第8章 工艺热风管道设计计算热风管道设计计算是水泥厂工艺设计必不可少的组成部分，涉及了水泥生产的各个工段。

本章主要内容包括：工况下的热风管道管径计算，管道阻力计算，管网阻力计算，管道重量计算，膨胀节选型计算，管道支座受力计算，收尘设备的保温计算以及不同工况下管道风速，管道壁厚的选取等内容。

8.1热风管道设计计算 8.1.1热风管道管径计算1．一般地区对于海拔高度<500m 的一般地区，其计算公式可采用如下公式：vQ D t⋅=2826 (8-1) 式中：D —管道直径，m ；Q t —一般地区工况风量，m 3/h ； v —管道风速，m/s 。

2．高海拔地区对于海拔高度≥500m 的地区，由于高海拔下的大气压力、温度和气体密度都会降低，系统风量也会有所变化。

为了保证系统气体质量、流量与海平面相同，保持主机设备能力不降低，需要对高海拔地区工况风量进行修正。

vQ D Lg 8.18= (8-2)式中：D —管道直径，m ；Q Lg —高海拔地区工况风量，m 3/h ，Q Lg =AQ t ，参考第7章风机内容； v —管道风速，m/s 。

8.1.2管道不同状态下的风速热风管内的风速因输送介质的不同而异。

当风速>25m/s 时，阻力大，不经济；风速<5m/s 时，灰尘易沉降堵塞管道。

通常按表8-1选取。

8.1.3为使热风管径符合国际标准及阀门、膨胀节标准要求，风管直径及法兰尺寸建议按表8-2取值。

（1）风管的壁厚管壁应有合理的厚度，太薄则刚性差，受负压吸力易变形，太厚则浪费钢材不经济。

风管壁厚按表8-3取值。

（2）当含有熟料及磨损性强的矿物粉尘，且流速>15m/s 时，风管壁厚应适当加大。

（3）为防止大型风管的刚度变形，在其长度方向每隔2.5m 增加一道加固圈，加固圈可用宽50~80mm ，厚度为5~8mm 的扁钢制作。

（4）风管的法兰规格、螺栓孔径、数量等均应按表中给定尺寸确定。

8.1.5管道阻力计算1．阻力计算公式风管系统阻力应为管道的摩擦阻力与局部阻力之和：02n K 2)D L (P ⨯∑+=∆ρνξλ (8-3)式中：λ—气体与管道间的摩擦阻力系数，清洁空气入值一般为0.02～0.04，对含尘气体管道，当含尘浓度≥50g/m 3时，需校正：表8-4 校正系数L ξ—管件及变径点阻力系数，见附录12； v —风管中气体流速，m/s ；ρ—空气密度，kg/m 3，20℃时ρ=1.29； K 0—阻力附加系数，K 0=1.15~1.20；Dn —风管直径，m ；非圆管道一般折算成等速当量直径de 后，按圆形管道方式计算：ba abde +=2 (8-4) 式中：de —等速当量直径，m ； a ，b —矩形风管的边长，m 。

2．摩擦阻力系数λ计算管道内摩擦阻力系数λ值与介质流动状态、雷诺数Re 及管壁粗糙度κ等因素有关，对于钢板焊接的管道其摩擦系数λ计算如下：（1） 2κ)×υQ×lg(1.2741.42=λ (8-5)式中：λ—摩擦阻力系数，见表8-6，8-7； Q —管内气体流量，m 3/h ； υ—管内气体流速，m/s ；κ—管壁粗糙度，mm ，一般取κ=0.1mm。

κ值详见表8-5。

（2） 2e1.74)d (2lg+=κλ (8-6)式中：de —当量直径，m ； κ—管壁粗糙度，m 。

该系数指动压头单位的局部损失数，是由于气流经各种管件（三通、弯头、变异管、阀门等）流向变换、冲击或流速变化而引起的压力损失。

清洁气体局部系数按附录12选取，但带粉尘的局部阻力系数应加以修正，修正公式如8-7。

μ)×κ+(1ξ=ξJ 0F (8-7)式中：ξ0—清洁气体局部阻力系数，见附录12； ξF —带粉尘的气体局部阻力系数； κJ —根据测试确定系数，取0.8～1.0； μ—气体混合物浓度，kg/kg 。

4．阻力平衡计算水泥厂除尘管道设计时，个别车间有多个收尘点（如包装车间），形成多个支管路，而这些支管与总干管交汇处压力必须达到平衡，以保证各点收尘效果。

平衡阻力一般有两种方法：一种是在管道设计时通过改变管径、弯头曲率半径或改变风量达到阻力平衡；另一种是投产前在现场进行逐点测试，以每支管阀门开度大小来求阻力平衡。

此法比较繁琐，难以达到平衡，最好事先在设计中使阻力达到平衡，计算方法如下：①当支管与总管交汇处压力差>20%时，改变阻力大的管径，降低流速，以达到阻力平衡。

例：总管长度L 1=5.2m ，如图8-1示，风量Q 1=1045m 3/h ，风速v 1=15m/s ，局部阻力系数ξ1=0.5，支管长度L 2=4.5m ，风量Q 2=850m 3/h ，风速v 2=18m/s ，局部阻力系数ξ2=0.55计算：由Q 1、v 1查附录12知：当量阻力系数λ1/d 1=0.11，动压头υ2ρ/2=135Pa，管径d 1=160mm 。

总管阻力：144.7Pa 135)0.55.2(0.112)(211111=⨯+⨯=+⨯=∆∑ρνξλL d p支管阻力：由Q 2、v 2查附录12知：当量阻力系数λ2/d 2=0.14，动压头v 2ρ/2=194.4Pa，管径d 2=130mm 。

222222()(0.14 4.50.55)194.4229.42v P L Pa d λρξ∆=⨯+∑=⨯+⨯= 支管阻力：阻力差：（229.4－144.7）/229.4=36%>20% 对支管管径d 2进行调整144.3mm =1.11×130=)144.7229.4(×130= )ΔΔP d =d 0.2250.2251222'P （图8-1 管道结构取值为145mm 重新查附录12计算：d 2'=145mm ，Q 2=850m 3/h ，υ2数为14.5m/s ，λ2/d 2=0.14，υ2ρ/2=126.15Pa。

137.5Pa =126.15×0.55+4.5×0.12=ΔP 2）（ 阻力差：4.9%144.7137.5-144.7=<5% （达到平衡）②当静压差<20%时，管径不变，将阻力小的支管风量适当增加，加以修正，达到阻力平衡。

阻力小的支管压力阻力大的支管压力QQ =' 两支管静压差<5%，可以认为达到阻力平衡。

阻力平衡计算是比较繁琐的工作，应该耐心，反复计算，并进行调整。

8.2管道重量计算 8.2.1圆形风管δπ⨯⨯⨯⨯⨯=L D 7.851.2G 1 （8-8）式中：G 1—风管重量，kg ； D —管径，m ； L —风管长度，m ； δ—风管壁厚，mm ；1.2—系数（考虑法兰加固圈等重量）； 7.85—厚1mm 面积1m 2钢板重量。

8.2.2保温材料根据保温材料种类，密度及保温层厚度，计算保温层重量。

L)D 0.785(DV G 22212⨯⨯=⨯=—γγ （8-9）式中：G 2—保温层重量，kg ； γ—保温材料密度，kg/m 3；V —保温材料体积，m 3； D 1—保温后管径，m ； D 2—保温前管径，m ； L —风管实际长度，m 。

8.2.3风管内积灰图8-2 外形图风管内积灰重量，可按风管布置形状及倾斜度来考虑，按经验计算时按下列情况确定：一般，水平管道，按其管道容积1/3计；倾斜管道<45°，按其管道容积1/4计；倾斜管道45~70°，按其管道容积1/10计；倾斜管道>70°，积灰可以不予考虑。

8.2.4事故荷载系数生产中为安全起见，应增加安全系数。

一般，安全系数取1.2~1.3。

8.3膨胀节选型计算8.3.1膨胀节的作用热风管道在正常生产时，受管内热风的影响而产生膨胀，而与其相连接的设备、风管支座，一般都固定在常温状态下的土建基础上，当受高温影响时，风管热膨胀产生的巨大应力传递到设备和支座上，轻则导致设备动作不灵，支座变形，重责损坏设备和土建基础。

为了保证生产正常进行，在热风管道的适当位置通常都安装有膨胀节，以吸收热膨胀量。

1．金属膨胀节构造及用途金属膨胀节种类较多，水泥厂常用的是U型波纹管膨胀节。

该膨胀节由厚度0.8~1.0mm的不锈钢板（1Cr18Ni9Ti或0Cr18Ni19Ti）压制而成，一般为U形断面，波纹管两端与短管焊接，内外筒间隙吸收轴向膨胀时的自由运动，波纹内填充耐高温的保温层，以防波纹管磨损及热量散失。

不同的金属膨胀节有高低温之分，适用不同的压力范围。

U型波纹管膨胀节耐高温、高压、使用寿命长，但价格高，单个使用只能吸收轴向膨胀量，若需要吸收径向膨胀量，只能用两个膨胀节加中间节来吸收，但增加了费用。

此种膨胀节多用于窑尾预热器系统、三次风管以及生料粉磨管道系统等位置。

2．非金属膨胀节构造及用途此种膨胀节是由合成纤维或是玻纤布外层涂以橡胶制成的，可以吸收轴向和径向移位量，具有吸收、隔绝震动传递、无力传递等特点，因此常用在锅炉、风机进出口、磨机出气罩等处，可耐温度为200~500℃。

用以补偿烟气因温度变化引起的移位，以及机械振动、基础下沉等不同情况引起的移位。

为简化设计，节省投资，目前大量选用非金属膨胀节。

3．膨胀节技术参数（1）金属波纹管轴向型膨胀节技术参数表8-8 金属波纹管轴向型膨胀节技术参数高温型：SYB-2000-4（代号800℃—通径—波数）（2）非金属膨胀节参数此种膨胀节只适用于热膨胀引起的轴向、径向位移，其位移指受压缩时的位移，不能承受拉伸位移。

8.3.2膨胀节选型计算1．膨胀量计算t L L ∆⋅⋅=∆α （8-10）式中：ΔL—管道热膨胀量，mm ；L —两个相邻固定支座间风管长度，mm ； Δt —管道内介质与外界温度差，℃；α—管材线膨胀系数，mm/mm·℃，常用管材Q235—A 的线膨胀系数α值见表8-10。

表8-10 管材线膨胀系数α膨胀节只适合在高频低振幅的振动场合使用，不适用于低频高振幅的场合。

当波纹膨胀节在高频低振幅系统中使用时，应注意膨胀节的自振频率不能与系统的振动频率一致，以免产生共振，其自振频率计算如下：（1）轴向振动：GK C f n= （8-11）式中：f —自振频率，Hz ； G —膨胀节重量，kg ；K n —整个波纹管轴向刚度，N/mm ； C —自振频率系数，取值如表8-11。

GK )L D C(f nn m = （8-12） 式中：D m —波纹管平均直径，m m h d D m ，+=； d —波纹管直筒直径，mm ； h —波纹管高度，mm ；L n —波纹管长度，Nq L n =，mm ； N —波数，个； q —波距，mm ；K n —整个波纹管的轴向刚度，N/mm ； C —自振频率系数，各阶系数如表8-12。