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