Гидродинамический расчет теплообменных аппаратов

Определение затрат мощности на преодоление гидравлического сопротивления является важной задачей проектных и поверочных расчетов теплообменных аппаратов, так как от величины этих затрат зависит оценка энергетического совершенства выбранной конструкции.

Потери энергии при течении теплоносителя складываются из потерь на преодоление сопротивления трения и потерь на преодоление местных сопротивлений.

При движении жидкости всегда возникают силы сопротивления этому движению. Поэтому при проектировании теплообменного аппарата нужно определить не только площадь поверхности теплообмена, но и гидравлические сопротивления, которые будут определять затраты энергии на привод вентилятора или насоса, подающего жидкость в аппарат.

Гидравлические сопротивления, как и коэффициент теплопередачи, зависят от скорости жидкостей в аппарате. С увеличением скорости возрастает коэффициент теплоотдачи, что приводит к уменьшению площади поверхности теплообмена, но одновременно увеличивается гидравлическое сопротивление, что обусловливает возрастание затрат энергии на обеспечение движения жидкостей в теплообменном аппарате. В связи с этим скорости жидкостей в аппаратах следует выбирать в оптимальных пределах исходя из стоимости теплообменного аппарата и стоимости энергии на привод обслуживающего его насоса или вентилятора.

Полное гидравлическое сопротивление аппарата при неизотермическом движении жидкости через теплообменный аппарат определяют по формуле.

где Др_тр — сопротивление трения; Др_м — местные сопротивления; Др — гидравлические сопротивления, обусловленные ускорением потока вследствие неизотермичности процесса теплообмена; Ар_с — потери давления на преодоление самотяги.

Гидравлические сопротивления трения, возникающие при продольном и поперечном омывании поверхности теплообмена, различны.

При турбулентном неизотермическом течении жидкости в трубах и каналах гидравлические сопротивления, Па, определяют по формуле.

где? — безразмерный коэффициент сопротивления трения; / — длина канала, м; ?_экв ^— эквивалентный диаметр, м; р — плотность теплоносителя при определяющей температуре, кг/м³; т — скорость движения теплоносителя, м/с.

Коэффициент сопротивления трения зависит от режима течения теплоносителя, чистоты поверхности и направления теплового потока. Для турбулентного режима при высоте выступов шероховатости меньше толщины пограничного слоя коэффициент трения вычисляют по формуле.

При поперечном обтекании пучков труб гидравлические сопротивления следует рассматривать как суммарное сопротивление трения и местных сопротивлений. При этом основную долю здесь составляют местные сопротивления расширения и сужения потока. Гидравлические сопротивления различных пучков труб при поперечном их обтекании определяют по формулам, приведенным в специальной литературе.

Местные сопротивления в теплообменном аппарате складываются из сопротивлений, возникающих в связи с изменением площади сечения канала, изменением направления потока, обтеканием препятствий:

Коэффициент местных сопротивлений ?_м зависит от вида препятствия, деформирующего поток. Значения коэффициентов местных сопротивлений приводятся в специальной и справочной литературе.

Гидравлическое сопротивление, вызванное изменением скорости жидкости вдоль поверхности теплообмена вследствие изменения температуры жидкости при постоянной площади сечения канала, определяют по формуле.

где 10_х и Т0₂ — скорости во входном и выходном сечениях канала; и р₂ — плотности жидкостей во входном и выходном сечениях.

Для капельных жидкостей гидравлическое сопротивление Др_у мало по сравнению с общим сопротивлением, и им можно пренебречь.

Гидравлическое сопротивление на преодоление самотяги рассчитывают по формуле.

где р и р_в — средние плотности жидкости и окружающего воздуха; к — высота, на которую поднимается или опускается жидкость в теплообменнике.

При движении жидкости сверху вниз сопротивление увеличивается, и в (12.16) применяют знак «плюс». При движении нагреваемой жидкости снизу вверх сопротивление уменьшается, и в (12.16) применяют знак «минус». Если теплообменный аппарат не сообщается с окружающим воздухом и работает в замкнутой системе, то Ар_с = 0.

Мощность насоса. Определив полное гидравлическое сопротивление теплообменного аппарата, с учетом известного массового расхода жидкости находят мощность насоса, Вт, необходимую для подачи жидкости через аппарат^[1]:

где т_х — массовый расход теплоносителя, кг/с; Ар — полное гидравлическое сопротивление аппарата, Па; р — плотность теплоносителя, кг/м³; Г| — КПД вентилятора или насоса.

В результате выполненных тепловых и гидромеханических расчетов находят наивыгоднейшее соотношение между затратами на сооружение теплообменного аппарата, которые в основном зависят от площади поверхности теплообмена, и расходами энергии на его обслуживание.

• [1] На практике чаще всего теплообменный аппарат является частью какой-либо сети (системы), поэтому выбор насоса производится по результатам расчета гидравлическогосопротивления всей сети.