5. Гідравлічний розрахунок

Основною метою гідравлічного розрахунку теплообмінного апарата є визначення величини втрат тиску теплоносія при перебігу його через апарат. Гідравлічний опір у теплообмінних апаратах залежить від умов руху теплоносія та особливостей конструкції апарата.

Зміна тиску, необхідна для подолання опору тертя та місцевих опорів у теплообміннику, визначається за формулою:

,

де: - зміна тиску на подолання тертя при русі рідини вздовж труб теплообмінника;

- зміна тиску на подолання місцевих опорів.

Визначення втрат тиску у трубному просторі. Спочатку розрахуємо втрати тиску на подолання тертя при перебігу розчину усередині труб.

Теплообмінник є чотирьох ходовим у трубному просторі, довжина трубного ходу , швидкість руху , внутрішній діаметр труб , густина cірчаної кислоти 70% . Враховуючи це, знайдемо втрати тиску на тертя по довжині трубного простору.

,

де: - коефіцієнт тертя;

- число ходів трубного простору.

Вид формули для розрахунку коефіцієнта тертя залежить від режиму течії та шорсткості внутрішньої поверхні труб. Режим течії визначається числом Рейнольдса, який було розраховано раніше і який становить . Середня висота виступів шорсткості для труб зі сталі з незначною корозією, які були в експлуатації, дорівнює . Відносна шорсткість труби становить:

.

Для подальших розрахунків необхідно знайти величину зворотну відносній шорсткості:

Визначимо зону тертя. Оскільки маємо зону змішаного тертя, для якої коефіцієнт тертя розраховується за формулою:

.

Тоді:

Обчислимо втрати тиску на подолання тертя при течії розчину у трубках теплообмінника:

Визначимо втрати тиску на подолання місцевих опорів. Знайдемо суму коефіцієнтів місцевих опорів.

1. Вихід з труби у посудину великого об’єму.

Величина коефіцієнту місцевого опору вибирається за таблицями

2. Раптове звуження. Значення коефіцієнту місцевого опору залежить від співвідношення площин живого перерізу першого ходу трубного простору та живого перерізу кришки цього ходу. Як відомо:

Площина частини кришки визначається як площина сегменту круга (рис.2.). Як відомо, площа сегменту дорівнює:

,

де: - площина сектора;

- площина трикутника, який спирається на сегмент.

Рис.5.1. Площа круга та його частин

Знайдемо хорду сектора . За конструктивним розташуванням труб у трубній решітці центральний кут , що спирається на хорду, дорівнює . Тоді:

.

Визначимо висоту трикутника

Тоді площа трикутника дорівнює:

Для того, щоб знайти площу сегмента, треба розрахувати площу сектора по залежності:

.

Остаточно отримаємо:

.

Співвідношення площі живого перерізу першого ходу трубного простору до площі сегмента кришки дорівнює:

.

Знаючи це співвідношення та число Рейнольдса за таблицями методом лінійної інтерполяції визначимо:

3) Поворот потоку у верхній та нижній кришках. При повороті втрати тиску знаходять аналогічно втратам при П-подібному повороті. Треба врахувати, що кількість поворотів дорівнює числу ходів мінус одиниця . З таблиць коефіцієнтів місцевого опору маємо:

.

4) Раптове розширення першого ходу трубного простору. При раптовому розширенні відношення меншої до більшої площі поперечного перерізу має те ж саме значення, що і для раптового звуження ( ). Число Рейнольдса також є сталим, тому що швидкість руху не змінюється. Тоді за таблицями коефіцієнтів місцевого опору маємо:

5) Раптове звуження другого ходу трубного простору. Для другого ходу трубного простору міняється площа живого перерізу кришки. Вона дорівнює різниці площ півкруга та сегмента кришки першого ходу

.

Відношення площин дорівнює:

За таблицями коефіцієнтів методом лінійної інтерполяції знаходимо:

6) Раптове розширення другого ходу трубного простору. По аналогії з попередніми розрахунками будемо мати

При подальших розрахунках треба враховувати, що третій хід трубного простору подібний до другого, а четвертий до першого.

7) Втрати тиску на вході у патрубок з гострими кромками на виході розчину з апарата. Згідно таблиць маємо

8) Втрати тиску на подолання місцевих опорів у нормальних вентильних на вході та виході з апарата. При повному відкритті нормального вентиля коефіцієнт опору визначається за таблицею згідно діаметру вхідного та вихідного патрубків холодного теплоносія. Згідно конструктивного розрахунку вони однакові і становлять . Тоді:

Знайдемо суму коефіцієнтів місцевого опору трубного простору.

.

Множення на два по’язане з тим, що перший хід трубного простору подібний до четвертого, а другий – до третього ходу. Множення на три у попередній формулі враховує те, що число поворотів потоку у верхній та нижній кришках дорівнює числу ходів за відрахуванням одиниці. Крім того треба мати на увазі, що нормальних вентилів два і тому коефіцієнт місцевого опору множиться на два.

Тоді

Загальна втрата тиску при перебігу теплообмінника холодним теплоносієм або повний гідравлічний опір руху теплоносія розрахується за формулою

(15-10*-2) доб. 3-6 бар потери

Наступним етапом гідравлічного розрахунку теплообмінного апарата є вибір насосу, який застосовується для подачі агрегатного розчину. До характеристики будь-якого насосу відносяться наступні величини і подача насосу , в ; повний опір руху теплоносія , в ; потужність насосу , в .

Подача насосу або його об’ємна продуктивність не повинна бути менша за об’ємну витрату холодного теплоносія:

.

Повний опір руху теплоносія, що визначається в метрах стовпа рідини, яка перекачується, за законами гідравліки становить;

.

Потужність, яка необхідна для роботи насосу знаходиться за формулою:

,

де - номінальна потужність насосу;

- к.к.д. насосу, що залежить від його конструкції;

- к.к.д. передачі зусилля від електродвигуна до насосу.

Для відцентрових насосів середньої подачі приймаємо . У відцентрових та осьових насосів, звичайно, вал електродвигуна безпосередньо з’єднується з валом насоса. В цих випадках . Визначаємо номінальну потужність, що споживається насосом:

.

При розрахунку витрат енергії на перекачування рідини необхідно враховувати те, що потужність електродвигуна більша за номінальну внаслідок втрат енергій у самому електродвигуні

,коеф. запаса

де - к.к.д. корисної дії електродвигуна.

Значення вибирається з таблиць в залежності від номінальної потужності. Для відцентрових насосів . Тоді

.

Відповідно до отриманих результатів вибираємо відцентрований насос марки х4521 та відповідний до нього електродвигун А02-51-2. Випишемо їх характеристики, та зведемо у таблицю 2.2

Таблиця 2.2

Марка насосу					Електродвигун
					тип
Х45/31		19,8	48,3	0,6	А02-52-2	13	0,89

Подача, висота стовпа рідини, та номінальна потужність не виходять за границі табличних показників.