水工艺设备.docx
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水工艺设备
第一章
材料的主要性能:
一、力学性能二、物理性能三、化学性能四、加工工艺性能
力学性能,指衡量材料抵抗外力导致的变形或不被破坏的能力。
力学性能指标:
1.弹性模量:
2.刚度:
3.塑性4.强度5.硬度6.韧性
物理性能:
密度、熔点、导电性、导热性、磁性、膨胀系数等。
钢中化学成分及其作用:
碳(C)——主要元素。
碳含量高,钢的强度硬度高,但塑性和韧性低。
硫(S)——硫含量高,导致“热脆”
磷(P)——磷含量高,导致“冷脆”
锰(Mn)——减轻硫的危害,提高钢的强度和硬度。
硅(Si)——能使钢的强度,硬度弹性提高,而塑性,韧性降低。
作为合金元素可以提高钢的耐蚀性和耐热性,但过量的硅会降低钢的热加工工艺性能。
加工工艺性能指标:
铸造性:
灰铸铁流动性好,适于铸造。
可锻性:
金属承受压力加工的能力
焊接性
切削加工性:
材料被切削加工的难易程度
热处理:
合金钢热处理性能好
强度愈高的钢,切削加工性、可锻性、焊接性、冲压性性能较低。
普通碳素结构钢(Q235):
Q235-A-F(屈服点235MPa碳素结构钢,A级,沸腾钢)Q195,Q215,Q235,Q255,Q275屈服点数字愈大,钢的强度越高。
F沸腾钢,未标是镇静钢
优质碳素钢(45钢,35Mn)编号方法是采用两位数字表示钢中平均含碳量为万分之几。
若钢中含锰较高则在钢号后面赋以锰的元素符号
碳素工具钢(T12)后面标以数字表示含碳量的千分之几。
若为高级优质碳素工具钢,则在编号后面加以A,例如T8A,T13A等
铸铁特点:
脆性材料,含碳量2.5-4%,含杂质高,抗拉强度、塑性、韧性较差;耐磨性好,成本低。
常用种类:
灰铸铁:
⏹特点:
抗压强度高,切削性能好,但不能承受冲击载荷;
⏹用途:
用于制造承受压力零件,如底座、机架、铸铁管件。
⏹牌号:
HT200——灰铸铁,抗拉强度200MPa
⏹灰铸铁管及管件不能用于城镇供水。
球墨铸铁:
⏹除弹性和韧性较低外,力学性能与钢相类似。
⏹牌号:
QT400-15——抗拉强度400MPa,伸长率15%
⏹球墨铸铁管DN300-1400mm是城市供水系统首选管材。
在碳素钢中加入合金元素(Si,Mn,Cu,Ti,Cr,V),即为合金钢。
合金钢种类:
低合金钢(合金元素<5%)
中合金钢(合金元素5%-10%)
高合金钢(合金元素>10%)
⏹不锈耐酸钢:
指能抵抗酸和其他腐蚀性介质的钢
⏹合金钢的牌号:
12CrNi3钢——表示,碳的平均含量0.12%,铬低于1.5%,镍含3%
钢的分类:
⏹按质量划分——
⏹普通钢:
S≤0.055%P≤0.045%
⏹优质钢:
S≤0.040%P≤0.040%
⏹高级优质钢:
S≤0.030%P≤0.035%
⏹按用途划分——
⏹结构钢
⏹工具钢
⏹特殊性能钢
钢的编号:
⏹1)普通碳素钢——
⏹方法:
字母-数字并列系统——
⏹Q275——
⏹Q235-A·F——屈服强度235MPa的A级沸腾钢
⏹ABCD表示钢材等级,A最低,D最高
⏹F沸腾钢,未标是镇静钢
⏹2)优质碳素结构钢——
⏹S、P含量小于0.040%
⏹编号方法:
用2位数字表示钢中碳平均含量是万分之几。
⏹编号:
45钢——含碳量0.45%
08钢——含碳量0.08%
15Mn
⏹3)碳素工具钢——
⏹编号:
T8——含碳量0.8%
⏹4)合金结构钢——
⏹编号方法:
2位数字+元素符号+数字
⏹数字2、3、4,表示1.5%、2.5%、3.5%
⏹编号:
12CrNi3钢——含碳量0.12%,含Cr量小于1.5%,含Ni3%
⏹钢号后加A代表高级优质合金结构钢
⏹5)合金工具钢——
⏹编号方法同合金结构钢
⏹黄铜:
指铜与锌的合金
⏹特点:
具有一定强度,耐腐蚀性高,铸造性能好。
⏹用途:
⏹常用于制造管件、散热器、垫片
⏹H80,H68塑性好,用于冲压成容器。
⏹青铜指铜与锡、铝、硅的合金。
⏹普通青铜
⏹锡青铜——耐蚀性和耐磨性高,耐酸性差
⏹用途:
制造耐磨擦,耐磨损零件。
⏹如,泵壳、轴瓦、阀门等
⏹特殊青铜
⏹铝青铜——耐蚀性比黄铜锡青铜更好
⏹用于制造在蒸汽和海水条件下工作的耐磨损零件。
⏹硅青铜——耐蚀性、耐磨性好
⏹纯铝:
⏹特点:
在许多介质中具有耐腐蚀性,但铝在含卤素离子溶液中不耐腐蚀,
⏹用于制造热交换器、冷凝器、泵、阀、管(L2,L3,L4)
⏹铝合金:
铝与铜、镁、锌、锰、硅的合金
⏹防锈铝合金:
(LF)耐腐性能高,代替不锈钢;
⏹铸造铝合金:
(ZL)制造阀门、泵、离心机。
蒙乃尔合金——镍铜合金,具有良好的力学性能和机械性能,水工艺中应用较多。
⏹陶瓷性能的主要特点:
不可燃烧性,高耐热性,高化学稳定性,不老化性,高硬度,抗压性好
⏹陶瓷的主要缺点:
脆性大、抗拉、抗弯性能差、对温度剧变的抵抗力低
⏹添加剂作用:
改善材料性能
⏹填料:
提高塑料的力学性能;
⏹增塑剂:
降低材料的硬度和脆性,增强可塑性;
⏹稳定剂:
延缓塑料的老化;
⏹固化剂:
加快塑料的固化速度,提高机械强度;
⏹润滑剂、着色剂、阻燃剂
硬聚氯乙烯塑料(PVC)聚乙烯塑料(PE)聚丙烯管(PP)ABS塑料聚四氟乙烯塑料(F-4)玻璃钢(FRP)
⏹复合材料:
是由两种或两种以上的金属或非金属材料复合而成的一种新型材料。
⏹水工艺设备常用材料选择原则:
1)满足力学性能要求——具有一定强度、连接性能、加工性能好
⏹2)安全性——材料无毒、对水质无污染;耐腐蚀,化学性质稳定
⏹3)经济性——维修、管理方便,经济等方面因素
第二章
⏹金属腐蚀原理:
(一)金属的化学腐蚀1、金属氧化2、钢铁的气体腐蚀
(二)金属的电化学腐蚀1、电化学腐蚀原理2、极化现象3、去极化作用4、金属的钝化
⏹氧化膜的作用:
金属氧化后在表面形成一层氧化物固相膜,保护金属防止继续氧化。
氧化膜厚度与温度有关。
温度越高,氧化膜越厚
⏹保护性氧化膜的条件1)金属表面的氧化膜致密完整,2)氧化膜具有一定强度和塑性;3)氧化膜稳定,不易脱落。
⏹脱碳现象:
钢中的渗碳体Fe3C与O2、H2、CO2和水反应,使渗碳体减少的现象。
⏹氢蚀:
温度>200~300℃,压力>30.4MPa时,氢气使钢产生剧烈脆化的现象。
⏹
电极电位较低的金属形成阳极
⏹不断溶解,产生腐蚀,阳极上多余的电子由金属内部流向电极电位较高的阴极
⏹电极电位较高的金属形成阴极
极化现象:
指原电池由于电流通过,使阴极和阳极电位偏离起始电位值产生过电位的现象。
⏹极化的结果:
极化使阳极电位升高,使阴极电位下降,使两电极的电位差减小
去除极化会促进阳极和阴极过程进行,即去极化会加速腐蚀进行。
⏹析氢腐蚀的影响因素:
金属材料的性状
⏹材料与表面状态不同,氢过电位值不同。
⏹氢过电位值低,加速腐蚀。
⏹溶液的pH值
⏹pH值低,H离子浓度高,EH升高,加速金属腐蚀
⏹阴极区的面积
⏹阴极区面积增大,氢过电位小,阴极极化率降低,析氢加速,腐蚀速度加快;
⏹温度
⏹温度升高,氢过电位减小,阴阳两极电极反应加快,腐蚀速度加快。
⏹氧去极化腐蚀:
在中性和碱性溶液中,金属腐蚀过程的阴极反应是溶液中的氧分子被还原反应,又称吸氧腐蚀
⏹金属的钝化;金属与介质作用后,失去化学活性,使金属更稳定的现象
金属的腐蚀破坏形态:
1、全面腐蚀2、局部腐蚀3、应力作用下的腐蚀类型4、微生物腐蚀
全面腐蚀的预防措施:
设计时预留足够的腐蚀裕量,采用保护性覆盖层,使用缓蚀剂,电化学保护
⏹非金属无机材料的腐蚀原理:
硅酸盐中的SiO2在碱、氢氟酸、高温磷酸作用,形成可溶性的物质,产生腐蚀作用
⏹有机材料腐蚀的类型:
物理腐蚀:
高分子材料在介质中溶解的现象
⏹化学腐蚀:
高分子中极性基团与特定的介质发生化学反应,改变材料的性能,造成老化或裂解的现象。
⏹微生物腐蚀:
不含増塑剂的塑料具有较好的抗微生物腐蚀的能力。
⏹应力腐蚀:
高分子材料在受力状态下,发生的物理或化学腐蚀,材料产生裂纹直至断裂的现象。
⏹设备底部与出口管的布置图
设备的电化学保护包括阴极保护和阳极保护
阴极保护时的注意事项:
介质必须是能导电的电解质溶液,钝化的金属不宜采用阴极保护,结构复杂的金属设备不宜采用阴极保护,氢脆敏感性材料的设备不宜采用阴极保护
⏹阳极保护定义:
将金属设备与外加直流电的正极连接,进行阳极极化,提高金属设备的电极电位,使金属由活化态转入钝化态,减轻或防止金属设备的腐蚀。
阴极保护与阳极保护比较:
⏹相同点:
同属于电化学保护,被保护金属处于电解质溶液中
⏹不同点:
适用的金属材料种类;
⏹影响极化保护效果的因素
⏹极化时电位偏移对极化的影响
⏹在强氧化性介质中的极化效果
⏹极化时的析氢反应对材料的影响
⏹经济费用和工程管理
第三章
⏹锥形壳薄膜应力结论:
⏹1.半锥角大,壳体压力越大;
⏹压力容器设计中不宜采用大锥角
⏹2.锥体的环向应力大于径向应力;
⏹3.最大应力位于锥体的大端
⏹封头分类:
第一类:
凸形封头第二类:
锥形封头第三类:
平板形封头
⏹平板型封头用途:
用于压力容器的人孔、手孔处设计
⏹特点:
平板受力后,产生弯曲应力较大,远超过薄膜应力。
平板弯曲应力与薄膜应力的比较
⏹分析:
⏹承受均布载荷p圆形平板最大应力Mσmax是同直径、同壁厚圆柱壳体承受同样压力p时产生的薄膜应力的(2kD/δ)倍
⏹一般容器D/δ>50,
⏹故,同等条件下平板内产生的最大弯曲应力是圆筒壁薄膜应力的20~30倍。
⏹结论:
容器封头应避免使用平板形,避免使用矩形压力容器
⏹C1——腐蚀裕量:
C1=nλ(λ年腐蚀量mm/年,n使用寿命,年)
⏹机械传动主要方式:
齿轮传动,带传动,链传动
⏹渐开线标准齿轮的基本参数:
Z:
齿数
⏹链传动的布置形式:
1)两链轮位于同一垂直平面内
⏹,两轴平行布置
⏹2)中心线与水平夹角β<45°
3)中心线与水平夹角β>60°,应设X紧轮
⏹机械制造工艺基本方法——
⏹铸造、压力加工、焊接、金属切削加工和热处理
⏹焊接基本方法:
熔化焊——在金属接头处加热熔化,冷却后焊接在一起。
电弧焊、气焊
⏹压力焊——在接头处加压焊接。
电阻焊、高频焊
钎焊——加热而不使金属熔化,只使填充在接头间的钎料熔化,依靠钎料将金属连接。
⏹热量传递的三种基本方式——热传导、热对流、热辐射
⏹导热基本定律:
傅立叶定律:
q=-λgradT(3.36)
⏹式中,
⏹q热流向量,
⏹方向与温度梯度方向相反
⏹λ导热系数,始终为正值
⏹gradT温度梯度
⏹物理意义:
⏹热流向量与温度梯度成正比
⏹热流向量与温度梯度位于等温面上同一法线上,但两者方向相反;
温度梯度方向指向温度升高方向;热流向量方向永远沿着温度降低方向
⏹求出通过平面积为F的热量Q
⏹
多层平壁热流量
⏹
圆筒壁热流量
Rl:
单位长度圆筒壁的导热热阻(m·C/W)
⏹凝结换热:
将气态转化为液态的过程,是蒸汽加热设备中最基本的换热过程
⏹凝结形式:
珠状凝结——换热系数大;膜状凝结——换热系数小
⏹蒸汽在管内受迫流动时,α=100~200
⏹水在管内受迫流动时,α=500~1000
⏹蒸汽凝结时,α=4000~15000
⏹所以,利用流体相变化是强化换热的一种有效手段。
第四章
罗茨鼓风机用途:
好氧曝气池供氧;滤池反冲洗;渠道和匀和池的搅拌。
►使用X围:
风量0.25-80m3/min,压力20-50MPa,功率0.75-100kw
离心鼓风机特点:
属于恒压风机。
离心鼓风机产生压力随进气温度和密度变化而异;当进气量一定时,进气的温度越高,产生的压力越低。
►用途:
用于大供气量和变流量场合
第五章
⏹卧式容器支座:
鞍座【安装形式:
固定式(F)、滑动式(S)一个容器使用两个鞍座必须一个是F式,一个是S式】,圈座,支腿
⏹应用场合:
直径大的薄壁容器和真空操作容器采用圈座;支腿支座常采用直径小的容器。
⏹立式容器支座,腿式支座,支承式支座,耳式支座裙式支座
⏹应用:
中小型容器采用前3种;高大塔设备采用裙式支座
⏹安全阀特点:
泄压后容器可继续工作不必更换安全阀
⏹用途:
⏹用于锅炉、压缩机、高压容器、管路中避免因压力过高而导致爆炸
⏹安全阀类型——按加载方式
⏹重锤杠杆式安全阀
⏹优点:
构造简单,性能不受温度影响
⏹缺点:
易受振动发生泄漏
⏹用途:
适用压力较低,高温无振动场合。
⏹弹簧式安全阀
⏹优点:
灵敏度高,对振动不敏感。
⏹缺点:
遇高温时弹簧应力松弛,弹力下降
⏹用途:
用于移动式设备,及介质压力脉动的固定设备
安全阀类型——按阀瓣开启高度
⏹全启式安全阀——
⏹阀瓣开启度大,介质的泄流量大,
⏹适用于高压容器,或安全泄放量大的中、低压力容器。
⏹微启式安全阀——
⏹阀瓣开启度小,介质的泄流量较小,维修调节方便。
适用于排泄量小,要求不高的场合
安全阀类型——按排放方式
⏹全封闭式——排出的气体全部收集,排入排气管,用于介质为易燃、有毒、需要回收的场合。
⏹半封闭式——用于排泄介质无污染的情况。
⏹敞开式——气体全部从阀门顶端排出
⏹爆破片工作原理——
⏹利用膜片断裂泄压,泄压后容器被迫停止运行,重新更换爆破片。
⏹特点:
泄压后容器被迫停止运行,必须更换爆破片
⏹爆破片的应用场合1)工作介质为粘性、粉末状物质或结晶
2)工作压力可能会突然上升的压力容器,或安全阀的排气量小难以及时降压的场合。
⏹3)工作介质为剧毒的情况
⏹4)工作介质是腐蚀性的压力容器
⏹常用的布水方式:
向下流布水方式:
(一)喷洒型
(二)溢流型(三)冲击型
⏹向上流布水方式:
大阻力配水,小阻力配水
第六章
搅拌设备一、用途:
在水处理工艺中,搅拌设备主要用于药剂的溶解、稀释、混合反应和投加混凝剂或助凝剂。
►1、药剂溶解、混合搅拌、促进絮凝体形成;
►2、水下搅拌,混合匀质、防止沉淀
►按搅拌功能分:
混合搅拌设备、搅动设备、悬浮搅拌设备、分散搅拌设备等。
►机械搅拌设备的组成:
搅拌器——由搅拌桨、挡(导)流板附件组成
►传动装置——由电机、减速器、支架组成
►搅拌轴系——搅拌轴、轴承、联轴器
第七章
⏹曝气设备:
用途:
给水生物预处理(如:
曝气生物滤池)污水好氧生物处理
⏹功能:
通过曝气装置将氧气转移至曝气池中,供给好氧微生物代谢需氧量,对池内水体进行均匀搅拌混合
⏹表面曝气设备:
原理:
设备使水体产生水跃,把大量水滴和片状水幕抛向空中,水与空气充分接触,同时将池底含氧量少的水体提升向上环流,不断充氧
⏹分类:
按照转轴方向分
–水平轴式——转刷、转盘
–立轴式——表面曝气机
⏹微气泡曝气器分类(按照曝气壳材质):
⏹刚玉微气泡曝气器、橡胶膜微气泡曝气器、聚乙烯微气泡曝气器、多孔材料(陶粒、粗陶)烧结扩散板(管/罩)
⏹常用水下曝气机:
射流曝气机,泵式曝气机,自吸式螺旋曝气机,水下叶轮曝气机,扬水曝气机
第八章
换热设备分类:
——按贮热容积划分
⏹容积式:
特点:
具有换热与贮热功能、贮存热水多
⏹半容积式:
特点:
换热与贮热分开
⏹半即热式:
特点:
自动控温,贮热容积小
⏹快速式:
特点:
无贮热调节功能
⏹——按工作原理划分
–间壁式
⏹固体壁面将热媒和被加热的冷水隔开,通过对流和热传导传递热量的换热设备叫间壁式换热器。
⏹热媒可以循环使用
–混合式:
热媒和被加热水直接接触混合,热媒不循环使用
⏹传统的容积式换热器
–功能——具有加热、贮备热水两种功能
构造——由壳体、换热管组成,壳体材料是碳素钢,换热管是无缝钢管、黄铜管
⏹工作原理
热媒:
蒸汽或高温热水,出口温度小于75℃,底部加热,对流传热,存在死水区
⏹优点——
–1)具有调节贮备容积,出水温度稳定,供水安全可靠。
2)水头损失小,对热媒要求不严,3)结构简单,管理方便
⏹缺点——
–传热效果差,容积利用率低,不节能,死水区占20~30%,水质易受污染,串联运行,占地面积大
提高换热设备的换热效率的途径
⏹提高传热系数k值
⏹提高k值的途径:
⏹减小管径,降低壁厚,增大换热面积,增大α导热系数
⏹措施:
⏹改变管径:
⏹原管径φ38×342×3.5
⏹改为φ19×225×2.5
⏹增加导流和阻流装置,增大α2换热系数,提高容积利用系数
盘管换热器与U形管换热器的比较
⏹盘管换热器优点
–1)提高传热系数k值
⏹盘管传热系数是U形管换热系数的1.4~1.3倍
–2)提高容积利用率:
达到95%
–3)自动除垢
⏹盘管换热器缺点
–1)热媒易短路
–2)汽-水换热时易产生噪音
–3)管路振动易脱焊
⏹半容积式换热器内循环泵——换热器的核心部件
–作用:
1)提高被加热水通过换热器流速,提高换热系数
⏹2)克服被加热水流经换热器的阻力损失
⏹
3)使加热水在换热器和贮水罐内循环,容积利用率高,可达100%
4换热器的计算
⏹平均温差法——
–式中:
⏹Q——换热量
⏹K——传热系数
⏹F——换热面积
⏹
△Tm——热媒与被加热水两种流体的温差
⏹α1α2—换热系数(w/m2·℃)
⏹δ—管壁厚
λ—导热系数
第九章
⏹压力溶气气浮设备设备组成——加压溶气装置,溶气释放装置,气浮池
⏹常见几种格栅:
人工格栅
⏹机械格栅:
组成
–格栅栅条
–清除污物齿耙
–机械传动装置
⏹电机
⏹带动齿耙运行的链条
机械格栅的分类
第十章
⏹排泥设备的分类
⏹一、行车式吸泥机
⏹二、链板式刮泥除砂机
⏹三、中心与周边传动排泥机
⏹四、螺旋输送式排泥机
常用排泥设备的适用X围
⏹通常根据池形及池的尺寸选择排泥设备
⏹行车式——
–用于矩形平流式池形或斜板沉淀池
⏹中心(周边)传动式——用于圆形的辐
流式沉淀池
⏹钢索牵引刮泥机——用于斜板沉淀池
⏹螺旋输送式排泥机——用于提升污泥场合
⏹污泥浓缩与脱水的目的——
⏹降低污泥中含水率,减少污泥体积
⏹污泥浓缩后含水率95~98%
⏹污泥脱水后含水率75~85%
⏹污泥脱水设备——
⏹1带式压滤机
⏹2板框压滤机
⏹3离心脱水机
⏹4真空过滤机
第十一章
常用的计量设备一、转子流量计二、电磁流量计三、超声流量计四、质量流量计五、其它形式计量设备
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- 水工 设备