如何选择合适的管道直径？- 管道直径优化

任务目标

知识目标

1.了解管路直径选择的原则。

2.掌握管路直径的计算方法。

3.了解管子的规格。

技能目标

会利用管子规格与管路直径计算结果，选择合适的管径。

任务描述

通过对管路直径的计算，利用管子规格与管路直径计算结果，选择合适的管径，核算流体流动的流速。

知识学习

一、稳态流动与非稳态流动

在流体流动系统中，若任一固定点上流体的状态参数（如速度、压力、密度等）不随时间而变化，则此流动称为稳态流动。若任一固定点上的状态参数随时间而改变，则此流动称为非稳态流动。

连续正常操作的化工生产过程，大多数流体流动属于稳态流动，如图4-26a所示。生产中的开、停车和间歇操作过程，属于非稳态流动，如图4-26b所示。

图4-26 流体流动的稳态流动与非稳态流动

a）稳态流动 b）非稳态流动

二、流体稳态流动时的物料衡算——连续性方程

在稳态流动系统中，对直径不同的管段作物料衡算，如图4-27所示，选截面1—1′与2—2′作衡算范围，流体充满整个管道，并连续不断地从截面1—1′流入，从截面2—2′流出，利用质量守恒定律，经推导可得：

图4-27 流体流动的连续性方程式推导

m_s1=m_s2=m=常数 （4-20a）

对不可压缩流体，即ρ=常数，则式（4-20a）改写为：

故不可压缩流体在圆管内作稳定态流动时应有：

式（4-20a）～式（4-20c）均称为连续性方程，它反映了在稳态流动系统中，质量流量、体积流量、流速、流体密度与流动截面A之间的关系。

【例4-5】 在稳态流动系统中，水连续由粗管流入细管，已知粗管内径是细管的两倍，求细管内水的流速是粗管的几倍。

解：设1为细管，2为粗管，按式（4-20c）可得

三、管子直径的选择

1.计算公式

管子的规格根据管子的直径选择，管子直径可根据式（4-12）进行计算。对于圆形管路

式中 q_V——流体的体积流量（m³/s）；

d——管道的内径（m）；

u——适宜的流速（m/s）。(www.xing528.com)

2.适宜流速的选择

流量一般为生产任务所决定，所以管子的直径取决于流速的大小。

由式（4-22）可以看出，流速越大，管径越小，管路设备费用越低，但流速选择过大，流体输送的动力消耗也过高，操作费用随之增加；反之，结果相反。所以需根据具体情况通过经济权衡来确定适宜的流速，使设备费用和操作费用之和达到最小。常用的流体在管道中的常用流速范围见表4-6。

表4-6 常用的流体在管道中的常用流速范围

估算出管径后，还需从有关手册或本书附录中查找管子规格，选用标准管径。选用标准管径后，再核算流体在管内的实际流速。

【例4-6】 某厂精馏塔进料量为66000kg/h，其密度为960kg/m³，性质与水相近，若进料管使用无缝钢管，试选择管子的管径。

解：

根据管路中流体的常用流速范围，选取u=1.65m/s。

根据本书附录的管子规格表，选用ϕ133mm×4mm的无缝钢管，其内径为：

d=133-4×2mm=125mm

则实际流速为：

流体在管内的实际流速为1.55m/s，仍在适宜流速范围内，因此所选管子可用。

【例4-7】 常温下密度为879kg/m³的苯，其输送流量为54m³/h，通过管子送入储罐，试选择合适的管子，核算实际的流速。

解：根据式（4-22）可得

式中

参考表4-6，选取u=18m/s，得

查附录，选择ϕ108mm×4mm的热轧无缝钢管，其内径为：

d=108-（4×2）mm=100mm=0.1m

此时管内实际流速为：

任务实施

1）用多媒体课件讲解管子规格、管路直径选择原则、管路直径的计算等。

2）用“拼图教学法”让学生进行管子直径的计算并利用附录进行管子直径的选择。

3）用“滚珠教学法”让学生进行交流与考核。

任务评价

任务评价见表4-7。

表4-7 任务评价