节能-3流体流动

图3-2
聚合物浓度 /mg/L
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3.1.3 减阻剂的应用
3.1.3.2 减阻剂的应用 减阻剂在强剪切力作用下会发生不可逆的降 解破坏，因此用于管路系统时，减阻剂通常都在 流体输送泵后再注入管道与流体混合。最常用的 方法先把减阻剂配成浓溶液（10%左右），再用 计量泵按所需比例注入管道。如果用于搅拌系统， 则可直接加入容器中。 减阻剂应用领域十分广泛，与化工过程有关 的主要有以下几类：
2. 管路性能曲线与工作点
P2 P1 L hz hf g P hz KQ 2 g
L=f(Q) H A M B
2 hf KQ P hz g
H=f(Q)
即吸入容器1与压出容器2间 的所需总能量=高度差+压 头差+沿程局部阻力损失
0
Q
泵运转工作点
33
3.2.1 离心泵的节能
100万kw的发电厂，泵、风机耗电占全厂耗电 量的70-80%，即4-8万kw。 钢铁厂，泵风机耗电量占全厂耗电量的48%； 煤矿，据淮南、北票、本溪、抚顺等矿务局的 统计，泵与风机平均耗电量占总用量的64.4%； 石油化工和炼油厂中占总量的70-80%。
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3.2 泵与风机的节能
目前泵使用中存在主要问题：
近年来，为了减少流体流动过程的不可逆损耗， 采用添加某些高分子聚合物作为减阻剂的研究和应 用，也受到了人们的重视。添加减阻剂可降低流体 流动过程的阻力降，减少泵的功耗。 应用减阻剂两个突出的特点：一是减阻剂添加 量少，通常只需输送流体量的万分之几以下；二是 减阻效果显著，可使管路的沿程阻力降减少 50% 以上。因此节能潜力较大。
21
油相流体
3.1.3 减阻剂的应用
3.1.3.2 减阻剂的特性 以聚氧乙烯树脂 (OCH2CH3)x为减 阻剂加入水中为 例，见图3-2摩察 力降低百分率与 聚合物浓度的关 系。分子量在 500,000以上， 由长链分子构成。
摩察力降低百分率/% 60 湍流状态水的摩察力降低
50
40 30
20
10 0 50 100 150
23
3.1.3 减阻剂的应用
3.1.3.2 减阻剂的应用 1. 油品的输送
原油从油田或码头到炼油厂的输送以及成品油 从炼油厂到用户的输送是减阻技术的重要应用 领域。最早使用减阻剂的是美国阿拉斯加管线， 每天加入约 44Kg 的减阻剂，节省了一台 393KW的输送泵，每天节电9400KW·h。
对世界各地的20条输送各种汽油、柴油、燃 料油、原油的工业管线统计，使用减阻剂后， 平均减阻达37.2%。
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3.1.3 减阻剂的应用
3.1.3.2 减阻剂的应用 2. 工业用水的输送 用于加热及冷却的工业用水，据报道，在两条 分别长为 5km 和 7km 的热水输送管道上的试 验表明，加入 0.0044% 的减阻剂可使阻力减 小 20% 以上，并对传热过程无不良影响。 3. 污水输送 工业或生活污水使用管道输送到集中式污水处 理厂时，在污水中添加减阻剂可大大减少输送 能耗。
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3.1.2 节 流 过 程
由以上各式可见： 节流过程的有效能损失随压力的变化率，正比于 流体的流量 V ，故气体或蒸汽的节流比液体节流有 效能损失大得多。 节流过程的有效能损失随压力的变化率，正比于 T0/T ，即环境温度一定时，流体温度越低有效能损 失越大，在 T<T0 时（制冷过程的低温管道）尤甚。 节流过程的有效能损失，正比于压力差 ΔP ，
还可针对不同的流动状态及几何条件 对上式作近一步分析。
7
3.1.1 流体在直管内流动
综上：
直管有效能损失与流体的绝对温度 T 成反比。高 温流体输送时要加强保温，但是低温流体输送时更 应注意保温。 与压降 ΔP 成正比。因此流体在在管道上流动时 尽量减少局部阻力降。 与流速平方 u2 成正比。应合理选择适宜流速， 寻求最经济的管径。
5
3.1.1 流体在直管内流动
在上式中引入范宁摩擦因子 f :
则 或
L u P 4 f D 2 2 2T0VLfu EL DT 3 T0 DLfu EL 2T
2
6
3.1.1 流体在直管内流动
式中L-管长，ρ-流体密度，u-流 速，D-管径。
可见各物理参数对有效能损失的影响，
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3.1.2 节 流 过 程
化工管道中的缩扩变化、各种调节阀门、限流 孔板、高压流体的泄压或排放等，均属节流过程。 节流过程是等焓的，在压力降低的同时，温度 也变化。 将有效能损失对压力求偏导
E L S T0 P H P H
9
3.1.2 节 流 过 程
流体机械性能：改善效率、提高可靠性、扩大 高效稳定运转范围等已付出了巨大的努力，不能期 望今后有大的突破。 选型匹配。设计者选泵时考虑到管路阻力，流 量变化等因素，考虑裕量过大，使设备处于低效区 工作。 调节方法简单。运行中用关小调节法调流量。
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3.2 泵与风机的节能
管路系统设计不完善。增加局部阻力。
M-泵运转的最佳工况点，即泵的特性曲线与管路特 性曲线的交点，应在泵的工作范围区AB内。
由于管路输送条件的不同，一般离心泵不可能 正好在最佳工作点运行，应在不低于最高效率8% （92%）范围内运行。
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2
3.1.1 流体在直管内流动
应用稳流体系热力学第一定律： dH=0
根据能量微分关系式
则
dH=TdS+VdP
V dS dP T
3
3.1.1 流体在直管内流动
无论对于液体或气体，在绝热稳流过程中相对 密度变化不大，因此V视为不变。 则
T0 E L W L 1 VdP T T0 V P1 P2 T T0 即 E L V P T
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3.1.3 减阻剂的应用
3.1.3.2 减阻剂的应用 6. 固体物料的水力输送 如水煤浆、矿浆、粉煤灰、灰渣等的水力输 送，在固体悬浮液中加入减阻剂不仅能降低 输送能耗，而且还能增加悬浮液的稳定性。
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3.2 泵与风机的节能
应用范围：农业、矿山、冶金、石化、化工等。
能 耗：全国电耗中泵耗占21%，风机大于10%；
0.01
0.007 103
Ⅱ
2 4
18
Re
3.1.3 减阻剂的应用
3.1.3.1 减阻流动的特性
的机械降解，失去了减阻作用。降解是不可逆的， 即使剪应力减小也不能使减阻剂恢复减阻作用。
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3.1.3 减阻剂的应用
3.1.3.2 减阻剂的特性 不同减阻剂的减阻效率差别很大，高效的减 阻剂只要添加百万分之几就能达到百分之几十的 减阻效果。因此，减阻剂的选择很重要。高效减 阻剂都是高分子聚合物，并具有以下特性：
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3.2.1 离心泵的节能
1-叶轮直径未切割的H-Q线；
A D C η1 η2 B H
2-叶轮在允许切割范围内经 切割后（或改变转速后）的 H-Q线； η 1，η2-等效率曲线。
工作范围-效率下降不大于 7%（一般5-8%）为限。
η%
1
2
Δη
设计点 Q 泵的工作范围
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3.2.1 离心泵的节能
13ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3.1.3 减阻剂的应用
3.1.3.1 减阻流动的特性 在流体中添加微量减阻剂，可改变流动时的摩擦 系数（λ ）- 雷诺数（Re）关系。典型的关系曲线 如下图。
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图3-1 圆管减阻流动的 λ -Re 关系
Ⅰ- 减阻剂浓度大于Ⅱ，管径与Ⅱ相同；Ⅲ- 减阻剂浓 度与Ⅱ相同，管径大于Ⅱ。
0.10
节能-3
3. 化工单元过程与设备的节能
3.1 流体流动中的节能
1
3.1 流 体 流 动
3.1 .1 流体直管内流动过程
流体流过管道、设备试克服摩擦阻力有流体阻 力降，造成损失功或有效能损失。化工厂中消耗的 动力，大都直接用于弥补这项损失，如风机、泵、 压缩机等。这种损失可以理解为，为了推动过程进 行所必须付出的有效能代价。但并不意味着完全合 理，应当运用热力学和传递过程原理进行分析，找 出其变化规律，进行合理的管径及流速设计。
减阻剂的机械降解：图中 Ⅱ尾部向上弯曲的虚 线表示管内剪应力大到一定程度后，会发生减阻剂
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图3-1 圆管减阻流动的 λ -Re 关系
Ⅰ- 碱阻剂浓度大于Ⅱ，管径与Ⅱ相同；Ⅲ- 碱阻剂浓 度与Ⅱ相同，管径大于Ⅱ。
0.10
0.04
λ /4
0.02
Ⅲ Ⅰ
2 4 6 8 104 2 4 6 8 105
2
4
3.1.1 流体在直管内流动
可见有效能损失与T0/T成正比，当流体 阻力降和体积流量不变时，流体温度愈低 （T）则有效能损失愈大。因此，对低温流 体更应注意保温减少有效能损失。 减少阻力降（ΔP）：尽可能减少管道 上的弯头、缩扩变化、阀门与管件数量、选 择最佳管径和经济流速等，以减少有效能损 失。
管理不善，维修不及时，泄漏。
化学工业中应着重从以上几方面考虑降低能 耗。
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3.2.1 离心泵的节能
3.2.1.1 泵的工作范围与选择 泵的选择：安全、可靠、经济运行——最佳工作 范围。 1. 泵的工作范围 在一定的转速下，离心泵的扬程、轴功率、效率、 流量间的关系——泵的特性曲线表示。线上每一点对 应着一工况，泵的最高效率点的工况是泵运行的最理 想设计工况。
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3.1.3 减阻剂的应用
3.1.3.2 减阻剂的应用 4. 生化反应器的搅拌 在发酵罐或污水曝气池一类慢速生化反应器中 使用减阻剂，可节省搅拌功率，而不会影响反应过 程的速率。 5. 流体喷嘴
在液体喷嘴或射流喷嘴系统中应用减阻剂，可 在不增加功率的情况下显著提高射流速度，从而提 高泵的效率或增加射流的工作能力。