42. Гидромеханический расчёт, определение гидравлического сопротивления элементов теплообменных аппаратов.

Гидравлическое сопротивление. При проектировании теплообменных аппаратов большое значение имеет правильное представление о характере движения рабочих жидкостей. В сложных устройствах движение жидкости определяется не только рассматриваемым элементом, но также предшествующими и последующими. Знание условий движения дает возможность правильно выбрать расчетные формулы теплоотдачи и позволяет достаточно точно определить гидравлическое сопротивление.

Основной задачей гидромеханического расчета теплообменных аппаратов является определение потери давления теплоносителя при похождении его через аппарат. При течении жидкости всегда возникают сопротивления, препятствующие движению. На преодоление этих сопротивлений затрачивается механическая энергия, пропорциональная перепаду давления ∆р. Сопротивления в зависимости от природы возникновения разделяются на сопротивления трения и местные сопротивления. Гидравлическое сопротивление трения обусловливается вязкостью жидкости и проявляется лишь в местах безотрывного течения жидкости вдоль твердой стенки. При этом сила давления Р равна силе трения, т, е. ∆pf = sF, откуда ∆p = sF/f.Так как s =μ*dw/dn ,то это означает, что чем больше вязкость протекающей жидкости, тем больше и сопротивление. Кроме того, сопротивление зависит от скорости w. Если скорость ниже критической, то сопротивление пропорционально первой степени скорости; если же скорость выше критической, то сопротивление пропорционально квадрату скорости. Потери давления на преодоление сил трения при течении несжимаемой жидкости в каналах на участке безотрывного движения в общем случае рассчитываются по формуле: ∆Р_т=(ξ*L/d+ξ0)pw²/2 где L — полная длина канала; d — гидравлический диаметр, который в общем случае найдется как d = 4f/U (f — поперечное сечение канала; U — периметр поперечного сечения); ξ —коэффициент сопротивления трения, безразмерная величина, характеризующая соотношение сил трения и инерционных сил потока; ξо — поправка на гидродинамический начальный участок: при наличии перед входом в трубу успокоительного участка ξо = 0, при отсутствии успокоительного участка и равномерном распределении скоростей на входе ξо = 1,16 для круглой трубы и ξо = 0,63 для плоского канала; р и w — средняя плотность и средняя скорость жидкости или газа в канале.

В практических расчетах поправка ξо обычно несущественна и сопротивление трения в трубах и в каналах определяется по формуле: ∆Р_т=ξ*L/d* pw²/2 .Местные сопротивления обусловливаются вихреобразованием в местах изменения сечения канала и преодоления отдельных препятствий, например при входе, выходе, сужении, расширении, повороте и т.д. Местные сопротивления определяются по формуле: ∆Р_м=ξ_м* pw²/2. где ξ — коэффициент местного сопротивления.

Кроме того, при неизотермическом движении газов движение становится неравномерным вследствие изменения их плотности, а вместе с тем и скорости. Это вызывает дополнительную потерю давления на ускорение газа ∆р_н, которая при движении в канале постоянного сечения равна удвоенной разности скоростных напоров, а именно:

∆р_н =р2w2²-p1w1² . Здесь индексом 1 отмечены величины, отнесенные к температуре в начальном сечении, индексом 2 — в конечном. В случае нагревания газа ∆рн положительно, в случае же охлаждения —отрицательно.

При неизотермическом движении должно также учитываться сопротивление самотяги, возникающее вследствие того, что вынужденному движению нагретой жидкости в нисходящих участках канала противодействует подъемная сила, направленная вверх. Подъемная сила и равное ей по значению сопротивление самотяги определяются соотношением : ∆P_c=+ - g(p-p0)h0 .где Ро — средняя плотность холодной жидкости, например, окружающего воздуха; р — средняя плотность нагретой жидкости, например, дымовых газов; h0 — высота вертикального канала.

При нисходящем движении нагретой жидкости значение ∆Рс является дополнительным сопротивлением канала, при восходящем же движении нагретой жидкости сопротивление канала уменьшается на величину ∆Рс. Общее сопротивление самотяги определяется как разность между значениями подъемной силы во всех нисходящих и восходящих каналах. При определении полного сопротивления какого-либо устройства в технических расчетах принято суммировать отдельные сопротивления. Такой способ расчета основан на допущении, что полное сопротивление последовательно включенных элементов равно сумме их отдельных сопротивлений. Полное гидравлическое сопротивление теплообменных устройств равно: ∆Рн=∑∆Рт+∑∆Рм+∑∆Рн+∑∆Рс.