管道设计

空调管路 概述 厂家开始使用三维设计软件进行空调制冷系统的设计。三维软件以它形象生动的交互介面，高度参数化的设计理念，智能化的分析能力，特别以PRO/ENGINEER为例，摆脱了以往二维设计的枯燥、实体感和空间感不强的缺点，为高效高质开发提供了可能性。 管路实体 PRO/ENGINEER提供了专用的管理设计模块PRO/Piping。根据已设计好的室外钣金模型(图1)，我们利用PRO/Piping功能进行空调室外管路设计(图3)。传统的管路设计方法主要是在实物上测量，然后反复制作配管样品装机校核，设计周期长。而使用PRO/Piping进行管路设计很好地解决了这一问题，由于其全参数的三维设计模式，使得工程开发人员在进行管路设计的时候，不但对管路的工艺性、三维空间的位置都有了全局性的考虑，同时还能更全面地考虑到管路由于跌落及运输带来的震动和噪音等方面的影响，因此提高了管路设计的一次成功率及管路的可靠性，缩短了开发的时间。 同时由于零部件的高度通用化及标准化，加之压缩机外观的大同小异，我们可以利用PRO/ASSEMBLY的Restructure对四通阀部件(图2)进行重新构建,然后在SaveaCopy新建一个四通阀部件，接着利用MATE、ALIGN、INSERT、ORIGN等进行装配。再修改管路的参数，很快就能初步构建好新的四通阀部件，这样大大减少了前期对管路部件构思和设计的时间。这也是PRO/E高度参数化带来的好处。 由于PRO/E在设计上有如上的特点，所以在缩短开发周期中，保证了设计质量的同时，也大大减少样件的数量。这对开发成本的降低是很明显的。同样利用PRO/E的AssemblyMassProperties,可以通过输入组件的材料密度后，得到体积、曲面面积和质量等数据(图4)，这对于前期对管路部件进行成本预算是很有用的。特别是原材料价格大幅度上涨，材料成本的控制成为了成本控制的一大环节。设计开发人员可以利用该功能在设计初期就对成本进行有效的控制。 有限元分析 上面主要通过对PRO/ENGINEER在从机械方面对管路设计的作用进行探讨，很明显，其在管路的模型设计还有前期的成本控制、管路部件的合理定位、设计更改等都表现得尤为突出，是二维软件不可同日而语的。而管路内部情况，振动情况怎样呢？我们接着以管路分析为例，探讨一下PRO/ENGINEER在功能模拟方面PRO/MECHANICA的思路。 图5为PRO/MECHANICA对管路进行性能模拟的流程图： (1)通过PRO/E建立管路的几何模型，这在前面我们已经讲过。 (2)在PRO/M的登录介面选择模型的类型，PRO/M默认的类型为实体。我们通过PRO/E设计的管路一般都为实体。 (3)为模型设定特性，并非模型每个部分的特性都得设置得一样，例如，在四通阀部件这个组件下面，我们可以把四通阀设置为黄铜，而其它管路则设置为紫铜。而对于管路的应力分析，则必须设置杨氏模数和泊松比等必要的参数PRO/M的软件包里的数据库有常规材料（如铜、铝、铁等等）的数据可供调用。确定模型的约束。如在应力分析中，可将某些确定的点，或者沿某一指定方向可自由移动的点设置为约束。PRO/CUSTOMLOADS进行自定义载荷输入。 (4)当确定好模型的各个参数之后，接着可以用PRO/MESH自动生成管路的有限元网格。也就是它自动地将实体模型划分成有限元素，以便有限元分析用，所有参数化应力和范围条件可直接在实体模型上指定，即允许设计者定义参数化载荷和边界条件，并自动生成四边形或三角形实体网格。载荷、边界条件与网格都直接与基础设计模型相关联，并能像设计时一样进行交互式修改。 (5)通过PRO/M进行管路的有限元分析后，产生的数据可以通过其绘图功能，用图表表现出来。这可以让我们更为清晰的连接管路各个部分的应力分布等情况，这为稳健式开发提供了开发基础，为后期的更改提供了分析的依据。 (6)最后，我们应该重新检讨我们的分析得到的结果。软件会根据分析得到的结果在模型上生动地表现出来，例如由于应力产生的形变等等。但是“FEAmakesagoodengineerbetterandapoorengineerdangerous”因为工程软件内部运作比较复杂，如果仅仅依赖它来对管路进行确认，可能会离“危险边缘“很近，不要忘了多年的工作经验也是设计确认过程中一个很重要的因素。所以说利用PRO/M进行管路分析，除了需要一定的有限元知识外，还需要一定的工程知识。只有这样才能充分地利用PRO/M。 结论 采用PRO/ENGINEER三维软件对空调制冷系统管路进行优化设计和有限元分析，使得开发的环境得到改善，从而提高了开发的效率和产品的质量。特别是它参数化的设计思想和强大的分析功能让我们认识到对开发工具应用的全面提升，不但有着巨大的经济效益，而且保持了我们工程设计人员持久的创新力和学习力。 热水系统 随着我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，生活热水系统在建筑中的应用日趋广泛，迫切需要热水系统设计计算软件。室内生活热水系统按照循环方式可分为全循环管网、半循环管网和非循环管网。对于循环管网，其系统设计计算由热力计算和水力计算组成，热力计算部分非常繁琐，设计人员进行手工计算难度较大。热水系统计算绘图一体化软件在国内成型的产品很少，不能满足设计单位的需求，对其进行开发具有研究价值和经济效益。 环状管路结构 对生活热水系统进行设计计算的关键在于根据系统管路建立正确简明的数据结构。以下介绍全循环、半循环、非循环热水管网的管路结构： 全循环管网即所有配水干管、立管和分支管都设有相应的回水管道，可保证配水管网任意点水温的热水管网。 半循环管网仅热水干管设有回水管路，只能保证干管中的设计温度的热水管。 非循环管网即不设回水管路的热水管网。 图2半循环系统 数据结构描述 上述三种热水系统的管路可视为由配水管网与回水管网组成（非循环管网回水管路数为零），建立数据结构时，分别建立配水、回水管网的结点、管路结构。 结点的结构定义如下： STRUCTRURE/POT/ INTEGER*2JD结管路 点号 INTEGER*1JDNUM结点的度 INTEGER*2JDTT（4）结点的孩子数组 INTEGER*1SIGN配水结点与回水 结点的连接标记 INTEGER*1ID结点的遍历标记 ********结点的物理参数 管段的结构定义如下： STRUCTURE/PIPE/ INTEGER*2JD1管段起始结点号 INTEGER*2JD2管段终止结点号 ********管段的物理参数 配水管网结点和回水管网结点组成各自的枝状结构，基于配水枝状结构进行系统水力计算。对于循环系统，根据配水结点与回水结点的连接信息（POT.SIGN），将两个枝状结构组成一个环状结构，完成两个枝状结构之间的数据传递。全循环系统和半循环系统在这种结构下的区别仅在于配水回水连接信息的不同，而循环计算是从配水回水连接点开始的，这样无需输入系统种类信息，程序就可以处理不同的循环方式了。对非循环系统，程序则仅对它进行配水计算。至此，热水环路计算的数据结构就建立起来了。 系统水力热力 计算所需的管路数据由设计者在平面设计绘图中输入，系统对管段进行自动处理，相交处自动断管，生成结点，在设计过程中可随时对管段结点的成员变量进行修改。 3.1配水管网水力计算 配水管网水力计算在于确定配水管网的管径和水头损失，复核管网水压是否满足卫生器具的流出水头的水压要求。在本计算模型中，由配水结点捕捉各卫生器具和设备，得到流出水头和流量（或当量），由枝状结构完成各管路的流量、阻力计算，最后得出管段管径和结点水压。 3.2配水管网热力计算 （1）给出初始参数由设计者给出加热器出口水温、最不利配水点水温等初始参数，所有参数系统都设有默认值，设计者只需做局部修改，参数设置对话框如图3所示。 （2）估算各结点水温根据配水管网最大温度降和各管段温降因素M，由式（1）按比例估算各结点水温： （1） 式中，tn为n结点水温；tn-1为n－1结点水温；Mn为n管段温降因素；ΔT为配水最大温降；ΣM为温降因素总和。 在本程序中先对最不利管路结点水温进行计算，再由枝状结构从已知结点水温推算出其它支路结点水温。 （3）计算配水管网热损失由式（2）计算配水各管段热损失W： W=πDlk（1－η）（tm－tk）（kW）（2） 式中，D为管段外径（m）；l为计算管段长度（m）；k为无保温时管段传热系数（kW/m2.℃）；η为保温系数；tm为计算管段平均水温；tk为计算管段周围的空气温度（℃）。 （4）计算循环流量由式（3）计算总循环流量： Qx=ΣW/cΔT（3） 式中，Qx为总循环流量（kg/s）；ΣW为配水管路总热损失（kW）；ΔT为配水最大温降（℃）；c为水的比热（kJ/kg.℃）。 利用枝状结构各结点的孩子数组，根据如下原则分配各分支管的循环流量： ①从水加热器后的第1个结点开始依次进行分配； ②对任一结点，分支管循环流量代数和为零； ③对任一结点，各分支管段的循环流量与其以后全部循环配水管道的热损失之和成正比。 （5）计算循环水头损失回水管管径采用比相应配水管段管径小两号，根据式（4）计算循环水头损失H： H=ΣRl+Σζv2r/2g（4） 式中，R为单位长度沿程水头损失（Pa/m）；l为管段长度（m）；ζ为局阻系数；v为水循环流速（m/s）；r为水密度（kg/m3）；g为重力加速度（m/s2）。 对于式中的局阻系数，本程序由管段枝状结构判断弯头、三通、四通；根据平面输入信息得到各种管道附件位置管径，计算它们的局阻系数。 结果返回 计算结束后，系统生成三个文档，分别记录计算的原始数据、计算结果和计算草图。计算结果包括管网各管道管径、结点水温、结点压头、系统配水量、配水系统所需配水压头、循环水量、循环系统水头损失等数据。计算草图中对所有管段进行了编号，可以根据它查询文档中对应管段的各个数据。计算结果样式见图4。 计算结果自动返回平面图，在施工图中可进行自动标注。 本文所述程序为PKPM系列给排水软件（WPM）的一个模块，已经在数百家单位中使用并得到了良好的反响。 设计规范 适用范围 本规范适用于家用沼气池的管路系统。 一般规定 农村家用沼气池的管路系统应符合稳固、耐用、气密性能可靠、操作方便以及使用安全的原则。设计时除应遵守本规范处，还应符合GB366—83《家用沼气灶》行走液压管路 以及当地消防和卫生条例。 水压式沼气池应采取一定的稳压措施。在设备条件不具备时，可暂用阀调节压力。 本规范室外管路应彩硬管地埋。室内管路为硬管明敷。不具备条件使用硬管的地方可使用塑料软管，但不得使用再生塑料管。 管材和管件 管材 农村家用沼气池的管路材料，应使用聚氯乙烯管（包括红泥塑料）或抗氧性能良好的聚乙烯管为基本管材。 管材的选用室外管路应结合当地气温条件，一般地区采取聚氯乙烯管，严寒地区应采用聚乙烯管。室内管路一律采用聚氯乙烯管。 管件 硬管管件 聚氯乙烯硬管及聚乙烯管的管件均采用端部为承口的注塑管件。承口尺寸：承口内径为管子外径加.5～.2mm；承口长度（L）为管子外径（D）的一半加6mm，即L=.5D+6mm。 聚氯乙烯硬管及聚乙烯管是管路中经常需要拆装或定期更换的部件，该拆装端应是注塑内螺纹承口或装有弹性密封环的承口。 软管管件 软管管件均采用带有密封节的管件，各端密闭节的个数不得少于3个。节的间距为5mm，管件内径（d’）应是管材内径（d）减去2mm，即d’=d－2mm。 管塞 硬管和软管的管塞均采用一般使用的橡皮塞。 管路连接 聚氯乙烯硬管管路的连接采用承插式胶粘连接。 聚乙烯管路的连接采用承插式热熔连接。 聚氯乙烯硬管或聚乙烯管与胶皮管的连接采用套接，并应紧固牢靠。 聚乙烯管与聚氯乙烯管的连接以及需要拆装检修的部件，应采用螺纹连接或弹性连接（承口内装有密封环）。 红泥塑料管路聚氯乙烯软管管路的连接采用套接，并由铁丝扎紧。 聚氯乙烯硬管与燃具（灶和灯）、流量表、U型压力计等的连接，应通过胶皮管进行套接。并用细铁丝将接口扎紧。 室外管路 地面下埋设深度应在冰冻线以下，并不得小于.4m。 管路应设有不小于1%的坡度，并向凝水器方向落水。 管路穿越有重车通行的道路时，应敷设在保护管路的涵管内。 沼气管路与其他地下管道相交或平行时至少应有1cm的净距。 室内管路 管路的布置应外观整齐，便于操作和维修，并避免敷设在阳光照射、高温、冰冻和易受外力冲击的地方。 管路应沿墙或梁按明管方式敷设，不得腾空悬挂。 管路应牢固地固定在耐燃的构筑物上，固定支点的间距规定如下： 立管上应不超过1m。 不平管上固定支点间距：聚氯乙烯硬管小于.8m，红泥塑料管和聚氯乙烯软管小于.5m。 管路坡度 水平管段的坡度应不小于.5%，并向立管方向落水。 管路从室外地下引入室内的外墙穿孔，在管顶上方应保留有5cm以上的空隙。 立管距离烟囱应不小于5cm。连接灶具的水平管段应低于灶面5cm。 管路距离烟囱应不小于5cm。距离电线不小于1cm。 装置高度 灶面距离地面一般为.8m。灯距地面为2m。 中2中间开关距离地面1.45m。 U型压力计开关距离地面1.25m。 贮气袋搁板距离地面应不小于1.9m，并不得安放在灶具的上主。 沼气灯与易燃构筑物的距离不得小于1m。 允许压力降 使用气袋贮气时，管路允许压力降为2mmH2O。 使用湿式贮气装置时，管路允许压力降为4mmH2O。 水压式池的管路，灶具额定压力为8mmH2O，管路允许压力降为22mmH2O，灶具额定压力为16mmH2O时，管路允许压力降为14mmH2O。 口径管路长度 聚氯乙烯硬管和聚乙烯管的管路。 使用湿式贮气装置时地下管的最小外径：在土质良好的地点为2mm，土质较差时为25mm。室内管路外径为12mm。 使用湿式贮气装置的室外管路，长度自贮气罩至外墙引入点不应超过3m；引入点至最远燃具的室内管路长度按安装二灶一灯设计，不应超过6m。 使用气袋贮气的管路，当气袋设置在室内时，室外管路的长度不加限制，但直段管路长度超过3m时应设温度补偿装置；气袋出口至灶前的室内管路长度安装二灶设计，不应超过3m；室内管外径为2mm时，长度可不受此限制。 水压式池的管路长度：室外管路一般应控制在25m以内，最长不宜超过45m。引入点至最远燃具的室内管长度不宜超过1m。 红泥塑料管和聚氯乙燃软管的管路 灶具额定压力为8mmH2O时，从水压式沼气池至灶前的管路管径和管路允许长度如下： 内径8mm或1mm（二灶），管路长度应不超过25m。 内径1mm或12mm（二灶），管路长度可为25~5m。 灶具额定压力为16mmH2O时，从水压式沼气池至灶前的管路管径和管路允许长度如下： 内径1mm或12mm（二灶），管路长可为3~5m。 水压式沼气池的导气管内径应与管路内径相同，并应选用耐蚀材质。 管路排水 凝水器 地下管坡度的最低点设置凝水器。 当采用低压凝水器时，凝水器的抽水管下端应成45的坡口，并与凝水器底保持有2mm的间隙，便于凝水器中积水，通过抽水管从排水井排出。 当采用自动排水装置时，U形管长应大于压力表“U”形管5cm，排水压力小于正常产气压力。排水口露出地面。 室内水平管段的坡脚或直立管的下端可装积水瓶或留有长1cm的存水段。 排水井 排水井的位置应选择在操作方便、不被堆没的地方。排水井的盖应与地面平齐。 阀（开关） 沼气管路上的开关应采用易识别开关状况的快开阀，分中间阀和终端阀二种类型。 阀应选用气密性能可靠、经久耐用并通过鉴定的产品，阀孔孔径应不小于5mm。 下列位置应设置操作阀： 燃具胶皮管的前端（终端阀）。 水压式池的U形压力计的前侧（终端阀）。 贮气袋进气侧的室内管路和沼气灯的分支立管（中间阀）。 集的罩沼气池、分离工沼气池的输气管路起点（中间阀）。 相关试验 管路投入运行前，应进行气密性试验。试验时用空气作介质，试验压力对有贮气装置的管路为管路工作压力（即贮气压力）的二倍，不压式池为1mmH2O、以保持5minU形压力计读数不变为合格。 1.2水压式池应进行压降试验。以灶前压力达到灶具额定压力时，管路起点压力不超过3mmH2O为标准。设有贮气装置的池子，须校验贮气压力：湿式贮气装置应高于灶具额定压力4mmH2O；干式贮气装置（气袋）应高于灶具额定压力2mmH2O。