環(huán)保設備課程設計---真空廁所設備設計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　一、環(huán)保設備課程設計任務書3</p><p><b>　　1.1設計任務3</b></p><p>　　1.2真空收運系統(tǒng)簡介3</p><p>　　1.3 真空廁所運作流程示意4</p><p><

2、;b>　　二、項目背景4</b></p><p>　　2.1 真空廁所系統(tǒng)的研發(fā)背景4</p><p>　　2.2 真空廁所系統(tǒng)的國內外研究現(xiàn)狀5</p><p>　　2.3 真空廁所系統(tǒng)的特點5</p><p>　　2.4 真空廁所收運系統(tǒng)的適用范圍6</p><p>　　三、設計方案的分

3、析擬定6</p><p>　　3.1 確定真空廁所男女蹲位的數(shù)量7</p><p>　　3.2 真空罐材料選定7</p><p>　　3.3 真空罐主要參數(shù)的確定8</p><p>　　3.3.1 真空罐體積估算8</p><p>　　3.3.2 罐體壁厚8</p><p>　　3.

4、3.3 支座的選擇8</p><p>　　3.3.4 附件和接管8</p><p>　　四、 罐體端蓋法蘭連接選擇計算9</p><p>　　4.1 關于法蘭連接9</p><p>　　4.2 連接螺栓數(shù)量與直徑的確定9</p><p>　　4.2.1 螺栓數(shù)量的確定9</p><p&g

5、t;　　4.2.2 螺栓直徑的確定9</p><p>　　五、 設計總結10</p><p><b>　　六、參考文獻10</b></p><p>　　一、環(huán)保設備課程設計任務書</p><p><b>　　1.1設計任務</b></p><p>　　設計題目：真空廁所

6、設備設計</p><p><b>　　設計者：張祥陽</b></p><p><b>　　設計數(shù)據(jù)：</b></p><p><b>　　數(shù)據(jù)編號：B28</b></p><p>　　每天用廁人數(shù)：570人次</p><p>　　真空罐直徑：1070 m

7、m（設計中更改為1100mm）</p><p>　　已知條件：真空廁所沒人每次產生固液廢棄物1升，沖廁消耗清水2升</p><p><b>　　設計要求：</b></p><p>　?。?）確定男女蹲位數(shù)量；</p><p>　?。?）設計工藝系統(tǒng)圖，1張3#圖；</p><p>　?。?）確定真

8、空罐容積，設計真空站總圖（含罐體、支座、地基），1張3#圖；</p><p>　?。?）設計真空罐體端蓋和支座制造圖，各1張3#圖； </p><p>　?。?）根據(jù)蹲位數(shù)量和真空罐體積，設計真空廁所平面工藝設備布置圖，1張3#圖。</p><p>　　圖紙要求：采用標準圖框，標題欄和明細表以教材P213頁的為準。 </p><p>　　1.

9、2真空收運系統(tǒng)簡介</p><p>　　如圖1所示，真空收運系統(tǒng)包括真空站、真空管網和用戶終端三大部分。其中真空站包括真空收集罐、真空泵、排污泵、控制柜等；真空管網安裝有真空壓力監(jiān)測表和檢察口；用戶終端有蹲便器、坐便器、公廁小便抽吸器、廚房垃圾破碎器等。</p><p>　　一般在建筑物地下室內設立真空站。真空站是真空收運系統(tǒng)的核心。真空坐便器采用手動真空界面閥；其他衛(wèi)生器具下面設立液位傳

10、感器，自動控制真空閥的啟閉。衛(wèi)生器具排水時真空界面閥打開，真空泵啟動，將污水吸到真空收集罐里儲存，定期由污水泵將污水送到室外。</p><p>　　由于真空收運系統(tǒng)是利用真空作為動力源，對糞便的沖刷力遠高于依靠重力產生的沖刷力，故用水量少，僅為2L/次，使收集到的糞便濃度遠高于重力排污系統(tǒng)，處理成本低。管道可隨地形鋪設，土方開挖量少，排污管道的尺寸?。☉敉庵鞴軆葟揭话銥?~20cm,室內分管內徑為4~5cm，可用

11、PVC管材，價格低廉，性能可靠），所占用空間小，不需建造重力下水道中必備的人孔等設施，給施工帶來很大方便。對于缺水地區(qū)，修建重力排污系統(tǒng)困難的地區(qū)尤為合適。</p><p>　　1.3 真空廁所運作流程示意</p><p><b>　　停滯6s</b></p><p>　　按下按鈕 真空泵啟動 收集器內形成真空

12、 廢水倒吸至真空罐內 </p><p>　　按下總控制按鈕ON 真空泵電源切斷 真空泵恢復電源</p><p>　　（廁所停止運行） 次日 按下控制按鈕OFF </p><p>　　排污泵開始工作

13、 排污泵電源切斷</p><p><b>　　二、項目背景</b></p><p>　　2.1 真空廁所系統(tǒng)的研發(fā)背景</p><p>　　我國是一個貧水國家，淡水資源非常短缺，人均淡水資源占有僅為2300ｍ3，相當于世界人均的1/4，位居世界排名第121位，被列為世界上最缺水的13個國家之一，尤其是近幾年，我國北方許多大中城市水資

14、源告急，城市飲用水水源面臨嚴重威脅。隨著人們生活水平的提高，城市生活居民的人均用水量卻在逐年增長我國城市家庭日人均用水量已由1980年不足80L上升到1998年的135L左右，到2004年，居民日生活用水量已經達200L。然而目前我國各城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)都仍在使用沖水廁所，每沖洗一次消耗自來水8升左右，最少的也要6升。據(jù)統(tǒng)計，我國城市居民用于沖洗廁所用水量約占總用水量的1/3，照這樣計算，全國城市居民僅用于沖洗廁所每年就耗費自來水3.65億噸，

15、如果每噸水的水價為2元，那么全國城市每年就有73億元沖進下水道，對寶貴的水資源造成了巨大的浪費。</p><p>　　當前，人類的污水排放一般是通過傳統(tǒng)重力排污系統(tǒng)來排放的。傳統(tǒng)重力是通過管網和地溝，將來自家庭、街道、工廠等處的所有固體及污水等混合物輸送到遠離城市中心的處理工廠。由于糞便易在管道內沉積聚集而堵塞管道，因此需要大直徑的管道并采用必要的坡度向下均勻鋪設，以利用固體物的自身重力及大量的沖刷水來獲得一定的

16、沖刷速度，使大塊糞便破碎并與污水混合流動起來。因為污水是依靠重力排放的，需要一定的向下傾斜坡度，管徑較大，開挖費用高。在地勢平坦的地方還需要提升站，管網及設備費用高。</p><p>　　此外，由于沖刷糞便用水量很大，大量的水資源被糞便污染，造成污水處理費用高昂，污水處理廠處理能力遠遠不夠，大部分污水未經處理便排放到附近水域，對周圍環(huán)境造成嚴重污染。水資源緊張和水資源污染問題已經嚴重限制了國民經濟的發(fā)展速度。&l

17、t;/p><p>　　2.2 真空廁所系統(tǒng)的國內外研究現(xiàn)狀</p><p>　　國外真空廁所系統(tǒng)最初是用于飛機上的廁所污水排放，七十年代起應用于輪船和民用住宅。在真空廁所技術中，世界領先者為美國的AIRVAC公司，已有20多年的經驗，到目前為止，AIRVAC在21個州有100多個真空廁所系統(tǒng)已在正常運轉中，最早的住宅系統(tǒng)安裝于1973年，大部分廁所系統(tǒng)提供100～150個終端，一些較大的系統(tǒng)可

18、提供5000以上的家庭終端。AIRVAC公司在世界上也有多個真空廁所系統(tǒng)，它在12個不同國家安有真空廁所系統(tǒng)，可以說其技術已經趨于成熟。但是，國外一套真空廁所售價為1800～2000美元，管網和真空站也十分昂貴，這就限制了真空廁所系統(tǒng)在我國的普遍使用。</p><p>　　1997年美國的真空廁所公司（AIRVAC）拒絕將真空廁所的技術和設備出售和轉讓給我國，在這種形勢下，華中科技大學環(huán)境工程系進行了一種民用真空

19、廁所的研制，已獲得獨立的知識產權，設備的價格只有國外的1/8～1/10，而產品的主要性能與國外產品相當，達到了國際的先進水平。真空廁所系統(tǒng)樣板工程也已經在建設之中。</p><p>　　2.3 真空廁所系統(tǒng)的特點</p><p>　?、僬婵諑某槲h大于為普通重力抽水馬桶，使便池排放干凈且用水量少，一般僅為1升／次左右，廁所用水量節(jié)約80% 以上，在干旱地區(qū)尤為適宜；</p>

20、;<p>　?、谡婵諑到y(tǒng)依靠管道內真空來運送污水，污水流動速度快，冬季不易發(fā)生污水結晶，管道不易堵塞。管徑較小，安裝方便。管道鋪設挖掘量少，工期短；</p><p>　?、壅婵諑到y(tǒng)在真空的作用下可以把污水提升3～4米，管道安裝靈活方便，遇到障礙物可以拐彎鋪設，不會對地下現(xiàn)有管線造成破壞。</p><p>　?、艹魵饪刂坪茫蚬艿纼炔繛樨搲籂顟B(tài)，發(fā)生泄漏時污水不會外逸，

21、不會對環(huán)境造成污染；真空系統(tǒng)內的臭氣難以散出，不易引來蚊蠅，因此會有效地改善廁所臭氣熏天的現(xiàn)狀。</p><p>　　2.4 真空廁所收運系統(tǒng)的適用范圍</p><p>　?、傧鄬鹘y(tǒng)排水系統(tǒng)，真空廁所系統(tǒng)的適用范圍更廣泛。在城市缺水地區(qū)、居民密集區(qū)，真空廁所系統(tǒng)可以取代傳統(tǒng)廁所系統(tǒng)，發(fā)揮其節(jié)水、鋪設靈活、適于分流制改造的優(yōu)點；</p><p>　　②在城郊鄉(xiāng)鎮(zhèn)等居

22、民較分散地區(qū)，真空收運系統(tǒng)可發(fā)揮其管徑較小、鋪設造價較低、安裝工期短的優(yōu)點；</p><p>　?、墼谏絽^(qū)、湖泊、丘陵等地勢復雜地區(qū)，真空收運系統(tǒng)可發(fā)揮其管道可以上坡、遇到障礙物可以靈活繞過等優(yōu)勢；</p><p>　?、苷婵諑到y(tǒng)也可應用于火車、輪船等交通工具以及城市流動廁所中，可以把糞便污水集中收集，并節(jié)約大量用水，可減少交通工具的儲水量；</p><p>　

23、?、菰卺t(yī)院等排出有毒、有害污水的特殊場合，真空廁所系統(tǒng)可以發(fā)揮其內部為負壓、污水、毒氣不會外逸等優(yōu)點。</p><p>　　三、設計方案的分析擬定</p><p>　　已確定在某處新建一座環(huán)保真空廁所。打算將經真空系統(tǒng)收集的糞便水，做厭氧消化處理，產生的沼氣作生活燃料，剩余物作優(yōu)質農肥出售。水處理工藝流程如圖，即，與真空排污系統(tǒng)配套的灰水處理系統(tǒng)將雜洗水通過埋設較淺的收集管道，經格柵進入儲

24、存池，利用重力使污水流入構造濕地或生態(tài)塘，處理后的灰水達標準排放；糞便水（黑水）則通過真空廁所及管網進入糞便真空收集罐做進一步的處理及利用。</p><p>　　圖2 水處理工藝流程圖</p><p>　　3.1 確定真空廁所男女蹲位的數(shù)量</p><p>　　根據(jù)設計任務書要求：真空廁所用水量按570人/天，每次沖水量在2L以下設計，真空廁所每天工作18小時。真空

25、收集罐在常溫下工作，且其工作壓力范圍在-0.08~0.1MPa。假設男女如廁人數(shù)對半，即男女各為285人次，考慮到中午等高峰時間等因素，確定該廁所的女用蹲位為8個，男用蹲位4個，站位4個。考慮到上海是個土地資源相當貧乏的大都市，城區(qū)內寸土寸金，合理優(yōu)化土地資源的前提下，設計如下較為緊湊的真空廁所，該平面圖如圖3所示。</p><p>　　圖3 真空廁所平面圖</p><p>　　3.2 真

26、空罐材料選定</p><p>　　玻璃鋼是以合成樹脂為黏合劑，玻璃纖維及其制品作增強材料而制成的復合材料。其力學性能的突出特點是相對密度小、比強度高。機械性能能達到或者超過普通剛才的水平。且玻璃鋼為各向異性非均質材料，可滿足不同的方向受力要求。玻璃鋼因為含有纖維、樹脂、固化劑和表面處理劑，耐化學腐蝕性能號。特別是在強的非氧化酸和PH值變化范圍廣的介質中都有良好的適應性。另外玻璃鋼制備比較方便，施工組裝也容易，耐老

27、化性好。不銹鋼雖然也是基本上滿足設計要求，但考慮到其價格較高，故選用玻璃鋼作為設備材料。</p><p>　　3.3 真空罐主要參數(shù)的確定</p><p>　　3.3.1 真空罐體積估算</p><p>　　因為真空廁所用水量按570人/天，每次沖水量在2L以下設計，且每次有設有1L的固液廢物，所以可得真空收集罐的容積理論為：570×（2＋1）＝1710L

28、</p><p>　　取整，得1800L，即真空收集罐的容積約為1.8m3。</p><p>　　已知R=1070mm，橢圓封頭長軸a=535mm，短軸b=267.5mm，(壓力容器橢圓形封頭的長短軸比（半徑與高度比）一般不應超過2.5。我國規(guī)定的標準橢圓形封頭，半徑與高度之比為2.0。這樣，封頭和與它相連接的圓筒體就可以采用相同的材料和相等的壁厚，組焊比較方便。近期制造的鍋爐與壓力容器，

29、大部分都采用橢圓形封頭。)</p><p>　　根據(jù)“JB4737-95中華人民共和國行業(yè)標準，橢圓形封頭”中數(shù)據(jù)，有Dg為1100mm，近似于設計所給數(shù)據(jù)1070mm，因為標準間的成本較低，所以設計Dg取值為1100mm。</p><p>　　直邊高度選擇50mm，厚度選擇為20mm，材質為高合金鋼。從表中得A=1.4844，V=0.2217，質量為235.73kg</p>

30、<p>　　真空罐容積V＝V1+V2</p><p>　　其中，V1為圓柱體部分體積，V2為橢圓封頭體積。</p><p>　　V1＝Hπr2＝H×3.14×（0.550）2＝0.95H m3</p><p><b>　　V2＝0.2217</b></p><p>　　V＝V1+V2＝0.

31、95H+0.2217=1.8 m3 H＝1660.7 mm，取H=1660mm</p><p>　　3.3.2 罐體壁厚 </p><p>　　真空收集罐為臥式容器，直徑R=1100mm，設計壓力為p=0.1MPa，安全系數(shù)K取10，玻璃鋼的環(huán)向拉伸強度強度σy=140MPa。因玻璃鋼為各向異性材料，各向同性材料的主應力和主應力方向等概念，在玻璃鋼的結構分析中是不適用

32、的。</p><p>　　壁厚計算公式為：t=pPK/2σy</p><p>　　式中，t為罐壁的最小設計厚度，mm；p為設計壓力，MPa；σy為玻璃鋼環(huán)向拉伸強度，MPa；K為安全系數(shù)，取K=7~10。</p><p>　　所以，t=pPK/σy=0.1×980×10/（2×140）=3.5mm</p><p>

33、;　　由于計算壁厚為t=3.5mm＜5mm，過薄，易漏，所以需要附加壁厚，差玻璃鋼容器設計手冊知：附加厚度為3mm。即壁厚為3.5+3=6.5mm。由于考慮到安全性及加工要求，設計時壁厚取為20mm。</p><p>　　3.3.3 支座的選擇</p><p>　　真空罐為臥式容器，故選用鞍式支座。鞍座由橫向筋板、若干軸向筋板和地板焊接而成。</p><p>　　3

34、.3.4 附件和接管</p><p>　　根據(jù)工藝設計，確定正空罐設有以下接管：污水進料管、污水排出管、真空表接管、料位計接管。</p><p>　　罐體端蓋法蘭連接選擇計算</p><p>　　4.1 關于法蘭連接</p><p>　　法蘭是一種盤狀零件，在管道工程中最為常見，法蘭都是成對使用的?！　〔煌瑝毫Φ姆ㄌm有不同的厚度和使用不同的

35、螺栓。水泵和閥門，在和管道連接時，這些器材設備的局部，也制成相對應的法蘭形狀，也稱為法蘭連接。凡是在兩個平面在周邊使用螺栓連接同時封閉的連接零件，一般都稱為“法蘭”，如通風管道的連接，這一類零件可以稱為“法蘭類零件”?！　》ㄌm連接就是把兩個管道、管件或器材，先各自固定在一個法蘭盤上，兩個法蘭盤之間，加上法蘭墊，用螺栓緊固在一起，完成了連接。有的管件和器材已經自帶法蘭盤，也是屬于法蘭連接。根據(jù)壓力的不同等級，法蘭墊也有不同材料，從低壓石

36、棉墊、高壓石棉墊到金屬墊都有?！　》ㄌm連接使用方便，能夠承受較大的壓力。</p><p>　　4.2 連接螺栓數(shù)量與直徑的確定</p><p>　　4.2.1 螺栓數(shù)量的確定</p><p>　　由于收集罐的直徑為R=1100mm，法蘭盤的周長為L=2πr=2×π×550=3456mm，考慮到連接的密封性，確定螺栓的數(shù)目為20個。</p&

37、gt;<p>　　4.2.2 螺栓直徑的確定</p><p>　　理論預算：罐內的壓強求罐內的總壓力：FΣ=PS,其工作氣壓為-0.08~0.1MPa，在空罐狀態(tài)在，壓力方向如圖所示，大氣壓迫使罐端蓋緊貼罐體。設計螺栓尺寸時，設定罐體已經裝滿混合液，罐端所受力如圖所示中的：重力，拉力，剪切力。</p><p>　　重力為：端蓋自重+混合液重力 </p>&l

38、t;p>　　已知V=0.2217，端蓋質量為235.73kg?；旌弦簽?/3的排泄物，1/3的水。人體正常排泄物的尺寸為直徑2-4cm，長度10-20cm，重量為100-200g。則有最大密度約為6000kg/m3,則混合物的密度約為4333.3kg/m3。則重力G=235.73*9.8+4333.3*0.2217*9.8=11724.9N</p><p>　　F1=-F2= F3= F4=

39、 </p><p>　　最大的螺栓所受的工作拉力約為：，對于有密封性要求的連接，，所以</p><p>　　若取合金鋼性能等級12.9，則查《機械設計》表3-7，，查《機械設計》表3-9，，則按《機械設計》（3-30）得（3-31）得，（3-31）作用在每個螺栓上的剪切力為F3/20,得1.3mm。</p><p>　　所以按《機械設計》（3-26）的螺栓的最

40、小直徑為：</p><p>　　，查GB196-2003，取M2（=1.567mm>1.45mm）。</p><p>　　實際選?。涸诶碚撚嬎阒?，因為考慮密封性的要求，螺栓間距在80mm左右，故螺栓數(shù)目依舊定為20。根據(jù)市面上螺栓的情況，M16最為常見，M20次之。并且M6在成本上反而更低，所以螺栓定為M16。</p><p><b>　　設計總結&

41、lt;/b></p><p>　　從接觸大作業(yè)到現(xiàn)在，真空廁所是最沒有頭緒的，因為問題很多，大都是實際生產的問題。這次的設計有點虎頭蛇尾，因為有大量的圖紙中的數(shù)據(jù)是難以考證的。封頭，箱體，法蘭都有章可循，而螺栓的設計，理論計算就已經很難，但是選取的時候只是粗略的選擇了市面上常見的，這讓我對這次的作業(yè)有點難以理解。</p><p>　　結束這次作業(yè)，也收獲了一些，從海量的資料里查找信息

42、是件費神費腦的工作，但成就頗豐。也希望這股鉆研的精神可以帶到以后的工作中去。求知，是難得的習慣。</p><p><b>　　六、參考文獻</b></p><p>　　（1）周敬宣. 環(huán)保設備及課程設計. 化學工業(yè)出版社，2007.7</p><p>　?。?）鄭鈞. 環(huán)保設備原理設計應用. 化學工業(yè)出版社，2008.8</p>