Тепловой расчет

 Потери  энергии жидкостью и газами при  их движении, обусловленные внутренним трением, определяют величину гидравлического сопротиления [1, с. 79]. 

    

3.1 Расчет гидравлических  сопротивлений трубопроводов  и 

аппаратов, включенных в них.

    Теплообменные аппараты включаются в трубопроводы, входящие в состав насосных установок, образующих технологические схемы  различных пищевых или химических отраслей промышленности.  Расчету принадлежит схема насосной установки, предлагаемая в задании на проектировании.

    Различают два вида гидравлических сопротивлений (потерь напора): сопротивление трения и местные сопротивления:   и . Для расчета потерь напора по длине пользуются формулой Дарси-Вейсбаха [2]:

    

,

    где  - гидравлический коэффициент трения;

            - длина трубопровода, по которому протекает теплоноситель, м;

           d – диаметр трубопровода, м;

          - скоростной напор,м. 

    Для расчета потерь напора в местных  сопротивлениях применяют формулу Вейсбаха:

    

,

    где - коэффициент местных сопротивлений;

     - скоростной напор за местным  сопротивлением. 
 

3.1.1. Разбивка трубопровода  насосной установки  на участки: 

   Гидравлическому расчету подлежит схема, представленная на  рис. 12.

                  

Рис. 12 – Схема насосной установки 

    1 –емкость; 2 – насос; 3 – теплообменник; 5 – стерилизуемый аппарат. 

    Трубопровод состоит из всасывающей и напорной линий. Всасывающая линия – трубопровод  от нижней части емкости  до насоса. Напорная линия – участок трубопровода от насоса до теплообменника, теплообменник 3, участок от теплообменника 3 до стерилизуемого аппарата 4. 
 

    3.1.2.Определение  геометрических характеристик  участков трубопровода, скоростей и режимов движения в них теплоносителя 

    Диаметры  всасывающего и напорного трубопроводов  определим из уравнения расхода (12), принимая по [1, табл. 1.4] скорость во всасывающем трубопроводе м/с, а в напорном – м/с. 

    

 м. 
 
 

    По  ГОСТ 8732-78  [4, таб. 2.34] выбираем трубу  для всасывающего трубопровода диаметром 70 мм.

    Скорость  движения воды на всасывающем участке трубопровода: 

    

 м/с, 

    а режим движения 

      – турбулентный, так как  Re>10⁴ [6, с.43]. 

    где м²/с – кинематический коэффициент вязкости при t=14⁰С. 

    

 м

    По  ГОСТ 8732-78 [4,таб. 2.34] выбираем трубу для  напорного трубопровода диаметром 50 мм.

    Скорость  движения воды на напорном участке  трубопровода 

      м/с. 

    Режим движения воды на напорном участке  трубопровода от насоса до теплообменника 

      – турбулентный, так как  Re>10⁴ [6, с. 43]. 

    Режим движения воды на напорном замкнутом  участке трубопровода, включающего теплообменник  и стерилизуемый аппарат. 

     - турбулентный, так как Re>10⁴,

    где м²/с - кинематическая вязкость воды при t = 92°С  
 
 
 
 
 
 
 
 

   3.1.3.Расчет  сопротивлений трубопроводов  и аппаратов, включенных    в них 
 

    Всасывающий участок трубопровода 

    При турбулентном режиме движения гидравлический коэффициент трения может зависеть и от числа Рейнольдса, и от величины шероховатости трубы.

    Рассчитаем  гидравлический коэффициент трения для гидравлически гладких труб по формуле Блазиуса: 

    

.     (14) 

    

. 

    Проверим  трубу на шероховатость, рассчитав  толщину вязкого подслоя и сравнив ее с величиной абсолютной шероховатости стальной бесшовной новой трубы: , 

      м, 

, значит, труба гидравлически  гладкая и  . На всех остальных участках трубопровода будем считать трубы гидравлически гладкими.  

По  формуле Дарси-Вейсбаха 

    

,                                                          (15) 

  м. 

    Согласно  схеме насосной установки (рис. 12) на всасывающей линии имеются следующие местные сопротивления: два плавных поворота на 90 – ,[1, табл. 3.3]. Следовательно, , а по формуле Вейсбаха: 

    

,                                                          (16) 

    где – коэффициент местных сопротивлений;

      – скоростной напор за местным сопротивлением. 

    

 м. 

    Суммарные потери напора на всасывающем участке  трубопровода: 

    

м.

    Участок напорного трубопровода от насоса до теплообменника

 

    

      м. 

    Согласно  расчетной схеме (рис. 12) на напорном участке трубопровода от насоса до теплообменника имеется два местных сопротивления: два плавных поворота – [1, табл. 3.3].

    Поэтому

    

 м. 
 

     Суммарные потери напора на участке напорного трубопровода от насоса до теплообменника: 

    

 м.

    Теплообменник

 
 

    

      м. 
 
 
 

    Определим напор, теряемый в местных сопротивлениях теплообменника (рис. 13).

    Рис. 13 – Коэффициенты местных сопротивлений теплообменника 
 

    Предварительно  вычислим площади потока в различных  участках. 

    1.Площадь  поперечного сечения штуцера: 

      м²; 

2.Площадь  поперечного сечения крышки (свободного  сечения аппарата) 

      м²; 

    3.Площадь  поперечного сечения 56 труб теплообменника: 

      м². 

    Скорости  и скоростные напоры в соответствующих  сечениях:

      м/с;                    м; 

      м/с;                    м; 

      м/с;                      м. 
 
 
 

    Коэффициенты  местных сопротивлений:

    а) при входе потока через штуцер в крышку (внезапное расширение): 

     ; 

    б) при входе потока из крышки в трубы (внезапное сужение): 

     ; 

    в) при выходе потока из труб в крышку (внезапное расширение): 

     ; 

    г) при входе потока из крышки в штуцер (внезапное сужение): 

     . 
 
 

      Вычисляем потери напора в местных сопротивлениях:

      а) при входе потока через штуцер: 

        м; 

      б) при входе потока из крышки в трубы  первого хода аппарата: 

        м; 
 
 

      в) при выходе потока из труб в крышку: 

        м; 
 

      г) при выходе потока из крышки через  штуцер: 

        м; 

      д) при повороте из одного хода в другой на 180° ( =2,5):  

       м. 
 

  Суммарные потери напора в местных сопротивлениях теплообменника:

 

  Общие потери напора (по длине и в местных  сопротивлениях теплообменника): 

      

 м. 

    Диаметр напорного трубопровода d_н = 0,05 м совпадает с диаметрами штуцеров d_ш = 0,05 м, следовательно при входе и выходе из теплообменника потерь напора не будет . 

    

    Участок напорного трубопровода от теплообменника до стерилизуемого аппарата 

      

. 

      

м.

      Участок напорного трубопровода от теплообменника до стерилизуемого аппарата включает следующие местные сопротивления: 6 плавных поворот на 90⁰ . Тогда сумма коэффициентов местного сопротивления .

      

м.

      

м. 

   Суммарные потери напора в насосной установке (сети)  

м 

   3.2 Определение требуемого  напора насоса 

   Требуемый напор насоса определяем по формуле: 

    ,                                              (17) 

   где Н=8м– высота подъёма жидкости в насосной установке (от насоса), м,

   h_вс – высота всасывания насоса, h_вс= 0,5 м;

   Р_к – давление в стерилизуемом аппарате , Р_к = 0,55 МПа;

   Р_ат – атмосферное давление, Р_ат = 9,81×10⁴ Па;

     – суммарные потери напора  в сети, = 9,17 м.