接空冷和间接空冷）。除尘中常用间接水冷和间接风冷的方法。,在管道系统配置基础上，确定管段的截面尺寸和阻力损失，求出总流量和总阻力损失，并以此选择适当的风机或泵，配备电动机。
5、 设计步骤： 确定吸风点及风量，选择净化装置，进行管道配置等； 绘制管道系统平面及高程布置图、轴侧图等； 选择管内流体流速； 确定管段截面尺寸； 计算管路阻损，确定最大阻损管路； 对并联管路进行阻损平衡计算。 计算系统总阻损，选择风机和电动机。,（二）管道系统的设计计算,1、根据生产工艺确定吸风点及风量，选择净化装置，进行管道配置，选择管道材料等。 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。 (2)有色金属管 有色金属管有铜管、铝管等。 (3)其他管道 有搪瓷管、陶瓷管、有衬钢管、聚氯乙烯管、混凝土管、石棉压力管等。,铸铁管常用作污水管，不能用于输送蒸汽及在有压力下输
6、送爆炸性与有毒气体。 高硅铁管与抗氯硅铁管适用于输送公称压力2.5105 Pa 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1.6 MPa)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(900950)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
7、腐蚀，但它不宜输送具有还原性的介质。,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250 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 时不宜在压力下使用，极限工作温度为200。 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。
8、,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60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2.5105 Pa，重型管材的工作压力不超过6105Pa。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、绘制管道系统平面及高程布置图，必要时绘制轴侧图，进行管段编号，标注长度和流量；,3、选择管内流体流速 原则：从技术和经济两方面来确定管内流速，以计算管径 当流量一定时
9、，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。,例：图中，p12 kgf/cm2200 kPa，p21.5 kgf/cm2=150 kPa，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)F阻f阻L CV2L f阻：1 m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；
10、 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。,4、确定管段截面尺寸 流速确定后，可根据处理的流体流量计算出管径:d：管径，mm；Q：体积流量，m3/h；G：质量流量，kg/h；V：平均流速，m/s；：流体密度，kg/m3。 对于除尘管道，为防止积尘，要求： 输送细小颗粒粉尘，d80mm； 输送较粗粉尘， d100mm ； 输送粗粉尘，d130mm。,管径的定性尺寸：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
11、外径相同而实际内径相近(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Dg和DN表示。 如108mm4mm 和108mm6 mm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96mm。公称直径的单位一般以“mm”计，如Dg100，是指公称直径为100 mm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。 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。,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。,5、计算管路压
12、损，确定最大压损管路ph-上升管静压损， pa ； pu -动压阻损， pa ； pL -摩擦阻损， pa ； pm -局部阻损， pa ； pi -净化装置阻损之和， pa -局部压损系数；-摩擦压损系数； -平均流速；l-直管段长度； -管道内气体密度； Rs-管道的水力半径。,6、对并联管路进行压损平衡计算 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，两分支管段的阻损差应满足以下要求：除尘系统应10%，其它系统应 15%，否则要进行管径调整或增设调压装置(阀门、阻力圈)。 通过调整管径来平衡压力，可按下式计算： d2 = d1(p1 / p2)0.
13、225 d1、d2-分别为调整前后的管径，mm； p1 -调整前的压力损失，Pa； p2 -压力平衡基准值(若调整支管管径，即为干管的压力损失),6、对并联管路进行压损平衡计算 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123 4567，一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、 p4-5 、 p6-7 、 p8-2 ，各管段的摩擦压力损失可计算求得。C局部压力损失 从图中可以看出，局部压力损失有： p m1-2（有三部分，集气罩、弯头和三通压力
14、损失）、 pm3（变径管压力损失）、 pm3-4（设备压力损失）、 p m4-5（有三个弯头）、 pm6-7（风帽）、p m2-8（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-bPm，所以图中的两并联管路的压损分别为：P1-2p1-2 +pm1-2和p8-2p8-2 +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,7、计算系统总阻损（按系统中最大
15、阻损环路计算阻损值），求出总风量和总阻损，从而选择风机和电动机 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1020。 风机的选择 风量的计算： Q0=（1+K1）Q Q0 -管道系统的总风量，m3/h； K1 -安全系数，一般管道取00.1，除尘系统取0.1 0.15。,B. 风压的计算P1 -通风机风压，Pa； P-管道系统的总阻损； K2 -安全系数，一般管道取0.10.15，除尘系统取0.15 0.20 0、 P0 、T0- 通风机性能表中给出的空气密度，压力和温度, 一般P0 =1.013 105Pa，对于
16、通风机T0 =20 ， 0 =1.2kg/m3； 对于引风机T0 =200 ， 0 =0.745kg/m3。 、 P、T- 计算运行工况下管道系统总阻损时所采用的气体密度、压力和温度。计算出Q0、 P0后， 按通风机产品样本给出的性能曲线或表格选择所需风机的型号规格。, 泵的选择 流体密度变化较大时，须对所需扬程进行校核： 当初步选定泵后，还需校核泵与管路的真正工作点，若工作点落在泵的有效范围内，则选择是适当的，否则需加以调整。 电机的选择： 电机功率的计算式： K-电动机备用系数，对于通风机，电动机功率为25kW时取1.2， 5kW时取1.3，对于引风机取1.3 1-通风机全压效率，一般为0.5 0.7； 2-机械传动效率，一般直联传动为1，联轴器直接传动取0.98，三角皮带传动取0.95。,
