10.3. Гидравлическое сопротивление кожухотрубчатых теплообменников

Для трубного пространства, а также для межтрубного пространства теплообменника без поперечных перегородок

где L - длина одного хода; n - число ходов.

Для коэффициентов местных сопротивлений кожухотрубчатых теплообменников принимают следующие значения ζ:

Tрубное пространство:

вход и выход из теплообменника 1,5

поворот на 180° между ходами или секциями 2,5

вход в трубы и выход из них 1,0

Межтрубное пространство:

вход в межтрубное пространство и выход из него 1,5

поворот на 180° через перегородку 1,5

поворот на 90° в межтрубном пространстве 1,0

Если скорость жидкости в штуцерах больше, чем в теплообменнике, то расчет сопротивлений в штуцерах ведется по скорости жидкости в них.

При наличии поперечных перегородок в межтрубном пространстве гидравлические сопротивления в нем подсчитываются по нижеприведенным формулам при помощи числа Эйлера:

Eu = ∆p/ρw

Коридорные пучки:

Eu = b(34,5m) (S₁/d)^0,23 Rе^-0,26.

Шахматные пучки:

при S₁/d < S₂/d Eu = b(2 + 3,3m) Re^-0,28;

при S₁/d > S₂/d Еи = b(2,7 + 1,7m) Rе^-0,28,

где m - число рядов труб в пучке в направлении движения потока; d - наружный диаметр трубы; S₁и S₂ - поперечный и продольный шаги между трубами;

b - поправочный коэффициент, зависящий от угла атаки φ (угол между осью трубы и направлением движения потока):

φ, град	90	80	70	60	50	40	30	10
b	1	1	0,95	0,83	0,69	0,53	0,38	0,15

Скорость потока подсчитывается по самому узкому сечению пучка, значения физико-химических констант берутся при средней температуре жидкости. Число Рейнольдса рассчитывается по наружному диаметру трубы.

Пример 10.1. Жидкость, имеющая плотность ρ= 1200 кг/м³ и динамический коэффициент вязкости μ = 0,002 Па∙с, поступает самотеком из бака с постоянным уровнем в реактор (рис. 10.2).

Рис. 10.2. К примеру 10.1

Определить максимальный расход жидкости на входе в реактор. Уровень жидкости в баке находится на 6 м выше ввода жидкости в реактор. Трубопровод выполнен из алюминиевых труб с внутренним диаметром 50 мм. Общая длина трубопровода 16,4 м. На трубопроводе имеются три колена и кран.

В баке и реакторе давление — атмосферное.

Решение: Запишем уравнение Бернулли для сечений 1 и 2:

Так как z₁ - z₂ = Н; р₁ = р₂; и w₁ = 0,

Напор H расходуется на все гидравлические сопротивления трубопровода. В последнем уравнении два неизвестных w и λ. Решение может быть найдено методом последовательных приближений.

Определим потери на местные сопротивления:

вход жидкости в трубопровод ζ= 0,5;

кран ζ= 2;

колено ζ = 1,1.

Таким образом Σζ = 0,5 + 2 + 3-1,1 = 5,8.

Исходное уравнение примет вид

6 = w²(1+ (16,4λ/0,05) + 5,8)

В случае движения без трения скорость жидкости

w = (6∙2∙9,81)^0,5 = 10,85 м/с.

Примем скорость в случае движения с трением в четыре раза меньше, т.е.

2,71 м/с. Определим при этой скорости коэффициент сопротивления

Rе=ρwd/μ= 2,71∙0, 05∙1200/0,002 = 81300

Отношение е/d для данного случая равно 0,0012, поэтому, используя уравнение, получим

= - 2lg[(0,0012/3,7) + (6,81/81300)^0,9]; λ = 0,0234

Определим скорость жидкости при найденном значении коэффициента трения

w = (118,92/(328λ + 6,8))^0,5 = 2,87 м/с.

Повторим вычисления

Rе = 2,87∙0,05∙1200/0,002 = 86100

= - 2lg[(0,0012/3,7) + (6,81/86100)^0,9]; λ = 0,0233

Совпадение достаточно хорошее, поэтому примем скорость жидкости равной

2,9 м/с. Тогда расход жидкости

V = wπd² = 2,9π0,05²/4 = 0,0057 м³/с = 20,6 м³ /ч.