1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　一、環(huán)保設(shè)備課程設(shè)計(jì)任務(wù)書3</p><p><b>　　1.1設(shè)計(jì)任務(wù)3</b></p><p>　　1.2真空收運(yùn)系統(tǒng)簡介3</p><p>　　1.3 真空廁所運(yùn)作流程示意4</p><p><

2、;b>　　二、項(xiàng)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(nèi)外研究現(xiàn)狀5</p><p>　　2.3 真空廁所系統(tǒng)的特點(diǎn)5</p><p>　　2.4 真空廁所收運(yùn)系統(tǒng)的適用范圍6</p><p>　　三、設(shè)計(jì)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(jì)算9</p><p>　　4.1 關(guān)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(shè)計(jì)總結(jié)10</p><p><b>　　六、參考文獻(xiàn)10</b></p><p>　　一、環(huán)保設(shè)備課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</p><p><b>　　1.1設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目：真空廁所

6、設(shè)備設(shè)計(jì)</p><p><b>　　設(shè)計(jì)者：張祥陽</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中更改為1100mm）</p><p>　　已知條件：真空廁所沒人每次產(chǎn)生固液廢棄物1升，沖廁消耗清水2升</p><p><b>　　設(shè)計(jì)要求：</b></p><p>　　（1）確定男女蹲位數(shù)量；</p><p>　　（2）設(shè)計(jì)工藝系統(tǒng)圖，1張3#圖；</p><p>　?。?）確定真

8、空罐容積，設(shè)計(jì)真空站總圖（含罐體、支座、地基），1張3#圖；</p><p>　　（4）設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)真空廁所平面工藝設(shè)備布置圖，1張3#圖。</p><p>　　圖紙要求：采用標(biāo)準(zhǔn)圖框，標(biāo)題欄和明細(xì)表以教材P213頁的為準(zhǔn)。 </p><p>　　1.

9、2真空收運(yùn)系統(tǒng)簡介</p><p>　　如圖1所示，真空收運(yùn)系統(tǒng)包括真空站、真空管網(wǎng)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(wǎng)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(nèi)設(shè)立真空站。真空站是真空收運(yùn)系統(tǒng)的核心。真空坐便器采用手動(dòng)真空界面閥；其他衛(wèi)生器具下面設(shè)立液位傳

10、感器，自動(dòng)控制真空閥的啟閉。衛(wèi)生器具排水時(shí)真空界面閥打開，真空泵啟動(dòng)，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(yùn)系統(tǒng)是利用真空作為動(dòng)力源，對糞便的沖刷力遠(yuǎn)高于依靠重力產(chǎn)生的沖刷力，故用水量少，僅為2L/次，使收集到的糞便濃度遠(yuǎn)高于重力排污系統(tǒng)，處理成本低。管道可隨地形鋪設(shè)，土方開挖量少，排污管道的尺寸?。☉敉庵鞴軆?nèi)徑一般為5~20cm,室內(nèi)分管內(nèi)徑為4~5cm，可用

11、PVC管材，價(jià)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(shè)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(yùn)作流程示意</p><p><b>　　停滯6s</b></p><p>　　按下按鈕 真空泵啟動(dòng) 收集器內(nèi)形成真空

12、 廢水倒吸至真空罐內(nèi) </p><p>　　按下總控制按鈕ON 真空泵電源切斷 真空泵恢復(fù)電源</p><p>　　（廁所停止運(yùn)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(xiàng)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(gè)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(dāng)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(gè)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(yán)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(jīng)達(dá)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(jì)，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(jì)算，全國城市居民僅用于沖洗廁所每年就耗費(fèi)自來水3.65億噸，

15、如果每噸水的水價(jià)為2元，那么全國城市每年就有73億元沖進(jìn)下水道，對寶貴的水資源造成了巨大的浪費(fèi)。</p><p>　　當(dāng)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(wǎng)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(yuǎn)離城市中心的處理工廠。由于糞便易在管道內(nèi)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(shè)，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(dòng)起來。因?yàn)槲鬯且揽恐亓ε欧诺?，需要一定的向下傾斜坡度，管徑較大，開挖費(fèi)用高。在地勢平坦的地方還需要提升站，管網(wǎng)及設(shè)備費(fèi)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(fèi)用高昂，污水處理廠處理能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，大部分污水未經(jīng)處理便排放到附近水域，對周圍環(huán)境造成嚴(yán)重污染。水資源緊張和水資源污染問題已經(jīng)嚴(yán)重限制了國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度。&l

17、t;/p><p>　　2.2 真空廁所系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　國外真空廁所系統(tǒng)最初是用于飛機(jī)上的廁所污水排放，七十年代起應(yīng)用于輪船和民用住宅。在真空廁所技術(shù)中，世界領(lǐng)先者為美國的AIRVAC公司，已有20多年的經(jīng)驗(yàn)，到目前為止，AIRVAC在21個(gè)州有100多個(gè)真空廁所系統(tǒng)已在正常運(yùn)轉(zhuǎn)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(gè)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(gè)真空廁所系統(tǒng)，它在12個(gè)不同國家安有真空廁所系統(tǒng)，可以說其技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。但是，國外一套真空廁所售價(jià)為1800～2000美元，管網(wǎng)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(shù)和設(shè)備出售和轉(zhuǎn)讓給我國，在這種形勢下，華中科技大學(xué)環(huán)境工程系進(jìn)行了一種民用真空

19、廁所的研制，已獲得獨(dú)立的知識產(chǎn)權(quán)，設(shè)備的價(jià)格只有國外的1/8～1/10，而產(chǎn)品的主要性能與國外產(chǎn)品相當(dāng)，達(dá)到了國際的先進(jìn)水平。真空廁所系統(tǒng)樣板工程也已經(jīng)在建設(shè)之中。</p><p>　　2.3 真空廁所系統(tǒng)的特點(diǎn)</p><p>　?、僬婵諑某槲h(yuǎn)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(nèi)真空來運(yùn)送污水，污水流動(dòng)速度快，冬季不易發(fā)生污水結(jié)晶，管道不易堵塞。管徑較小，安裝方便。管道鋪設(shè)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(shè)，不會(huì)對地下現(xiàn)有管線造成破壞。</p><p>　　④臭氣控制好，因管道內(nèi)部為負(fù)壓狀態(tài)，發(fā)生泄漏時(shí)污水不會(huì)外逸，

21、不會(huì)對環(huán)境造成污染；真空系統(tǒng)內(nèi)的臭氣難以散出，不易引來蚊蠅，因此會(huì)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(yùn)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(shè)靈活、適于分流制改造的優(yōu)點(diǎn)；</p><p>　　②在城郊鄉(xiāng)鎮(zhèn)等居

22、民較分散地區(qū)，真空收運(yùn)系統(tǒng)可發(fā)揮其管徑較小、鋪設(shè)造價(jià)較低、安裝工期短的優(yōu)點(diǎn)；</p><p>　?、墼谏絽^(qū)、湖泊、丘陵等地勢復(fù)雜地區(qū)，真空收運(yùn)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(yīng)用于火車、輪船等交通工具以及城市流動(dòng)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(nèi)部為負(fù)壓、污水、毒氣不會(huì)外逸等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　三、設(shè)計(jì)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(jīng)真空系統(tǒng)收集的糞便水，做厭氧消化處理，產(chǎn)生的沼氣作生活燃料，剩余物作優(yōu)質(zhì)農(nóng)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(shè)較淺的收集管道，經(jīng)格柵進(jìn)入儲

24、存池，利用重力使污水流入構(gòu)造濕地或生態(tài)塘，處理后的灰水達(dá)標(biāo)準(zhǔn)排放；糞便水（黑水）則通過真空廁所及管網(wǎng)進(jìn)入糞便真空收集罐做進(jìn)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(shè)計(jì)任務(wù)書要求：真空廁所用水量按570人/天，每次沖水量在2L以下設(shè)計(jì)，真空廁所每天工作18小時(shí)。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(shè)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(shí)間等因素，確定該廁所的女用蹲位為8個(gè)，男用蹲位4個(gè)，站位4個(gè)?？紤]到上海是個(gè)土地資源相當(dāng)貧乏的大都市，城區(qū)內(nèi)寸土寸金，合理優(yōu)化土地資源的前提下，設(shè)計(jì)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(qiáng)材料而制成的復(fù)合材料。其力學(xué)性能的突出特點(diǎn)是相對密度小、比強(qiáng)度高。機(jī)械性能能達(dá)到或者超過普通剛才的水平。且玻璃鋼為各向異性非均質(zhì)材料，可滿足不同的方向受力要求。玻璃鋼因?yàn)楹欣w維、樹脂、固化劑和表面處理劑，耐化學(xué)腐蝕性能號。特別是在強(qiáng)的非氧化酸和PH值變化范圍廣的介質(zhì)中都有良好的適應(yīng)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(shè)計(jì)要求，但考慮到其價(jià)格較高，故選用玻璃鋼作為設(shè)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?yàn)檎婵諑盟堪?70人/天，每次沖水量在2L以下設(shè)計(jì)，且每次有設(shè)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(yīng)超過2.5。我國規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，橢圓形封頭”中數(shù)據(jù)，有Dg為1100mm，近似于設(shè)計(jì)所給數(shù)據(jù)1070mm，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)間的成本較低，所以設(shè)計(jì)Dg取值為1100mm。</p><p>　　直邊高度選擇50mm，厚度選擇為20mm，材質(zhì)為高合金鋼。從表中得A=1.4844，V=0.2217，質(zhì)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(shè)計(jì)壓力為p=0.1MPa，安全系數(shù)K取10，玻璃鋼的環(huán)向拉伸強(qiáng)度強(qiáng)度σy=140MPa。因玻璃鋼為各向異性材料，各向同性材料的主應(yīng)力和主應(yīng)力方向等概念，在玻璃鋼的結(jié)構(gòu)分析中是不適用

32、的。</p><p>　　壁厚計(jì)算公式為：t=pPK/2σy</p><p>　　式中，t為罐壁的最小設(shè)計(jì)厚度，mm；p為設(shè)計(jì)壓力，MPa；σy為玻璃鋼環(huán)向拉伸強(qiáng)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(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)時(shí)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(shè)計(jì)，確定正空罐設(shè)有以下接管：污水進(jìn)料管、污水排出管、真空表接管、料位計(jì)接管。</p><p>　　罐體端蓋法蘭連接選擇計(jì)算</p><p>　　4.1 關(guān)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(shí)，這些器材設(shè)備的局部，也制成相對應(yīng)的法蘭形狀，也稱為法蘭連接。凡是在兩個(gè)平面在周邊使用螺栓連接同時(shí)封閉的連接零件，一般都稱為“法蘭”，如通風(fēng)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(gè)管道、管件或器材，先各自固定在一個(gè)法蘭盤上，兩個(gè)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(jīng)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(gè)。</p&

37、gt;<p>　　4.2.2 螺栓直徑的確定</p><p>　　理論預(yù)算：罐內(nèi)的壓強(qiáng)求罐內(nèi)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(shè)計(jì)螺栓尺寸時(shí)，設(shè)定罐體已經(jīng)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(zhì)量為235.73kg。混合液為2/3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(jī)械設(shè)計(jì)》表3-7，，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表3-9，，則按《機(jī)械設(shè)計(jì)》（3-30）得（3-31）得，（3-31）作用在每個(gè)螺栓上的剪切力為F3/20,得1.3mm。</p><p>　　所以按《機(jī)械設(shè)計(jì)》（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(shí)際選?。涸诶碚撚?jì)算中，因?yàn)榭紤]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(shè)計(jì)總結(jié)&

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?yàn)閱栴}很多，大都是實(shí)際生產(chǎn)的問題。這次的設(shè)計(jì)有點(diǎn)虎頭蛇尾，因?yàn)橛写罅康膱D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(shè)計(jì)，理論計(jì)算就已經(jīng)很難，但是選取的時(shí)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(diǎn)難以理解。</p><p>　　結(jié)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(fèi)神費(fèi)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(xí)慣。</p><p><b>　　六、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　?。?）周敬宣. 環(huán)保設(shè)備及課程設(shè)計(jì). 化學(xué)工業(yè)出版社，2007.7</p><p>　?。?）鄭鈞. 環(huán)保設(shè)備原理設(shè)計(jì)應(yīng)用. 化學(xué)工業(yè)出版社，2008.8</p>