Цель гидравлического расчета теплообменного аппарата - определение величины потери давления теплоносителей при их движении через соответствующие полости аппарата.
Величина гидравлического сопротивления определяет необходимый расход энергии (мощность) на перемещение теплоносителей.
При проектировании теплообменных аппаратов необходимо стремиться к тому, чтобы с одной стороны, расход энергии при перемещении теплоносителей был минимальным при максимально возможной величине теплового потока, передаваемого в теплообменнике, т.е. чтобы отношение Q / N было максимальным, а с другой стороны, чтобы стоимость теплообменной поверхности была минимальной.
Гидравлическое сопротивление складывается из двух составляющих: потери напора на преодоление трения и потери напора на преодоление местных сопротивлений
(5.1)
где ΔPтр, Па - сопротивление трения;
ΔPмс, Па -местные сопротивления.
Сопротивление трения обусловлено физическими свойствами теплоносителей, состоянием поверхности и длиной канала. Сопротивление трения при движении жидкости в прямом гладком канале определяется по формуле
|
|
(5.2.)
где L, м - длина канала;
dэ, м - эквивалентный диаметр канала;
ω, м/с - средняя скорость движения жидкости;
ρ, м3/кг- плотность жидкости;
λ – коэффициент гидравлического трения;
g, м2/с2- ускорение свободного падения.
При ламинарном режиме течения (Re < 2300) коэффициент трения определяется по формуле Пуадейля
(5.3)
При турбулентном режиме (Re > 2300) коэффициент гидравлического трения определяется по эмпирической формуле Блазиуса
(5.4)
Указанные зависимости (5.3) и (5.4) справедливы только для невязких жидкостей.
Для расчетов коэффициентов гидравлического трения при движении вязких жидкостей рекомендуют следующую эмпирическую зависимость:
(5.5)
где А = 0.0111÷0.0175.
Эта зависимость справедлива при числах Rе = 4·103 1·105
В практических расчетах коэффициент гидравлического трения для вязких жидкостей определяют по формуле:
(5.6)
Местные потери напора (ΔРмс)представляют собой арифметическую сумму отдельных сопротивлений, возникающих при проходе рабочей среды в аппарате вследствие сужений, расширений, поворотов и т.п.
(5.7)
В свою очередь
(5.8)
Таблица 2
Значения местных сопротивлений в охладителях и подогревателях жидкостей
N п.п | Вид местного сопротивления | Коэффициент сопротивления |
Входная и выходная камеры | 1.5 | |
Поворот на 180и внутри камеры при переходе из одного пучка трубок в другой | 2.5 | |
Поворот на 180° при переходе из одной секции в другую через колено | 2.0 | |
Поворот на 180о и около перегородки в межтрубном пространстве | 1.5 | |
Поворот на 180° в U-образной трубке | 0.5 | |
Огибание перегородок, поддерживающих трубки | 0.5 | |
Вход в трубное пространство и выход из него | 1.0 | |
Вход в межтрубное пространство | 1.5 | |
Круглые змеевики (n-число витков) | 0.5 | |
Поперечное омывание трубок в межтрубном пространстве ( – число рядов трубок, омываемых поперечным потоком) |
Полное гидравлическое сопротивление полости аппарата определяется по формуле
|
|
(5.9)
Полученные по формуле (5.9) потери давления не должны превышать величины гидравлических сопротивлений, оговоренных техническим заданием. Низкие значения сопротивлений свидетельствуют о том, что аппарат спроектирован нерационально. В этом случае необходимо пересмотреть геометрические размеры аппарата и повысить скорости теплоносителей. Следует иметь ввиду, что чем больше скорость теплоносителя, со стороны которого ожидается меньшая величина коэффициента теплоотдачи, тем больше α, а следовательно и R, тем меньше необходимая площадь поверхности теплообмена.