节能-3流体流动

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3.1.3 减阻剂的应用
3.1.3.2 减阻剂的应用 2. 工业用水的输送 用于加热及冷却的工业用水,据报道,在两条 分别长为 5km 和 7km 的热水输送管道上的试 验表明,加入 0.0044% 的减阻剂可使阻力减 小 20% 以上,并对传热过程无不良影响。 3. 污水输送 工业或生活污水使用管道输送到集中式污水处 理厂时,在污水中添加减阻剂可大大减少输送 能耗。
减阻剂的机械降解:图中 Ⅱ尾部向上弯曲的虚 线表示管内剪应力大到一定程度后,会发生减阻剂
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图3-1 圆管减阻流动的 λ -Re 关系
Ⅰ- 碱阻剂浓度大于Ⅱ,管径与Ⅱ相同;Ⅲ- 碱阻剂浓 度与Ⅱ相同,管径大于Ⅱ。
0.10
0.04
λ /4
0.02
Ⅲ Ⅰ
2 4 6 8 104 2 4 6 8 105
10
3.1.2 节 流 过 程
由以上各式可见: 节流过程的有效能损失随压力的变化率,正比于 流体的流量 V ,故气体或蒸汽的节流比液体节流有 效能损失大得多。 节流过程的有效能损失随压力的变化率,正比于 T0/T ,即环境温度一定时,流体温度越低有效能损 失越大,在 T<T0 时(制冷过程的低温管道)尤甚。 节流过程的有效能损失,正比于压力差 ΔP ,
还可针对不同的流动状态及几何条件 对上式作近一步分析。
7
3.1.1 流体在直管内流动
综上:
直管有效能损失与流体的绝对温度 T 成反比。高 温流体输送时要加强保温,但是低温流体输送时更 应注意保温。 与压降 ΔP 成正比。因此流体在在管道上流动时 尽量减少局部阻力降。 与流速平方 u2 成正比。应合理选择适宜流速, 寻求最经济的管径。
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油相流体
3.1.3 减阻剂的应用
3.1.3.2 减阻剂的特性 以聚氧乙烯树脂 (OCH2CH3)x为减 阻剂加入水中为 例,见图3-2摩察 力降低百分率与 聚合物浓度的关 系。分子量在 500,000以上, 由长链分子构成。
摩察力降低百分率/% 60 湍流状态水的摩察力降低
50
40 30
20
10 0 50 100 150
管理不善,维修不及时,泄漏。
化学工业中应着重从以上几方面考虑降低能 耗。
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3.2.1 离心泵的节能
3.2.1.1 泵的工作范围与选择 泵的选择:安全、可靠、经济运行——最佳工作 范围。 1. 泵的工作范围 在一定的转速下,离心泵的扬程、轴功率、效率、 流量间的关系——泵的特性曲线表示。线上每一点对 应着一工况,泵的最高效率点的工况是泵运行的最理 想设计工况。
100万kw的发电厂,泵、风机耗电占全厂耗电 量的70-80%,即4-8万kw。 钢铁厂,泵风机耗电量占全厂耗电量的48%; 煤矿,据淮南、北票、本溪、抚顺等矿务局的 统计,泵与风机平均耗电量占总用量的64.4%; 石油化工和炼油厂中占总量的70-80%。
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3.2 泵与风机的节能
目前泵使用中存在主要问题:
流体机械性能:改善效率、提高可靠性、扩大 高效稳定运转范围等已付出了巨大的努力,不能期 望今后有大的突破。 选型匹配。设计者选泵时考虑到管路阻力,流 量变化等因素,考虑裕量过大,使设备处于低效区 工作。 调节方法简单。运行中用关小调节法调流量。
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3.2 泵与风机的节能
管路系统设计不完善。增加局部阻力。
节能-3
3. 化工单元过程与设备的节能
3.1 流体流动中的节能
1
3.1 流 体 流 动
3.1 .1 流体直管内流动过程
流体流过管道、设备试克服摩擦阻力有流体阻 力降,造成损失功或有效能损失。化工厂中消耗的 动力,大都直接用于弥补这项损失,如风机、泵、 压缩机等。这种损失可以理解为,为了推动过程进 行所必须付出的有效能代价。但并不意味着完全合 理,应当运用热力学和传递过程原理进行分析,找 出其变化规律,进行合理的管径及流速设计。
2. 管路性能曲线与工作点
P2 P1 L hz hf g P hz KQ 2 g
L=f(Q) H A M B
2 hf KQ P hz g
H=f(Q)
即吸入容器1与压出容器2间 的所需总能量=高度差+压 头差+沿程局部阻力损失
0
Q
泵运转工作点
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3.2.1 离心泵的节能
图3-2
聚合物浓度 /mg/L
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3.1.3 减阻剂的应用
3.1.3.2 减阻剂的应用 减阻剂在强剪切力作用下会发生不可逆的降 解破坏,因此用于管路系统时,减阻剂通常都在 流体输送泵后再注入管道与流体混合。最常用的 方法先把减阻剂配成浓溶液(10%左右),再用 计量泵按所需比例注入管道。如果用于搅拌系统, 则可直接加入容器中。 减阻剂应用领域十分广泛,与化工过程有关 的主要有以下几类:
2
4
3.1.1 流体在直管内流动
可见有效能损失与T0/T成正比,当流体 阻力降和体积流量不变时,流体温度愈低 (T)则有效能损失愈大。因此,对低温流 体更应注意保温减少有效能损失。 减少阻力降(ΔP):尽可能减少管道 上的弯头、缩扩变化、阀门与管件数量、选 择最佳管径和经济流速等,以减少有效能损 失。
0.01
0.007 103Hale Waihona Puke Baidu

2 4
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Re
3.1.3 减阻剂的应用
3.1.3.1 减阻流动的特性
的机械降解,失去了减阻作用。降解是不可逆的, 即使剪应力减小也不能使减阻剂恢复减阻作用。
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3.1.3 减阻剂的应用
3.1.3.2 减阻剂的特性 不同减阻剂的减阻效率差别很大,高效的减 阻剂只要添加百万分之几就能达到百分之几十的 减阻效果。因此,减阻剂的选择很重要。高效减 阻剂都是高分子聚合物,并具有以下特性:
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3.1.3 减阻剂的应用
3.1.3.2 减阻剂的应用 1. 油品的输送
原油从油田或码头到炼油厂的输送以及成品油 从炼油厂到用户的输送是减阻技术的重要应用 领域。最早使用减阻剂的是美国阿拉斯加管线, 每天加入约 44Kg 的减阻剂,节省了一台 393KW的输送泵,每天节电9400KW·h。
对世界各地的20条输送各种汽油、柴油、燃 料油、原油的工业管线统计,使用减阻剂后, 平均减阻达37.2%。
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3.1.1 流体在直管内流动
在上式中引入范宁摩擦因子 f :
则 或
L u P 4 f D 2 2 2T0VLfu EL DT 3 T0 DLfu EL 2T
2
6
3.1.1 流体在直管内流动
式中L-管长,ρ-流体密度,u-流 速,D-管径。
可见各物理参数对有效能损失的影响,
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3.1.3 减阻剂的应用
3.1.3.2 减阻剂的应用 4. 生化反应器的搅拌 在发酵罐或污水曝气池一类慢速生化反应器中 使用减阻剂,可节省搅拌功率,而不会影响反应过 程的速率。 5. 流体喷嘴
在液体喷嘴或射流喷嘴系统中应用减阻剂,可 在不增加功率的情况下显著提高射流速度,从而提 高泵的效率或增加射流的工作能力。
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3.2.1 离心泵的节能
1-叶轮直径未切割的H-Q线;
A D C η1 η2 B H
2-叶轮在允许切割范围内经 切割后(或改变转速后)的 H-Q线; η 1,η2-等效率曲线。
工作范围-效率下降不大于 7%(一般5-8%)为限。
η%
1
2
Δη
设计点 Q 泵的工作范围
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3.2.1 离心泵的节能
0.04
λ /4
0.02
Ⅲ Ⅰ
2 4 6 8 104 2 4 6 8 105
0.01
0.007 103

2 4
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Re
3.1.3 减阻剂的应用
3.1.3.1 减阻流动的特性
减阻流动具有以下特征: 层流态下不减阻:减阻剂不起作用,基本上不 改变流体的 λ - Re 关系; 减阻剂起始现象:在湍流态下,当壁面剪应力大 于某一临界值后减阻剂才起作用,使λ小于纯流体 时的相应值。临界壁面剪应力与减阻剂种类和浓度 有关; 减阻效果:在减阻起始点以后,减阻剂的效果 随流速增大而提高;
因为
代入上式
V S T P H T0 E L V T P H
dH TdS VdP
作为理想气体,对上式积分 E RT ln P1 L 0
P2
对于不可压缩性流体,V 视为常数,则
T0 E L V P1 P2 T
M-泵运转的最佳工况点,即泵的特性曲线与管路特 性曲线的交点,应在泵的工作范围区AB内。
由于管路输送条件的不同,一般离心泵不可能 正好在最佳工作点运行,应在不低于最高效率8% (92%)范围内运行。
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近年来,为了减少流体流动过程的不可逆损耗, 采用添加某些高分子聚合物作为减阻剂的研究和应 用,也受到了人们的重视。添加减阻剂可降低流体 流动过程的阻力降,减少泵的功耗。 应用减阻剂两个突出的特点:一是减阻剂添加 量少,通常只需输送流体量的万分之几以下;二是 减阻效果显著,可使管路的沿程阻力降减少 50% 以上。因此节能潜力较大。
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3.1.3 减阻剂的应用
3.1.3.1 减阻流动的特性
最大减阻现象:随减阻剂浓度的增加,流体在 给定 Re 下的 λ 减小,但小于图中最大减阻线后就 不再减小。由不同减阻剂在各种管径下所得到的最 大减阻线是相同的; 管径放大效应:在相同减阻剂浓度和相同 Re 条 件下,减阻剂的减阻效率随管径增大而降低,这对 评价减阻剂的工程应用效果是值得注意的;
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3.1.2 节 流 过 程
化工管道中的缩扩变化、各种调节阀门、限流 孔板、高压流体的泄压或排放等,均属节流过程。 节流过程是等焓的,在压力降低的同时,温度 也变化。 将有效能损失对压力求偏导
E L S T0 P H P H
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3.1.2 节 流 过 程
在输送的流体中具有良好的溶解性; 有很大的分子量,通常达106-107数量级; 具有柔性的线性分子结构; 在流动过程中具有良好的抗机械降解性; 对输送流体的使用无不良影响。
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3.1.3 减阻剂的应用
3.1.3.2 减阻剂的特性
表 3-2 几 种 高 效 减 阻 剂 适用流体类别 水相流体 减阻剂品种 聚丙烯酰胺 聚氧乙烯 胍胶 聚异丁烯 聚辛烯-1 氢化聚异戊二烯 长链α- 烯烃共聚物
2
3.1.1 流体在直管内流动
应用稳流体系热力学第一定律: dH=0
根据能量微分关系式

dH=TdS+VdP
V dS dP T
3
3.1.1 流体在直管内流动
无论对于液体或气体,在绝热稳流过程中相对 密度变化不大,因此V视为不变。 则
T0 E L W L 1 VdP T T0 V P1 P2 T T0 即 E L V P T
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3.1.3 减阻剂的应用
3.1.3.2 减阻剂的应用 6. 固体物料的水力输送 如水煤浆、矿浆、粉煤灰、灰渣等的水力输 送,在固体悬浮液中加入减阻剂不仅能降低 输送能耗,而且还能增加悬浮液的稳定性。
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3.2 泵与风机的节能
应用范围:农业、矿山、冶金、石化、化工等。
能 耗:全国电耗中泵耗占21%,风机大于10%;
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3.1.2 节 流 过 程
对于理想气体,节流过程的有效能损失正比于压力 比。因此,气体低压下的节流也应注意有效能的回 收。如0.2-0.1MPa 与 10-5MPa压力间的节流, 有效能损失是相同的。
由于摩差阻力造成的压力降和有效能损失的也 可按节流过程来考虑和分析计算。
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3.1.3 减阻剂的应用
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3.1.3 减阻剂的应用
3.1.3.1 减阻流动的特性 在流体中添加微量减阻剂,可改变流动时的摩擦 系数(λ )- 雷诺数(Re)关系。典型的关系曲线 如下图。
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图3-1 圆管减阻流动的 λ -Re 关系
Ⅰ- 减阻剂浓度大于Ⅱ,管径与Ⅱ相同;Ⅲ- 减阻剂浓 度与Ⅱ相同,管径大于Ⅱ。
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