基质管路压力降的计算与分析分析

基质管路压力降的计算与分析乳胶基质是一种氧化剂水相溶液与复合油相溶液在乳化剂作用下形成的乳胶体。

它属于典型的非牛顿流体，其切应力与变形速率不成正比。

乳胶基质的粘度一般较大，且随着工艺温度、水油相配比的改变而明显变化。

乳胶基质的流变特性对于乳胶基质的泵送、冷却等设备的设计和制造有着重要的意义，对于乳化炸药的安全生产有着极为重要的价值。

对乳胶基质在输送管内的压降进行分析研究，得出管路压降的计算方法，既有利于指导设计人员正确地设计管路输送系统和泵选型，又有利于工作人员正确地认知管路压力形成的原因和机理，消除不必要的担忧，具有十分重要的实际意义。

一、宾汉流体（Bingham ）的数据模型宾汉流体也称宾汉塑性流体，是非牛顿流体的一种，在低应力下，它表现为刚性体，但在高应力下，它会像粘性流体一样流动，且其流动性为线性。

当作用在液体上的剪应力达到最小剪应力时，这些流体便处于流动状态。

它乳胶基质的各项特性与宾汉流体相吻合，因而它也属于宾汉流体。

宾汉流体的流变方程为：t0d d v p γηττ+=——（1）τ—剪切应力，Pa ；0τ—屈服剪切应力，Pa ；p η—塑性粘度或结构粘度，Pa.s ；dtd vγ—剪切应变速率，1-s 。

由于乳胶基质内部结构较强，0τ量值较大，其流变曲线接近于Bingham 体，因而可用Bingham 模型来研究乳胶基质的流变性能。

二、乳胶基质在直管中输送的压力损失分析可得水平管道压力损失为：L DD P P H ⨯⋅+=∆)31632(02τνη——（2） 垂直管道压力损失为：L g DD P P V⨯+⋅+=∆)31632(02ρτνη——（3） H P ∆—水平管道沿程压降，Pa ；V P ∆—垂直管道沿程压降，Pa ；L —管道长度，m ； ν—流体的速度，m/s ； D —管道直径，m ；ρ—乳胶基质的密度，kg/m 3。

三、乳胶基质在锥形管中的压力损失分析设有一锥形管，其轴线与水平面夹角为θ，它的小端高于大端，大端半径为1r ，小端半径为2r 。

乳胶基质从大端流向小端，它通过大端时的流速为1ν，通过小端时的流速为2ν。

锥形管段乳胶基质大端和小端的轴向压力分别为1P 和2P。

图1 倾斜直管内乳胶基质单元体的受力分析图2 锥形输送管内乳胶基质单元体的受力分析在锥形管段乳胶基质中，取一个厚度为dx 的短圆锥单元体，它到锥形管大端的距离为x ，它的平均半径为r ，锥形管的半锥角为α，锥管的长度为l ，如图2所示。

锥形输送管引起的压力损失12P P P -=∆(对一般的锥形管，1cos 0≈≈αα，)为：）—（—）（）（4sin 131ln 83422121221221211222112110222112θρρννητ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-++=-=∆r r r r gl r r r r r r r r r r r l l r r r P P P p四、乳化炸药静态混合器的压降计算SV 型静态混合器、SX 型静态混合器、SK 型静态混合器是目前用于乳化炸药生产线上的常用混合器。

SV 型静态混合器主要用于基质管路，承担基质精乳的作用，也称精乳器。

SV 型静态混合器是由若干以不同方式排列的波状薄片组成的叠层单元放在空圆管中构成的，每相邻的单元之间成90°交叉。

各叠层单元间的波状薄片也以一定的角度（90°）相接。

SV 型静态混合器用于基质精乳时能使基质分散到1~2μm 。

图3即为乳化炸药静态混合器结构，它一般由两个叠层单元组成。

SX 型静态混合器与SK 型静态混合器组合使用于乳胶管路，用于基质与发泡混合器正面混合器侧面图3 SV 型静态混合器剂的静态敏化，也称静态敏化器。

SX 型静态混合器的内部单元由交叉的横条按一定规律组成许多X 型单元，横条与管壳的轴线成45°，如图4所示。

它适用于中高粘度介质的混合，处理量较大时效果更佳。

SX 型静态混合器用于静态混合时能使介质分散到2~5μm 。

SK 型静态混合器称单螺旋形静态混合器，由单孔道左、右扭转的螺旋叶片单元组焊而成。

前一个单元的导向边和与后一个单元的拖曳边互成90°，各单元相互串联。

当介质通过这些单元组件时，被不断地分成若干层，最终达到混合的目的，如图5所示。

SK 型静态混合器用于静态混合时能使介质分散到5~10μm 。

乳胶基质流经静态混合器截面时，流动状态非常复杂，同时乳胶基质为不可压缩流体。

因此，根据达西公式可推导出静态混合器产生的压力降计算公式：D Lf P ⋅⋅=∆22ρν——（5）式中， P ∆——压力降（Pa ）；ν——流体流动速度（m/s ）；ρ——连续相密度（kg/m 3）； L ——混合器长度（m ）；D ——混合单元的直径（m ）；f ——摩擦系数，与混合器的几何尺寸及流体的雷诺数e R有关，由试验测图4 SX 型静态混合器图5 SK 型静态混合器定。

上述计算公式同时适应于SV 型静态混合器、SX 型静态混合器、SK 型静态混合器。

经过试验测定和生产数据校对，SV 型混合器1’芯子的摩擦系数f 为75，1.5’芯子的摩擦系数为120；SX 型混合器的摩擦系数f 为26；SK 型混合器的摩擦系数f 为13。

五、阀门、弯管压力损失的计算对阀门、弯管的压力损失，通常用当量长度法来计算。

将阀门和管件折算为等效的直管长度，该长度称为阀门和管件的当量长度。

计算管道压力降时，先计算出与阀门相匹配管道的单位长度压降，再用当量长度来计算阀门和管件的压降。

查手册，可得阀门和管件的当量直管长度如下所示（e L ：当量长度，D ：与阀门相匹配的管道直径）：（1）球阀：D L 15e =（2）蝶阀：）（mm D mm D L 2005020e ≤≤= （3）三通球阀：180°通时，D L 15e =； 90°通时，D L 45e =。

（4）90°弯头：标准型弯头，D L 30e =；法兰连接弯头或焊接弯头，当量长度如表1所示。

表1 法兰弯头、焊接弯头压降当量长度表D /r ）（m e L D /r ）（m e L1 10D 10 30D2 12D 12 34D3 13D 14 38D 4 14D 16 42D 6 17D 18 46D 8 24D2050D六、管道压降的案例计算为验证计算方法的正确性，将上述方法运用于广东宏大增化乳胶基质管路的管内压降计算，并与现场测试结果进行了对比。

如图6所示，该乳胶基质管路主要由DN100蝶阀、DN100-DN50变径锥管、DN50直管、DN50弯管、DN50三通阀、SV 型静态混合器、DN50蝶阀等组件组成。

乳胶基质生产时的工艺温度为90℃左右，密度为1.36×103 kg/m 3，直管内径D 为51mm ，流量t Q 8~3=，管内流速s m /8.0~3.0=ν，1’混合器芯子摩擦系数75=f ，1.5’混合器芯子摩擦系数为120，屈服剪切应力20/215m N =τ，塑性粘度2/55.3m s N P ⋅=η。

图6 广东宏大增化乳胶基质管路图1、DN100蝶阀2、 DN100-DN50变径锥管3、DN50弯管4、DN50三通阀（180°）5、DN50三通阀（90°）6、SV 型静态混合器7、DN50垂直直管 8、DN50水平直管 9、DN50蝶阀6.1 D51水平直管压降：管内流速s r Q /m 8.0)1055.2(14.31036.13600/108223321=⨯⨯⨯⨯⨯==-ρπν 单位长度压降m Pa D D P P /3.57418051.0215316051.08.055.33231632202=⨯+⨯⨯=⋅+=τνη 总压降Pa L P P 7.405717066.73.57418=⨯=⨯=∆ 6.2 D51垂直直管压降：单位长度压降mPa g D D P P /3.7074690sin 8.91036.1051.021*******.08.055.332sin 316323202=︒⨯⨯⨯+⨯+⨯⨯=+⋅+=θρτνη 总压降：Pa L P P 3.51220724.03.70746=⨯=⨯=∆1234567896.3 DN100蝶阀压降：当量直管内径D=100mm ，当量长度Le=20D=2000mm ，DN100管道内速度s m r /21.005.014.31036.13600/108Q 2332=⨯⨯⨯⨯==ρπνDN100蝶阀压降Pa L D D P P 1.2752121.02153161.021.055.332)31632(202=⨯⎪⎭⎫⎝⎛⨯+⨯⨯=⨯⋅+=∆τνη 6.4 DN100-DN50变径锥管压降：s r Q /m 2.0)101.5(14.31036.13600/1082233211=⨯⨯⨯⨯⨯==-ρπνs r Q /m 8.0)1055.2(14.31036.13600/1082233222=⨯⨯⨯⨯⨯==-ρπνPar r r r gl r r r r r r r r r r r l l r r r P p 9.219415.25515.25512.01036.1515.25ln 5.25512.05.2551051.05255.38522155.2535.25514sin 131ln 834222322221212212212112221121102221=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎪⎭⎫⎝⎛⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯+⨯⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯-⨯⨯⨯+⨯⨯⨯+⨯=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-++=∆）（）（）（）（θρρννητ6.5 DN50弯管压力降：当量直管内径D=51mm ，当量长度Le=16D=816 mm ，Pa L P P 3.46853816.03.57418=⨯=⨯=∆ 6.6 DN50三通阀（180°）压降：当量直管内径D=51mm ，当量长度Le=15D=765mm ， Pa L P P 43925765.03.57418=⨯=⨯=∆ 6.7 DN50三通阀（90°）压降：当量直管内径D=51mm ，当量长度Le=45D=2295mm ， Pa L P P 131775295.23.57418=⨯=⨯=∆ 6.8 DN50蝶阀压降：当量直管内径D=51mm ，当量长度Le=20D=1020 mm ， Pa L P P 7.5856602.13.57418=⨯=⨯=∆ 6.9 SV 型静态混合器压降：1.5’芯子压降（单节L=37.8，D=40.6，数量3个，常使用2个）s r Q /m 26.1)1003.2(14.31036.13600/10822332=⨯⨯⨯⨯⨯==-ρπνPa v D L f P 3.121023226.11036.1106.40108.37120223332=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⋅⋅=∆--ρ 空管压降（D40.6，L=215）： mPa D D P P /9.1343148.91036.10406.02153160406.026.155.332g 316323202=⨯⨯+⨯+⨯⨯=+⋅+=ρτνηPa P 7.28877102159.1343143=⨯⨯=∆- 锥形变径管压力损失(D28-52，L=72)s r Q /m 7.2)104.1(14.31036.13600/1082233211=⨯⨯⨯⨯⨯==-ρπνs r Q /m 77.0)106.2(14.31036.13600/1082233222=⨯⨯⨯⨯⨯==-ρπν Par r r r gl r r r r r r r r r r r l l r r r P p 9941261426147.21036.12614ln 14267.22614014.07255.387221526326144sin 131ln 834222322221212212212112221121102221-=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎪⎭⎫⎝⎛⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯+⨯⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯-⨯⨯⨯+⨯⨯⨯+⨯=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-++=∆）（）（）（）（θρρννητ锥形变径管压力损失(D52-28，L=72)Par r r r gl r r r r r r r r r r r l l r r r P p 8.579911426142677.01036.12614ln 142677.01426026.07255.387221514314264sin 131ln 834222322221212212212112221121102221=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯+⨯⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯-⨯⨯⨯+⨯⨯⨯+⨯=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-++=∆）（）（）（）（θρρννητ精乳器总压力降： Pa P 275730.2 994 5799.8 28877.72* 121023.4=-++=∆ 整个管路系统压力降： MPa P 36.1=∆为方便计算，将上述计算步骤编制成EXCEL 表，可快速得到不同产能下的管路计算压降，如表2所示。