有关蒸汽到制炼后管道损失的计算2012年12月12日

关于蒸汽到制炼的管道损失的计算

一、流体及其特征

在地球上，物质存在的主要形式有固体、液体和气体。通常说，能流动的物质为流体。液体和气体易流动，我们把液体和气体称为流体。

力学语言对流体的定义是：在任何微小的剪切力的持续作用下能够连续不断变形的物质,这种连续变形的特性叫做流动性。正是由于流体的流动性，液体没有固定的形状，其形状取决于容器的形状。因此，流体便用于管道运输，适宜做供热、制冷等工作介质。流体不能承受拉力，只能承受压力。蒸汽推动汽轮机组发电，各种液压、气压传动机械等，都是流体抗压能力的应用。

二、流体流动阻力及其分类

由于流体的粘性和固体边界的影响，使流体流动过程中受到阻力，称为流动阻力。流体为保持流动必须克服流动阻力而做功，使它的一部分机械能转化为热能，这种机械能的损失称为流动阻力损失。流动阻力损失一般有两种表示方法：对于液体，通常用单位重力作用下液体的能量损失h w来表示，称为水头损失。它是用液柱高度来量度的；对于气体通常用单位体积气体的能量损失△P w来表示，成为压强损失，它是用压强差来量度的，故习惯上又称压降。△P w与h w的关系为△P w=ρgh w。

（一）沿程阻力及沿程水头损失概念

黏性流体在缓变流区段的管道中流动时，流体与管壁以及流体之间存在摩擦力，这种沿流程在缓变流区段中始终存在的摩擦阻力称为沿程阻力。流体流动克服沿程阻力而损失的能量就称为沿程阻力损失。单位重力作用下液体的沿程阻力损失称为沿程水头损失，用h f表示；单位体积气体的沿程阻力损失称为沿程压强损失，用△P f表示。△P f与h f的关系为△P f=ρgh f。

沿程阻力损失是发生在缓变流整个流程中的能量损失，他的大小与流过的管道长度成正比。造成沿程阻力损失的主要原因是

流体的黏性，因而这种损失的大小与流体的流动状态有密切关系。在较长的管道和河流中流体的流动都是以沿程阻力损失为主的流动。

（二）沿程水头损失的计算

通过理论推到和大量实验研究，管流的沿程水头损失与管道的长度L 、管径d 、管壁的绝对粗糙度ε、流速V 以及流体的运动黏度ν有关，其计算公式为

g

2d 2

V L h f λ=…………………………………………………① 式中L ——管道长度，单位m 178m

d ——对于圆管，为管道内径；对于非圆管道，为当量直径

e d ，单位m

V ——管道中有效截面上的平均流速，单位s m

λ——沿程阻力系数，是一个无量纲的系数。它不仅与雷诺系数有关，而且与相对粗糙度有关，即λ为Re 及d

ε的函数，即

λ=)(Re,d f ε。 沿程水头损失的计算关键是沿程阻力系数λ的确定。

由λ=)(Re,d f ε

的λ为Re 及d

ε

的函数。（ε为绝对粗糙度，单位mm 。d 为直径，单位mm ） Re=νVd

………………………………………………………②

式中d ——为管道内径（直径），单位m

V ——管中平均流速，单位s m （当过热蒸汽

v ——流体运动黏度，单位s m 2

故Re=νVd =02412

.0146.025⨯=151.3

由尼古拉兹实验曲线得Re 〉2000时为该区为层流区，故 λ=Re 64=3

.15164=0.42 g

2d 2V L h f λ=9.82250.14617842.02

⨯⨯==32611.882（m 气柱） 故沿程水头损失为32611.882m 气柱。

（二）局部阻力与局部水头损失

在管道系统中通常装有阀门、弯管、变截面（截面突然扩大、缩小或渐变）管等局部装置。流体流经这些局部装置时流速将重新分配，流体质点与质点之间，以及流体与局部装置之间发生碰撞、产生旋窝，使流体的流动受到阻碍，由于这种阻碍是发生在局部急变流区段内，所以称为局部阻力。流体为克服局部阻力所损失的能量，称为局部阻力损失。单位重力作用下液体的局部阻力损失称为局部水头损失，用h j 表示；单位体积气体的局部阻力损失称为局部压强损失，用△P j 表示。△P j 与h j 的关系为△P j =ρgh j 。

四、局部水头损失的分析与计算

流体在流经管道系统中的局部装置时产生局部水头损失，其内因是流体的惯性，其外因是局部装置边界条件的变化。由于局部装置的种类繁多，形状各异，局部水头损失产生的机理和原因非常复杂。

流体在流经局部装置时，由于流体的惯性，流束的形状不会与固体边界一致，在流体流不到的区域形成低压区，主流的一部分流体在压强差的作用下脱离主流进入低压区，流动方向与主流相反，形成回流；而在紧靠主流的地方，由于流体分子之间的吸引力又随主流向前流动，这样在原来的低压区就产生旋涡，故该

区域又称之为旋涡区。在旋涡区内的流体质点之间发生碰撞、摩擦以及维持旋涡运动必然要消耗一部分能量。同时，旋涡本身也是不稳定的，在流体流动过程中，旋涡区的流体质点将不断被主流带走，也不断有新的流体质点从主流中脱离后补充进来，即主流与旋涡之间的流体质点不断的发生碰撞和摩擦，进行剧烈的动量交换，这将产生更大的能量损失。

局部装置分为：（a ）截面突然扩大 （b ）截面突然缩小 （c ）管道出口 （d ）管道进口 （e ）阀门 （f ）弯管

由于局部水头损失产生的机理比较复杂，目前只有极少数局部水头损失（如流体通过截面突然扩大的局部装置时）能进行理论计算，而对于大多数局部水头损失只能依赖实验的方法确定。局部水头损失的普遍计算公式为

g V h j 22

ξ=………………………………………………………③ 式中ξ——局部助力系数。它是一个无量纲的系数，根据不同的局部装置由实验确定，可直接查图表得。

V ——管中平均流速，单位s m

g V h j 22

ξ==8

.922⨯V ξ=8.922518.092⨯⨯=51.658（m 气柱） 五、减少流动阻力损失的途径

（一）减小沿程水头损失

根据沿程水头损失的计算公式