蒸汽分配

在英国，符合EN 10255的管道(适用于螺纹连接到bs21螺纹的钢管和管)也用于螺纹连接而不是法兰连接的应用场合。它们通常被称为“蓝带”和“红带”;这是由于他们的带状识别标志。不同的颜色是指不同等级的管道:

• 红带，是重型，通常用于蒸汽管道应用。
• 蓝带是中等等级，通常用于空气分配系统，尽管有时也用于低压蒸汽系统。

彩色带宽50毫米，它们在管道上的位置表示管道的长度。长度小于4米的管子一端只有一个彩色带，而长度为4至7米的管子两端都有一个彩色带。

管道尺寸

管道分级的重要性

任何流体分配系统的目标都是以正确的压力将流体供应到使用点。由此可见，通过分配系统的压降是一个重要的特征。

液体管道尺寸

伯努利定理（丹尼尔·伯努利1700-1782）在第4区-流量计量中讨论。D'Arcy（D'Arcy Thompson 1860-1948）补充说，要使流体流动，第1点的能量必须大于第2点的能量（见图10.2.3）。能量差用于克服管道和流动流体之间的摩擦阻力。

伯努利将流动流体总能量的变化与以水头损失hf (m)或比能量损失g hf (J/kg)表示的能量耗散联系起来。如果不能预测在特定情况下会发生的压力损失，这种方法本身并没有多大用处。

本文介绍了流体在流动过程中最重要的能量耗散机制之一，即流体在稳定流动的均匀管道壁面摩擦所造成的总机械能损失。

流体通过圆形管道时总能量的损失必须取决于:

L =管子长度(m)

D =管径(m)

u =流体的平均流速(m/s)

μ =流体的动态粘度(kg/m s = Pa s)

斜体-p - body text.jpg=流体密度(kg/m³)

kS =管壁粗糙度* (m)

*由于能量耗散与管壁处的剪应力有关，因此管壁表面的性质会受到影响，光滑表面与流体的相互作用方式与粗糙表面不同。

所有这些变量都被纳入达西-维斯巴赫方程(通常称为达西方程)，如式10.2.1所示。该方程还引入了一个无量纲术语，称为摩擦因子，它将管道的绝对粗糙度与流体的密度、速度和粘度以及管道直径联系起来。

这个涉及流体密度、速度、粘度和管道直径的术语被称为雷诺数，以奥斯本·雷诺兹(Osborne Reynolds, 1842-1912，英国曼彻斯特欧文斯学院)的名字命名，他在大约1883年开创了一种计算流动流体能量损失的技术方法。

达西方程(公式10.2.1):

世界上一些地方的读者可能会认识到形式略有不同的达西方程，如方程10.2.2所示。式10.2.2与式10.2.1相似，但不包含常数4。

造成这种差异的原因是使用的摩擦因数的类型。必须使用正确的达西方程和选定的摩擦因数。将错误的方程与错误的摩擦因数进行匹配将导致400%的误差，因此使用正确的方程和摩擦因数组合是很重要的。许多教科书根本没有指出定义了哪些摩擦因素，有时必须根据所引用的量来作出判断。

公式10.2.2倾向于被那些传统上在英制单位工作的人所使用，并且仍然倾向于被美国和环太平洋地区的从业者所使用，即使在公制管尺寸被引用的时候。公式10.2.1往往被那些传统上在国际单位制单位工作的人所使用，更倾向于被欧洲的从业者所使用。对于相同的雷诺数和相对粗糙度，“英制摩擦因数”将是“SI摩擦因数”的四倍。

摩擦因数可以由穆迪图确定，对于湍流，可以由Colebrook - White公式发展而来的公式10.2.3计算。

但是，10.2.3式使用起来比较困难，因为方程两边都出现了摩擦系数，所以很可能采用穆迪图进行手工计算。

在SI风格的穆迪图表上，摩擦系数的范围通常在0.002到0.02之间，而在Imperial风格的穆迪图表上，摩擦系数的范围可能在0.008到0.08之间。

作为一般规则，对于雷诺数在4 000到10万之间的紊流，“基于SI的”摩擦因数将按照公式10.2.4所建议的顺序，而“基于Imperial的”摩擦因数将按照公式10.2.5所建议的顺序。

所使用的摩擦系数将决定是否使用达西方程10.2.1或10.2.2。

对于“基于SI的”摩擦因数，使用式10.2.1;对于“基于帝国的”摩擦因数，使用公式10.2.2。

样例10.2.1水管

如果15°C下的水流量为45 m³/h，则在150 mm恒定孔径水平管道系统中，确定相距1 km的两点之间的速度、摩擦系数和压差。

从本质上讲，摩擦因数取决于流动液体的雷诺数(Re)和管道内部的相对粗糙度(kS/d);前者由式10.2.6计算，后者由式10.2.7计算。

雷诺数(重新)

管道粗糙度或“kS”值(在一些文本中通常引用为“卷体文本。jpg”)取自标准表格，对于“商业钢管”，通常取为0.000 045米。

由此确定相对粗糙度（因为这是穆迪图表所要求的）。

摩擦系数现在可以从穆迪图确定，摩擦水头损失从相关的达西方程计算。

从欧洲穆迪图表(图10.2.4)可以看出，

式中:kS/D = 0.000 3 Re = 93 585:摩擦因数(f) = 0.005

根据美国/澳大利亚穆迪图表(图10.2.5)，

式中:kS/D = 0.000 3 Re = 93 585

采用不同的摩擦因数和相应的达西方程得到相同的摩擦水头损失。

在实际应用中，无论是水管还是蒸汽管道，都要在管道尺寸和压力损失之间取得平衡。

蒸汽管道通径

超大的管道工程的意思是:

• 管道、阀门、配件等的价格将高于必要的价格。
• 将产生更高的安装成本，包括支持工作、绝缘等。
• 对于蒸汽管道，由于热损失较大，会形成较大体积的凝结水。反过来，这意味着:

-需要更多的蒸汽捕获，或

-湿蒸汽输送到使用点。

在一个特定的例子中:

• 安装80毫米蒸汽管道的成本被发现比安装50毫米蒸汽管道的成本高出44%，而50毫米蒸汽管道具有足够的容量。
• 保温管道损失的热量从80毫米管道比从50毫米管道高出21%。由于额外的传热表面积，80mm管道的任何非绝缘部分将比50mm管道损失50%以上的热量。

薄壁管道工程的意思是:

• 在使用点可能存在较低的压力，这可能会影响设备的性能。
• 由于压力降过大，有蒸汽缺乏的危险。
• 由于蒸汽速度的内在增加，有更大的侵蚀、水锤和噪音的风险。

如前所述，摩擦系数(f)很难确定，而且计算本身很耗时，特别是对于湍流蒸汽流。因此，有许多图表、表格和计算尺可用来将蒸汽管道尺寸与流量和压力降联系起来。

一种经过时间考验的压降定径方法是“压力因子”法。式10.2.8中使用压力系数值表来确定特定安装的压力降系数。

10.2.2例子

考虑图10.2.6所示的系统，并确定从锅炉到单元加热器分支线所需的管道尺寸。机组加热器蒸汽负荷= 270kg /h。

尽管单元加热器只需要270 kg/h，但由于管道的热损失，锅炉必须提供更多的热量。

管件的余量

从锅炉到单元加热器的行程是已知的，但必须包括配件的额外摩擦阻力的余量。这通常用“等效管道长度”来表示。如果知道管子的尺寸，就可以计算出管件的阻力。由于在本例中还不知道管道的尺寸，根据经验，可以在等效长度的基础上增加一个长度。

•如果管道长度小于50米，增加10%到20%的配件余量。

•如果管道长度超过100米，并且是相当直的管道，只有很少的配件，配件的余量为5%到10%。

•相同的管道长度，但有更多的配件，余量将增加到20%。

在这个例子中，修正后的长度= 150米+ 10% = 165米

从表10.2.2(一个完整的压力因子表，表10.2.5，可以在本模块结束的附录中找到)中，' PDF '可以通过找到压力因子F1和F2，并将它们代入式10.2.8来确定。

由压力因子表(见表10.2.2)可知:

P1 = 7.0 bar g, F1 = 56.38 P2 = 6.6 bar g, F2 = 51.05

将这些压力因子(P1和P2)代入公式10.2.8，将确定PDF的值:

下面左下角列为管道容量和压降因子表(表10.2.6 -提取表10.2.3);接近要求的0.032的两个读数是0.030和0.040。下一个较低的因素总是被选中;在本例中，是0.030。

虽然值可以插值，但表格并不完全符合直线图形，所以插值不能绝对正确。此外，将任何管道的大小限制在其容量的限制范围内是不好的做法，为将来不可避免的设计变化留出一些余地是很重要的。

由系数0.030，向右看一排数字，可以看到:

•40 mm管道的输送速度为229.9 kg/h。

•一个50毫米的管道将承载501.1公斤/小时。

由于应用需要270kg /h，所以选择50mm管。

用压降法测量管道尺寸后，如果需要，可以检查流速。

另外，管道尺寸也可以用算术方法计算。需要提供以下信息。

孤立地看，这个速度与最大允许速度相比似乎很低。然而，这个蒸汽总管的尺寸已经限制了压降，下一个更小的管道尺寸将给出一个最终压力低于6.6 bar g的要求，这是不可接受的。

可以看出，这个过程相当复杂，可以用图10.2.9所示的列线图(见本模块的附录)来简化。使用方法见示例10.2.3。

10.2.3例子

使用例10.2.2中的数据，使用图10.2.7所示的列线图确定管道尺寸。

方法:

• 选择饱和蒸汽管线上7bar g的点，标记为A点。
• 从A点到蒸汽流量270kg /h画一条水平线，标记B点。
• 从B点开始，画一条垂直线到列线图的顶部(C点)。
• 在压力损失刻度线(line DE)上从0.24 bar/100 m画一条水平线。
• DE和BC线交叉的点将指示所需的管道尺寸。在这种情况下，40mm管道太小，将使用50mm管道。

然而，值得注意的是，如果管道运行时间特别长，且在暴露的条件下，则值得检查模块2.12(“管道和空气加热器的蒸汽消耗”)中涉及的管道的运行负荷。然后将运行负荷加到蒸汽消耗上，得出总蒸汽负荷，并检查选定的管道，以确保其大小仍然正确。

为什么速度在定径管道中很重要?

根据本模块开始时获得的知识，特别是关于达西方程(公式10.2.1)的注释，可以认识到速度是管道定径的一个重要因素。因此，如果可以对流经管道的特定流体使用一个合理的速度，那么速度就可以用作实际的尺寸系数。一般来说，当以饱和蒸汽为介质时，流速为25至40米/秒。

40米/秒应该被认为是一个实际的极限，如果超过这个，噪音和侵蚀将会发生，特别是如果蒸汽是湿的。一些国家标准对饱和蒸汽的速度报价高达76米/秒。这只有在以下情况下才可行:蒸汽是干的，管道绝缘很好，相对短，直，水平，可以在使用点提供所需的压力。

即使是这样的速度也会对压降产生很大的影响。在较长的供应管道中，通常需要将速度限制在15m /s，以避免高压降。建议长度超过50米的管道无论流速如何，都要经常检查压降。

以表10.2.4为指导，可以从已知数据中选择管道尺寸;蒸汽压力、速度和流量。

另外，管道尺寸也可以用算术方法计算。以下信息是必需的，计算过程概述如下。

计算所需管道尺寸所需的信息:

例子10.2.4

一个过程需要5000kg /h的干饱和蒸汽，流速为7bar g。如果流速不超过25m /s，请确定管道尺寸。

由于蒸汽流速不得超过25m /s，管道尺寸必须至少130mm;最近的商业可用尺寸，150毫米，将被选择。

同样，已创建列线图以简化此过程，见图10.2.8。

例子10.2.5

使用例10.2.4中的信息，使用图10.2.8确定最小可接受的管道尺寸

进口压力= 7bar g

蒸汽流量=5000 kg/h

最大速度= 25m /s

方法:

• 从压力标尺上7bar g(点a)的饱和温度线到蒸汽质量流量5 000 kg/h(点B)画一条水平线。
• 从B点开始，在蒸汽流速为25m /s处画一条垂线(C点)，从C点开始，在管径标尺上画一条水平线(D点)。
• 需要一根内径为130毫米的管子;最近的商业可用尺寸，150毫米，将被选择。

过热蒸汽管道的定径

过热蒸汽可视为干气，因此不含水分。因此，不存在因悬浮水滴造成管道腐蚀的可能性，如果压降允许，蒸汽速度可高达50至70 m/s。图10.2.9和10.2.10中的列线图也可用于过热蒸汽应用。

例子10.2.6

利用过程的余热，锅炉/过热器产生30吨/小时的过热蒸汽，温度为50巴克，温度为450°C，出口到邻近的发电站。如果速度不超过50米/秒，请确定:

1.基于速度的管道尺寸(使用图10.2.10)。

2.如果管道长度(包括余量)为200米，则压降(见图10.2.9)。

第一部分

• 根据图10.2.8，在温度轴上从450°C开始画一条垂线，直到它与50 bar线(点a)相交。
• 从点A开始，向左投射一条水平线，直到其与30000 kg/h（30 t/h）的蒸汽“质量流量”刻度相交（点B）。
• 从B点开始，垂直向上画一条线，直到它在“蒸汽速度”标度上相交50米/秒(C点)。
• 从C点开始，向右投射一条水平线，直到它与“内径”标尺相交。

“内径”刻度推荐的管道内径约为120毫米。根据表10.2.1，假设管道为附表80管道，最接近的尺寸为150mm，孔径为146.4 mm。

第二部分

• 根据图10.2.7，在温度轴上从450°C开始画一条垂线，直到它与50 bar线(点a)相交。
• 从A点开始，向右画一条水平线，直到它与30 000 kg/h (30 t/h)的蒸汽质量流量标尺相交(B点)。
• 从B点开始，垂直向上投射一条线，直到它与(大约)146毫米(C点)的“内径”比例相交。
• 从C点开始，向左边投射一条水平线，直到它与“压力损失条/100米”刻度(D点)相交。
• “压力损失bar/100米”刻度读数约为0.9 bar/100米。例中管道长度为200m，故压降为:

该压降必须在工艺装置中可接受。

利用公式确定蒸汽流量对压降的影响

经验公式适用于那些喜欢使用它们的人。方程式10.2.9和10.2.10如下所示。这些方法经过多年的尝试和测试，其结果似乎接近压力系数法。使用这些公式的优点是，它们可以编程到科学计算器或电子表格中，因此无需查找表格和图表即可使用。方程式10.2.10要求已知蒸汽的具体体积，这意味着需要从蒸汽表中查找该值。此外，方程式10.2.10应限制最大管道长度为200米。

方程式10.2.9压降公式1

压力降公式2(最大管道长度:200米)

为什么管道尺寸对蒸汽分配很重要?

EN 45510和ASME 31.1等标准规定了特定安装所需的管道材料和壁厚的选择。

为特定应用选择合适的管道尺寸（标称孔径）是基于准确识别压力和流量。管道尺寸的选择可以基于：

• 速度(通常管道长度小于50米)。
• 压力降(作为一般规则，压力降通常不应超过0.1 bar/50 m。