Was ist der Fanning-Reibungsfaktor?
Der Fanning-Reibungsfaktor ist ein Element bei der Berechnung des Druckverlusts aufgrund der Reibung in einem Rohr. Es ist eine Funktion der Rohrrauheit und des Turbulenzgrades im Flüssigkeitsstrom. Diese Faktoren können experimentell bestimmt werden, werden jedoch häufiger aus Diagrammen und Diagrammen entnommen. Die Zahlen sind dimensionslos, dh sie haben keine Maßeinheiten.
Der Druck der Flüssigkeit, die durch ein Rohr fließt, nimmt aufgrund der Reibung zwischen den Innenwänden des Rohrs und der sich bewegenden Flüssigkeit ab. Entweder Pumpen oder die Schwerkraft müssen die Energie liefern, um die Flüssigkeit zu bewegen. In sehr langen Rohren ist der Druckabfall aufgrund von Reibungsverlusten so hoch, dass die Flüssigkeit überhaupt nicht fließt. Pipelines wie die Alaska-Ölpipeline benötigen Zwischenpumpstationen, um den Druck zu erhöhen.
Ein Verständnis des Druckverlusts, der auftritt, wenn sich Flüssigkeiten durch Rohre bewegen, ist in jeder Rohrleitungsanwendung von entscheidender Bedeutung. Bei chemischen Prozessen, bei denen Rohre als Rohrreaktoren verwendet werden, ist dies von entscheidender Bedeutung. Als Reaktoren verwendete Rohre erzeugen Reaktionsbedingungen, bei denen Temperatur und Druck leicht gesteuert werden können. Die Reaktionsverweilzeit und der Grad der Beendigung der Reaktion sind eine Funktion der Rohrlänge.
Exotherme Reaktionen geben im Verlauf Wärme ab. Um isotherme Bedingungen und einen konstanten Fanning-Reibungsfaktor aufrechtzuerhalten, muss das Rohr im Gegenstrom gekühlt werden. Endotherme Reaktionen, die Wärme absorbieren, erfordern die entgegengesetzte Behandlung. Wenn die isothermen Bedingungen nicht eingehalten werden, müssen die Berechnungen unter Verwendung des Fanning-Reibungsfaktors die Änderung der Viskosität und Reibung berücksichtigen, die auftritt, wenn die Flüssigkeit wärmer oder kühler wird.
Reynoldszahlen sind dimensionslose Maßzahlen für den Turbulenzgrad in der Flüssigkeit. Bei laminarer Strömung mit Reynolds-Zahlen unter 2.000 bewegt sich die Flüssigkeit mit einem kugelförmigen Geschwindigkeitsprofil und geringer Durchmischung. Die maximale Geschwindigkeit tritt in der Mitte des Rohrquerschnitts auf und ist doppelt so hoch wie der durchschnittliche Durchfluss der Flüssigkeit. Turbulente Strömung mit vollständiger Durchmischung tritt bei Reynolds-Zahlen über 3.000 auf. Eine dünne Pufferzone mit Reynolds-Zahlen zwischen 2.000 und 3.000 tritt zwischen der laminaren und der turbulenten Zone auf.
Ein Fanning-Reibungsfaktor kann bestimmt werden, indem Druckabfälle über Rohrleitungen gemessen werden, deren Durchmesser groß genug ist, um für den Feld- oder Anlagenbetrieb skalierbar zu sein. Typischerweise werden diese Experimente durchgeführt, wenn laminare Strömungsbedingungen benötigt werden. Üblicherweise wird der Fanning-Reibungsfaktor aus einem Diagramm abgelesen, da die meisten Pfropfenströmungsreaktoren bei hohen Reynolds-Zahlen betrieben werden.
Die Rauheit der Oberfläche des Rohrinneren wird durch Messung bestimmt. Die Reynoldszahl wird aus dem Rohrdurchmesser, der Flüssigkeitsviskosität und dem Druckabfall berechnet. Diagramme des Fanning-Reibungsfaktors gegen die Reynolds-Zahl für Rohre unterschiedlicher Rauheit sind in technischen Handbüchern verfügbar. Diese Bücher enthalten auch Tabellen zur Oberflächenrauheit verschiedener Materialien.