Лекции по "Теплотехнике"

     Лекція 12.

     Гідромеханічний розрахунок теплообмінних  апаратів 

     Гідромеханічний розрахунок теплообмінних  апаратів

     Задачі  гідромеханічного розрахунку 

     Між тепловіддачею і втратою тиску  існує тісний фізичний і економічний  взаємозв’язок. Чим більша швидкість  теплоносіїв, тим вищий коефіцієнт теплопередачі і тим компактніший для заданої теплової продуктивності теплообмінник, а відповідно, менші капітальні витрати. Але при цьому зростає опір потоку і збільшуються експлуатаційні затрати. При проектуванні теплообмінних апаратів необхідно вирішувати сумісно задачу теплообміну і гідравлічного опору і знайти найвигідніші характеристики.

     Основною  задачею гідромеханічного розрахунку теплообмінних апаратів є визначення втрат тиску теплоносія при проходженні  його крізь апарат. Так як, теплообмін і гідравлічний опір неминуче, пов’язані зі швидкістю руху теплоносіїв, то остання повинна вибиратись в деяких оптимальних межах, визначальних, з одного боку, вартістю поверхні теплообміну апарату даної конструкції, а з іншого боку вартістю витрат енергії при експлуатації апарату.

      Гідравлічний  опір в теплообмінних апаратах  визначається умовами руху теплоносіїв  і особливостями конструкції  апарату.

     Тобто данні гідромеханічного розрахунку є важливим фактором в оцінці раціональності конструкції теплообмінних апаратів.

     В залежності від природи виникання руху гідравлічні  опори руху теплоносіїв розрізняють  як опори тертя, які обумовлені в’язкістю  рідини і проявляються лише в місцях безперервної течії і місцевих опорів. Останні обумовлені різними місцевими перепонами руху потоку (звуження і розширення каналу, обтікання перепони, повороти і т. і.). Сказане справедливе для ізотермічного потоку, однак якщо рух теплоносія відбувається в умовах теплообміну і апарат контактує з навколишнім середовищем, то будуть виникати додаткові опори, пов’язані з прискоренням потоку внаслідок неізотермічності, і опору самотяги. Опір самотяги виникає внаслідок того, що змушеному руху нагрітої рідини внизсхідних ділянках каналу протидіє піднімаюча сила, направлена вверх.

     Таким чином, повний перепад тиску, необхідний при русі рідини або газу крізь  теплообмінник, визначиться за формулою

,      (1)

де  - сума опору тертя на всіх ділянках поверхні теплообміну (каналів, стінок та інших);

- сума втрат тиску в місцевих  опорах;

- сума втрат тиску обумовлених  прискоренням потоку.

- сумарні витрати тиску на  подолання самотяги. 

     Так як природа виникнення складових опору в формулі різна, то і розрахунок їх ведеться окремо.

     Отже, втрати тиску на подолання сил  тертя нестисненої рідини в каналах  на ділянці безперервного руху в  загальному випадку розраховуються за формулою

  [Паскалі]       (2)

де  - повна довжина каналу; - гідравлічний діаметр, який в загальному випадку виглядає як (де - поперечний переріз каналу; u- периметр поперечного перерізу); - середня густина і середня швидкість рідини або газу в каналі; - коефіцієнт опору тертя , є безрозмірною величиною, що характеризує співвідношення сил тертя і інерційних сил потоку, і залишається постійним для каналів з якщо , необхідно враховувати зміну його на вхідній ділянці каналу.

     Коефіцієнт  опору тертя залежить від режиму руху потоку і тому при ламінарному  і турбулентному русі визначається по різному. Закономірності руху потоку розглядаються в різних курсах гідравліки і гідроаеродинаміки.

     Місцеві опори визначаються за формулою

,          (3)

де  коефіцієнт місцевого опору.

     Коефіцієнт  місцевого опору залежить від  характеру перепони, яким викликаються вказані опори. Формули і числові  данні для коефіцієнтів місцевих опорів в різних напірних системах можна знайти в Міхеєв М.А. “Основи  теплопередачі”.

     Втрата  тиску, обумовлена прискоренням потоку внаслідок зміни об’єму теплоносія при постійному перерізі каналу

,         (4)

- швидкість (м/с) і густина  (кг/м³) газу, відповідно на вхідному і вихідному перерізі потоку.

     Для крапельних рідин  мале в порівнянні з загальним опором потоку, і цей опір можна не враховувати.

     Якщо  апарат контактує з навколишнім  середовищем, необхідно врахувати  опір самотяги

,         (5)

де  - відстань по вертикалі між входом і виходом теплоносія; - середні густини теплоносія і навколишнього повітря (кг/м³).

“+” – береться при русі теплоносія зверху вниз,

“-“ - при русі знизу  вверх.

      Це  означає, що в першому випадку загальний опір руху теплоносія збільшується на у другому випадку зменшується на .Якщо теплообмінник не контактує з навколишнім повітрям (включений в замкнену систему) то .