第十四章管道系统的设计

安全系数。一般管道取K=0.1～0.15，除尘管道取K=0.15
～0.2；
• ρ0、p0、T0——通风机性能表中给出的标定状态的空气 密度、压力、温度。一般说，p0=101.3 kPa，对于通风机 t0=20℃，ρ0=1.2 kg/m3，对于引风机t0=200℃，ρ0=0.745 kg/m3；
• ρ、p、T——运行工况下进入风机时的气体密度、压力 和温度。
pm 2 / 2
式中：ζ——局部压损系数； υ——异形管件处管道断面平均流速，m/s。 局部压损系数通常是通过实验确定的。实验时，先测 出管件前后的全压差（即管件的局部压力损失)，再除以 相应的动压ρυ2/2,即可求得ζ值。各种管件的局部压损系 数在有关设计手册中可以查到。
• 二、管道系统压力损失计算 • 管道系统压力损失计算的目的是确定管道断面尺寸和系统
18～22
18 16 12 14 8 14～16 18 10
8
水平管
20 18 14 15 10 16～18 20 12
12
④根据系统各管段的风量和选择的流速确定各管 段的断面尺寸。对于圆形管道，在已知流量Q和预先 选取流速v的前提下，管道内径可按下式计算：
d 18.8 Q / v 或 d 1.88 W / v
由于温度的变化使容器产生“吸进和呼出”而导致的 有机物损耗称为呼吸损耗。通常白天呼出，晚上吸进。 对固定容器而言，蒸气活塞式流动的假设是可行的，但 对移动车辆上的油箱而言，液体的摇动使容器上部的蒸 气随时保持饱和状态，在这种情况下，可假设在变化温 度范围内，蒸气处于平衡状态，有机物的排出量可通过 积分求得。计算的排放量略大于实际排放量。
/ 2lg(K / 3.71d 2.51 / Re )
式中：K——管道内壁粗糙度，m。具体数值见表14 - 1。
表14 - 1 各种材料所作风管的粗糙度K
风管材料 薄钢板或镀锌薄钢板
塑料板 矿渣石膏板 矿渣混凝土板 胶合板 砖砌体 混凝土
木板
粗糙度/mm 0.15～0.18 0.01～0.05
失或沿程压力损失；另一种是气体流经管
道系统中某些局部构件时，由于流速大小
和方向改变形成涡流而产生的压力损失，
称为局部压力损失。摩擦压力损失和局部 压力损失之和即为管道系统总压力损失。
1．摩擦压力损失
根据流体力学的原理，气体流经断面不变的直管时
，摩擦压力损失ΔPLBiblioteka Baidu按下式计算
2
pL l 4Rs 2 lRm
Δp1——管径调整前的压力损失，Pa； Δp2——压力平衡基准值(若调整支管管径， 即为干管的压力损失)，Pa。
• ⑦计算管道系统的总压力损失(即系统中最不利环路的总 压力损失)。
• 以上计算内容可列表进行。 • ⑧根据系统的总风量、总压损选择通风机和电动机。 • 选择通风机的风量按下式计算：
Q0 (1 K1 )Q m3/h
2
Rm 4Rs 2
式中：Rm——单位长度管道的摩擦压力损失，简称比压 损(或比摩阻)，Pa/m；
l——直管段长度，m； λ——摩擦压损系数； υ——管道内气体的平均流速，m/s； ρ——管道内气体的密度，kg/m3； Rs——管道的水力半径，m。它是指流体流经直管段 时，流体的断面积A(m2)与润湿周边x(m)之比，
(1)圆形管道比压损的确定：从式(14 - 2)可知，λ值的确定是 计算Rm值的关键。λ值是管道中气体的流动状态(Re准数)及管 道相对粗糙度(K/d)的函数。在局部排气净化系统中，薄钢板 风管内的空气流动状态大多属于湍流光滑区到粗糙区之间的 过渡区。通常，高速风管内的流动状态也处于过渡区。只有 管径很小，表面粗糙的砖、混凝土风管内的流动状态才属于 粗糙区。计算过渡区摩擦压损系数的公式很多，而适用范围 较大，广泛采用的是克里布洛克(Colebrook)公式：
要计算混合物的转移和呼吸损耗，先观察一小部分汽 油汽化到容器的液面上空间，这样汽油的蒸气压和分子量 近似于无汽化时相应的值，由图10－5，20℃时汽油的蒸 气压约为0.4 atm，分子量约为60 g/mol。
第三节 燃烧法控制VOCs污染
VOCs pollution control during combustion
• 为Q1=4 950 m3/h，Q2=3 120 m3/h。要求确定该系统的管 道直径和压力损失，并选择风机。
• 解：(1)管道编号并注上各管段的流量和长度。
• (2)选择计算环路。一般从最远的管段开始计算。本题 从管段①开始。
• (3)有色冶炼车间的粉尘为重矿粉及灰土，按表14 - 2取 水平管内流速为16 m/s。
• 计算出Q0和Δp0后，即可按通风机产品样本给出的性能曲 线或表格选择所需通风机的型号规格。
• 所需电动机的功率Ne可按下式计算
•
N Q0p0 K
e 3.6 10 612
(kW) (14 -13)
• 式中：K——电动机备用系数。对于通风机，电机功率为2 ～5 kW时取1.2，大于5 kW时取1.15；对于引风机取1.3 ；
(mm) （14 – 9）
Q——体积流量，m3/h； W——质量流量，kg/h。
对于除尘管道，为防止积尘堵塞，管径不得小于下列 数值：输送细粉尘(如筛分和研磨的细粉)，d≥80 mm； 输送较粗粉尘(如木屑)，d≥100 mm；输送粗粉尘(有小块 物)，d≥130 mm。
• ⑤风管断面尺寸确定后，按管内实际流速计算压损。压损 计算应从最不利环路（系统中压损最大的环路)开始。
三、泄露损耗及控制 leak lossing and control 1、充入、呼吸和排空损耗 当VOCs溶液在充入容器或从容器中导出时，由于温 度和气压的变化，VOCs气体逸出，此类排放称为操作损 耗。图10－4是VOCs充入、呼吸和排空损耗的示意图。当 液体进入容器时，液面上升，容器上的蒸气空间（顶空） 减少，蒸气通过顶部排气筒排出；当从容器中抽取液体时， 液面下降，空气通过排气筒进入容器顶空。容器无开口时， 改变液面会在充入时引起加压或在排空时引起真空。
垂直管 水平管
粉尘性质
垂直管
粉状的粘土和砂
11
耐火泥
14
重矿物粉尘
14
轻矿物粉尘
12
干型砂
11
煤灰
10
湿土(2％以下水分) 15
铁和钢(尘末)
13
棉絮 8
水泥粉尘
8～12
13 铁和钢(屑)
17 灰土、砂尘
16 锯屑、刨屑
14 大块干木屑
13 干微尘
12 染料粉尘
18 大块湿木屑
15 谷物粉尘
10
麻(短纤维粉尘、 杂质)
• (4)计算管径和压力损失：
第二节 VOCs污染预防
Pollution preventing for VOCs VOCs污染控制技术基本上可分为两大类：第一类是 以改进工艺技术、更换设备和防止泄漏为主的预防性措 施；第二类是以末端治理为主的控制性措施（见图10－ 2）。
为了采取有效的预防性措施，必须编制VOCs控制计 划（见图10－3）,明确生产部门、使用部门和管理部门 的职责，调查VOCs排放清单，包括VOCs种类、强度、 设备的工作条件和运行状态以及管理状况，为进一步决 策提供依据。
②根据现场实际情况布置管道，绘制管道系统轴 测图，进行管段编号，标注长度和风量。管段长度 一般按两管件中心线间距离计算，不扣除管件(如三 通、弯头)本身长度。
③确定管道内的气体流速。表l4 - 2所列为除尘管 道内最低气流速度，可供设计参考。
表l4 - 2 除尘管道内最低气流速度单位：m/s
粉尘性质
呼吸、充入和排空损耗可通过在容器出口附加的真空 压力阀也叫蒸气保护阀来控制。当通过的压力差异较小 时，阀门是关闭的。当充入、倒空或温度与压力有较大 变化时引起明显的蒸气流出、流入，阀门会自动打开。
2、汽油的转移和呼吸损耗
VOCs的挥发主要取决于有机物质的蒸气压和分子量。 对于纯组分（如对苯）而言，分子量是常数，蒸气压是温 度的简单函数。而对VOCs混合物（如汽油）而言，液态 有机物汽化时蒸气的蒸气压和分子量都变化，挥发量是温 度、分子量和蒸气压的函数。汽油的蒸气压、分子量随挥 发量的变化见图 10－5。
第十四章 管道系统的设计
管道系统设计内容广泛，本章重点介绍管道系统的 压力损失计算、管道布置、管道保温、防腐和防 爆及管道热补偿设计等内容。
•
第一节 管道系统压力损失计算
• 一、管道内气体流动的压力损失
• 管道内气体流动的压力损失有两种，一种 是由于气体本身的粘滞性及其与管壁间的
摩擦而产生的压力损失，称为摩擦压力损
• η1——通风机全压效率，可由通风机样本中查得，一般为 0.5～0.7；
• η2——机械传动效率，对于直联传动为1，联轴器传动为 0.98，皮带传动为0.95。
• 三、管道计算实例
• [例14 - 1] 某有色冶炼车间除尘系统管道布置如图14 - 1 所示。系统内的气体平均温度为20℃，钢板管道的粗糙度 K=0.15 mm，气体含尘浓度为10 g/m3，所选除尘器的压 力损失为981 Pa。集气罩l和2的局部压损系数分别为 ζ1=0.12，ζ2=0.19，集气罩排风量分别
一、VOCs替代 substitute of VOCs 涂料施工、喷漆、电缆、印刷、粘接、金属清洗等行
业都需利用有机溶剂作为原材料的稀释剂或清洗剂，在使 用过程中，这些有机溶剂绝大部分经挥发进人到大气环境 中,造成严重的局部污染,因此，采用无毒或低毒原材料代 替或部分代替有机溶剂，做到不排或少排有害的VOCs是 减少这类污染的有效途径，具体减少有机溶剂用量的方法 见表 10－6.
式中：Q——管道计算的总风量，m3/h； K1——考虑系统漏风所附加的安全系数。一般管道
取K=0.1；除尘管道取K=0.1～0.15。
• 选择通风机的风压按下式计算：
• •
p0
(1 K 2 )p
0
(1
K
2
)p
Tp 0 T0 p
（14 -12）
• 式中：Δp——管道计算的总压力损失，Pa：
•
K2——考虑管道计算误差及系统漏风等因素所采用的
1.0 1.5 1.0 3～6 1～3 0.2～1.0
• (2)矩形管道比压损的确定：
• ①流速当量直径计算法：矩形管道的流速当量直径定义为 ，若矩形管道和某圆形管道的压损系数相等、管道内流速 相等和管道比压损相等时，则将圆形管道的直径称为该矩 形管道的流速当量直径，以dv表示。
• 由上述定义，经推导可以得到边长为a、b的矩形管道流速 当量直径的计算为
的压力损失，并由系统的总风量和总压力损失选择适当的 风机和电机。管道计算的常用方法是流速控制法，也称比 摩阻法，即以管道内气流速度作为控制因素，据此计算管 道断面尺寸和压力损失。 • 用流速控制法进行管道计算，通常按以下步骤进行：
①确定各抽风点位置和风量、净化装置、风机和 其他部件的型号规格、风管材料等。
二、工艺改革 The craft reforming 通过工艺改革以减少VOCs的形成比末端治理措施更
为经济有效。许多依赖挥发性溶剂的涂料和装潢工艺已 逐步被其他非挥发性溶剂工艺所取代。
减少石油及石油化工生产过程中的原料及成品等的 各种耗损也是减少VOCs排放的重要措施。石油化工厂 在生产、储存和运输的各个环节中，都会产生烃类的排 放和泄漏。这些排放和泄漏造成了原材料的损耗并污染 了大气，因此应采取各种方法回收利用放空气体，改进、 改善工艺设备，减少油品的挥发损失。
用燃烧方法将有害气体、蒸气、液体或烟尘转化为无 害物质的过程称为燃烧法净化，亦称焚烧法。燃烧法净化 时所发生的化学反应主要是燃烧氧化作用及高温下的热分 解。因此，这种方法只能适用于净化那些可燃的或在高温 情况下可以分解的有害物质。燃烧法还可以用来消除恶臭。 由于有机气态污染物燃烧氧化的最终产物是CO2和H2O,因 而使用这种方法不能回收到有用的物质，但由于燃烧时放 出大量的热，使排气的温度很高，所以可以回收热量。
• ⑥对并联管道进行压力平衡计算。两分支管段的压力差应 满足以下要求：除尘系统应小于10％，其他通风系统应小 于15％。否则，必须进行管径调整或增设调压装置(阀门 、阻力圈等)，使之满足上述要求。调整管径平衡压力： 可按下式计算：
d 2 d1 (p1 / p2 )0.225
式中：d2——调整后的管径，mm； dl——调整前的管径，mm；
dv 2ab /(a b)
②用“计算表”直接计算：上述的“计算表”已专 门作出了矩形风管压损计算表，可根据已知的流量和 选取的流速在“计算表”中直接查出需要设计的管道 尺寸和Rm值。
2、局部压力损失 气体流经管道系统的异形管件（如阀门、弯头、三通等 ）时，由于流动情况发生骤然变化，所产生的能量损失称 为局部压力损失。局部压力损失ΔPm一般用动压力的倍数 表示，即