水泵设计的问题.docx
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水泵设计的问题
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
2.26
12.5
15
1/2
21.25
2.75
15.75
20
3/4
26.75
2.75
21.25
25
1
33.5
3.25
27.0
32
11/4
42.25
3.25
33.75
40
11/2
48
3.5
41
50
2
60
3.5
53
65
21/2
75.5
3.75
68.0
80
3
88.5
4
80.5
100
4
114
4
106
150
6
165
4.5
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
─
─
─
91.0
8.0
76.0
100
4
─
─
─
117.0
8.5
100.0
150
6
─
─
─
168.0
9.0
150.0
200
8
217.6
8.8
200.0
217.6
9.8
198.0
250
10
268.8
9.4
250.0
268.8
10.4
248.0
300
12
320.2
10.1
300.0
320.2
11.1
298.0
350
14
371.6
10.8
350.0
371.6
11.8
348.0
400
16
423.0
11.5
400.0
423.0
12.5
398.0
450
18
474.4
12.2
450.0
474.4
13.2
448.0
500
20
525.8
12.9
500.0
525.8
13.9
498.0
表1-1和表1-2列出的各种管道，承受的工作压力都是7.5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3.5～8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＝
2.5~6.0
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=3.14ⅹ（半径）2
或 管子面积=0.785ⅹ（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=3600ⅹ0.00785ⅹ1=28.3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，28.3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3.5公斤重，1米3/时的蒸汽流量只合5.5公斤/时。
因此，如果28.3米3/时，是蒸汽流量，就应该说成28.3ⅹ5.5=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28.3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=3600ⅹ0.785ⅹ（大管子直径）2ⅹ流速
小管子流量=3600ⅹ0.785ⅹ（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28.8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0.5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
1~1.5
0.5~1
水泵出水管
Dg>200
Dg<200
2~2.5
1.5~2
水泵吸水管
Dg>200
Dg<200
1.2~1.5
1~1.2
车间一般管线
1.5~2
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0.3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0.5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0.5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2？
10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，0.1公斤压力折合成0.1ⅹ10米=1水柱的压力，100毫米水柱（即为0.1米水柱）的压力折合成0.1ⅹ1/10=0.01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1.5公斤/厘米2。
这2-1.5=0.5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3.5公斤/厘米2或者10公斤/厘米2及9.5公斤/厘米2，由于压力差仍然是0.5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3.6米3/时，所以，表4-1的第一个流量2升/秒=2ⅹ3.6=7.2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25.2米3/时及50.4米3/时的流速和阻力？
解 有Dg100一行向表的右方找，在流量25.2米3/时的下面查到流速为0.91米/秒，每米阻力为18.6毫米水柱，在50.4吨/时流量下查到流速为1.8米/秒，阻力为71.6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25.2米3/时，管长100米，求Dg100管道阻力为：
100ⅹ18.6=1860毫米=1.86米
在流量为50.4吨/时，管长100米时，求Dg100管道的阻力为：
100ⅹ71.6=7160毫米=7.16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0.9升/秒起到13.0升/秒，每隔0.1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0.5米/秒到2.6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0.2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0.91米/秒（流量25.2米3／时），阻力为18.6毫米，
则
在流速为1.4米/秒时，阻力44.2毫米（流量38.7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0.7米/秒时的阻力为10毫米，求流速1.4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？
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