2.6 Гидродинамический расчет теплообменных аппаратов
При проектировании теплообменных аппаратов большое значение имеет правильное представление о характере движения рабочих жидкостей. Знание условий движения дает возможность правильно выбрать расчетные формулы теплоотдачи и позволяет достаточно точно определить гидравлическое сопротивление. Последнее необходимо как для расчета мощности вентиляторов и насосов, так и для оценки рациональности конструкции аппарата и установления оптимального режима его работы.
Основной
задачей гидродинамического расчета
теплообменных аппаратов является
определение потери давления теплоносителя
при прохождении его через аппарат. При
течении жидкости всегда возникают
сопротивления, препятствующие движению.
На преодоление этих сопротивлений
затрачивается механическая энергия,
пропорциональная перепаду давления
.
Сопротивления в зависимости от природы
возникновения разделяются на сопротивление
трения и местные сопротивления.
Гидравлическое сопротивление трения обуславливается вязкостью жидкости и проявляется лишь в местах безотрывного течения жидкости вдоль твердой стенки. При этом сила давления равна силе трения, т.е.
,
откуда
.
Так
как касательное напряжение
,
то это означает, что чем больше вязкость
протекающей жидкости, тем больше и
сопротивление. Кроме того, сопротивление
зависит от скорости
.
Если скорость ниже критической, то
сопротивление пропорционально первой
степени скорости; если же скорость выше
критической, то сопротивление
пропорционально квадрату скорости.
Потери давления на преодоление сил
трения при течении несжимаемой жидкости
в каналах на участке безотрывного
движения в общем случае рассчитываются
по формуле:
, (3.1)
где
- полная длина канала, м;
-
гидравлический (эквивалентный) диаметр,
который в общем случае найдется как
(
-
поперечное сечение канала;
-
периметр поперечного сечения), м;
-
поправка на гидродинамический начальный
участок, при наличии перед входом в
трубу успокоительного участка
,
при отсутствии успокоительного участка
и равномерном распределении скоростей
на входе
для круглой трубы и
для плоского канала;
-
средняя плотность жидкости или газа в
канале, кг/м3;
- средняя скорость жидкости или газа в канале, м/с.
В практических расчетах поправка обычно не существенна и потери давления в трубах и в каналах определяются по формуле:
. (3.2)
В
общем случае величина коэффициента
трения
является функцией числа Рейнольдса и
эквивалентной шероховатости поверхности
омываемой теплоносителем.
Для
турбулентных режимов (
)
наиболее универсальной формулой для
определения
является формула Альтшуля:
,
(3.3)
где
- эквивалентная
шероховатость трубопровода в мм
характеризует состояние омываемой
поверхности. Определяют по справочникам
и СниП.
При
числах Рейнольдса находящихся в диапазоне
формула (3.3) может быть преобразована в
формулу Блазиуса:
, (3.4,
а)
,
(3.5, б)
а
при числах
в формулу Шифринсона
. (3.5)
При
ламинарном режиме движения жидкости
(3.6)
При
расчете теплообменных аппаратов,
поверхности нагрева которых выполнены
из новых гидравлически гладких труб
(латунь, нержавеющая сталь, титан),
величину
определяют по формулам (3.4, а) или (3.4, б)
с последующим введением поправочного
коэффициента
,
учитывающего загрязнение трубок в
процессе эксплуатации
,
Па.