(1)管径计算 管径应根据对象介质的流量、性质、合适的流速和允许的压力损失等确定。
对于单一管段的管径，可先按下式进行理论计算：
式中 Di——管子内径，mm
qm——质量流量，kg/h
v——平均流速，m/s
ρ——流体密度，kg/m3
按上式求得之初算内径，再按前述所选定的管子规格系列调整为实际内径。然后再按确定的实际内径复核实际的平均流速，最后以实际的管子内径Di与实际的平均流速v核算管道的压力损失，确认选用的管径是否可行。如果压力损失不满足要求，应重新计算管径。
(2)管道介质平均流速的选择 在上述管径计算式中，质量流量qm和流体密度ρ是给定数，平均流速v为有待确定的变量。通过工程实践，建立了可供选择的平均流速范围。在选用时，可根据流体的性质、状态和管道允许的压力损失选取。表1-66给出了可供选择的常用介质平均流速范围。
表1-66 常用介质平均流速范围
| 名 称 | 介质状态 | 流速范围/(m/s) |
| 饱和蒸汽 | 主管
支管 |
30～40
20～30 |
| 过热蒸汽 | 主管
支管 |
40～60
35～40 |
| 低压蒸汽 | <1.0MPa(表压，下同) | 15～20 |
| 压缩空气 | 0.1～0.6MPa
0.6～1.0MPa |
10～20
10～15 |
| 煤气 | 初压0.02MPa
初压0.6MPa |
0.75～3.0
3～12 |
| 氨气 | 负压
0.2～0.35MPa 1.0～2.0MPa |
15～25
10～20 3～8 |
| 氮气 | 5.0～10MPa | 2～5 |
| 真空 | 真空度86.64～
94.64kPa |
80～130 |
| 名 称 | 介质状态 | 流速范围/(m/s) |
| 上水(包括自来水、
纯水、软水等) |
主管
支管0.2～0.3MPa |
1.5～3.5
1.0～1.5 |
| 回水、凝结水 | 有余压
自流 |
0.5～1.0
0.2～0.5(充 满度0.4～0.6) |
| 食品物料 | 黏度与水近似
低黏度(5×10-2Pa·s) 中黏度(0.1Pa·s) 高黏度(1Pa·s) |
1.5～2.0
0.7～1.0 0.5～0. 7 0.2-0.3 |
| 酸碱类辅料 | 泵送，0.2～0.3MPa | 1.5～2.0 |
| CIP供液 | 0.3MPa | 1.5～2.5 |
| CIP回流液 | 泵送 | 1.0～1.5 |
注： 表中给出了流速范围，在具体选用时，应根据管径的大小，压力的高低，介质黏度的高低，来相应选取较高或较低的流速。
(3)压力损失计算 所有实际流体都有黏性，流体在管内流动时会产生阻力，使一部分机械能转换为热能，而且这一转变是不可逆过程，造成流体能量的摩擦压力损失或称压力损失。
对于单相的牛顿型流体，液体管道的压力损失包括圆形直管的摩擦压力损失和局部的摩擦压力损失。
流体在直管中流动因内摩擦(层流，Re≤2000)和流体中的涡流(湍流，Re>2000)导致的机械能损失称为直管的摩擦压力损失。流体通过各种管件因流动方向和截面的变化产生大量漩涡而导致的机械能损失称为局部的摩擦压力损失。
△pt＝(△pf+△pk)×ch
式中 △pt——管道总压力损失，MPa
△pf——直管的摩擦压力损失，M
Pa△pk——局部的摩擦压力损失，MPa
ch——管道压力损失的裕度系数，取1.05～1.15
①圆形直管的摩擦压力损失计算
式中 L——管道长度，m
g——重力加速度，m/s2
Di——管子内径，m
v——平均流速，m/s
ρ——流体密度，kg/m3
λ——流体摩擦因数
由上式可知，直管摩擦压力损失，除与管长、管径、流速和流体密度有关外，还与该流体的摩擦因数有关。在运算时，L值是给定的，Di值和v值已由前述步骤加以选定，ρ值可以查到。关键是摩擦系数λ它本身是流体雷诺数和管壁粗糙度的函数。层流时的摩
擦因数λ，由哈根-泊稷叶方程推得为λ=
，
而湍流运动则相当复杂，迄今尚未能从理论上推得λ的计算公式，只能以实验为基础综合出一些经验公式，如柏拉修斯(Blasius)提出的公式为：
式中 Re——流体的雷诺数
但此式仅适用于Re=3×103～105范围内的光滑管内的流动，粗糙管则不适用。
为了工程计算方便起见，常将λ与Re及ε/Di(相对粗糙度)的关系，通过实验和计算所得数据标绘在双对数坐标上制成图表，称为摩擦因数图，该图既包含光滑管，也包含粗糙管，用它来计算圆形直管的摩擦压力损失，有很大的通用性。不论什么介质，只要知道流体的密度和黏度，以及管壁粗糙度，便可查到相应的摩擦因数。
流体的雷诺数与流体的黏度、密度、管径和流速有关，其关系式如下：
式中 Di——管子内径，m
v——平均流速，m/s
ρ——流体密度，kg/m3
μ——流体黏度，Pa·s
关于管壁的相对粗糙度ε/Di，ε为管壁的绝对粗糙度，它是指管壁凸出或凹进部分的平均高度，与管子的材质及加工情况有关。但对λ发生有规律性影响的不是绝对粗糙度，而是它与管径的比值，即相对粗糙度。例如绝对粗糙度相同的管子，直径小的，它的影响就比直径大的要大。由此可见，湍流时摩擦因数λ实为雷诺数和相对粗糙度的函数。
关于流体的黏度，它是由流体的性质决定的，而且随浓度和温度而变(压力的影响很小)。某些液体食品的黏度-温度曲线图见图1-21。
某些金属和非金属管内壁的绝对粗糙度见表1 -67。
图1-21 某些液体食品的黏度-温度曲线图
1—菜子油 2—猪油 3—椰子油4—沙丁鱼油、鲸油 5—40%砂糖溶液6—50%葡萄糖溶液 7—20%砂糖溶液8—20%葡萄糖溶液 9—牛乳10—10%盐水 11—水
表1-67 某些金属和非金属管内壁的绝对粗糙度
| 管子种类及状况 | 绝对粗糙度ε/mm |
| 拉制铜管 | 0.01～0.05 |
| 新无缝钢管 | 0.02～0.10 |
| 轻度腐蚀的无缝钢管 | 0.2～0.3 |
| 显著腐蚀的无缝钢管 | 0.5以上 |
| 新的焊接钢管 | 0.04～0.10 |
| 管子种类及状况 | 绝对粗糙度ε/mm |
| 食品不锈钢管 | 0.001 |
| 普通镀锌钢管 | 0.1～0.15 |
| 新的铸铁管 | 0.25～1.0 |
| 使用过的水管(铸铁管) | 约1.4 |
摩擦因素(λ)与雷诺数(Re)及管壁相对粗糙度(ε/d)的关系见图1-22。
每100m管长压力降控制的推荐值见表1-68。
表1-68 每100m管长压力降控制的推荐值
| 介质 | 管道种类 | 压力降/kPa |
| 输送气体
的管道 |
负压管道① | |
| p≤49kPa
49kPa<p≤101kPa |
1.13
1.96 |
|
| 通风机管道 p=101kPa | 1.96 | |
| 压缩机的吸入管道 | ||
| 101kPa<p≤111kPa
111kPa<p≤0.45MPa p>0.45MPa |
1.96
4.5 0.01P |
|
| 压缩机的排出管和其他压力管道
p≤0.45MPa p>0.45MPa |
4.5
0.01P |
| 介质 | 管道种类 | 压力降/kPa |
| 工艺用的加热蒸汽管道 | ||
| p≤0.3MPa
0.3MPa<p≤0.6MPa 0.6MPa<p≤1.0MPa |
10.0
15.0 20.0 |
|
| 输送液体
的管道 |
自流的液体管道 | 5.0 |
| 泵的吸入管道
饱和液体 不饱和液体 |
10.0～11.0
20.0～22.0 |
|
| 泵的排出管道 | ||
| 流量小于150m3/h
流量小于150m3/h |
45.0～50.0
45.0 |
|
| 循环冷却水管道 | 30.0 |
注：①表中p为管道进口端流体的绝对压力。
②局部的摩擦压力损失计算：局部的摩擦压力损失△Pk的计算可采用当量长度法或阻力系数法以及概略算法。
a. 当量长度法
表1-69为管件、阀门的当量长度。
表1-69 管道附件和阀门的局部阻力系数K(层流)
| 管件和阀门名称 | Re | |||
| 1000 | 500 | 100 | 50 | |
| 90°弯头(短曲率半径) | 0.9 | 1. 0 | 7.5 | 16 |
| 三通(直通) | 0.4 | 0.5 | 2.5 | |
| 三通(支流) | 1.5 | 1.8 | 4.9 | 9.3 |
| 闸阀 | 1.2 | 1.7 | 9.9 | 24 |
| 截止阀 | 11 | 12 | 20 | 30 |
| 旋塞阀 | 12 | 14 | 19 | 27 |
| 角型阀 | 8 | 8.5 | 11 | 19 |
| 旋启式止回阀 | 4 | 4.5 | 17 | 55 |
图1-22 摩擦因数λ、雷诺数Re及管壁相对粗糙度ε/d的关系
b. 阻力系数法
式中 △pk——局部的摩擦压力损失，MPa
Le——阀门和管件的当量长度，见表1-71
KR——局部阻力系数，见表1-70
表1-70 管道附件和阀门局部阻力系数K(湍流)[1，2，3，5]
续表
表1-71 管件、阀门当量长度(用于完全湍流ε=0.000045m，法兰连接)
单位： m
注： 对于两相流，所列数据值需乘以2.0后使用(摘自国外某工程公司设计手册)。
c. 概略算法
工程计算中，局部的摩擦压力损失有时采用概略计算法，取△pk=(0.1～0.3)·△pf，视管路系统中，管件阀门占的比重大小而定。
③关于气体管道摩擦压力损失计算的说明：气体管道摩擦压力损失的计算，原则上可以采用液体管道的计算公式，但需作如下调整：
a.当总压力损失小于起点压力的10%时，可以完全采用。
b. 当总压力损失为起点压力的10%～20%时，仍可采用，但应以平均密度计算摩擦压力损失。
c. 当某些系统的总压力损失大于起点压力的20%时，应把管道分成足够多的段数，逐段进行计算，最后得到各段压力损失之和。各段管道仍可采用液体管道的计算公式计算。
④某些可以方便计算圆形直管摩擦压力损失的专用图表： 上述计算公式通用性强，涵盖范围广，基本上适用于各种介质，但计算过程比较复杂。为了工程计算的方便起见，对某些特定介质(如水、蒸汽)和特定管道(给水钢管、铸铁管和无缝钢管)，前人通过计算和实验，制定了给水钢管压力损失计算表、给水铸铁管压力损失计算表和饱和蒸汽无缝钢管压力损失计算表等。应用这些表，可以方便、快捷地查到水或蒸汽在管内流动时，流速与压力损失的关系。但在应用时，需注意将旧单位符号换算成现行通用的符号。
(4) 管径确定的综合因素 前面所述的管径确定、流速选择、压力损失计算等内容，所讨论的对象似乎只是一段单管而不是一个管网系统。对于长距离输送单一介质的管道，可以直接运用上述各种计算方法。而作为工厂范围内甚至缩小到车间范围内，管径的确定就要考虑其他综合因素。因为在工厂或车间范围内，不论是公用介质管路或工艺物料管路，大多呈树枝形状态，由干管、支管和末梢管组成一个管网系统。确定管径的三大要素：流量、流速和允许的压力损失，在管网的不同位置上有着不同的外在要求和内在规律，因此，需要根据具体情况，作多方面的综合考虑。其中，比较主要的因素有：
①在计算某一介质管网的管径时，不同管段要分别计算，但是要将所有管段逐一详细精算，在实际工作中可能不易做到。一般可以按该介质的总体流量、起点压力等，选择合适的流速，先计算干管管径，进而计算有代表性的支管管径，而对于末梢管，可根据设备备管要求或流量要求概略估算确定。对初步确定的管网各段管径，是否需要进行压力损失核算，从“工艺管路设计”所涉及的区域范围小、管段长度有限等实际情况出发，可以分别对待。在同样流速情况下，造成压力损失的最关键因素是介质在管内流动时的摩擦因数，而与摩擦因数关系最密切的是介质的黏度。因此，工艺管路设计时，对管段长度较长和介质黏性较大的管段，应进行压力损失核算。其余管段可对比下面“递减递增模式”，看是否大体相符。
②递减递增模式： 指的是在确定管径时，对有关参数的取值或结果，沿干管、支管、末梢管的顺序是递增还是递减。具体地说：
a.流量是守恒的，干管的流量等于各支管流量之和，亦等于所有末梢管流量之和。b. 流速的取值和各段的起点压力应是递减的。c. 结果确定的各段管道截面积之和应是递增的。
③辨清“流量”的时间单位： 计算公式或查阅的图表资料中，以及各专业之间相互提供的资料中，“流量”的时间单位大多以小时计，如容积流量以m3/h表示，质量流量以t/h或kg/h表示。这当中，它们隐含的含义指的是每小时的平均流量。在管路设计时，如果一律以平均小时流量来计算，得到的结果有可能并不符合生产要求。因为在生产线上，有各种各样的设备，它们对各种介质的需求是上下跳动的或是间歇性的。例如在食品生产中，还存在许多批量式运行的单元设备，较大型的有发酵罐、老化罐、沉淀澄清罐、杀菌锅等。对这种情况，管道计算中的流量就不能用平均小时流量，而应该采用即时流量：
显然，只有采用即时流量计算确定的管径，才能满足该局部的生产工艺要求。不过，上式所指的是单套设备的末梢管段。如果有多套设备并联，在确定该单元的分总管(支管)管径时，流量取值应为末梢管的即时流量乘以同时使用系数。该系数的数值将大于1而小于设备套数的数值，其具体取值根据实际情况酌定。
④循环输送管管径计算时的流量取值： 食品工厂常会使用循环输送管路系统，如作为热交换的冷却水或热水系统，生产中多设备并联的物料添加系统等。前一种为全循环系统，后一种为局部循环系统。
全循环系统管径计算时的流量取值应为单位时间内的循环量，循环量的大小可通过热量计算和传热计算而求得，计算方法都比较定型，不再详述。
部分循环系统的建立有如下可取之处： 在自动化生产线上，需要对某些设备定期或不定期的添加液态物料、混合物料、辅料、混合辅料、热水、冷水或其他需事先制备的物料时，借助部分循环系统的建立，可以实现制备过程的连续化和自动化，并能较好地维持制备物料的参数(如温度、浓度、配比、酸碱度等)稳定;可以做到随要随供和大流量快速供料;另外，当需要添加的物料黏度高，压力要求也较高而使用压头较高的容积式泵时，更离不开部分循环系统。
部分循环系统中输出的介质，在循环中一部分被用掉了而大部分回流，再与新制备的混合，重新输出。很显然，管道流量(循环量)应为单位时间内使用量与回流量之和。设计管径应按这个流量之和作为计算流量的取值。