化工管路及流动阻力.ppt

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1、第一章 流体流动与输送,第二节 化工管路及流动阻力,目标要求： 熟悉常用管子、管件和阀门的名称、规格、型号 能正确选用管子 初步掌握管路阻力计算方法,一、化工管路的基本知识,化工管路的作用 ： 按生产工艺要求将有关的机器、设备和仪表等连接起来，以输送流体 。 在许多化工厂中，管路纵横交错，被称为化工厂的血管，其建设投资费往往占建厂总投资的30%以上。,化工管路的种类繁多，一般由管子、管件、阀门和其他附件所组成。不同的生产对管路有不同的要求 ，所用的管子、管件和阀门的都有统一的技术标准，以便于设计、制造、施工、维修和批量生产及降低成本。,（一）管子与管件的公称标准,1.公称直径 公称直径是与管子

2、或管件的内径相接近的整数值。公称直径既不是内径，也不是外径，常用DN表示，如水煤气管的规格表示；有的管子用外径壁厚表示其规格，如无缝钢管用108mm4mm表示。,2.公称压力 公称压力是管子和管件名义上能够承受的压力，在数值上刚好等于第一级工作温度下的最大压力。最大工作压力随介质工作温度的升高而降低，为了保证管路工作时的安全，管子和管路附件能承受的最大工作压力将低于公称压力，公称压力用pN表示。,（二）常用管子,化工生产中常用的管子按材料可分为金属管、非金属管和衬里管三大类。 1.金属管 （1）有缝钢管（水煤气管）有镀锌的（白铁管）和不镀锌的（黑铁管）；按壁厚有普通管和加厚管等类型。宜输送水、

3、蒸汽、煤气、压缩空气、碱液和类似介质。其规格用公称直径Dg或DN（mm）表示，习惯上也有用英寸（in）表示。,（2）无缝钢管按制造方法分为热轧和冷拔两类；按用途分为普通用和专用（化肥用、锅炉用、石油裂化用、不锈耐酸钢管等）两类。可用于高压、高温、易燃易爆和有毒介质的管路上。其规格 用外径壁厚表示，单位为mm）。 以上两种常用管子的规格见附录。,（3）铸铁管 强度差，管壁厚而笨重。主要用于地下给水总管、煤气总管和排水管。 此外，化工生产中还用到有色金属管，紫铜管、黄铜管、铝管、铅管钛管及其合金管等。,2.非金属管 （1）陶瓷管和玻璃管 耐腐蚀性好，但性脆，强度低，陶瓷管多用于排除腐蚀性污水；玻璃

4、管由于透明，有时也用于某些特殊介质的输送。 （2）塑料管 种类很多，常用的有聚氯乙烯管、聚乙烯管、玻璃钢管等。质轻，抗腐蚀，一般耐热性和耐寒性较差，不耐压。一般用于常温、常压下的酸、碱液的输送和上、下水管等。随着材料技术的发展，塑料管的用途日益广泛。 此外，非金属管还有橡胶管、水泥管等。,（三）管子的连接形式,按生产工艺的要求，常需将管子与管子、管子与管件或阀门及设备等连接起来，使之形成一个严密的管路系统或生产流程。 管道连接的方法很多，可分为不可拆卸连接和可拆卸连接两种基本方式。管道的不可拆卸连接包括焊接、承插连接（粘结）等；管道的可拆卸连接包括法兰连接、螺纹连接(丝扣连接)和沟槽式连接。施

5、工中，应根据管材、管径、壁厚和工艺要求以及施工现场的具体条件等不同情况，分别选用各种不同的连接方式。,(1)焊接 焊接所需配件少，成本低，使用维护方便，但不能拆卸。焊接适用于钢管、铜管、铅管和铝管等金属管材，但不适用于镀锌钢管，因为镀锌钢管焊接时镀层已被破坏，反而加速腐蚀。焊接的方法很多，有气焊、手工电弧焊、氩弧焊、电渣焊等。所有压力管道应尽量采用焊接。,(2)熔接 熔接适用于塑料管和复合塑料管。有热熔和电熔两种熔接方式。 热熔 施工时一般先把塑料管材、管件在地面上按图纸要求预装配，再将预装配的管道在布置位置上组合起来。热熔机具的加热功能一般为700-1500W，、由发热板（带温控装置）及加热

6、头组成，加热头可根据管径更换。热熔器的加热温度均为自动控制，一般在26010、,电熔 施工采用电热熔变压控制器及配套的加热头、剪刀、割刀、支架等施工机具。电熔塑料管件的承口表面预先埋入电阻丝，施工时将管材表面剥皮后，以合适的配合尺寸插入电熔承口内，然后在管件的接线栓通入电流，在规定电压、时间下电阻丝发热将管材、管件熔接。电熔变压控制器的作用是将220V电压变为39.5V低压，按预先设定的时间通电，并可通过内置微电脑识别环境温度和自动调整加热参数，以确保在不同的操作环境下的熔接质量。,(3)法兰连接 管道的法兰连接就是通过连接管子和管件端部的接盘（称法兰盘），而把管子和管件连接在一起的一种管路连

7、接方法。 法兰连接由一对法兰、一个垫片和若干螺栓、螺母组成。法兰连接具有较好的强度和严密性、而且适用的尺寸范围比较广，可以拆卸，所以在钢管、塑料管和铸铁管连接中极为广泛的应用。 法兰链接过程一般分三步，首先将法兰装备或焊接在管端，然后将垫片置于法兰之间，最后用螺栓连接两个法兰并紧固，使之达到连接管路和密封管路的目的。,(4)螺纹连接 螺纹连接也称丝扣连接。螺纹连接是通过管件上的内螺纹和管子上的外螺纹拧在一起而实现的。为了增加严密性，在连接前在带有外螺纹的管头或配件上按顺螺纹方向缠以适量的麻丝。管螺纹连接又可分为短丝连接、长丝连接、活结接头连接和锁紧螺母连接。 一般适用于管径50mm，工作压力低

8、于1MPa、介质温度100的有缝钢管或某些塑料管的连接，拆卸方便。,(5)承插连接 在管道施工中，承插连接适用于铸铁管、混凝土管和塑料管等连接中。根据材料不同，承插口接口种类很多。常用的青铅接口，石棉水泥接口和胶圈水泥砂浆接口等。 使用于无需拆卸的部位。可用于各种管径的铸铁管。,（四）常用管件,管路中的附件通称为管件，主要起连接、引导流动方向、改变管路直径和堵塞管路等用。最基本的管件如图所示。,（1）连接用管件 内螺纹管接头、外螺纹管接头、活接头、法兰等。 （2）引导方向用管件 45、90、180弯头。 （3）分、合流体的管件 等径或变径的三通、四通。 （4）改变管路直径用管件 同心异径管、偏

9、心异径管。 （5）堵塞管路用管件 管帽、丝堵、法兰盖。,（五）常用阀门,1.阀门：在流体系统中，用来控制流体的方向、压力、流量的装置。阀门是管路流体输送系统中控制部件，它是用来改变通路断面和介质流动方向，具有导流、截止、节流、止回、分流或溢流卸压等功能。 2.阀门的介质：空气、水、蒸汽、各种腐蚀性介质、泥浆、油品、液态金属、放射性介质等。,一、阀门的分类 阀门的类别和形式多种多样，目前我国生产的阀门共有12个大类，3000个型号，40000多个规格的产品。 1. 按作用分 (1) 截断（或闭路）阀类：接通或截断管路中的介质，包括闸阀、截止阀、旋塞阀、隔膜阀、球阀和蝶阀等。 (2)止回（或单向、

10、逆止）阀类：防止管路介质倒流，包括止回阀和底阀。 (3)调节阀类：调节管路中介质流量、压力等参数，包括节流阀，减压阀及各种调节阀。,(4)分流阀类:分配、分离或混合管路中介质，包括旋塞阀、球阀和疏水阀等。 (5)安全阀类：防止介质压力超过规定值，对管路或设备进行超载保护，包括各种形式的安全阀、保险阀。 (6)排气阀：管道系统不可缺少的辅助元件，用于给水管道、压力溶气罐和锅炉等设备中，往往安装在制高点或弯头等处，排除管道中多余气体，提高管道使用效率及降低能耗。,2.按公称压力分类 (1)真空阀：介质压力小于标准大气压的阀门 (2)低压阀：公称压力PN2.5MPa (3)中压阀 2.5 MPaPN

11、6.3 MPa (4)高压阀10 MPaPN100 MPa (5)超高压阀 公称压力PN100 MPa,3.按工作温度分类： (1)高温阀：工作温度t425 (2)高温阀：120t425 (3)常温阀：-29t120 (4)低温阀：-101t-29 (5)超低温阀 t-101,4.按驱动方式分类 (1)手动阀：用人力操纵手轮、手柄或链轮驱动阀门。 (2)动力驱动阀：利用动力源驱动阀门，包括电磁阀、气动阀、液动阀、电动阀和各种联动阀。 (3)自动阀：凭借管路中介质本身能量驱动阀门，包括止回阀，安全阀、减压阀、疏水阀和各种自力式调节阀。,5.按阀体材料分类 (1)铸铁阀：采用灰铸铁、可锻铸铁、球墨

12、铸铁和高硅铸铁等。 (2)铸铜阀：包括青铜和黄铜。 (3)铸钢阀：包括碳素钢，合金钢和不锈钢等。 (4)塑料阀：聚乙烯、聚丙烯聚氯乙烯和ABS(丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物)工程塑料等。 (5)其他材质：钛、 钛合金和陶瓷等。 阀门种类繁多，量大面广，按有关标准规定，阀门划分成闸阀、截止阀、节流阀、旋塞阀、球阀、蝶阀、隔膜阀、止回阀、安全阀、减压阀和疏水阀等大类。,二、常用阀门举例 1.闸阀 闸阀又称闸板阀或闸门阀，它是通过闸板的升降来控制阀门的启闭，闸板垂直于流体方向，改变闸板与阀座间相对位置即可改变通道大小。,明杆式闸阀 暗杆式闸阀,闸阀特点： 闸阀具有流体阻力小，介质流向不变、开启缓慢无

13、水锤现象，易于调节流量等优点，缺点是结构复杂、尺寸较大、启闭时间较长、密封面检修困难等。由于在大口径给水管路上应用较多，故又有水门之称。,闸阀使用注意事项： 当阀杆开闭到位时，不能再强行用力，否则会拉断内部螺纹或插销螺丝，使阀门损坏； 开闭阀门时手不能直接开动时可用F扳手开闭； 开闭阀门时注意观察阀门的密封面，尤其是填料压盖处防止泄漏。,1.闸阀 铸钢闸阀,1.闸阀 不锈钢钢闸阀,1.闸阀 轻型平板闸阀,(1) 明杆 (2) 润滑油附件 (3) 旋启式螺栓 (4) 填料函 (5) 后座 (6) 阀盖连接 (7) 阀体 (8) 阀座环 (9) 手轮 (10) 轭架套管 (11) 压盖 (12)

14、阀杆 (13) 楔形闸板 (14) 连接端口,2.截止阀 截止阀是化工生产中使用最广的一种截断类阀门，它与其它截断阀门相比不是利用其闭件的旋转打开、关闭阀门，而是利用阀杆升降带动与之相连的圆形阀盘（阀头），改变阀盘与阀座间距离达到控制阀门的起闭。,流线式截止阀 美标式截止阀,截止阀特点： 截止阀上部有手轮、阀杆，中部有 螺纹和填料涵密封段，小型阀门阀杆上螺纹在阀体内，其结构紧凑，但阀杆与介质接触部分多，尤其螺纹部分易腐蚀，从阀杆露出阀盖的高度可判断阀门开启程度，为防止介质沿阀杆漏出，可在阀杆穿出阀盖部位用填料来密封。 截止阀结构较复杂，但操作简单、不甚费力，易于调节流量和截断通道，起闭缓慢无水

15、锤现象，故使用较为广泛。,(1) 轭架套管 (2) 旋启式螺栓 (3) 填料函 (4) 阀盖连接 (5) 阀座环 (6) 阀体 (7) 手轮 (8) 压盖 (9) 阀杆 (10) 后座 (11) 阀瓣 (12) 连接端口,截止阀安装时要注意流体方向，应使管路流体由下向上流过阀座口，及所谓“低进高出”，目的是减少流体阻力，使开启省力和关闭状态下阀杆、填料涵部分不与介质接触，保证阀杆和填料涵不致损坏和泄漏。 截止阀主要用于水、蒸汽、压缩空气及各种物料的管路，可较精确地调节流量和严密地截断通道，但不能用于粘度大、易结晶的物料。,截止阀使用注意事项： 开启前检查阀门有无缺陷，特别是填料涵有无泄漏； 在

16、阀杆不能用手直接转动时，可用专用F扳手进行开闭，当仍无法开闭时，请不要加长扳手力臂来强行开闭，从而造成阀门的损坏或引起安全事故； 在用于中压汽管路阀门时，开启时应该先将管内的冷凝水排净，然后慢慢将阀门开启用0.2至0.3Mpa的蒸汽进行管道的预热，避免压力突然升高引起密封面的损坏，当检查正常后将压力调至所需状态。,3.球阀 球阀与旋塞阀是同一类型阀门，只是其启闭件为带一通孔的球体，球体饶阀杆中心线旋转达到启闭目的。,不锈钢球阀 带夹套保温球阀,快开球阀,球阀特点： 阀门结构简单，工作可靠，用于双向流动介质的管路，流体阻力小，密封性好；缺点： 介质易从阀杆部位泄漏。 球阀使用注意事项： 1）同旋

17、塞阀同样； 2）带手柄阀门，手柄垂直于介质流动方向为关闭状态，与方向一致的为开启状态；,如遇到带夹套保温的球阀时应该注意以下事项： 1）应该将夹套保温蒸汽开启将阀内易结晶的介质融化后方能开闭阀门，切勿介质未完全融化就强行开闭阀门； 2）当遇到阀门不能开启时，不能利用加长力臂的方法，强行开启阀门，因为这样会造成因阀杆受阻力较大与阀芯脱落，造成阀门损坏或造成扳手的损坏，从而造成不安全因素。,4.蝶阀 蝶阀是利用一可饶轴旋转的圆盘来控制管路的启闭，转角大小反映了阀门的开启程度。,根据传动方式不同蝶阀分手动、气动和电动等三种，常用的为手动，旋转手柄通过齿轮传动带动阀杆从而起闭阀门。 蝶阀特点： 蝶阀具

18、有结构简单、开闭较迅速，流体阻力小、维修方便等优点，但不能用于高温高压场合，PN 小于1.6Mpa, T小于120度的大口径水、蒸汽、空气、油品等管路。,使用注意事项： 1）阀芯只能旋转90度，一般阀体上会表明CLOSE和OPEN箭头方向，手轮顺时针转动为关闭、反之为开启； 2）如有时开闭有一定阻力，可以用专用F扳手开阀门，但不能强行开闭，否则会将阀杆齿轮搅坏； 3）禁止将手轮卸下用活动扳手扳动阀杆；（下面阀同样如此） 4）开闭时逐步开闭，观察有无异常情况，防止有泄漏。,5.止回阀 止回阀是利用阀前后介质的压力差而自动启闭，控制介质单向流动的阀门，又称止逆阀或单向阀。 止回阀按结构不同分为升降

19、式（跳心式）和旋启式（摇极式）两种。,升降式止回阀,旋启式止回阀,5.止回阀 升降式式止回阀结构图,5.止回阀 旋启式止回阀,止回阀使用注意事项： 注意阀门方向，箭头与介质流向一致，如介质易结晶可能造成阀片不能压下起不到指挥、止回的作用。,6.旋塞阀 旋塞阀是关闭件或柱塞形的旋转阀，通过旋转90度使阀塞上的通道口与阀体上的通道口相同或分开，实现开启或关闭的一种阀门。 特点：TN 小于150度 PN 小于1.6 Mpa 其结构简单、启闭迅速、操作方便、流体阻力小等优点,使用注意事项： 1）阀杆外端为正方形，对角线标注的直线垂直与阀体方向为关闭状态，与阀体方向一致为开启状态； 2）正常开关阀门用考

20、克专用扳手，避免与阀杆打滑造成安全事故；尽量不用活动扳手从而造成打滑； 3）开起阀门按前面检查项目检查，检查完后慢慢开启阀门，开启时尽量不要站在密封面方向，遇到酸碱流体时须佩戴防酸面具；,7.节流阀 节流阀又称针形阀，其外形与截止阀相似，其阀芯形状不同，呈锥状或抛物线状，常用于化工仪表中，常为螺纹连接。,使用注意事项： 1）因为螺纹连接，故开闭时首先检查螺纹连接是否松动泄漏； 2）开闭阀门时缓慢进行，因为其流通面积较小，流速较大，可能造成密封面的腐蚀，应留心观察，注意压力的变化。,8.安全阀 安全阀是一种根据介质压力自动启闭的阀门，当介质压力超过定值时，它能自动开启阀门排放卸压，使设备管路免遭

21、破坏的危险，压力恢复正常后又能自动关闭。,杠杆重锤式 弹簧式,使用注意事项： 1）安全阀使用必须在效验有效期内； 管路、设备上安装的安全阀控制阀通常为截止阀 必须打开保证安全阀能有效工作； 2）定期将阀盘稍稍抬起，用介质来吹涤阀内杂质。 3）如安全阀不能在整定压力内工作，必须进行重新效验或更换。,9.疏水阀 疏水阀是蒸汽管路、加热器等设备系统中能自动的间歇排除冷凝水，又能防止蒸汽泄出的一种阀门。常用的有钟形浮子式、热动力式和脉冲式几种。,使用注意事项： 1）使用前先用管道旁路阀排除冷凝水，当有蒸汽时关闭旁路，起用疏水阀正道，否则阀内将会闭水起不到疏水作用； 2）起闭阀门时注意不要被蒸汽烫伤。,

22、10.各式取样阀 取样阀顾名思义就是用于获取介质样品从而可以进行化学分析的阀门，一般装于设备或管路上大致分为以下几种： 双联开启阀、法兰夹片阀、以及带保温夹套的取样阀；,11.氟塑料衬胶阀 氟塑料衬胶阀主要运用于酸碱等易腐蚀介质中，其结构原理与不衬氟塑料阀相似，只不过其阀杆、阀芯、阀座内均用氟塑料衬底，其使用方法相似。,12.其它阀门 除上述十一种阀门外还有很多种阀门应用于化工生产中比如有： 隔膜阀、膨胀阀、减压阀、自动调节阀门等等。,电磁自动调节阀 隔膜阀 减压阀 膨胀阀,（六）管子的选用 1.管材或品种的选用 根据被输送介质的性质和操作条件，满足生产要求。既要安全，经济上又要合理的原则进行

23、选择。 2.管径的估算,二、流体流动类型,（一）流体流动类型 流体充满导管作连续定常流动时，有两种本质不同的流动类型，即层流和湍流。 层流（又称滞流）流体的质点沿管轴方向做规则的平等直线运动，质点之间不干扰及相混。因此，整个导管内的流体如同一层一层的流体平行流动。,湍流（又称紊流）流体的质点有剧烈的扰动、碰撞和混合做不规则的紊乱运动。因此，流体质点除沿导管向前整体流动外，各质点的运动速度在大小和方向上随时都在发生变化。 过渡流 处于两者中间的状态,（二）流体流动类型的判别雷诺数 流体的流动类型可以在雷诺初阶中进行观察,对不同的流体和不同尺寸的管道进行大量的实验后证明，流体流动类型不仅与流速有关

24、，还与流体的物性（密度、黏度）及管道形状（如圆管内径d）有关，将这些因素组成一个复合数群，称为雷诺数Re，即 Re = ud 雷诺数是一个无因次数群（式中各物理量用同一种单位制进行计算时，得到是无单位的数），由此特征数可判别流体流动类型。,在一般情况下，当Re2000时，流体的流动类型为层流；当Re4000时，流体的流动类型为湍流；在2000Re4000时，流动类型要属不稳定的过渡区，过渡区可能是层流，也可能是湍流，其流动类型与外界条件的影响有关，如管径或流向的改变、外来的轻微振动等，都容易形成湍流。,还须指出，无论流体的湍动程度如何剧烈，由于流体的黏性，在紧靠管内壁处总有一层做层流流动的流体

25、薄层，称为层流内层。此层流内层的厚度随Re的增大而减薄，它的存在对流体阻力、传热和传质等过程影响较大。,（三）、管路阻力计算,实际流体会产生阻力，而流体的黏性（内摩擦力）是产生流体阻力的内因，流动类型是产生流体阻力的外因。要克服阻力，则需消耗一部分机械能。 为便于讨论和计算，将流体流经管路的机械能损失分为直管阻力和局部阻力两类。,（一）圆管内直管阻力 1.直管内阻力计算通式 由理论推导可得到圆形直管内阻力，用EL表示或hL（损失压头），其计算式通式为,式中 摩擦系数，无因次； 直管长，m。,对于等径的水平直管，将上式各项乘以密度得 p=EL= 可知，流体在直管中的直管阻力或压头损失与摩擦系数、

26、直管长度、流速及管道直径有关。而摩擦系数与雷诺数有关，有对湍流流动时，有的情况下还与管壁粗糙度有关。摩擦系数与雷诺数及管壁粗糙度的关系如图所示。,2.摩擦系数 （1）层流时的摩擦系数 当Re2000时，理论推导和实验证明，摩擦系数只与雷诺数Re有关，与管壁粗糙度无关，其计算式为 = 64/Re 在图中，与Re成直线关系。,（2）湍流时的摩擦系数 当Re4000时,摩擦系数的影响因素比层流时复杂很多，为了简化计算，根据管道管内壁粗糙度，将管道分为粗糙管与光滑管。如将钢管和铸铁管等认为是粗糙管；将玻璃管、黄铜等、铅管、塑料管等认为是光滑管。粗糙管和光滑管摩擦系数给你雷诺数Re的关系见图 （3）对于

27、2000Re4000时，过渡区流动类型是不稳定的，计算阻力时将过渡区视为湍流，按湍流查取摩擦系数值,（二）局部阻力 流体流经管路中的局部部件，如弯头、阀门、管道骤然缩小或扩大时，流体的流体的流速或流向突然发生变化，出现涡流和加剧扰动，使这些局部位置处的阻力显著增加，流体通过这些局部位置的机械能损失称为局部阻力，有Ec表示。局部阻力的计算有两种计算方法。,1.当量长度法 将局部阻力折算成相当于同管径直管长度所产生的阻力，此折算的直管长度称为当量长度，用Le表示。当量长度值由实验测定，列于表1-3.由直管阻计算可得,2.阻力系数法 克服局部阻力引起的机械能损失，可以用动能的倍数来表示。即 式 局部

28、阻力系数，由实验测定。常用值列于表1-3中。,（三）总阻力计算 1.总阻力计算式 管路和总阻力包括了衡算范围内的全部直管阻力和局部阻力之和。当为等径管时，其计算式为,当流体流经的截面发生变化时，应按不同的管径分段计算。计算管道骤然宿小或扩大时的局部阻力，采用较小截面处的流速。 局部阻力计算比较繁琐，误差较大，用不同的方法计算的结果也有差异。做近似计算时，对不很复杂的管路系统，局部阻力可估计为直管阻力的30%50%。,2.降低流体阻力的途径 当流量一定时，将流速与流量的关系式u=4Vs/d2代入式（1-24），整理后得,1/d5,从式（1-26）中可见，湍流时值变化不大，可近似认为阻力损失与管径的5次方成反比。管径增大，阻力损失减少，动力消耗也将减少。所以适当增大管径，对大流量的输送是很重要的，特别对低压气体在真空管路中更显重要。,作业：2-15,2-16, 2-17,2-19,