Co to jest współczynnik tarcia Fanning?

Współczynnik tarcia Fanninga jest elementem obliczającym straty ciśnienia spowodowane tarciem w rurze. Jest to funkcja chropowatości rury i poziomu turbulencji w przepływie cieczy. Czynniki te można określić eksperymentalnie, ale częściej pochodzą one z wykresów i diagramów. Liczby są bezwymiarowe, co oznacza, że ​​nie mają jednostek miary.

Ciśnienie cieczy przepływającej przez rurę maleje z powodu tarcia między wewnętrznymi ściankami rury i poruszającą się cieczą. Pompy lub grawitacja muszą zapewniać energię do przemieszczania cieczy. W bardzo długich rurach spadek ciśnienia z powodu strat na skutek tarcia będzie tak wysoki, że ciecz w ogóle nie przepłynie. Rurociągi, takie jak rurociąg naftowy Alaska, wymagają pośrednich pompowni w celu zwiększenia ciśnienia.

Zrozumienie strat ciśnienia, które występują, gdy ciecze przemieszczają się przez rury, jest niezbędne w każdym zastosowaniu rurowym. Ma to zasadnicze znaczenie dla procesów chemicznych, w których rury są reaktorami przepływowymi. Rury stosowane jako reaktory wytwarzają warunki reakcji, w których temperaturę i ciśnienie można łatwo kontrolować. Czas przebywania w reakcji i stopień zakończenia reakcji jest funkcją długości rury.

Reakcje egzotermiczne wydzielają ciepło w miarę postępu. Aby utrzymać warunki izotermiczne i stały współczynnik tarcia Fanninga, rura będzie musiała być chłodzona w kierunku przeciwprądowym. Reakcje endotermiczne, które pochłaniają ciepło, będą wymagały przeciwnego traktowania. Jeśli warunki izotermiczne nie zostaną zachowane, obliczenia przy użyciu współczynnika tarcia Fanninga będą musiały zaspokoić zmianę lepkości i tarcia, która występuje, gdy ciecz staje się cieplejsza lub chłodniejsza.

Liczby Reynoldsa to bezwymiarowe miary stopnia turbulencji w cieczy. W przepływie laminarnym o liczbie Reynoldsa mniejszej niż 2000, ciecz porusza się z profilem prędkości w kształcie pocisku i niewielkim mieszaniem. Maksymalna prędkość występuje w środku przekroju rury i stanowi dwukrotność średniego przepływu cieczy. Przepływ turbulentny z całkowitym mieszaniem występuje przy liczbach Reynoldsa powyżej 3000. Cienka strefa buforowa o liczbach Reynoldsa między 2000 a 3000 występuje między strefami laminarnymi i turbulentnymi.

Współczynnik tarcia Fanning można określić, mierząc spadki ciśnienia w rurociągach, które mają wystarczająco dużą średnicę, aby można je było skalować do operacji w terenie lub w instalacji. Zazwyczaj eksperymenty te są przeprowadzane, jeśli potrzebne są warunki przepływu laminarnego. Częściej współczynnik tarcia Fanninga jest odczytywany z wykresu, ponieważ większość reaktorów z przepływem tłokowym pracuje przy wysokich liczbach Reynoldsa.

Chropowatość powierzchni wnętrza rury określa się na podstawie pomiaru. Liczba Reynoldsa jest obliczana na podstawie średnicy rury, lepkości płynu i spadku ciśnienia. Wykresy współczynnika tarcia Fanninga względem liczby Reynoldsa dla rur o różnej chropowatości są dostępne w podręcznikach inżynieryjnych. Książki te mają również tabele chropowatości powierzchni różnych materiałów.