Гидромеханический расчёт теплообменника

Основная цель – определение потерь давления и теплоносителей при прохождении через аппарат, что нужно, в частности, для расчёта мощности на прокачку теплоносителей и . Потери давления связаны с сопротивлением движению теплоносителей, они бывают нескольких видов.

Сопротивление трения – обусловлено вязкостью, проявляется при безотрывном движении жидкости вдоль стенки, например, внутри канала.

Общий вид формулы

,

где – длина канала, – эквивалентный (гидравлический) диаметр ( ), – коэффициент сопротивления, – поправка на гидродинамический начальный участок.

Но обычно считают , пренебрегая влиянием начального участка или относя его к местному сопротивлению входа в канал, то есть

.

Ранее указывалось, как рассчитывается коэффициент сопротивления  . Так, при ламинарном режиме (когда ) используется формула Пуазейля (Т12) , а при турбулентном и технически гладких трубах (Т13) , или (Т14) . Детальнее формулы сопротивления для разных случаев (включая учёт шероховатости поверхности) можно найти в [….]

Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям.

Местные сопротивления обусловлены вихреобразованием в местах резкого изменения сечения канала или на отдельных препятствиях (вход, выход, сужение, расширение, поворот и т.д.). Формула расчёта имеет структуру

.

Коэффициент местного сопротивления задаётся или рассчитывается по своим формулам для препятствия каждого вида (приводятся в техдокументации или справочниках).

Рассмотрим ещё два вида сопротивлений, характерных именно для теплообменных аппаратов и устройств, поскольку они связаны с различием температур и теплообменом. Следует отметить, что эти изменения давления, строго говоря, можно называть “потерями” лишь условно, так как они являются обратимыми и могут быть как положительными, так и отрицательными. В отличие от предыдущих видов, при которых сопротивление связано с диссипацией, рассеянием механической энергии, то есть потери необратимы и всегда положительны.

Потери на ускорение газа обусловлены ускорением (замедлением) газа при его нагреве (охлаждении). Они положительны при нагреве и отрицательны при охлаждении газа и подсчитываются по формуле

.

Сопротивление самотяги проявляется в негоризонтальных каналах, когда уровни входа в канал и выхода из него находятся на разной высоте. Расчётная формула

,

где – средняя плотность теплоносителя в канале

– средняя плотность вне устройства (канала)

– высота канала, , – уровни входа и выхода.

Величина может быть положительной или отрицательной в зависимости от значений плотности и направления потока.

Появление такого перепада давлений связано с тем, что, скажем, нагретый в канале теплоноситель имеет меньший удельный вес. Например, воздух в дымоходе протопленной печи создаёт тягу, и чтобы помещение не “выстудилось”, после окончания горения задвижку дымохода нужно закрыть.

Такой эффект проявляется и в замкнутой системе, если на её разных участках теплоноситель имеет разную температуру (такие участки надо рассчитывать отдельно). Например, если котел замкнутой системы водяного отопления дома расположен в подвале, то вода в ней может циркулировать без насоса – нагретая “лёгкая” вода поднимается от котла по трубе вверх до чердака, а оттуда распределяется по радиаторам в помещениях, где охлаждается, “тяжелеет” и опускается вниз к котлу. Здесь и в восходящей ветви, и в нисходящей отрицательно, и вода циркулирует сама, все “сопротивления” (вместе в и ) уравновешиваются, их сумма равна нулю. Если нагреватель воды установлен вверху (на чердаке), то потребуется затрачивать энергию насоса, в том числе для преодоления положительных сопротивлений .

По природе сопротивление самотяги соответствует разности гидростатических давлений на входе и выходе незамкнутой системы с капельными жидкостями. Например, если забор охлаждающей воды производится из водоёма с зеркалом ниже уровня сброса, то потребуется энергия на подъём воды, а не только на преодоление сопротивления в ТА. Наоборот, в определённых условиях возможна работа аппарата «самотёком» (при наличии достаточно высокой плотины).