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防止因冲击流(本导则称块状流)两产生的不稳定状态而采取高流速,则将通量增加到超过正常操作情况时,就会有出现侵蚀的严重可能性。
使侵蚀变得严重时的大约速度可按下式求得:
ρmυm =15000
式中 ρm为两相混合物的平均密度 (kg/m3),
υm为两相混合物的平均流速 (m/s )。
参照其它技术资料本导刚采用此关系式,并推导出公式3·1·7。 第3·1·8条 两相流由于存在气相,具有可压缩流体的特性而出现流动阻塞现象,又因存在液相,出现流动阻塞现象所需的压力降比纯气体低。在《化学工程卷I》的第四章中曾提出:\当压力降略大于进口压力的30%时, 这种临界流速有时可以达到。\
所以本导则规定当管道进出口两端的压差大于进口端绝对压力的30%时,应核算出口端的极限质量流速
最大质量流速的计算公式推导如下
Gc=[-(Зυ/ЗP)s]-1/2
按均相比容进行分析: υH=xυg+(1-x)υ
ι
2
再按非闪蒸型两相流考虑,则两相混合物的质量含气率(x)是常数,于是可得:
(ЗυH/ЗP)s=x(Зυg/ЗP)s+(1-x) (Зυ因(Зυ
ι
ι
/ЗP)s
/ЗP)s数值很小,可以忽略不计,而得:
(ЗυH/ЗP)s=x(Зυg/ЗP)s 在等熵变化时:Pυ
υ
g
γ
g
γ
=常数 得:
g
γ-1
+γPυ (Зυg/ЗP)s=0
即:(Зυg/ЗP)s=(-υg/γP) (明3.1.8—3)
从明3.1.8---1~3可得:
Gc=[-x(-υg/γP)]
-1/2
=(γP/xυg)-1/2 (明3.1.8—4)
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当压力采用千帕为计量单位,计算管道出口端的质量流速时,得:
Gc=(γP2·10/x2υ
3
g2)
0.5
(3.1.8—1)
在两相流管道上很少设置计量孔板,不采用有截面收缩的阀门,所以出现流动阻塞的位置是管道的出口端。
取质量流速等于或小于极限质量流速的75%主要考虑在等温流动情况下, γMa≤1,而留有一定的安全余地。
第二节 非闪蒸型两相流管道的压力降计算
第3·2·1条 一般情况下,不在气液两相流的管道上设置调节阀或串联设备,所以管道系统中没有调节阀阻力降和设备阻力降。
在垂直向下或倾斜向下的管段中,重力的作用往往是忽略不计的。所以气液两相流管道的压力降只包括两相流的加速压力降,两相流在垂直向上或倾斜向上管段内的重力压力降和两相流管道的阻力降。
由于准确地判断两相流的流型把握性不大,所以本导则所采用的管道阻力降计算方法是不考虑两相流流型影响的,并未考虑按不同的流型采用不同的计算方法。在《气液两相流和沸腾传热》 (西安交通大学出版社出版,林宗虎编著)的第二章,第十二节中提到:\目前工程上的大量气液两相流计算一般都不考虑两 相流的流型影响,例如,对于管道流动申的摩擦压力降计算、截面含气率计算等。因而误差均较大,一般约为30%左右。\
本导则参考其它资料后,在管道压力降的计算式内,考虑了1·3的安全系数。 第3·2·2条 一般情况下,两相流管道压力降的计算方法都只适用于管道两端的压力差小于进口端绝对压力的10%的范围,如果超过10%时,本导则3·2·13条另有规定。
在气液两相流管道两端的压力差小于进口端绝对压力的10%时,可以按不可压缩流体计算。本导则是按不可压缩流体和均相模型计算加速压力降的。即假定气液两相的流速是相同的,两相的速度比为1。这种计算方法比较简单。
如果按两相速度不同,两相速度的比不等于1的情况考虑,则加速压力降的计算公式如下 (压力的计量单位为帕):
Δpa=G[(1-X2)/(1-a2)ρι+ X2/ a2ρg-(1-X1)/(1-a1)ρι+ X1/ a1ρg]
2
2
2
2
2
2
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(明3.2.2---1)
式中 a------截面含气率。
也可按公式3.2.2计算,但两项混合物的比容应按下式计算: υ
=υgX/a+υ
2
ι
(1-X)2/1-a (明3.2.2---2)
截面含气率按下式计算: a=[1+(1-X)(υ
ι
/υg)/X]
0.5-1
(明3.2.2---3)
将公式明3·2·2一2代入公式3·2·2,再将压力降的单位由千帕转换成帕,即得到公式明3·2·2一1。
公式明3·2·2一2和明3·2·2一3均引自《Chemicalengineers`handbook》。 由于截面含气率 (a)在加速压力降计算中和重力压力降及阻力降计算时,需要采用不同的计算方法或计算公式,容易混淆。所以,不按均相模型计算,不仅计算方法比较复杂,而且容易出错,故本导刚采用均相模型方法计算,虽有误差,但误差并不大。
当气液两相流管道两端的压力差大于进口端绝对压力的10%时,按均相模型和可压缩流体计算,两相流的加速压力降也可按下式计算 (压力的计量单位帕): Δpa=GυHm ι
2
n·υ
H2/υH1 (明3·2·2一4)
式中 Δpa一两相流的加速压力降 (Pa);
G一两相流的质量流速 (kg/m·s);
υHm一在平均压力下,两相混合物的均相比容(m/kg); υ
H1一在管道进口端,两相混合物的均相比容(m
33
2
/kg);
3
υH2一花管道出口端,两相混合物的均相比容(m/kg);
第3·2·3条 实际的气液两相流,往往是气相的流速与液相的流速不同。在一般情况下,气相速度较液相速度快,所以气相所需占用的流通截面积较均相速度算出的截面积小,液相所需流通截面积较均相速度算出的截面积大, 因而需要引入截面含气率的概念,以反映两相速度不同的影响。
在同一高度的垂直管道中,由于液相所占的截面积比均相速度计算的截面积大,因而在垂直管道内实际存在的液体量比均相计算出的量多。因而真实的两相
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混合物密度比均相密度大。在垂直向上或倾斜向上管段内的重力压力降应按真实密度计算,不可按均相密度计算,否则将引起较大的误差: 第3·2·4条 公式3·2·4推导如下:
取垂直管道的高度为1m,管道的截面积为Am,则: 垂直管道内的总容积为1·A=A (m) 按截面含气率的定义可得
气相在管道内所占容积为1·A·a=A·a(m)
液相在管道内所占容积为1·A·(1-a)=A.(1-a) (m) 管道内两相混合物的质量为A·ρe (kg); 管道内气相的质量为 A·a·ρg (kg); 管道内液相的质量为 A·(1-a) Pι (kg), 于是可得下式
A·ρe =A·a·ρg + A·(1-a) ρ
即:ρe =ρg ·a+ ρ
ι
ι
3
3
3
2
(1-a) (3.2.4)
第3·2·5条 在有些技术资料中,称截面含气率(a)为持气量,而称 (1-a)为持液量。它们的计算方法是比较多的,其中以休马克 (Hughmark)的关系式较好,洛克哈特一马蒂内里 (LOCkhart一Mat;neI1@)的关联式次之。这是水平管内持料量的关联式,并可适用于垂直向上流动的管道。
截面含气率与体积含气率有以下关联式:
a=Cβ
在休马克计算方法中,C是班可夫 (BankOff)因子,本导则用CB表示,在有些技术资料中用K或K代表班可夫因子。
在一些技术资料中,C是阿曼德 (Armand)系数,一般用CA表示.
一、在采用休马克计算方法时,要先假定截面含气率,再计算函数[Z],计算班可夫因子,求截面含气率,再与假定的截面含气率值作比较,是一个尝试误差过程。
为了假定值比较接近实际值,可以采用下式的计算值为假定值进行试算。 α={β1+(1-β1)/[1-β1(1-ρg/ρ
ι
)]}β
0.5-1
1 (明3.2.5---1)
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奇斯霍姆(D、Chisholm)在《Two—Phase flow in Pipelines and heat exchangers》中提出下式表达的阿曼德系数是比较准确的:
CA={β+(1-β)/[1-β(1-ρg/ρ
ι
)]}
0.5-1
(明3.2.5---2)
利用明3.2.5—1的计算值作为休马克计算方法的第一次试算值比较方便,实际上也起到两种方法的核对作用。
二、洛克哈特—马蒂内里计算方法需要计算洛克哈特参数。 洛克哈特参数是以下式定义的:
X=ΔPfιs/ΔPfgs (明3.2.5---3)
式中 ΔPfιs——液相单相流动时的直管阻力降; ΔPfgs----气相单相流动时的直管阻力降; 根据公式2.2.3---1可得:
ΔPfιs=λΔPfgs=λ
ιs·(L/di)(ρι·uιsgs·(L/di)(ρg·ugs
2
2
2
/2)·10
-3
-3
/2)·10
由此,可推导出:
X=uιs/ugs·(λ
ιs/λgs·ρι
/ρg)
1/2
(明3.2.5---6)
当直管阻力系数可用下式表示时:
λ=C/Re
n
(明3.2.5---4)
则洛克哈特参数由可用下式表示: X=(1-x/x)
(2-n/2)
·(υ
ι
/υg)·(μ
1/2
ι
/μg)(明3.2.5---5)
n/2
由于采用的阻力系数计算公式中n值不同,所以在技术资料中可以看到洛克哈特参数的不同表达式,本导则也没有采用类似明3.2.5—5的表达式。
公式明3.2.5---5可以由下列关系式从公式(3.2.5---6)推导出。
u=Gυ Re= diG/μ Gι=(1-x)G Gg=xG
推导过程不再表示。
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