流体力学 家庭燃气管道内的损失计算

天然气发展“十二五”规划
国家发展改革委关于印发天然气发展 “十二五”规 划的通知: 国务院有关部门、直属机构，各省、自治区、直 辖市及计划单列市发展改革委、能源局，有关企业： 为扩大天然气利用规模，促进天然气产业有序、健康 发展，我委会同有关部门研究制订了《天然气发展 “十二五”规划》（以下简称《规划》）。经报请国 务院同意，现将《规划》印发你们。请按照执行。 国家发展改革委 2012年10月22日
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天然气优点之一——安全 天然气的气体密度是空气密度 的二分之一，比空气轻，极易挥发，不易爆炸，天然气中 所含的甲烷、乙烷、丙烷等本身是无毒性的。 管道气与 瓶装气在使用上相比较，其安全性高于瓶装气。原因在于 管道气所采用的是气化站集中储存、集中供气的管理方式， 避免了瓶装气由于家庭发散储存，自备自用而造成安全管 理上的隐患；管道气的户内压力仅相当于自来水压力的 1/130，是瓶装气压力的1/170，燃气管道自身的储气量非 常小，以每户12米的户内管道长计算，大约是瓶装气的 1/3000，万一有泄漏或因其他原因引起火灾等事故时，只 需将户内总阀或单元立管阀门关闭，即可切断气源，排除 险情。而瓶装的石油液化气在遇到同样情况时，则很难采 取有效措施关闭或移走石油液化气钢瓶，极易造成爆炸。
世界天然气化工的发展过程可大致 分为三个阶段：①20世纪20年代至 第二次世界大战，为科学研究和技 术开发阶段；②战后至60年代中期， 研究开发活跃及大规模工业发展的 兴盛时期；③60年代后期起发展有 所停滞，但一些主要产品仍继续保 持增长。
技术开发阶段 19世纪末，美国开始利用天然气制造槽法炭黑。 20世纪20年代，美国和德国的天然气化工研究工作开始兴起。 美国联合碳化物公司研究开发了从天然气分离乙烷、丙烷、丁烷 技术，裂解乙烷、丙烷制取乙烯进一步制取乙烯衍生物的新工艺， 丙烷、丁烷部分氧化制取甲醛、醋酸等也实现了工业化生产。美 国食品机械和化学公司发明了甲烷气相硫化制二硫化碳新工艺， 比古老的木炭法显著优越。在德国，赫斯特公司研究成功天然气 热氯化制二氯甲烷，第一个工厂于1941年在美国投产，此后发 展成为生产甲烷氯化物的主要路线。法本公司的L.安德罗索夫于 1930年在洛伊纳化工厂完成天然气中甲烷氨化氧化法中间试验， 成为合成氢氰酸经济有效的方法。法本公司先于意大利、美国研 究成功天然气制乙炔新工艺，由赫斯化工厂于1942年在马尔建 立第一座电弧法乙炔工厂,用以生产合成橡胶。此外,1931年美国 壳牌公司首先应用天然气部分氧化法改造合成氨工厂，为合成氨 工业从传统的煤、焦原料转向天然气走出了第一步；1940年联 合碳化物公司建成以天然气为原料的合成甲醇厂，开创了制取廉 价甲醇的生产路线。至40年代初期，天然气化工已呈现出一定的 轮廓。
天然气优点之二——经济 经济实惠是天然气的优势 之一，也是管道天然气得以在全国范围迅速普及的原 因之一，使用管道天然气在目前与其他燃料市场价格 比较：在同等使用量（热值）的条件下比较使用瓶装 液化石油气每月节约费用至少为25%—35%左右，不 仅会省去购买钢瓶和钢瓶定期检验费用支出，更会省 去日常生活中搬运、更换液化气所带来的费用和烦恼。 使用天然气的费用比用电的费用节约35%以上，使用 天然气的比用柴油、重油的费用节约25%—35%左右。
天然气优点之三——环保 天然气的98%成分是甲烷， 甲烷是由一个碳原子与四个氢原子所组成的简单分 （CH4）。在燃烧时天然气只产生少量二氧化碳与水蒸 气（CH4+2O2→CO2+2H2O）无残液、无污染、无硫 化物产生、推广和普及天然气能改善城市环境，美化我 们的家园。天然气作为一种优质、清洁性、高效的绿色 能源，是国家能源政策推广和普及的能源。 天然气优点之四——方便 天然气通过天然气管道直接 进入城市的千家万户，管道输送源源不绝，没有断气和 更换钢瓶的烦恼，亦不需要在现场储存或添加，由于其 方便性被群众称为“自来气”。对于工业用户而言，天 然气设备比燃烧煤及其它矿物燃料的设备简单、容易操 作及方便保养，而且燃烧后须处理固体废料或灰烬。
改善能源结构——天然气有大作为
近年来，全球天然气产业快速发展，有专家预测，到2020年天然 气将取代煤炭成为全球第二大消费能源。我国天然气产业能否借机发展， 成为煤炭替代品，从而解决污染、雾霾等问题呢?
在西北地区，2006年7月，中哈管道全线贯通，2009年12月14日，中亚天 然气管道工程投产;在东北地区，2010年末，中俄原油管道按计划投产，漠大 线开始试运营;在海上，原油码头和液化天然气项目进展顺利。2010年9月，中 国石油(7.87, 0.03, 0.38%)首个LNG(液化天然气)码头在大连竣工。至此，我国 东北、西北、西南和海上四大油气通道战略布局已初步完成。我国天然气管道 已建成纵贯南北、横贯东北和联通海外的全国性供气网络，形成“西气东输、 缅气北上、海气登陆、就近外供”的供气格局。 截至目前，我国已建成天然气管道6万公里，仅以西气东输、陕京、川气 东送、涩宁兰四大天然气管道系统为例，每年能输送1000亿立方米天然气，可 替代煤炭2.6亿吨，减少二氧化硫等排放4.7亿吨，减少灰渣6565万吨。从供应 角度上讲，天然气取代煤炭地位已有一定可能。
沿程损失
=3.99m
局部损失
1. 90度弯管
取R=10cm d/R=0.2 ζ1=0.132
hj1=ζ1v^2/(2g)=0.0474m
2.阀门（球阀）开度90% ζ2=4.0 hj2=ζ2v^2/(2g)=1.44m 总损失hw=hf+hj总=5.67m
误差分析
1.速度是平均速度
2.数据的误差
三通 工程中有各种各样的三通接头，其局部阻力系数也各不相同，使用时可查 阅流体力学手册。这里说的是为了减少流体流过三通的能量损失，可以在总 管中根据支管的流量安装分流板和合流板如 图 4.15所示。从减小局部损失的 角度来讲，应尽量避免采用直角三通 。
三通管道中的合流板和分流板
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调整阶段 60年代起一系列石油化工新工艺问世，至 60年代后期，其经济上的优势使一部分天然气化工生 产方法逐渐失去竞争力；天然气制乙炔年产量逐年下 降；天然气制氢氰酸，由于丙烯氨化氧化法制取丙烯 腈同时副产大量氢氰酸新工艺问世，而被逐步替代。 70年代以后，由于石油价格大幅度波动，天然气 作为相对较廉价的烃原料，在制取氨、甲醇、乙烯和 丙烯等大宗产品以及生产二氯甲烷、二硫化碳等产品 方面仍一直保持发展优势。甲烷液化、回收氦工业也 有较大发展。
流通截面的变化 将突然扩张的管道改为渐扩管，由于涡流区的大小和涡流强度的减小，其局部损 失有很大的改善。但是当扩张（或收缩）的面积比一定时，渐变管的长度相应地加 长，使得沿程损失有所增加，所以设计时应取最佳值。管长的增加会增加管道设计 的成本或带来制造上的困难。有些情况下，还要受到几何空间的限制，因此在管道 设计中，应根据具体问题、具体情况全面折衷考虑。 在设计渐扩管时，当面积比较大时，可用隔板或用几个同心扩张管来达到正常的 扩张角。扩张角一般控制在 的范围内。
小组成员： 刘锡晨 高攀
李建昌
齐松博 许帅鹏
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目录
天然气化工的发展史 以天然气为能源的的优点 家庭燃气管道 燃气管道内产生损失的原因 减少能量损失的方法

中国是最早发现和开采利用天 然气的国家。西周(约公元前11 世纪～前771年)时期的《周易》 中就有“泽中有火”的记载。 西汉（公元前 206～公元25） 时中国已出现了天然气井，据 《汉书· 郊祀志》记载：“祠天 封苑火井于鸿门。”对天然气 的开采和利用有较详细的描述 则始于西晋张华(232～300)著 《博物志》，其中记载：“临 邛火井一所,……深二三丈。井 在县南百里,昔时人以竹木投以 取火。……盆盖井上,煮盐(卤) 得盐……。”嗣后，天然气的 开采和利用不断发展，到清代 已出现深达1000m的燊海 井,1835年完钻。
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沿程损失
局部损失
hj=ζv^2/(2g)
当燃气通过三通、弯头、阀门、变径管等管道附件时，由 于几何边界的急剧改变，燃气流线发生变化，产生额外的 压力损失，称为局部阻力损失。
有一家庭燃气管道，有一球阀，共有5处弯管，管道长 度l=6m，直径为d=20mm，管内燃气流量为Qv=3m3每 小时，燃气的运动粘度为ν=10.31*10-6m2/s. 流速V=4qv/(πd^2)=2.655m/s 雷诺数Re=Vd/ν=5149>2000 为紊流 根据勃拉休斯经验公式得 λ=0.3164/Re^0.25=0.037
3.阀门的规格不清楚
4.燃气灶的损失没有计算
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在各种管道的设计中，应尽量减小局部损失。为了减小局部损失，应 尽量避免流通截面积发生突然的变化，在截面积有较大变化的地方常 采用锥形过渡，在要求比较高的管道中应采用光滑的流线型壁面。以 下举几个例子来说明减小局部损失的方法。
弯曲管道 由弯管的局部损失计算公式可知，弯管的局部损失取决于管道的直径、曲率半径和 管道的弯曲角。因此在设计管道时，为了减小局部损失，应尽量避免采用弯转角过大 的死弯。对于直径较小的热力设备管道，通常采用R/d>3.5 。对于直径较大的排烟风 道来说，横向的二次流动比较突出。为了减小二次流动损失，一方面可以适当的加大 管道的曲率半径，以减小流体转弯时的离心力，另一方面通常在弯管内安装导流叶片。 这样既可减小弯道两侧的压强差，又可以减小二次流影响的范围。根据实验，在没有 安装导流叶片的情况下，直角弯管的ζ=1.1 ；安装簿板弯成的导流叶片后， ζ=0.4 ； 当导流叶片呈流线月牙形时ζ=0.25 。可见当安装导流叶片后，并适当选择导流叶片 的形状，对减小局部损失有明显的效果。
工业发展兴盛时期 第二次世界大战后，美国以其丰富的天 然气资源及战胜国的优势，在原有的工业技术基础上，领先 发展天然气化学工业。西欧各国及罗马尼亚、苏联等也相继 积极进行天然气化工技术的研究和开发。1953年，孟山都公 司采用巴登苯胺纯碱公司的萨克斯技术，建立第一个天然气 部分氧化法生产乙炔的工厂。天然气制乙炔工艺比传统的电 石法能耗低、费用省、大大促进了乙炔化工的发展。到1963 年末，美国天然气制乙炔的年产能力达到270kt,占世界烃类 制乙炔总能力的37％以上；乙炔加工产品有聚丙烯腈、聚氯 乙烯、聚乙烯醇、乙醛、醋酸、氯丁橡胶、异戊橡胶等。天 然气制乙炔，加上经济效益显著的天然气制合成氨、甲醇， 天然气中乙烷、丙烷、丁烷制乙烯、丙烯，天然气制氯甲烷、 氢氰酸等一系列天然气化工技术与工业生产的迅速发展，形 成50～60年代天然气化工的全盛时期，也构成了早期石油化 工的重要内容。