弯管压力损失及其应对策略.doc

1、弯管 压力损失及其减少策略 在空气和烟气管道系统里，尤其在流体流动方向发生改变的 弯管 部分，可能会出现显著的压力损失。 这篇文章将给出压力损失计算和通过结构上的措施（如采用金属 导流板 ）来减少损失的方法，并借助实际例子的原理图例 进行 我们的 讲解。 引言 在建造越来越大的 部件（如蒸汽机部件）设备运营商必须更多地关注辅助设备的能耗问题，如： 蒸汽机 制造商关心 鼓风机能耗 问题 。 运营商还必须寻求降低管道中压力损失进而降低 鼓风机能耗 的方法。在许多情况下 我们可以通过优化 弯管 结构 来减少压力损失。 工程师 在计算压力损失和探索在 弯管 采用 不同 导 流 件来改善流体流动 的 可

2、行性方面已经做了大量工作。但 其中大部分工作只局限于 某 一特定的研究，设计人员很难在短时间内对 他们所研究的 问题有一个总体了解。 基于工程师们的工作，文章将给出 弯管 工作的基础原理和在设计时 所应遵循的准则。 弯管 流体流动和压力损失 流体 在直管 里 流速稳定 ，但随着管道流体流动方向 的 变化 其速度也将随着 变化。流体在 弯管 部分阻力 变大 。 在 直管 流体平均流动速度较快 和 弯管 内外半径比不 尽 合理的情况下流体 在 弯管内侧形成 漩涡 。在 弯管 里微粒按其能量大小分为两类：动能较大的和动 能较小 的 。动能较大的微粒冲向外侧 ，动 能较小的 转向内侧，我们叫这二次流

3、。 这时与 弯管相连的管道部分的外侧流体速度最大 ,由于压力损失 ,速度慢慢 降低 ,随后 趋于同一 。 内外半径比小的普通 弯管 的 压力损失较大 是 由于 漩涡 向 弯管 内侧 流动 过程中和二次流 中的动能损失。此外 弯管 出口的连接管道 的流体 起始 速度不一 ， 由此 导致的摩擦增大也造成压力损失。 我们应采取措施阻止 漩涡 和二次流 的形成 。 在蒸汽机制造中 我们 主要采用两种导 流 件 ： 金属 导流板 （图 1） 和导流叶片 （图 2） 。 图 1 图 2 虽然 金属 导流板 （以下称“ 导流板 ” ） 弯管 的压力损失比导流叶片 弯管 的压力损失大约高 8%并且导流叶片 弯

4、管 的流体速度比 导流板 弯管 的速度分布更均匀，但在许多情况下我们有足够理由选择使用 导流板 弯管 。在 剖面图出现差错和安装 不正确 时，导流叶片 弯管 更易造成大的压力损失 。采用 导流板 (建议采用两片 )能 更好地 减少压力损失，因为 安装 导流板 比起 安装 复杂的导流叶片 简单多了。另一个选择 导流板 的理由是 便于维修更换 。 压力损失 计算 方程 式 ： 09022 wp (1) p 弯管 压力损失 1f 2f 阻力系数 1f 弯管 参数 (阻力系数 )(图 3,4,5) 2f 流体参数 (当 弯管 之前和之后 直管 长度 hd4 , 2f =1.0;在其他情况下 2f =1

5、.4) hd 水力 通径 ( hd 为管道截面为圆形的通径；截面为非圆形时hd = UA4 ） A 管道截面 U 湿周 w 弯管 前管道流体的平均速度 弯管 角度（ 以度为单位） 图 3(矩形弯管参数 1f ) 图 4(矩形弯管参数 1f ) 图 5(圆截面弯管参数 1f ) 图 3 所示 的是 弯管 参数 1f （ 4， 5， 7） 与 内外半径比0RRi 的关系 。这 一示意图仅适用于所谓的“普通 弯管 ”即： 0R = iR +B (2) 0R 管道外半径 iR 管道内半径 B 管 道 通径或管 宽 矩形 弯管 的压力损失受 其 高宽 比 BH 的 影响。 但 随着 高宽 比的增大这种影

6、响将 会减弱。图四所示的是外角内圆型 弯管 （在特定情况下 ,外角内角型 5,6） 的 的 参数 1f 。 高宽 比和 1f 的 位置关系和图 3 一样。图 5 所示的是圆截面 弯管 的 参数 1f 。在这种 弯管 里通常无需采用 导流板 。 下面的话 对图 3 5 都适用： 弯管 参数 1f 指的不是所谓的多段节 弯管 参数 ， 而是商业上通用的轧制无缝 弯管 的参数 。0RRi 0.6 到 0.7 的 内外半径比 只能带来相当有限的好处 ,因为 随着内外半径比0RRi 的增大所谓的 弯管 压力 损失将不存在，流体与管壁的摩擦将趋同于 直 管 的纯粹表面摩擦。 我们可 用 等值 长度 管道

7、去验证 这种表面摩擦。 弯管 压力损失与 角度的关系 可看作是 线式的 4。在 090范围 内随着角度不断增加其对应值越来越小，在 090 0180 范围内其对应值越来越大。 流体流速对 弯管 参数 的影响是可以被忽略 不计 的。 为减少压力损失可将内外半径比不合理的 弯管 通过采用 导流板 分成多个半径比更合理的流 道。 流 道宽度 应合目的地设计，使得每一个分流 道的半径比相同或者说 弯管 参数 1f 相同。 半径比 RC 如图 6 所 示： 图 6 RC 不带 导流板 的 弯管 的内外半径比 RC 0RRi (3) RC =03221 RRRRRRRR xoi (4) RRRRRRRRR

8、RRXR CC iXi 00322111 (5) RC = 1X RC (6) 对于横截面为正方形、内外半径比为 RC 采用 两个 导流板 的 弯管 借助图 7 我们可以算出 其分流 道的半径比 RC =3 RC ，求得 RC 后可以算出 弯管 参数 1f 。 图 7 对 不同 弯管 的分析 借助 图 8 10 弯管 几何图形讲解如何实际运用图表计算出 弯管 参数 1f 。然后对不同 弯管 及其因素进行讨论。 图 8 不带 导流板 : RC 0RRi = 107.02800300 1f =0.58 BH =1.0 (图 3) 带一片 导 流板 : RC =0.33 RC =0.107 (图 7

9、) 1f =0.205 RC = 33.00 RR i (图 3) BH 2.0 0R 或 90933.03001 RiCRRmm 带两 片 导流板 : RC =0.48; 1f =0.14 1R =625mm; 2R =1302mm 带三 片 导流板 : RC =0.57; 1f =0.12 1R =526mm; 2R =922mm; 3R =1618mm 图 9 不带 导流板 : BRRi i= 107.02500300300 1f =0.94 BH =1.0 (图 4) 带一片 导流板 : 这时 通过试验选择适当的 导流板 半径，使得分流 道的 弯管 参数 值相同。 1R =1225 内

10、流道 : 0RRi= 245.01225300 1f =0.275 BH 2.0 外流道 : BRRi i= 44.0157512251225 1f =0.275 BH =1.58 (图 4) 带两片 导流板 : 同样需选择适当的 导流板 半径 , 使得分流道的 弯管 参数值相同 1f =0.168; 1R =750mm; 2R =1875mm 带三片 导流板 : 1f =0.135; 1R =600mm; 2R =1200mm; 3R =2400mm 图 10 不带 导流板 : BRRi i =0 1f =1.4 BH =1.0 (图 4) 带一片 导流板 : 图 10 所示为内外为角的 弯

11、管 ,它的内外半径比为零 ,因此 弯管 参数 1f 与 导流板 半径 1R 无关 ,此时可通过内流道来确定它的值 . 内流道 : 0RRi=0 1f =0.865 BH 2.0 (图 3) 外流道 : 1f =0.865 (和内流道一样 ) BRRi i=0.125 BH =1.15 (图 4) 可得出 : iR 或 1R =312mm 不同 弯管 的比较 表一 表一所列的是图 8 到图 10 所示的各个 弯管 的因素。首先，在没有使用金属 导流板 的情况下对不同 弯管 进 行比较，我们很容易就能发现内 外 角型，内角外圆型和内外圆型 三种 弯管 的不同。 相对于 内外角型 （图 10） 和内

12、外圆型 （图 8） 的 弯管 ，内圆外角型 （图 10） 的弯管 参数 和 压力损失分别减少为原来的 67%和 41%左右。 若使用 导流板 ， 图 8 所示 弯管 内装一片 导流板 弯管 参数 值为原来的 35%左右，内装两片为原来的 24%左右，三片为原来的 21%左右。通过安装 导流板 ，流体流动状 况能显著地得到改善。但是，若 导流板 的片数超过两片， 弯管 参数 并不能得到显著改善。或许在很多情况下安装一个 导流板 就足够了。 安装一个 导流板 ，图 9 所示 弯管 的 流体流动状况 也 能显著改善。 如果对减少压力损失有较高要求，那么应避免使用 内角型 的 弯管 (图 10） ，因

13、为这种 弯管 内装 导流板 相比较而言所收到的效果是很有限的。这里推荐使用内圆型的两种 弯管 ，因为在减少压力损失方面它们不相上下并且制造起来也比较便宜。 按照不同的 弯管 和 导流板 的使用情况，通过上述方法，可以减少横截面面积进而减少 弯管 的制造材料需要量的同时，还能 保持压力损失相同和提高管道平均速度。 随后通过例子进行解释。 基础数值 : 7.00 Up 管道系统中 弯管 压力损失所占比例 3.00 Gp 管道系统中直管压力损失所占比例 3.00 UG 管道系统中 弯管 所用材料所占比例 7.00 GG 管道系统中直管所用材料所占比例 20 25.65.25.2 mA 管道截面 58

14、.010f (图 8 所示不带 导流板 弯管 ) 0w =15m/s 管道流体平均速度 基本符号表示 : G 直管 U 弯管 0 不带 导流板 1 带一片 导流板 ,截面较小但压力损失一样 . 例外 :在 参数 f 中 ,它表示的只是 弯管 参数 . 采用一片 导流板 11f =0.205.以下计算假设 p 值相同 ,即 : 0p = 100 ppp UG =常数 (7) 直管 : 21 1oGGWWoGG pp (8) 弯管 201 011011 UUWWffUU pp (9) 从图 7,图 8 G1.可得 弯管 : 2001 01 GGWWGU ppp (10) 从图 9,图 10 G1.

15、,且截面为常数 ,这时有 : UG www 000 UG www 111 101101 020 ffoUGww ppp (11) 由此可得 : smwwGffU ppp /3.20010110001 (12) 已知速度比10ww ,我们可得出 : 0110 AAww 得 : 2121 62.4 amA (13) 算得 1a =2.15m 那么 通过采用 导流板 可相对节省成本 : 010aaa =0.14 或 14% 总结 我们可以通过结构上的措施大幅度减少空气和烟气 弯管 的压力损失。 在蒸气机制造中使用 导流板 或许是最好的选择。我们如果想把压 力损失保持在一个较低的水平，那么应尽量避免在设计管道是采用内角型 的 弯管 ，在 弯管 进出口处 还应 采用