Hlavní úkolhydrodynamický výpočet zařízení pro přenos tepla má určit tlakovou ztrátu chladicí kapaliny při průchodu zařízením.
Když kapalina proudí, vždy vzniká odpor, který brání pohybu. K překonání těchto odporů je vynaložena mechanická energie úměrná poklesu tlaku ΔP. Odpory se dělí na odpory třecí a lokální.
Hydraulický třecí odpor je určen viskozitou kapaliny a objevuje se pouze v místech, kde kapalina nepřetržitě proudí podél pevné stěny. V tomto případě je tlaková síla rovna třecí síle, tzn. ΔРт∙f=S∙F, odkud ΔРт=, kde S je smykové napětí (S=), to znamená, že čím větší je viskozita proudící tekutiny, tím větší je odpor).
Navíc odpor závisí na rychlosti w. Pokud je rychlost pod kritickou hodnotou, pak je odpor úměrný první mocnině rychlosti; pokud je rychlost vyšší než kritická, pak je odpor úměrný druhé mocnině rychlosti.
Ztráta tlakupřekonat třecí síly při proudění nestlačitelné tekutiny v kanálech v úseku kontinuálního pohybu se v obecném případě vypočítá podle vzorce:
kde ℓ je celková délka kanálu, m;
d – hydraulický (ekvivalentní) průměr, d=(f-průřez kanálu; u-obvod průřezu) m;
λ – koeficient ztráty třením;
ρ – průměrná hustota kapaliny nebo plynu v kanálu, kg/m3;
w – průměrná rychlost kapaliny nebo plynu v kanálu, m/s.
V praktických výpočtech korekce λ je obvykle nevýznamné a tlakové ztráty v potrubí a kanálech jsou určeny vzorcem:
laminární A = 64/Re; Re =;
Pro hydraulické hladké trubky – Altschulův vzorec
Lokální odpor je způsoben tvorbou vírů v místech, kde se mění průřez kanálu a překonávají se jednotlivé překážky, například při vstupu, výstupu, zúžení, rozšíření, zatáčení atd.
Tlaková ztráta místních odporůjsou určeny vzorcem:
– koeficient místního odporu, zvolený v závislosti na typu místního odporu.
Kromě toho při neizotermický pohyb plynů pohyb se stává nerovnoměrným, když se mění jejich hustota a zároveň rychlost. To způsobuje další tlakovou ztrátu v důsledku zrychlení plynu ΔРн , který se při pohybu v kanálu konstantního průřezu rovná dvojnásobku tlakového rozdílu: ΔРн = ρ2 ∙w1 2 – ρ1 ∙w2 2.
Při neizotermickém pohybu se také objevuje gravitační odpor, který vzniká tím, že nucenému pohybu ohřáté tekutiny v sestupných úsecích kanálu brání vztlaková síla směrem nahoru. Zvedací síla a stejnou hodnotou gravitační odpor se určuje podle vzorce:
ρ – průměrná hustota studené kapaliny, například okolního vzduchu, kg/m3;
ρ – průměrná hustota ohřáté kapaliny, např. spalin, kg/m3;
h – výška vertikálního kanálu – plynového potrubí (pokud proudění nevytéká, pak přídavný odpor kanálu; s pohybem ohřívané kapaliny směrem nahoru se odpor kanálu snižuje o hodnotu ΔРс).
Při určování impedance jakéhokoli zařízení v technických výpočtech je obvyklé sčítat jednotlivé odpory.
Celkový hydraulický odporzařízení pro výměnu tepla se rovná:
ΔРtr– ztráta třecí hlavy; ΔРм– k místnímu odporu; ΔРн – ztráty způsobené neizotermickým prouděním; ΔРс – ztráta gravitace.
Pro mosaz wmax= 2-2,2 m/s; pro slitiny mědi a niklu wmaх=2,5-2,7 m/s; pro nerez šmax = 4,5 m/s; pro titan wmaх= 5 m/s; V mořské vodě jsou rychlosti o 10-15% nižší.
Po určení celkového hydraulického odporu a znalosti průtoku tekutiny je snadné určit výkon potřebný k pohybu pracovní tekutiny zařízením.
Výkon hřídelečerpadlo nebo ventilátor se určuje podle vzorce:
V – objemový průtok chladiva, m 3 /s;
M – hmotnostní průtok chladiva, kg/s;
ΔР – celkový odpor tlakové ztráty, Pa;
η – účinnost čerpadla nebo ventilátoru.
Základní geometrické charakteristiky.
Při daném průtoku chladiva G, kg/s a zvolené rychlosti jeho pohybu w, m/s uvnitř svazku potrubí počet trubek ve výměníku tepla:
vypočítaná plocha přenosu tepla trubkového zařízení:
ℓр – pracovní délka potrubí, m;
Chyba: Referenční zdroj nebyl nalezen
σtr – tloušťka trubky, m;
σп – tloušťka příčky, m;
ℓd– skutečná délka trubky, rovna pracovní délce, m; ℓd =ℓр ∙σп∙п + 2∙σtr. desky, ,m;
n – počet přepážek, ks.
Tloušťka trubkovnice je převzata z podmínek rozšiřování trubky: pro ocel σmin р = (5)∙dн , mm; pro měď σmin р = (10)∙dн , mm.
Po výběru je nutná zkouška pevnosti.
Stanovení průtokových úseků a rychlostí chladiva.
Často k určení počtu Re nebo průtokových sekcí Re=.
Skořápková a trubková zařízení: dэ=4 plocha průřezu ke smáčenému parametru ν.
Pokud proud proudí uvnitř trubek, pak dэ=dexta je-li v mezitrubkovém prostoru, pak dэ= ekvivalentní průměr mezikruží.
Průtok: Nх– počet trubek na jeden zdvih, ks.
Všechny fyzikální parametry chladicí kapaliny obsažené v Re čísle. závisí na t a velmi slabě na P, průměrné t:
Jsou určeny rozměry potrubíjejí délka,průměrиtloušťka stěny trubky.Hlavní charakteristiky potrubíje průměr a tloušťka stěny trubky.
Trubka má dva průměry: vnitřní a vnější. Mezi vnitřním a vnějším průměrem trubek existuje následující vztah:
DVN – vnitřní průměr trubky;
DН – vnější průměr trubky;
S je tloušťka stěny trubky.
Pro médium protékající potrubím je důležitý jeho vnitřní průměr, protože se používá k určení průtoková oblast,cestovní rychlostиmnožství látkyproudí za jednotku času.
Vypočítá se vnitřní průměr potrubímnožstvím hmoty proudící za jednotku času a rychlostí jejího pohybu.
Mezi plochou průřezu trubky a jejím vnitřním průměrem existuje následující vztah:
F – průtoková plocha, m 2;
DBH– vnitřní průměr potrubí, m;
Průtoková plocha potrubí v závislosti na množství látky protékající za jednotku času a dané rychlosti jejího pohybu se určí ze vzorce:
G je množství látky protékající za jednotku času, kg/s;
– rychlost pohybu hmoty, m/s;
– hustota látky při daných parametrech, kg/m3.
Z tohoto vzorce vyplývá, že čím vyšší rychlost v, čím menší by měla být průtočná plocha F potrubí, a tedy i nižší náklady na jeho výstavbu a provoz. Když se však kapalina, pára nebo plyn pohybuje potrubím, vzniká odpor v důsledku tření látky o stěny potrubí. Tento odpor se nazýváhydraulický odpor potrubí, tím větší je rychlost proudění a jeho hustota.
Při předběžném výběru požadovaného průřezu potrubí se používá přibližná zaokrouhlená hodnota vnitřního průměru Dělatvolalapodmíněný průchod. Jmenovitý průměr se vztahuje na jmenovitý vnitřní průměr připojovaného potrubí (mm). Standard stanoví následující řadu podmíněných průchodů:
1*; 1,2*; 1,6*; 2,0*; 3*; 4*; 5*; 6; 8*;10; 12*; 13*;15; 16**;20;25;32;40;50; 63**;65;80;100;125;150; 160**; 175*;200; 225*;250;300;350;400; 450*;500;600; 700*;800; 900*;1000;1200;1400;1600; 1800*;2000; 2200*;2400; 2600*; 2800*;3000; 3200*;3400; 3600*; 3800*;4000.
Jmenovité průměry označené hvězdičkou by se neměly používat pro armatury pro všeobecné použití. Podmíněné otvory označené dvěma hvězdičkami lze použít pouze pro hydraulická a pneumatická zařízení.
Při označování jmenovitého průměru se měrné jednotky neuvádějí. Pro podmíněné průchody se používá označení Dělat.
Je třeba si uvědomit, že vnitřní průměr trubek vyráběných v továrnách není stejný a neodpovídá (až na vzácné výjimky) jmenovitému průměru. Trubky dodávané z továren pro odpovídající jmenovitý průměr (kromě trubek na zvláštní objednávku) jsou vyráběny s přihlédnutím k vnější průměr a tloušťka stěny. Při různých tloušťkách stěny potrubí zůstává vnější průměr konstantní, mění se pouze vnitřní průměr. Takže například pro trubky s vnějším průměrem 325 mm s tloušťkou stěny 8 mm bude skutečný vnitřní průměr 309 mm a s tloušťkou stěny 13 mm – odpovídajícím způsobem 299 mm. Vnitřní průměr tvarovek a tvarovek v místech napojení na tyto trubky se v obou případech považuje za 300 mm. Tato velikost bude jmenovitým vrtáním nebo jmenovitým průměrem (Dу300), podle kterého se potrubí počítá.
Vzhledem k tomu, že vnitřní průměr ocelových trubek, kterými se počítají díly potrubí, neodpovídá průměru jmenovitého průměru, označují se skutečné rozměry úseku potrubí D.HS. Někdy jsou velikosti trubek označeny zlomkem, ve kterém čitatel ukazuje vnější průměr a jmenovatel ukazuje vnitřní průměr trubek: . V tomto případě je velikost trubek uvedena v milimetrech.
Například označení potrubí 32513 nebo označuje, že je vyrobeno z trubek o vnějším průměru 325 mm, tloušťce stěny 13 mm a vnitřním průměru 299 mm.
Výjimkou z tohoto pravidla je označení průměrů plynových (voda a plynových) potrubí. Spojovací díly pro plynové potrubí (tvarovky) jsou vyráběny v továrnách převážně s válcovými nebo kuželovými trubkovými závity, které se měří spíše v palcích než v milimetrech. Proto se jmenovité průměry těchto trubek měří také v palcích.
Tloušťka stěny potrubí a potrubních částízávisí na největšímstřední tlakprotékající potrubím,jeho teplotuи mechanické vlastnosti kovového potrubí.
Pro charakterizaci pevnosti potrubí a armatur byly zavedeny pojmy podmíněný, pracovní a zkušební tlak.
Pod podmiňovací způsob (nominální)tlakРуoznačuje nejvyšší přetlak provozního tlaku při teplotě média 20C, která zajišťuje dlouhodobý provoz spojů potrubí a armatur určitých rozměrů, odůvodněných pevnostními výpočty pro zvolené materiály a jejich pevnostními charakteristikami při teplotě 20 st.С.
Podmíněný (jmenovitý) tlak armatur a potrubních částí musí odpovídat následujícím řadám (do 25 MPa): 0,1; 0,16; 0,25; 0,4; 0,63; 1; 1,6; 2,5; 4; 6,3; 10; 12,5; 16; 20; 25.
Povolené jmenovité tlaky: 0,6; 6,4; 8 MPa pro armatury a potrubní díly.
Pod zkušební tlak Pпрje třeba chápat jako přetlak, při kterém se musí provádět hydraulické zkoušky armatur a potrubí na pevnost a hustotu vodou o teplotě nejméně 5C a ne více než 70C, pokud regulační dokumentace neuvádí konkrétní hodnotu této teploty. Maximální odchylka zkušebního tlaku by neměla překročit 5 %.
Pod pracovní tlak Pр je nutné rozumět nejvyššímu přetlaku, při kterém je dlouhodobě zajištěn stanovený provozní režim armatur a potrubních dílů.
S rostoucí teplotou se mění mechanické vlastnosti kovu. Mechanická pevnost kovu trubek, potrubních dílů a tvarovek zpravidla klesá s rostoucí teplotou. Proto pro stejnou trubku při nízké teplotě její stěny může být pracovní tlak média vyšší než při vysoké teplotě. Na základě těchto úvah je tloušťka stěny potrubí stanovena s přihlédnutím k dovolenému napětí kovu při skutečné (provozní) teplotě média proudícího potrubím.
Pokud například počítáte tloušťku stěny trubek o vnějším průměru 325 mm vyrobených z oceli 20 a pracujících pod tlakem 10 MPa pro vodu o teplotě 200 °C a pro páru o teplotě 440 °C, pak v prvním případě požadovaná tloušťka stěny11,3 mm, a ve druhém –23,1 mm. Vezmeme-li jako materiál trubky ocel 12Х1 MF, pak pro dopravu páry o teplotě 440 °C pod tlakem 10 MPa musí být tloušťka stěny potrubí12,4 mm.
Z výše uvedeného příkladu je zřejmé, že pro spolehlivý provoz potrubí je důležité nejen střední tlakjím protéká, ale i jehoteplotaamateriál potrubí, ze kterého je potrubí vyrobeno.
U všech oprav souvisejících s výměnou potrubí nebo jeho jednotlivých úseků a částí byste měli přesně znát tlak, teplotu média a materiál potrubí. Vkládání do potrubí z náhodných úseků potrubí by nemělo být povoleno, i když jejich rozměry odpovídají rozměrům potrubí, protože to může způsobit nehodu.
