管道水泵计算法.docx
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管道水泵计算法
管道水泵计算法
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目 录
一、几点说明
第一题 这本书有什麽用处
管道工人和新参加管道设计、施工人员、在实际工作中,经常碰到一些管道和水泵方面的设计和计算问题,但在这方面还没有比较通俗的参考书。
作者针对这一情况编写了这本书。
书中除介绍有关管道和水泵的基本知识外,还列出了有关管道和水泵设计、计算的基本数据。
可作为一本简易参考资料使用。
全书共有四十八个题例,包括三个基本内容:
第一、管道简易设计和计算方法,以室外给水铸铁管为主,但也介绍了工业锅炉蒸汽管及其它一些常用管道的计算知识;跌入、水泵的选型;第三、在管道安装过程中经常碰到的一些问题,如钢制管道零件的加工尺寸及蒸汽管道伸缩器的选用数据等,钢制管件包括弯头管、三通管、四通管(以下简称弯头、三通、四通)以及同心、偏心大小头异径管等。
第二题 管道的直径怎样叫法
管道的直径有两种叫法,一种叫它的内径,一种叫它的外径。
铸铁管和一般的钢管(指白铁管或黑铁管,又称水、煤气管)的内径又叫做公称通径,用Dg表示,D是代表直径的意思,g是“公”字拼音的第一个字母。
一般说,管子直径是它的内径,用毫米表示。
例如:
直径100毫米的管子,可以表示成Dg100管子。
但要注意管子的真正内径和它的公称通径往往是不相等的,有的相差比较大。
当我们计算管子横断面的准确面积时,就应该用真正的内径,不能用公称通径。
另外,还有一种叫法,把管子叫成几吋的管子。
吋,读称英寸。
1吋可以折合成25毫米,所以Dg100的管子也叫做4吋管。
表1-1列出白铁管和黑铁管管径的对照尺寸(白铁管指镀锌钢管,黑铁管指一般钢管)。
从表中看出Dg100的管子,真正的内径为106毫米,Dg150毫米的管子,真正内径为156毫米。
表1-2为普通压力铸铁管(简称普压铸铁管)的部分管径的尺寸对照。
由表中可以看出,这种铸铁管的公称通径和它们的真正内径是一致的。
白铁管和黑铁管尺寸 表1-1
公称通径Dg
(毫米)
英制
(吋)
外径
(毫米)
壁厚
(毫米)
真正内径
(毫米)
10
3/8
17
15
1/2
20
3/4
25
1
32
11/4
40
11/2
48
41
50
2
60
53
65
21/2
80
3
4
100
4
114
4
106
150
6
165
156
铸铁管(普通压力)尺寸 表1-2
公称通径
Dg
(毫米)
英制
(吋)
砂型离心铸铁管
砂型立式铸铁管
外径
(毫米)
壁厚
(毫米)
真正内径
(毫米)
外径
(毫米)
壁厚
(毫米)
真正内径
(毫米)
75
3
─
─
─
100
4
─
─
─
150
6
─
─
─
200
8
250
10
300
12
350
14
400
16
450
18
500
20
表1-1和表1-2列出的各种管道,承受的工作压力都是公斤/厘米2,是一种常用的管道,所以叫做普压管。
当工作压力增加或减少,管壁就要相应地加厚或减薄。
但这种高压和低压的管道,它们的外径和公称通径相同的普压管的外径是一样的,所以,管壁的加厚或减薄只是引起真正内径的缩小和加大。
内径大致相同的同一种管道,它们的外径都是相同的,这使管道尺寸的一般规律。
这也就是公称通径和真正内径不一致的原因。
再铸铁管和一帮昂观众,由于壁厚变化不大,公称通径的数值比较简单,用起来也方便,所以采用公称通径的叫法。
但由于管壁变化幅度较大的管道,一般就不采用公称通径的叫法了。
无缝钢管就是典型例子。
同一外径的无缝钢管,它的壁厚有十几种的规格。
例如,外径108毫米的无缝钢管,壁厚从3毫米一直到9毫米,真正的内径在102~90毫米范围内变化,这样,就没有一个合适的尺寸可以代表内径。
所以无缝钢管的规格一般用“外径ⅹ壁厚”来表示。
例如108ⅹ4和108ⅹ6的无缝钢管,外径皆为108毫米,壁厚分别为4及6毫米。
管壁很厚的无缝钢管只用在压力很高的管道上。
其管壁厚度都在~8毫米范围内,而且只应用于蒸汽管道和制造管道零件。
可参考表10及表18等的无缝钢管尺寸。
为什麽不按公称通径加工管子的内径呢因为,加工管子时把管子的外径制造成一样大小好做接头,但当管子承受的压力不同的时候,就要改变管壁的厚度,这样,管子的内径就相应地发生变化了。
所以,不要按公称通径加工管子的内径。
第三题 怎样选择管道材料
表2是一个选择管道的参考资料。
表中:
白铁管指镀锌钢管,黑铁管指一般钢管;Pg表示公称压力(P代表压力,g代表“公”字拼音的第一个字母),单位为公斤/厘米2;t表示摄氏温度的度数;Pg最高为13公斤/厘米2,指一般工业锅炉的压力。
某一种管材所适用的范围,在表中由不同的面积形状反映出来。
例如,室外管道输送公称压力9~13公斤/厘米2的饱和蒸汽,从Dg25到Dg150应用无缝钢管;从Dg25到Dg150的白铁管和黑铁管可以用于室内、外的凝结水和室内给水;Dg25和Dg50的白铁管和黑铁管可以用于室内、外的热水和给水;Dg80以上的室外给水管应用铸铁管和石棉水泥管;Dg80到Dg150的热水管应用无缝钢管。
管道材料的选择 表2
流动
压力Pg(kg/cm2)
室内或
Dg公称通径(毫米)
物资
及水温t
室外
25
50
80
100
150
200
250
300
400
500
饱和蒸汽
Pg≤8
室内
螺旋缝电焊钢管
Pg=9~13
室外
无缝钢管
凝
结
水
室内
白
铁
管
Pg≤8
或
室外
热
水
Pg≤8
t≤130℃
室内及
室外
黑
铁
管
无缝钢管
给
水
Pg≤10
T≤50℃
室内
室外
稀酸
稀碱液
Pg=
~
室内
硬聚氯乙烯
雨水
无
压
室内
铸铁管
室外
陶土管
生产污水
室内
排水铸铁管
钢筋混凝土
室外
混凝土管
陶土管、陶瓷管
生活污水
室内
排水铸铁管、陶土管
室外
陶土管、混凝土管
二、管道水力计算
第四题 什麽叫做管道的流量怎样计算管道的流量
一根水管,在一定的时间内,流过一定体积的水,这个水的立方米的数值就是管子的流量。
例如,在一小时内流过1立方米的水,就叫做1小时1立方米的流量,用米3/时表示流量的单位(时间也可改用1秒,1分甚至1天,体积也可以改用升或毫升等,这样可以组成其它的流量单位,如米3/秒、升/秒等)。
管子里的流量,是由管子的横断面的面积和水流的速度相乘得来的。
每小时的流量公式如下:
流量=3600ⅹ管子面积ⅹ流速
管子面积=ⅹ(半径)2
或 管子面积=ⅹ(半径)2
式中 流量单位为米3/时;流速单位为米/秒;半径或直径单位为米;3600是1小时折合成的秒数。
因为面积(米2)ⅹ流速(米/秒)的结果得米3/秒,指1秒钟内的流量,因此,折合成1小时的流量米3/时,就要乘上3600这个数。
例1 Dg100的管子,流速为1米/秒时,流量是多少
解 流量=3600ⅹ管子面积ⅹ流速。
先把直径换算成米,管子面积=米2。
则 流量=3600ⅹⅹ1=米3/时
注意,上式不仅适用于水,也适用于其它液体或气体。
如果管道里流的是水,我们计算的就是多少米3/时的水,如果流的是蒸汽,我们算得的就是多少米3/时的蒸汽。
流量,也可以用重量来表示。
因为1米3的水恰好是1吨,所以我们又把水管的1米3/时的流量,说成1吨/时的流量。
例1,如果说的是水管,吨/时。
但如果说的是蒸汽管,就不能把1米3/时说成1吨/时了,因为1立方米蒸汽只有几公斤重,而且蒸汽的重量是随它的压力变化的,例如,压力为10公斤/厘米2的蒸汽,每立方米只有公斤重,1米3/时的蒸汽流量只合公斤/时。
因此,如果米3/时,是蒸汽流量,就应该说成ⅹ=156公斤/时。
从上式可知,在管子直径已定的情况下,如果管子里的流速变化的时候,流量也要跟着变化。
变化的关系如下式:
例2 Dg100的管子,当流速为1米/秒,流量为吨/时,求流速2米/秒时,流量是多少
解:
则:
第五题 在流速相等的条件下,Dg200管子的流量是Dg100管子的流量的几倍
由于直径200是直径100的两倍,所以,有人往往会误认为Dg200管子的流量也是Dg100管子流量的两倍,这是错误的。
正确答案:
Dg200管子的流量是Dg100管子流量的4倍。
这是从下列公式推算出来的:
Dg200管子和Dg100管子分别代表大管子和小管子,所以:
上面公式,实际是管道流量公式的一个应用,因为从流量公式可得
大管子流量=3600ⅹⅹ(大管子直径)2ⅹ流速
小管子流量=3600ⅹⅹ(小管子直径)2ⅹ流速
利用数学的演算方法,把两个公式的两边相除,得:
然后再用小管子流量乘等式的两边,就得大管子流量的计算公式。
这一公式还可以写成:
因此,我们知道,在流速相等的情况下,一根Dg200管子可以顶4根Dg100管子使用,一根
Dg500管子可以顶4根Dg250管子使用(这里没有考虑阻力不相等的问题,参看第十五题)。
同样计算:
这也就是说,一根Dg200管子可以顶16根Dg50管子使用。
从上述情况看出,当两根管子流速相等时,两根管子的流量各自与其直径的平方成正比。
第六题 有没有简单的方法,可以记住各种管子的大致流量
有的,如果我们记住Dg100为30吨/时,再利用管径与流量的关系,其他管径的管子流量就可以推算出来了。
如Dg200管子的流量为22ⅹ30=120吨/时,Dg300管子的流量为32ⅹ30=270吨/时,Dg50管子的流量为Dg25的管子流量为
这30吨/时的流量是怎样来的我们已知,当流速为1米/秒时,Dg100管子的流量是吨/时,那麽流量30吨/时的流速,只比1米/秒稍大一些,因此粗算时,我们可以认为流速也是1米/秒,这样好记又好算。
同样,记住Dg100管子流量30吨/时的流速是1米/秒,其他流速的流量,也可以利用流速和流量的关系算出来。
例如,当流速提高为2米/秒时,流量就是,当流速降为米/秒时,流量就是因此,Dg100管子的流量算出来,其它管径的流量也就同样可以算出来。
第七题 管道里的流速有没有限制
管道里流速的大小是一个经济问题,同样的管子,管子大流速就小,这时虽然输送水的电费低了(参看下面流速与阻力的关系),但管子的费用就高了。
相反,如果管子很小,虽然管子价钱低了,但经常输送水的电费高了。
所以,这中间有一个最合算的流速(见表3)。
流速一般限制范围 表3
适 用 条 件
流速(米/秒)
室外长距离管线
Dg>500
Dg<500
1~
~1
水泵出水管
Dg>200
Dg<200
2~
~2
水泵吸水管
Dg>200
Dg<200
~
1~
车间一般管线
~2
表3的流量限制反映两条规律,第一、管径大的,流速可以用得高一点;第二、管道短的,流速也可以用得高一点。
这时在一般条件下的参考。
在特殊的情况下无论大官或小管,流速最大可以到2米/秒~3米/秒,也可以小到米/秒。
这要结合施工情况和管道长度以及水泵等具体工程条件灵活掌握。
第八题 管道里的流量不变,他的流速会不会变化
这个问题应该附加两个条件才提得明确,第一、管子直径没有变化;跌入、在管道上没有支管进水,也没有支管出水。
有了这两个条件可以得出答案:
在这条管道上,任何一处的流速都是相等的,并且不会变化。
为什麽流速不变呢因为流量是由流速和面积决定的,流量、流速和面积是互相配套的,这三个因素中,流量和面积不变,流速也不会发生变化。
这个问题的提出是因为:
当管子流水的时候,管道上每一处的压力都是不同的(从压力表上可以看出来),往往会使人错误认为,流速和压力一样,也会跟着变化。
第九题 压力和流速究竟有什麽关系
管道里的压力是顺着水流的方向逐渐变小的。
但是,管道的流速在流量不变的时候却是不变的。
我们讨论压力与流速的关系,实际是指管道上两点间的压力差和两点间流速的关系。
因为,当管道两点间的长度固定不变后,决定管道两点间的流速是两点的压力差,而不是某一出单独的压力绝对大小值。
压力差大的时候,流速就一定大。
反之,流速减小,压力差也一定变小了。
在弄清楚压力差和流速的关系前,应该先把压力的概念和单位搞清。
第十题 压力表上的压力大小用公斤表示(例如2公斤的压力),另外,我们又常说多少高水柱压力(例如5米高水柱的压力),它们之间有什么关系
我们一般说2公斤压力,这只是为了说起来方便,但不确切,严格地说,应该是2公斤/厘米2,这是指在一个平方厘米的面积上压有2公斤的力量,包括了一个面积的因素在里面。
说得更确切一点,这是一个压力强度。
知道这个压力强度之后,在任何大小面积上,压的力量就可以算出来了。
例如,在2厘米2上就有2ⅹ2=4公斤力量,在10厘米2的面积上就有2ⅹ10=20公斤力量。
水柱的高度,怎样能折合成公斤/厘米2的压力单位呢这只要把压在1厘米2面积上水柱的重量算出来就成了。
例如,5米水柱在1厘米2面积上的体积为500(厘米)ⅹ1(厘米2)=500厘米3,重量为公斤(因为1000厘米3水就是1升水,中1公斤),所以5米水柱就折合成公斤/厘米2的压力。
这里提出了一个重要的换算问题,10米水柱压力折合成多少公斤/厘米210米水柱在1厘米2面积上的体积为10ⅹ100厘米ⅹ1厘米2=1000厘米3=1升,重1公斤,所以10水柱压力恰好折合为1公斤/厘米2的压力。
1公斤/厘米2的压力相当于10米水柱的压力,这时一个重要换算关系。
根据这个关系,我们就可以进行许多压力的换算。
例如,公斤压力折合成ⅹ10米=1水柱的压力,100毫米水柱(即为米水柱)的压力折合成ⅹ1/10=公斤的压力。
为什麽要用水柱高来表示压力呢这有两个原因:
一个是为了便于计算阻力(这在以下问题中解答)。
另一个是使我们对于压力有一个概念。
例如,一个10米水深的池子,池子底上的压力就是10米水柱。
同样,如果水管的压力是1公斤/厘米2,也就是10米水柱的压力。
这个10米水柱高怎样体现呢我们如果在水管的垂直方向接一根管子,就可以看见这根垂直管子里的水位上升到10米的高度。
这就给出了一个形象的概念。
总的说来,公斤/厘米2这个压力单位给的是一个抽象的概念。
米(水柱)这个压力单位给出了一个形象的概念。
水力学上又把水柱高度叫做水头,所以,把5米水柱的压力也就说成5米水头。
第十一题 压力差和管道的阻力有什么不同
我们在管道上某一点接一个压力表,所测得的读数就是那一点的压力。
在水流动的时候,管道上的压力是沿着水流的方向逐渐变小的。
例如,在水泵的Dg150出水管上压力是2公斤/厘米2,但到距这点200米远的地方压力,可能下降成公斤/厘米2。
这=公斤/厘米2就是两点间的压力差。
这个压力差相当于5米水柱,所以,把5米水柱的压力也就说成5米水头。
这5米水柱到哪里去了呢因为,水在这200米管道里流动的过程中,水与管壁的摩擦以及水域水之间的摩擦而消耗掉了。
所以,水力学把这5米水柱的压力差叫做水头损失。
它反映了长200米管道的阻力,或者说,在长200米的Dg150管道的水流过程中,由于管道的阻力,产生了5米的水头损失。
管道的阻力和压力差(或水头损失)在数值大小上是相等的,但管道阻力指的是本质的东西,压力差指的是阻力所产生的现象。
由于管道阻力只能通过压力差才能测出来,所以说,压力差与流速的关系,实际是指管子阻力与流速的关系。
也就是说,必须知道一段管道两头的压力差和这段管道的长度,才能算出管子每1米的阻力和这段管道里的流速来。
必须指出,决定流速是管道两点间的压力差,而不是某一处的压力大小。
因此,如果压力差不变(也就是管道的阻力不变),流速也就不变。
如上例,这段长200米的Dg150管道两头的压力,如果分别换成4公斤/厘米2及公斤/厘米2或者10公斤/厘米2及公斤/厘米2,由于压力差仍然是公斤/厘米2,所以管子里的流速也就保持不变。
至于2公斤/厘米2、4公斤/厘米2及10公斤/厘米2这些压力本身所引起的差异,我们在第二十三题讨论
第十二题 管子的阻力怎样计算
管子的阻力是用试验求得的,如公式:
管道阻力=管道长度ⅹ管道1米的阻力
管道1米的阻力=阻力系数ⅹ(流速)2
第一个公式,说明管道的阻力和它的长度成正比例。
10米管子的阻力就是1米管子的10倍。
所以,1米管子的阻力知道了,乘上管长,就得出管道的总阻力。
第二个公式,说明怎样计算1米管子的阻力。
从公式可以看出1米管子的阻力与流速的平方成正比例。
阻力系数是通过试验求得的,它本身可以写成一个复杂的公式。
如两根管子的材料(包括管壁粗糙度相同)、管径和在馆子里流动的物质(例如都是水)以及温度都是一样的话,那么用试验求出的阻力系数大小也是不变的。
如果管子里流动的物质不变,管径变了或者管子里面管壁的粗糙程度也变了,那么阻力系数也就变了。
同样一根管子,虽然它的管径和管壁的粗糙程度式固定了的如果用来输送蒸汽,那么,它的阻力系数就和输送水时的阻力系数不一样。
阻力系数的公式为什么复杂呢就因为它必须反映这些变化的规律。
在设计时,我们不是从头去计算每根管子的阻力系数,而是从已经计算好的表格中,查出管子1米的阻力(见表4-1及表4-2)。
第十三题 怎样使用铸铁管水力计算表
表4,是从1968年中国工业出版社出版的《给水排水设计手册第四册,室外给排水──管渠水力计算图表》编制成的,包括Dg500管径以下的管子,可供一般计算使用。
表4中的流量,列出了两种单位,一种是升/秒,一种是米3/时。
表4-1的流量按升/秒成整数排列的,表4-2的流量按米3/时成整数排列的,以便于查用。
1升/秒合米3/时,所以,表4-1的第一个流量2升/秒=2ⅹ=米3/时。
从表4第一竖行,某一管径向右查,就可以在某一个流量的下面,找到相应的流速和阻力。
在本书以后的叙述中,表4都是指表4-1说的,个别处引用表4-2时,则特别注明。
例 查Dg100铸铁管,在流量米3/时及米3/时的流速和阻力
解 有Dg100一行向表的右方找,在流量米3/时的下面查到流速为米/秒,每米阻力为毫米水柱,在吨/时流量下查到流速为米/秒,阻力为毫米水柱。
知道每1米阻力后,管道的总阻力就可以用管子的长度乘每1米的阻力求得。
例如,在流量米3/时,管长100米,求Dg100管道阻力为:
100ⅹ=1860毫米=米
在流量为吨/时,管长100米时,求Dg100管道的阻力为:
100ⅹ=7160毫米=米
注意,表4中阻力损失单位为毫米,计算时要换算成米。
说明:
1、流速单位:
米/秒;阻力(指每米管子的压力损耗)单位:
毫米水柱/米
2、应用表4-1和表4-2时,请将下半部分拼在上半部分的右边,即组成一个整表,便于查看。
第十四题 表4的铸铁管水力计算表做了哪些简化,会不会影响计算的准确度
表4,是从给水排水设计手册的管渠水力计算图表上,做了以下简化:
(一)精简了Dg50以下管子和Dg600以上管子的资料,因为一般不常用这些管子。
(二)精简了流量的资料。
例如Dg75管子流量,原书从升/秒起到升/秒,每隔升/秒有一个流量。
表4简化为每隔1升/秒一个流量,而且限于2升/秒到11升/秒的范围内。
这样的表,在一般设计中是够用了。
因为流速包括米/秒到米/秒这个范围,复合管道流速的一般要求。
Dg75管子的流量每隔1升/秒也是合适的,因为在流速方面只有约米/秒的变化。
(三)对于流速,表4中只取两位数,阻力只取一位小数。
是由原表按四舍五入的办法得来的。
这对一般计算的影响很小,可以简化。
第十五题 从铸铁管水力计算表可以找到那些规律
可以找到两条规律:
第一、阻力和流速之间的关系。
从表4的资料,可以计算出管子的主力系数,因为
管子1米长的阻力=阻力系数ⅹ(流速)2
所以
例如,Dg100管子在流速米/秒(流量米3/时),阻力为毫米,
则
在流速为米/秒时,阻力毫米(流量米3/时),
则
这证明了阻力系数是不变的(参考第十二题)。
然后,用流速的变化推算阻力,得下列公式:
例 Dg100管子,流速在米/秒时的阻力为10毫米,求流速米/秒时的阻力。
解
第二、阻力和管径间的规律。
两根管子在长度和流速都相等的情况下,究竟大管径的管子阻力大,还是小管径的管子阻力大我们从表4中的数据,可以找出规律,如下式:
或
上式告诉我们,流速相等和长度一样的两根管子,管径越小,阻力越大。
在选用小管径的管子时,要注意这一点
第十六题 知道管道阻力的规律有什么用处
有下列三个方面的用处:
第一、在设计时,可以帮助我们选择经济合理的管径。
如第七题提出的限制流速的原因。
为什麽一般流速都在米/秒以下呢因为在流速大的时候,阻力就增加的快。
例如,2米/流速的阻力,就是1米/秒流速阻力的4倍,因此,电费也是4倍,这就不合算了。
为什麽Dg500以上大管子的允许流速可以高一些,而小管径的允许流速却要低一些呢因为在同样的流速下,小管径的阻力比大管径的阻力大得多,如Dg250管子的阻力比Dg500管子的阻力至少大一倍,Dg100管子的阻力比Dg200的管子的阻力也至少大一倍,所以,管子越小,越要用低流速。
第二、在维修或更换管子时,可以帮助我们估计不同管径的阻力变化。
例 同样的流量如果用Dg100管子代替Dg150管子,阻力增加多少倍呢
解
(1)先求Dg150管子及Dg100管子的面积比,计算出阻力因流速加大而增加的倍数。
管子的妙计减少倍,流速就增大倍,所以
(2)估计由于管径减少而引起的阻力加大。
由上一问题,知道Dg100管子的阻力比Dg150管子的阻力大
(3)综合上述结果得知:
在同样的流量下,如果,把Dg150管子换成Dg100管子,阻力至少要增大5ⅹ=倍。
例如,从表4中查出,
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- 管道 水泵 算法