实用工艺热风管道设计计算.pdf
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1、实用标准 精彩文档 第 8 章工艺热风管道设计计算 热风管道设计计算是水泥厂工艺设计必不可少的组成部分,涉及了水泥生产 的各个工段。本章主要内容包括:工况下的热风管道管径计算,管道阻力计算, 管网阻力计算,管道重量计算,膨胀节选型计算,管道支座受力计算,收尘设备 的保温计算以及不同工况下管道风速,管道壁厚的选取等内容。 8.1 热风管道设计计算 8.1.1 热风管道管径计算 1一般地区 对于海拔高度 25m/s 时,阻力大,不经 济;风速 15m/s时,风管壁厚应适 当加大。 (3) 为防止大型风管的刚度变形, 在其长度方向每隔2.5m 增加一道加固圈, 加固圈可用宽 5080mm ,厚度为
2、58mm 的扁钢制作。 (4)风管的法兰规格、螺栓孔径、数量等均应按表中给定尺寸确定。 8.1.5 管道阻力计算 1阻力计算公式 风管系统阻力应为管道的摩擦阻力与局部阻力之和: 实用标准 精彩文档 0 2 n K 2 ) D L (P (8-3) 式中: 气体与管道间的摩擦阻力系数,清洁空气入值一般为0.020.04 ,对含尘 气体管道,当含尘浓度50g/m 3 时,需校正: 表 8-4 校正系数 含尘浓度( g/m 3) 50 50 100 150 校正系数1.0 1.01 1.02 1.03 L风管长度, m ; 管件及变径点阻力系数,见附录12; v风管中气体流速, m/s; 空气密度,
3、 kg/m 3,20时 =1.29; K0阻力附加系数, K0=1.151.20 ; Dn风管直径, m ;非圆管道一般折算成等速当量直径de 后,按圆形管道方式计 算: ba ab de 2 (8-4) 式中: de等速当量直径, m ; a,b矩形风管的边长, m 。 2摩擦阻力系数计算 管道内摩擦阻力系数值与介质流动状态、雷诺数Re及管壁粗糙度等因 素有关,对于钢板焊接的管道其摩擦系数计算如下: (1) 2 ) Q lg(1.274 1.42 = (8-5) 式中: 摩擦阻力系数,见表8-6,8-7; Q 管内气体流量, m 3/h ; 管内气体流速, m/s; 管壁粗糙度, mm ,一
4、般取 =0.1mm 。值详见表 8-5。 表 8-5 值 管道类别绝对粗糙度(mm ) 新无缝或镀锌钢管0.01 0.05 轻度腐蚀的无缝钢管0.2 0.3 重度腐蚀的无缝钢管0.6 0.7 (2) 2e 1.74) d (2lg 1 (8-6) 实用标准 精彩文档 式中: de当量直径, m ; 管壁粗糙度, m 。 表 8-6 摩擦阻力系数值 管壁粗糙度当量直径de (m )摩擦阻力系数 值 管壁粗糙度当量直径de (m )摩擦阻力系数 值 =0.0002 0.1 0.023 =0.0004 0.6 0.018 0.2 0.020 0.7-0.8 0.017 0.3 0.018 0.9-1
5、.0 0.016 0.4 0.017 1.5 0.015 0.5 0.016 2.0 0.014 =0.0004 0.1 0.028 2.5-3.0 0.013 0.2 0.023 3.5-4.0 0.012 0.3 0.021 4.5 0.0117 0.4 0.020 5.0 0.0115 0.5 0.019 表 8-7 管道有内衬的值 当量直径de(mm) 焊接的钢烟气管焊接的钢煤粉管 800 0.015 0.017 3局部阻力系数值 该系数指动压头单位的局部损失数,是由于气流经各种管件(三通、弯头、 变异管、阀门等)流向变换、冲击或流速变化而引起的压力损失。清洁气体局部 系数按附录 12
6、 选取,但带粉尘的局部阻力系数应加以修正,修正公式如8-7。 )+(1= J0F (8-7) 式中: 0清洁气体局部阻力系数,见附录12; F带粉尘的气体局部阻力系数; J根据测试确定系数,取0.8 1.0 ; 气体混合物浓度, kg/kg 。 4阻力平衡计算 水泥厂除尘管道设计时,个别车间有多个收尘点(如包装车间),形成多个 支管路,而这些支管与总干管交汇处压力必须达到平衡,以保证各点收尘效果。 平衡阻力一般有两种方法: 一种是在管道设计时通过改变管径、弯头曲率半 径或改变风量达到阻力平衡; 另一种是投产前在现场进行 逐点测试, 以每支管阀门开度大小来求阻力平衡。此法比 较繁琐,难以达到平衡
7、, 最好事先在设计中使阻力达到平 衡,计算方法如下: 当支管与总管交汇处压力差20% 时,改变阻力大的 1L =5.2m 1 3 v =15m/s=0.511 L =4 .5 m 2 = 0 . 55 2 =1 8 m /s 2 2 Q =1045m/h Q= 8 50 m /h 3 图 8-1 管道结构 实用标准 精彩文档 管径,降低流速,以达到阻力平衡。 例:总管长度 L1=5.2m,如图 8-1 示,风量 Q1=1045m 3/h ,风速 v 1=15m/s,局 部阻力系数1=0.5,支管长度 L2=4.5m,风量 Q2=850m 3/h ,风速 v 2=18m/s,局部 阻力系数2=0
8、.55 计算:由 Q1、v1查附录 12知: 当量阻力系数 1/d1=0.11,动压头 2/2=135Pa,管径 d 1=160mm 。 总管阻力: 144.7Pa 135)0.55.2(0.11 2 )( 2 11 1 1 1 L d p 支管阻力:由 Q2、v2查附录 12 知:当量阻力系数 2/d2=0.14,动压头 v 2 /2=194.4Pa ,管径 d2=130mm 。 2 2 222 2 ()(0.144.50.55)194.4229.4 2 v PLPa d 支管阻力:阻力差:(229.4144.7 )/229.4=36%20% 对支管管径 d2进行调整 144.3mm=1.1
9、1130=) 144.7 229.4 (130=) P d=d 0.2250.225 1 2 22 ( 取值为 145mm 重新查附录 12 计算: d2=145mm ,Q2=850m 3/h , 2数为 14.5m/s,2/d2=0.14, 2/2=126.15Pa 。 137.5Pa=126.150.55+4.50.12=P 2 )( 阻力差:4.9% 144.7 137.5-144.7 70,积灰可以不予 考虑。 8.2.4 事故荷载系数 生产中为安全起见,应增加安全系数。一般,安全系数取1.21.3 。 8.3 膨胀节选型计算 8.3.1 膨胀节的作用 热风管道在正常生产时, 受管内热
10、风的影响而产生膨胀,而与其相连接的设 备、风管支座,一般都固定在常温状态下的土建基础上,当受高温影响时,风管 热膨胀产生的巨大应力传递到设备和支座上,轻则导致设备动作不灵, 支座变形, 重责损坏设备和土建基础。 为了保证生产正常进行, 在热风管道的适当位置通常 都安装有膨胀节,以吸收热膨胀量。 1金属膨胀节构造及用途 金属膨胀节种类较多, 水泥厂常用的是 U型波纹管膨胀节。 该膨胀节由厚度 0.81.0mm的不锈钢板( 1Cr18Ni9Ti 或 0Cr18Ni19Ti )压制而成,一般为U形断 面,波纹管两端与短管焊接, 内外筒间隙吸收轴向膨胀时的自由运动,波纹内填 充耐高温的保温层, 以防波
11、纹管磨损及热量散失。 不同的金属膨胀节有高低温之 分,适用不同的压力范围。U型波纹管膨胀节耐高温、高压、使用寿命长,但价 格高,单个使用只能吸收轴向膨胀量,若需要吸收径向膨胀量, 只能用两个膨胀 实用标准 精彩文档 节加中间节来吸收,但增加了费用。此种膨胀节多用于窑尾预热器系统、三次风 管以及生料粉磨管道系统等位置。 2非金属膨胀节构造及用途 此种膨胀节是由合成纤维或是玻纤布外层涂以橡胶制成的,可以吸收轴向和 径向移位量,具有吸收、隔绝震动传递、无力传递等特点,因此常用在锅炉、风 机进出口、磨机出气罩等处,可耐温度为200500。用以补偿烟气因温度变化 引起的移位,以及机械振动、基础下沉等不同
12、情况引起的移位。为简化设计,节 省投资,目前大量选用非金属膨胀节。 3膨胀节技术参数 (1)金属波纹管轴向型膨胀节技术参数 表 8-8 金属波纹管轴向型膨胀节技术参数 例:低温型:TG-2000-4(代号通径波数) 高温型: SYB-2000-4(代号 800通径波数) (2)非金属膨胀节参数 此种膨胀节只适用于热膨胀引起的轴向、径向位移, 其位移指受压缩时的位 移,不能承受拉伸位移。 表 8-9 非金属膨胀节技术参数 系列号圆型SFYY SFYE SFYS 温度代号100(Y) 200(E) 300(S) 工作压力kPa 10 例: SFYY-2020-550( 圆形 100接管外径轴向长度
13、) 8.3.2 膨胀节选型计算 1膨胀量计算 tLL(8-10) 式中: L管道热膨胀量, mm ; L两个相邻固定支座间风管长度,mm ; t 管道内介质与外界温度差,; 管材线膨胀系数, mm/mm , 常用管材 Q235 A的线膨胀系数值见表8-10。 低温轴向型 TG 系列高温轴向型SY系列 通径 DN (mm )4003000 4003000 温度 t ()400 400(C) 600(L) 800(B) 压力( MPa )0.1 0.1 补偿量( mm )以管径及波数而定 工作介质热风、烟气热风、烟气 实用标准 精彩文档 表 8-10 管材线膨胀系数 2膨胀节自振频率计算 膨胀节只
14、适合在高频低振幅的振动场合使用,不适用于低频高振幅的场合。 当波纹膨胀节在高频低振幅系统中使用时,应注意膨胀节的自振频率不能与系统 的振动频率一致,以免产生共振,其自振频率计算如下: (1)轴向振动: G K Cf n (8-11) 式中: f 自振频率, Hz; G 膨胀节重量, kg; Kn整个波纹管轴向刚度,N/mm ; C自振频率系数,取值如表8-11。 表 8-11 各阶数值C C1C2C3C4C5 1 14.23 2 15.31 28.50 37.19 3 15.70 30.27 42.66 52.35 58.28 4 15.70 30.75 44.96 56.99 66.97 5
15、 15.79 31.07 45.72 59.24 71.16 (2)径向振动 G K ) L D C(f n n m (8-12) 式中: Dm波纹管平均直径,mmhdDm,; 温度()( mm/mm)温度()( mm/mm )温度()(mm/mm) 100 12.20 10 -6 270 13.32 10 -6 350 13.67 10 -6 150 12.60 10 -6 280 13.36 10 -6 400 13.90 10 -6 200 13.00 10 -6 290 13.45 10 -6 500 220 13.09 10 -6 300 13.45 10 -6 600 14.30
16、10 -6 230 13.14 10 -6 310 13.49 10 -6 700 15.00 10 -6 240 13.18 10 -6 320 13.54 10 -6 250 13.23 10 -6 330 13.58 10 -6 260 13.27 10 -6 340 13.63 10 -6 阶 数 C 波 数 实用标准 精彩文档 d波纹管直筒直径, mm ; h波纹管高度, mm ; Ln波纹管长度,NqLn,mm ; N波数,个; q波距, mm ; Kn整个波纹管的轴向刚度,N/mm ; C自振频率系数,各阶系数如表8-12。 表 8-12 各阶系数C 阶数C1C2C3C4C5 系
17、数39.93 109.80 214.12 355.79 531.27 (3)膨胀节推力计算 APF N (8-13) 式中: F压力推力, N ; PN管道最大压力, N/mm 2; A波纹管膨胀节有效面积,mm 2。 (4)膨胀节预拉伸计算 当安装地区的环境温度与设计时的安装温度相差较大时,应满足预压缩与拉 伸的要求,计算公式如下: )( DG D t-t t-t 2 1 xX(8-14) 式中: X预拉伸量, mm ; x最大轴向膨胀量, mm ; t 安装时环境温度,; tG管道气体最高温度,; tD管道气体最低温度,。 对于拉伸的膨胀节,应该在拉伸变形后其拉杆安装后再拆除。 8.3.3
18、 膨胀节安装位置及注意事项 1安装位置 为防止热风管道膨胀和设备振动,及减少设备噪音, 一般应在下列各处设置 膨胀节(金属,非金属) : (1)在两个固定支架间安装膨胀节,以抵消土建基础下沉对设备的损坏; (2)在振动设备的进出口安装膨胀节,如立磨、球磨机出口、振动筛等; (3)减少设备的传递载荷,如电收尘器进出口; (4)减少噪音(高压风机进出口连接处) 。 2安装注意事项 实用标准 精彩文档 (1)膨胀节有方向性,不可装反,否则粉尘随气流进入内外筒间隙,灰尘 积满无法伸缩,造成失效; (2)在倾斜及垂直管道上安装膨胀节,为防止粉尘从内、外筒的间隙进入 保温层内,导致膨胀节损坏,应在间隙处装
19、设不锈钢的弹簧片; (3)不允许利用膨胀节的变形来强行调整管道的安装误差(压缩、拉伸、 偏移、偏转),否则,会引起膨胀节的损坏。 8.4 管道支座及支架 管道的固定位置借助固定点将复杂的管系划分为简单的管段,以使支座基础 沉降时,各支座的载荷变化不大,避免设备损坏,故热风管道应合理地分段加以 支撑。 8.4.1 管道支座形式 (1)固定支座:支座与管道焊接后不能动移。 (2)滑动支座:支座与管道结合面不焊死,可以自由活动。 (3)导向支座:支座与管道不焊接,但只允许向一定方向移动。 8.4.2 支座设置位置 (1)热风管道上膨胀节附近,一端应加设固定支座,另一端应设置滑动支 座,如图 8-3。
20、 固定支座 膨胀节 固定支座滑动支座 支架1 滑动支座 支架2 固定支座 膨胀节 图(a) 支架3 铰支座 支架2 G2 支架1 G1 G3 倾斜的接触面 分析单元2 R2(y1) R2(y1) 分析单元1 R1(y)R3(y) G R3(x) G R1(x) R4(y1) X Y1 X1 Y 图 8-3 图 8-5 膨胀节 固定支座 铰杆支架 中部无膨胀节 图c 图 8-4 图 8-6 实用标准 精彩文档 (2)管道上设有两个异径膨胀节时,在两个膨胀节之间应加设固定支座。 (3)管道较复杂时,只允许设置一个固定支座,其余均应设置滑动支座。 (4)大型热风管道弯头处应设置滑动支座或导向支座。
21、(5) 为便于应用标准支座, 倾斜管道倾斜角度宜为30,35, 45, 55。 (6)固定支座与管道结合面,应注明“焊接” ,滑动支座活动面应注明“不 焊” 。 (7)各种阀门不宜设在两个支座之间,应设在管道端部或管道悬臂端膨胀 节附近。 8.4.3 管道支架形式 支架主要与支座配合, 支撑于土建基础上,工艺提供载荷,土建专业据此进 行支架及基础设计。 (1)普通钢支架 过去多采用槽钢或角钢焊制而成,如图8-3,8-5,近年来多用圆形钢管焊 接,受力好,重量轻。 (2)铰杆支架 如图 8-4,8-6 所示,近年来不少水泥厂采用了此种支架,主要是因为受力 清晰,计算简单,节省了设置膨胀节所需费用
22、。 (3)支架的位置 当管道较长时,设有多个不同支架,固定支座设在膨胀节一端,其余皆为导 向支架,设置位置为: L1=4D ,L2=14D ,Lmax以公式计算,如图8-7 L 1=4D (管径) ,L2=14D (管径) ,Lmax按下列公式计算。 KAP IE 57.1L max (8-15) 式中: E管道材料的弹性模量, N/mm 2; I 管道材料断面惯性矩, mm 4; 图 8-7 L =4DL =14DLmax D 固定支架 膨胀节导向支架 12 管道支座位置 实用标准 精彩文档 图 8-8 P管道的工作压力, MPa ; A膨胀节的有效面积, cm 2; K =NKn N膨胀节
23、波纹管波数; Kn膨胀节的总刚度, N/mm ; e膨胀节的单波伸缩量, mm ; 号膨胀受压时取“ +” ,受拉时取“ - ” 。 8.4.4 管道支座受力计算 1计算步骤 (1)首先确定固定支座、活动支座位置,将水平长度、垂直高度、倾斜角 度注在图上; (2)计算管道全长总重量及荷重(自重、保温层重、灰重、事故重); (3)求风管重心点位置; (4)求活动支座反力及三个轴向分力(X、Y、Z 轴) ; (5)求管道摩擦力及三个轴向分力; (6)求管道合力并乘以 1.2 的安全系数后,再求三个轴 向分力; (7)最后求出管道弯矩, 并注在工艺布置图上。 2 同一平面内单一风管支座 计算 热风管
24、道布置如图8-8 所示: 管道直径 2000mm ,壁厚 =6mm ,A 为固定支座, B 为活动支座,支座水平 间距 L2=3000,L3=2000mm ,风管倾斜角 =55,风管两端 C,D各一个重 1000kg 的膨胀节, C点 一个阀门重 G3=2000kg。 (1)重量及长度计算 单位长度风管重: 355.13kg/m=67.8521.2=7.85D1.2=q1 单位长度保温层重: 98.66kg/m=27.85D=q 2 单位长度总重(风管加保温层) : mkgqq/45466.9813.355q 21 风管实长: mm26152 cos55 2000300010000 cos L
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