Гидромеханический расчет теплообменных аппаратов

Между теплопередачей и потерей давления существует тесная физическая и экономическая связь. Чем больше скорости теплоносителей, тем выше коэффициент теплопередачи и тем компактнее для заданной тепловой производительности теплообменник, а следовательно, меньше капитальные затраты. Но при этом растет сопротивление потоку и возрастают эксплуатационные затраты. При проектировании теплообменных аппаратов необходимо решать совместно задачу теплообмена и гидравлического сопротивления и найти наивыгоднейшие характеристики.

Основной задачей гидромеханического расчета теплообменных аппаратов является определение потери давления теплоносителя при прохождении его через аппарат.

Опыты указывают на то, что даже в самых простых теплообменных аппаратах структура потока теплоносителя очень сложна. В силу этого в подавляющем большинстве случаев гидравлическое сопротивление в теплообменных аппаратах можно рассчитать только приближенно.

В зависимости от природы возникновения движения гидравлические сопротивления движению теплоносителей различают как сопротивления трения, которые обусловлены вязкостью жидкости и проявляются лишь в местах безотрывного течения, и местные сопротивления. Последние обуславливаются различными местными препятствиями движению потока (сужение и расширение канала, обтекание препятствия, повороты и др.). Сказанное справедливо для изотермического потока, однако если движение теплоносителя происходит в условиях теплообмена и аппарат сообщается с окружающей средой, то будут возникать дополнительные сопротивления, связанные с ускорением потока вследствие неизотермичности, и сопротивление самотяги. Сопротивление самотяги возникает вследствие того, что вынужденному движению нагретой жидкости на нисходящих участках канала противодействует подъемная сила, направленная вверх.

(2.12)

где - сумма сопротивления трения на всех участках поверхности теплообмена (каналов, пучков труб, стенок и др.); - сумма потерь давления в местных сопротивлениях; - сумма потерь давления, обусловленная ускорением потока; - суммарная затрата давления на преодоление самотяги.

Потери давления на преодоление сил трения при течении несжимаемой жидкости в каналах на участке безотрывного движения определяют:

,

где l – полная длина канала; d – гидравлический диаметр; ρ и w – средняя плотность жидкости или газа в канале и средняя скорость; - коэффициент сопротивления трения.

Коэффициент сопротивления трения зависит от режима движения потока и поэтому при ламинарном и турбулентном течении определяется по-разному.

Местные сопротивления определяются по формуле:

,

где ξ – коэффициент местного сопротивления; - измеряется в Па.

Коэффициент местного сопротивления зависит от характера препятствия, которым вызываются указанные сопротивления.

Потеря давления, обусловленная ускорением потока вследствие изменения объема теплоносителя при постоянном сечении канала:

,

где w₁, ρ₁ и w₂, ρ₂ – скорость и плотность газа, соответственно во входном и выходном сечениях потока.

Если аппарат сообщается с окружающей средой, необходимо учитывать сопротивление самотяги:

,

где h – расстояние по вертикали между входом и выходом теплоносителя,
ρ и ρ₀ – средние плотности теплоносителя и окружающей среды.

Знак «плюс» берется при движении теплоносителя сверху вниз, знак «минус» – при движении снизу вверх.

Гидравлическое сопротивление Δр, подсчитанное по формуле (2.12), предопределяет мощность, необходимую для перемещения теплоносителя через теплообменный аппарат.

Мощность N, Вт, на валу насоса или вентилятора определяется по формуле:

,

где V – объемный расход жидкости, м³/с; G – массовый расход жидкости, кг/с;
- полное сопротивление, Па; ρ – плотность жидкости или газа, кг/м³; - КПД насоса или вентилятора.