第4章多相流管网水力特征与水力计算.docx

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第4章多相流管网水力特征与水力计算

第4章 多相流管网水力特征与水力计算

4-1什么是水封？

它有什么作用？

举出实际管网中应用水封的例子。

答：

水封是利用一定高度的静水压力来抵抗排水管内气压的变化，防止管内气体进入室内的措施。

因此水封的作用主要是抑制排水管内臭气窜入室内，影响室内空气质量。

另外，由于水封中静水高度的水压能够抵抗一定的压力，在低压蒸汽管网中有时也可以用水封来代替疏水器，限制低压蒸汽逸出管网，但允许凝结水从水封处排向凝结水回收管。

实际管网中应用水封的例子很多，主要集中建筑排水管网，如：

洗练盆、大/小便器等各类卫生器具排水接管上安装的存水弯（水封）。

此外，空调末端设备（风机盘管、吊顶或组合式空调器等）凝结水排水管处于空气负压侧时，安装的存水弯可防止送风吸入排水管网内的空气。

4-2 讲述建筑排水管网中液气两相流的水力特征？

答：

（1）可简化为水气两相流动，属非满管流；

（2）系统内水流具有断续非均匀的特点，水量变化大，排水历时短，高峰流量时水量可能充满水管断面，有的时间管内又可能全是空气，此外流速变化也较剧烈，立管和横管水流速相差较大。

  （3）水流运动时夹带空气一起运动，管内气压波动大；

  （4）立管和横支管相互影响，立管内水流的运动可能引起横支管内压力波动，反之亦然；

  （5）水流流态与排水量、管径、管材等因素有关；

  （6）通水能力与管径、过不断面与管道断面之比、粗糙度等因素相关。

4-3 提高排水管排水能力的关键在哪里？

有哪些技术措施？

答：

提高排水管排水能力的关键是分析立管内压力变化规律，找出影响立管压力变化的因素。

进而想办法稳定管内压力，保证排水畅通。

技术措施可以①调整管径；②在管径一定时，调整、改变终限流速和水舌阻力系数。

减小终限流速可以通过

（1）增加管内壁粗糙度；

（2）立管上隔一定距离设乙字弯；（3）利用横支管与立管连接的特殊构造，发生溅水现象；（4）由横支管排出的水流沿切线方向进入立管；（5）对立管内壁作特殊处理，增加水与管内壁的附着力。

减小水舌阻力系数，可以通过改变水舌形状，或向负压区补充的空气不经水舌两种途径，措施

（1）设置专用通气立管；

（2）在横支管上设单路进气阀；（3）在排水横管与立管连接处的立管内设置挡板；（4）将排水立管内壁作成有螺旋线导流突起；（5）排水立管轴线与横支管轴线错开半个管径连接；（6）一般建筑采用形成水舌面积小两侧气孔面积大的斜三通或异径三通。

4-4 解释“终限流速”和“终限长度”的含义，这二概念与排水管通水能力之间有何关系？

答：

终限流速Vt，排水管网中当水膜所受向上的管壁摩擦力与重力达到平衡时，水膜的下降速度和水膜厚度不再发生变化，这时的流速叫终限流速。

终限长度Lt：

从排水横支管水流入口至终限流速形成处的高度叫终限长度。

这两个概念确定了水膜流阶段排水立管在（允许的压力波动范围）内最大允许排水能力。

超过终限流速的水流速度将使排水量继续增加，水膜加厚，最终形成水塞流，使排水系统不能正常使用。

水膜流状态下，可有Q=

，Lt=0.144Vt2，其中Q——通水能力L/S；Wt——终限流速时过水断面积，cm2，Vt——终限流速，m/s，Lt——终限长度，m。

4-5 空调凝结水管内流动与建筑排水管内流动的共性和差别是什么？

答：

共性：

均属于液气两相流。

   区别：

①空调凝结水管在运动时管内水流量变化不大，气压变化也不大，而建筑排水管风水量及气压随时间变化都较大；

        ②空调凝结水管内流速较小，排水管网内流速较大；

        ③空调凝水管内流动可当成凝结水和空气的流动，排水管内的流动除水和气体外，还有固体。

4-6 汽液两相流管网的基本水力特征是什么？

答：

①属蒸汽、凝结水的两相流动；

   ②流动过程中，由于压力、温度的变化，工质状态参数变化较大，会伴随着相态变化；

   ③由于流速较高，可能形成“水击”、“水塞”等不利现象，因此应控制流速并及时排除凝结水；

   ④系统运动时排气，系统停止运行时补气，以保证系统长期、可靠运行。

   ⑤回水方式有重力回水、余压回水、机械回水等多种方式。

4-7 简述保证蒸汽管网正常运行的基本技术思路和技术措施？

答：

保证蒸汽管网正常运行的基本思路是减少凝结水被高速蒸汽流裹带，形成“水塞”和“水击”。

主要预防思想包括：

①减少凝结；②分离水滴；③汽液两相同向流动；④若两相逆向流动减少，则尽量相互作用。

可采取的技术措施是：

①通过保温减少凝结；②在供汽干管向上拐弯处装耐水击的疏水器分离水滴；③设置足够坡度使水汽同向；④在两相逆向的情况下，降低蒸汽的速度；⑤在散热器上装自动排气阀，以利于凝水排净，下次启动时不产生水击；⑥汽、水逆向时，适当放粗管径；⑦供汽立管从干管上方或下方侧接出，避免凝水流入立管；⑧为保证管正常运行，还需适当考虑管网变形的破坏作用，设置补偿器。

4-8 简述室内蒸汽供热管网水力计算的基本方法和主要步骤

答：

蒸汽管网水力计算的基本方法一般采用压损平均法，与热水管网大致相同，管网同样存在着沿程阻力和局部阻力。

从最不利环路算起，满足锅炉出口蒸汽压力等于流动阻力+用户散热器所需压力。

水力计算主要步骤：

（1）确定最不利环路；

（2）管段编号，统计各管段长度及热负荷；（3）选定比压降，确定锅炉出口压力；（4）对最不利环路各管段进行水力计算，依次确定其管径和压损；（5）对各并联管路进行水力计算，确定其管径和压损；（6）确定各凝水管路管径，必要时需计算凝水管路压损并配置相应回水设备，如凝水泵，凝水箱等。

4-9 若例4-2中，每个散热器的热负荷均改为3000W，试重新确定各管段管径及锅炉蒸汽压力。

解：

1）确定锅炉压力∑l=80m，比压降100Pa/m，散热器所需乘余压力2000Pa，运行压力Pb=80×100+2000=10Kpa。

   2）最不利管径的水力计算，预计Rm=100×0.6=60Pa/m，各管段管径确定见以下水力计算表。

水力计算表

管段

热量a

（mm）

长度l

（m）

管径d

（mm）

比摩阻R

（Pa/m）

摩擦阻

力损失

ΔPy=Rl（Pa）

流速V

（m/s）

局部阻

力系数

Σξ

压头Pd

（Pa）

局部压力损失ΔPj=Pd-Σξ（Pa）

总压力损失ΔP=ΔPy+ΔPg（Pa）

1

71000

12

70

26.3

13.9

315.6

10.5

61.2

642.6

958.2

2

30000

13

50

29.41

12.94

382.33

2.0

53.08

106.16

488.49

3

24000

12

40

39.69

12.6

496.28

1.0

50.33

50.33

546.61

4

18000

12

32

52.68

12.29

632.16

1.0

47.88

47.88

680.04

5

12000

12

32

21.58

8.42

258.96

1.0

22.47

22.47

281.43

6

6000

17

25

28.35

7.34

481.95

12.0

17.08

204.96

686.91

7

3000

2

20

20.55

5.80

41.1

4.5

10.66

47.97

89.07

Σl=80mΣΔP=3730.75Pa

立管Ⅲ资用压力ΔP6-7=775.98Pa

立管

6000

4.5

25

28.35

7.34

127.58

11.5

17.08

196.42

324

支管

3000

2

20

20.55

5.80

41.1

4.5

10.66

47.97

89.07

ΣΔP=413.07Pa

立管Ⅲ资用压力ΔP5-7=968.34Pa

立管

6000

4.5

25

28.35

7.34

127.58

11.5

17.08

196.42

324

支管

3000

2

15

103.45

11.07

206.90

4.5

38.85

174.81

381.7

ΣΔP=705.71Pa

立管Ⅱ资用压力ΔP4-7=1648.38Pa立管ⅠΔP3-7=2194.99Pa

立管

6000

4.5

20

80.4

11.66

361.8

13.0

43.1

560.3

922.07

支管

3000

2

15

103.45

11.07

206.90

4.5

38.85

174.81

381.7

ΣΔP=1303.77Pa

局部阻力系数汇总

管段①截止阀7.0，锅炉出口2.0，90º煨弯3×0.5=1.5     Σξ=10.5

管段②90º煨弯2×0.5=1.0，直流三通1.0                Σξ=2.0

管段③④⑤直流三通1.0                               Σξ=1.0

管段⑥截止阀9.0，90º煨弯2×1.0=2.0，直流三通        Σξ=10.0

管段⑦乙字弯1.5，分流三通3.0                        Σξ=4.5

其他立管ⅢⅣ（d=25mm）截止阀9.0，90º煨弯1.0，旁流三通1.5 Σξ=11.5

      ⅠⅡ（d=20mm）截止阀10.0，90º煨弯1.5，旁流三通1.5 Σξ=13

其他支管ⅢⅣ（d=20mm）乙字弯9.0，分流三通3.0             Σξ=4.5

      ⅠⅡ（d=15mm）乙字弯1.5，分流三通3.0              Σξ=4.5

凝水管径汇总表

编号

7′

6′

5′

4′

3′

2′

1′

热负荷W

3000

6000

12000

18000

24000

30000

71000

管径d（mm）

15

20

20

25

25

32

32

4-10 简述凝结水管网水力计算的基本特点

答：

凝结水管网水力计算的基本特征是管网内流体相态不确定，必须分清管道内是何种相态的流体。

例如从热设备出口至疏水器入口的管段，凝水流动状态属非满管流。

从疏水器出口到二次蒸发箱（或高位水箱）或凝水箱入口的管段，有二次蒸汽是液汽两相流，从二次蒸发箱出口到凝水箱为饱和凝结水，是满管流，可按热水管网计算。

4-11 物料的“沉降速度”、“悬浮速度”、“输送风速”这三个概念有何区别与联系？

答：

物料颗粒在重力作用下，竖直向下加速运动。

同时受到气体竖直向上的阻力，随着预粒与气体相对速度增加竖直向上的阻力增加，最终阻力与重力平衡，这对物料与气体的相对运动速度Vt，若气体处于静止状态，则Vt是颗粒的沉降速度，若颗粒处于悬浮状态，Vt是使颗粒处于悬浮状态的竖直向上的气流速度，称悬浮速度。

气固两相流中的气流速度称为输送风速。

输送风速足够大，使物料悬浮输送，是输送风速使物料产生沉降速度和悬浮速度，沉降速度和悬浮速度宏观上在水平风管中与输送风速垂直，在垂直风管中与输送风速平行。

为了保证正常输送，输送风速大于沉降或悬浮速度，一般输送风速为悬浮速度的2.4~4.0倍，对大密度粘结性物料甚至取5~10倍。

4-12 简述气固两相流的阻力特征和阻力计算的基本方法。

答：

气固两相流中，既有物料颗粒的运动，又存在颗粒与气体间的速度差，阻力要比单相气流的阻力大，对于两相流在流速较小时阻力随流速增大而增大，随着流速增大，颗粒过渡到悬浮运动，总阻力随流速增大而减小，流速再增大，颗粒完全悬浮，均匀分布于某个风管，阻力与单排气流相似，随流速增大而增大。

气固两相流的阻力还受物料特性的影响，物料密度大。

粘性大时，摩擦作用和悬浮速度大，阻力也大，颗粒分布不均匀时颗粒间速度差异大，互相碰撞机会多，因而阻力也大。

阻力计算的基本方法把两相流和单相流的运动形成看作相同，物料流看作特殊的流体，利用单相流体的阻力公式计算，因此两相流的阻力可以看作单相流体阻力与物料颗粒引起的附加阻力之和。

在阻力构成上，气固两相流须考虑喉管或吸嘴的阻力、加速阻力、物料的悬浮阻力、物料的提升阻力、管道的摩擦阻力、弯管阻力、设备局部阻力等多项因素，各项阻力都有相应的计算参数和公式。

气固两相流阻力计算一般可确定输送风速、料气比、输送管径及动力设备。

4-13 气固两相流水平管道内，物料依靠什么力悬浮？

竖直管道呢？

答：

气固两相水平管道内，物料依靠以下几个作用力悬浮：

（1）紊流气流垂直方向分速度产生的力；

（2）管底颗粒上下的气流速不同产生静压差而形成的力；（3）颗粒转运动时与周围的环流速度迭加形成速度差在颗粒上下引起静压差产生的引力；（4）因颗粒形状不规则引起空气作用力垂直分力；（5）颗粒之间或颗粒与管壁之间碰撞时受到的垂直分力。

竖直管道内，物料依靠与气流存在相对速度而产生的向上的阻力悬浮。

4-14气力输送管道中，水平管道与竖直管道哪个需要的输送风速大？

为什么？

答：

输送风速指气固两相流管中的气流速度，气力输送管道中，水平管道比竖直管道需要的送风速大，因为在垂直管道中，气流速度与物料速度方向一致，只要气流速度稍大于悬浮速度，就可输送，而在水平管道中，物料悬浮来自紊流分速度，静压差等多种因素，悬浮速度与输送风速垂直，为保证物料处于悬浮流而正常输送，要有比悬浮速度大得多的输送风速，才能使物料颗料完全悬浮，因此水平管输送风速大。

4-15 什么是料气比？

料气比的大小对哪些方向有影响？

怎样确定料气比？

答：

料气比是单位时间内通过管道的物料量与空气量的比值，也称料气流浓度，料气比的大小关系到系统工作的经济性、可靠性的输料量较大小。

料气比大，所需送风量小，因而管道设备小动力消耗少，在相同的输送风量下输料量大，所以在保证正常运行的前提下，力求达到较高的料气比。

料气比的确定，受到输送经济性、可靠性（管道堵塞）和气源压力的限制，一般根据经验确定。

低压吸送式系统，料气比μ=1~10，循环式系统μ=1左右，高真空吸送式系统μ=20~70。

物料性能好，管道平直，喉管阻力小时，可采用较高的料气比，反之取用较低值。

4-16 分析式（2-2-1）和式（4-3-11）这两个管道摩阻计算公式的区别和联系，它们各用于计算什么样的管网？

答：

公式（2-2-1）ΔP=Rml用于单相流体的沿程摩擦阻力，计算公式（4-3-11）ΔP=（1+k1μ1）Rml用于气固两相流管道的摩擦阻力计算。

因为公式（4-3-11）包括了气流阻力和物料预料引起的附加阻力两部分，其中k1是与物料有关的系数，μ1为料气比。

4-23 如习题图4-1所示管网，输送含轻矿物粉尘的空气。

按照枝状管网的通用水力计算方法对该管网进行水力计算，环境空气温度20℃，大气压力101325Pa。

习题图4-1

某工厂通风管网如图1所示，环境空气温度为20℃。

用枝状管网的通用水力计算方法计算，主要步骤如下：

（1）计算环路I、II、III中重力作用形成的动力；

（2）选环路I为最不利环路，按推荐流速确定所属管段的直径并计算流动阻力。

根阻力计算结果确定需用压力；

（3）按式（5）计算环路II、III的资用动力；按式（7）环路II的独用管路（管段2）、环路III的独用管路（管段3）的资用动力；

（4）按压损平衡原理，确定管段2和3的断面尺寸，并计算流动阻力和压损平衡水平。

管段2和管段3的压损平衡水平分别是98%和100.4%，已满足工程实际要求。

若此压损平衡水平达不到工程要求，需调整管径，重新进行计算，直至满足要求。

主要计算结果列于表1。

表1 枝状管网的通用水力计算方法示例

环路

编号

管段

编号

设计流量

（m3/s）

流体密度

（kg/m3）

管径

（mm）

流动阻力

（Pa）

环路重力作用

（Pa）

环路压力

（Pa）

资用动力

（Pa）

压损平衡

水平（%）

I

1

0.417

0.779

200

213.2

-24.2

1945.7

1921.5

——

4

0.639

0.946

240

52.2

5

1.750

1.029

380

1297.2

6

1.838

1.127

420

80.2

7

1.838

1.165

420

278.7

合计

1921.5

II

2

0.222

1.204

130

249.8

17.5

1945.7

254.9

98.0

III

3

1.111

1.204

300

308.3

17.5

1945.7