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1.5 化工管路
管路是化工、石油、环保等许多行业生产中所涉及的各种管路形式的总称.
这是生产装置不可缺少的部分，只有管路通畅，阀门调节得当，才能保证各车间及整个工厂生产的正常进行。因此了解管路的构成与作用、合理布置管路，是非常重要的。
一、管路的分类
按是否分出支管来分
简单管路
复杂管路
复杂管路
树状网
环状网
二、管路的基本构成
管路是由管子、管件和阀门等按一定的排列方式构成
管子按管材不同可分为金属管、非金属管和复合管。
金属管主要有铸铁管、钢管（含合金钢管）和有色金属管等；
铸铁管:普通铸铁管和硅铸铁管；
钢管：用低碳钢焊接而成的有缝钢管和用棒料钢材经穿孔热轧或冷拔制成的无缝钢管；
有色金属管:铜管、黄铜管、铅管和铝管；
非金属管:陶瓷管、水泥管、玻璃管、塑料管、橡胶管等。
复合管指的是金属与非金属两种材料复合得到的管子。
最常见的形式是衬里管，为了满足节约成本、强度和防腐的需要，在一些管子的内层衬以适当的材料，如金属、橡胶、塑料、搪瓷等而形成的。
管子的规格通常是用“Φ外径×壁厚”来表示，Φ38×2.5mm表示此管子的外径是38mm，壁厚是2.5mm。但也有些管子是用内径来表示其规格的，使用时要注意。
管子的长度主要有3m、4m和6m，有些可达9m、12m，但以6m最为普遍。
不同管子：
管件是用来连接管子、改变管路方向或直径、接出支路和封闭管路的管路附件的总称。
比如，弯头既是连接管路的管件，又是改变管路方向的管件。
根据管材类型分为5种，即水、煤气钢管件、铸铁管件、塑料管件、耐酸陶瓷管件和电焊钢管管件。
1.水、煤气钢管件　通常采用锻铸铁（白口铁经可锻化热处理）制造而成，也有些是用钢材制成，适应于要求相对较高的场合。
2.铸铁管件　铸铁管件已经标准化，主要采用承插式连接、法兰连接和混合连接。使用时可从手册中查取。

3.塑料管件　塑料管件的材料是与管子的材料一致的。塑料管件除采用其它管件的联接方法外，还常常采用胶粘剂粘接的方法连接。有些塑料管件已经标准化。
4.耐酸陶瓷管件　其形状与铸铁管件相似，主要连接方式是承插式连接和法兰连接。已经标准化。
5.电焊钢管管件　由短管或钢板焊制而成，常用在不需经常拆装的场合，尚未完成标准化工作。
各种管件：
各种管件：
阀件是用来开启、关闭和调节流量及控制安全的机械装置，也称阀门、截门或节门。
化工生产中，通过阀门可以调节流量、系统压力、流动方向，从而确保工艺条件的实现与安全生产。
1.阀件的型号　为了便于选用和识别，规定了工业管路使用阀门的标准，对阀门进行了统一编号。阀门的型号由七个部分组成，其形式如下：X1 X2 X3 X4 X5－X6 X7。X1～X7为字母或数字，可从有关手册中查取。
分别为： X1阀门类别、 X2阀门传动方式、 X3阀门连接形式、 X4阀门结构形式、 X5阀座密封面或衬里材料、 X6公称压力、 X7阀体材料等。
例如，有一阀门的铭牌上标明其型号为Z941T－1.0K，则说明该阀门为闸阀，电动传动，法兰连接，明杆楔式单闸板，阀座密封面的材料为铜合金，公称压力为1.0MPa，阀体材料为可锻铸铁
2.阀门的类型阀门的种类很多，按启动力的来源分为他动启闭阀和自动作用阀。顾名思义，他动启动阀是在外力作用下启闭的，而自动作用阀则是不需要外力就可以工作的。在选用时，应依据被输送介质的性质、操作条件及管路实际进行合理选择。
①他动启闭阀：有手动、气动和电动等类型，若按结构分则有旋塞、闸阀、截止阀、节流阀、气动调节阀和电动调节阀等。
②自动作用阀：当系统中某些参数发生变化时，自动作用阀能够自动启闭。主要有安全阀、减压阀、止回阀和疏水阀等等。
几种常见的他动化工用阀门。
旋塞 闸阀 截止阀 球阀 蝶阀
隔膜阀 止回阀 气动调节阀 电动调节阀
截止阀
止回阀
旋启式止回阀
升降式止回阀
阀门起闭方式
蝶阀
阀门的异常现象及处理方法
阀门是化工生产中最常用的装置，数量广，类型多，其工作情况直接关系到化工生产的好坏。为了使阀门正常工作，必须做好阀门的维护工作。
1.保持清洁与润滑良好，使传动部件灵活动作。
2.检查有无渗漏，如有及时修复。
3.安全阀要保持无挂污与无渗漏，并定期校验其灵敏度。
4.注意观察减压阀的减压效能，若减压值波动较大，应及时检修。
5.阀门全开后，必须将手轮倒转少许，以保持螺纹接触严密，不损伤。
6.电动阀应保持清洁及接点的良好接触，防止水、汽和油的沾污。
7.露天阀门的传动装置必须有防护罩，以免大气及雨雪的浸蚀。
8.要经常测听止逆阀阀芯的跳动情况，以防止掉落。
9.做好保温与防冻工作，应排净停用阀门内部积存的介质。
10.及时维修损坏的阀门零部件，发现异常及时处理。
三、流体在管路内流动时的能量损失
直管阻力—粘性阻力hf
柏努利方程中的∑hf是指管路系统的总能量损失，它包括直管阻力和局部阻力。
流动阻力
局部阻力
粘性阻力hf
形体阻力hf’
直管阻力：流体流经一定管径的直管时，由于流体的内摩擦而产生的阻力损失，用hf表示。
管件阻力：流体流经管件、阀门及管截面突然扩大或缩小等局部地方所引起的阻力损失，用hf′表示。
∑hf=hf+h f′
（一） 流体在直管内的流动阻力
1、直管阻力损失计算公式
——范宁公式
适用于一切流动型式
层流时λ=64/Re λ——摩擦系数（因数）
hf= 32μul/ ρd2 (阻力损失）
Hf = 32μul/ ρg d2 （压头损失）
Hf=(p1-p2)/ρg J/N 或m
Hf 为水平直管段的压头损失
p1-p2=32μul/d2 （压强降）
—哈根-帕谡叶方程
（只适用于层流）
2、摩擦系数
（1）λ与Re、管壁粗糙度ε有关
管道 光滑管：玻璃管、黄铜管、塑料管 ；
粗糙管：钢管、铸铁管等。
此外，使用时间长短，物料腐蚀性、结垢(焦)及固体杂质粘附等也有影响。
——管内壁面凸出部分的平均高度；
大d
小d
小
大
/d——相对粗糙度，(∵同样的 对 影响 )。
管壁状况用管壁粗糙度表示，
①绝对粗糙度ε，是指壁面凸出部分的平均高度；
②相对粗糙度，是指ε与管径d之比即ε /d，它能更好地反映ε对管中流动状况的影响，因而更常使用。
水力光滑管
完全湍流粗糙管
（2）层流时摩擦系数
摩擦系数λ的数值可由实验测定，测定时可以使用各种流体以不同流速通过不同管径和不同粗糙度的圆形直管，从已知流体性质和试验条件，计算出摩擦系数。
液体作层流流动时，摩擦系数λ与雷诺数的关系式，可用理论分析方法推导而得：
（3）湍流时的摩擦系数λ
光滑管是指管壁光滑、粗糙度为0的管，如玻璃管、塑料管、不锈钢管等。因而摩擦系数只是雷诺数的函数。
下面介绍几个常见的经验关联式。
a.柏拉修斯关系式
　　　 λ＝0.3165/Re0.25
适用范围：Re=5×103～105。
（3）湍流时的摩擦系数λ
b.顾毓珍公式
　　　 λ＝0.0056+0.500/Re0.32
适用范围：Re=3×103~3×106。
粗糙管
生产中常用的钢管、铁管等管壁较粗糙，属于粗糙管。
柯尔布鲁克公式
适用范围：Re=4×103~108，ε/d=5×10-2~10-6。
近年出现的新公式
λ＝0.1（ε/d+68/Re）0.23
为计算方便，根据实验结果，将λ与Re、ε/d的关系标绘在双对数坐标图上，如所画出的，此图称为莫狄摩擦系数图。该图由四个不同的区域所组成。
如何使用Moody图
图1-22 Moody图
由图可以看出，摩擦因数图可以分为以下四个区：
①层流区： ， 与 无关，
与Re成直线关系.
②过渡区。
在此区内，流体的流型可能是层流，也可能是湍流，视外界的条件而定，在管路计算时，为安全起见，对流动阻力的计算一般将湍流时的 曲线延伸查取 的数值。
③湍流区
及虚线以下所构成的区域，这个区域内，管内流型为湍流。摩擦系数λ不仅与Re有关，而且还与 有关。
④完全湍流区——阻力平方区
图中虚线以上的区域。此区域内 曲线近似为水平线，即 与Re无关，只与 有关。
（4）非圆管内的流动阻力计算
内径为d，长度为l的圆形管道，当管内充满液体时，存在下列关系
d= =4×液体流过的截面积/液体湿润周边长度
根据上述关系，定义非圆形管道当量直径如下 de=4×液体流过的截面积/液体湿润周边长度
按照这个定义，长和宽分别为a和b的矩形管道的当量直径为
de=4× =
求得后，参照圆形管道的计算方法求算流动阻力。应用实例见教材。
（二）管路上的局部阻力
在管路系统中，除直管外还包括进口、出口、弯头、阀门等管件部分。流体流过这些部位时，由于流道截面大小和方向发生急剧变化，使得流体湍动程度加强、边界层分离，造成大量旋涡等导致机械能损失。由于这些局部位置引起的形体阻力称为局部阻力。它相当复杂，一般采用两种方法计算。
1、阻力系数法
近似认为局部阻力服从速度平方定律，即表示为：
式中:ζ－阻力系数，与管件形状有关，当流道突然扩大/缩小，不同的变径对阻力产生的影响不同。
式中ζ为局部阻力系数，其值根据局部部件的具体情况由实验测定，常见的局部阻力系数见列表（教材）；u表示管内流体的平均流速，应注意，当局部部件发生截面变化时， u应采用较小截面处的流体流速。如果突然扩大或突然缩小等处，流速u均应采用小管中流体流速。
管进口：流体从容器进入管内，可看作由很大的截面突然进入很小的截面。?
管出口：流体自管内进入容器或排到管外空间时，可看作从很小的截面突然扩大到很大的截面。
出口 o=1.0 进口 i=0.5
〖注意〗在柏努利方程的应用中，出口管截面选在内侧还是外侧应与出口阻力计算相对应。
2、当量长度法
流体流过局部地方产生的阻力相当于流过等径直管长度为le时的直管阻力，则局部阻力可表示为：
式中：λ、d、ub－与管件或阀门连接的直管内的值；
Le－管件的当量长度，可由有关手册查取。
〖说明〗
查手册时，有的手册当量长度为le/d，此时可直接代入上式中。
阻力系数法和当量长度法计算局部阻力损失时有误差，两值有时互不相等。
当量长度值的查取教材中
四、管路系统的总能量损失
管路总能量损失又常称为总阻力损失，是管路上全部直管阻力与局部阻力之和。
1.局部阻力均按阻力系数法计算
2.局部阻力均按当量长度法计算
3.进、出口的局部阻力按阻力系数法计算，其余局部地方的局部阻力按当量长度法计算(常用此法)
1.6 流量测量
以稳定流动系统的能量守恒原理为基础，利用动能与静压能的变化关系来实现测量的装置，也是柏努力方程的应用实例。
分为两类：
一类：定截面、变压差的流量计或流速计
如皮托测速管、孔板流量计、文丘里流量计
另一类：变截面、定压差式流量计
如转子流量计
1.6 流量测量
一、测速管（又称皮托管）
结构：如图
原理：测速管内管测得的是管口处流体的动能与静压能之和，动能转换为压力能，使其内管压力增大 ρu2/2,由压差计读数R
即可算出管口处的点速度：
测速管优缺点
1、优点：准确性较高，流体阻力小，适用于测量大直径管路中气体流速。
2、缺点：不能直接测出平均流速，且压差读数较小，当流体中含固体杂质时，易将测压孔堵塞，故不宜适用测速管。
二、孔板流量计
结构：如图
原理：在孔板前后列柏努利方程，
代入连续性方程并整理得孔口处
流速：
体积流量：
C0 - 称为流量系数或孔流系数，
C0一般与A0/A1有关、与Re有关、
与取压方法有关，需通过实验测定。
A0- 孔口面积。
孔板流量计优缺点:
1、 优点：制造简单，随测量条件变化时，更换方便。
2、缺点：能量损失较大。
孔板流量计的能量损失较大，文丘里用一段渐缩渐扩管代替孔板减小阻力损失。这种流量计称为文丘里流量计。如图所示，其测量原理与孔板流量相同。大多用于低压气体的输送测量，但造价高。
文氏流量计
文丘里流量计优缺点：
1、优点：能量损失小
2、缺点：各部分尺寸要求严格，要精细加工，造价高。
三、转子流量计
转子受到两个力：
1、上推力等于流体流经转子与锥管间的环形截面所产生的压力差；
2、净重力等于转子所受重力减去流体对转子的浮力；
当上推力大于净重力，转子上浮；当上推力小于净重力，转子下降；当上推力等于净重力，转子平衡，停止在某一位置。
转子流量计的流量公式：
Vs=
转子流量计工作原理
AR、-转子与玻璃管的环形截面积，随转子位置变。
CR-流量系数，一般由实验测定。
Af、Vf、ρf均为定值，所以（p1-p2）亦为定值，体积流量随位置而变。
转子流量计生产厂家在其出厂前需加以标定。
流体 200C 清水工质标定刻度
气体 200C 空气标定刻度
若用户与厂家标定所用工质不同时，则需对转子流量计进行核正。两者关系为


安装必须垂直
转子流量计优缺点：
1、优点：读数方便，能量损失小，测量范围宽，能用于腐蚀性流体的测量。
2、缺点：管壁大多为玻璃制品，不能受高温和高压，易破碎而且安装时要求保持垂直
Thank You !
Chemical engineering department

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