Потери напора на преодоление сил трения в прямоугольных межреберных каналах теплоотвода охладителя на участке безотрывного течения.

Потеря давления на трение при ламинарном режиме течения в цилиндрической трубе определяется по формуле

где X — коэффициент сопротивления трению, характеризующий отношение сил трения и инерционных сил потока. Для ламинарного режима течения к — число Рейнольдса, являющееся критерием подобия течений реальной жидкости:

- коэффициент кинематической вязкости, - диаметр трубопровода, - средняя скорость в канале, — средняя плотность в канале, - полная длина трубопровода, .

Формула (7.9) справедлива для числа Рейнольдса . Формула справедлива не только для ламинарного, но и для турбулентного режима течения. В последнем случае можно использовать эмпирические или полуэмпирические зависимости, например Блазиус предложил зависимость

в которой до . С увеличением числа показатель степени уменьшается (коэффициент А также изменяется).

Для приближенных расчетов при турбулентном режиме течения для определения поля скорости в трубах можно принять зависимость

где большим числам соответствует большие .

Формула может быть распространена на трубопроводы некруглого сечения путем введения эквивалентного диаметра :

где - площадь проходного сечения, — смоченный жидкостью периметр, .

Таким образом, потеря напора на преодоление сил трения в межреберных каналах охладителя на участке безотрывного течения определяется по формуле

где определяется по формуле (7.10) в зависимости от режима течения.

Режим течения определяется числом Рейнольдса на входе в межреберный канал:

Некоторые величины и зависимости, характеризующие ламинарный и турбулентный режимы течения в трубе, представлены в табл. 7.8.

В реальных трубопроводах имеются участки с резким поворотом, тройники. Все эти элементы, характеризующиеся малой длиной, но большими гидравлическими потерями, принято называть местными сопротивлениями. Увеличенные потери в местных сопротивлениях связаны, главным образом, с отрывом потока и образованием вихревых зон, поэтому они в очень малой степени зависят от числа .

Потери в местных сопротивлениях обычно выражают в долях от динамического давления:

где — коэффициент местного сопротивления, зависящий от характера препятствия, которым вызываются указанные сопротивления.

Потери напора в местных сопротивлениях охладителя обусловлены сужением при входе в ребристую решетку охладителя и расширением потока при выходе из нее. В теплоотводах типа оребренной пластины дополнительно учитываются потери давления, обусловленные разветвлением потока.

Таблица 7.8. Основные зависимости, характеризующие режимы течения воздуха в охладителях

Коэффициент местного сопротивления определяют, как правило, экспериментально.

Потери напора при входе в ребристую решетку охладителя определяют как потери напора при входе в единичный межреберный канал.

При входе в прямую трубу поток обтекает кромку входного отверстия, но при недостаточно округленной форме входного отверстия поток по инерции отрывается вблизи входа от внутренней поверхности. Этот отрыв потока и вызванное им вихреобразование являются основными источниками потерь давления при входе. Отрыв потока от стенок трубы влечет за собой уменьшение поперечного сечения (сжатие) струи. При входе потока в прямую трубу постоянного поперечного сечения коэффициент определяется двумя параметрами: относительной толщиной стенки входной кромки трубы и относительным расстоянием от обреза трубы, в которую она заделана.

Единичный межреберный канал охладителя можно рассматривать как изолированный канал с утолщенной входной кромкой. Минимальное значение коэффициента сопротивления , которое может быть достигнуто при утолщении входной кромки, равно 0,5.

При входе потока из ребристого охладителя также имеют место потери давления. При увеличении проходного сечения поток не сразу заполняет все сечение, вследствие чего образуются угловые вихревые области, являющиеся источником дополнительных потерь; часть энергии потока расходуется на поддержание движения в этих областях.

При внезапном расширении поперечного сечения трубы возникают так называемые потери на «удар». Коэффициент сопротивления удара в случае равномерного распределения скоростей по сечению трубы перед ее расширением и турбулентного течения зависит только от отношений площадей узкого и широкого сечений или степени расширения .

В широком сечении при внезапном расширении образуется струя, отделенная от остальной среды поверхностью раздела, которая распадается и свертывается в мощные вихри. Длина участка, на котором происходит вихреобразование и постепенный переход вихрей в полное растекание потока по сечению, составляет примерно 8—12 ДГ (где ДГ — диаметр гидравлический широкого сечения). Потери на удар при внезапном расширении обусловливаются указанным вихреобразованием на этом участке.

При числе Рейнольдса в пределах (ламинарный и переходный режимы течения) коэффициент сопротивления удара зависит не только от отношения площадей , но и от числа , а при - только от этого числа.

В реальных условиях распределение скоростей в участке перед внезапным расщирением, как правило, также не бывает равномерным. Это обстоятельство заметно сказывается на действительных потерях, существенно повышая их.

Применительно к существующим теплоотводам коэффициент сопротивления удара определялся приближенно, так как чрезвычайно трудно определить точное распределение скоростей при выходе потока из межреберных каналов теплоотвода.

И для переходного, и для турбулентного режимов течения коэффициент сопротивления удара определялся по диаграмме. Предполагается, что при выходе потока из ребристой решетки охладителя имеет место распределение скоростей по степенному закону. Степень расширения определяется как отношение площади, через которую течет поток воздуха, к площади всего канала, в котором установлен теплоотвод.

Для теплоотводов охладителей из оребренных профилей учитываются потери напора на разветвление.

В изогнутых трубах и каналах вследствие изменения направления потока появляются центробежные силы, направленные от центра кривизны к внешней стенке трубы. Этим обусловливаются повышение давления у внешней стенки и понижение его у внутренней при переходе потока из прямолинейного участка трубы в изогнутый. Скорость потока получается соответственно меньшей у внешней стенки и большей у внутренней. Таким образом, в этом месте вблизи внешней стенки проявляется диффузорный эффект, а вблизи внутренней стенки — конфузорный.

Диффузорные явления приводят к отрыву потока от обеих стенок, при этом отрыв от внутренней стенки усиливается стремлением потока двигаться по инерции в изогнутом участке по направлению к внешней стенке. Образованная вследствие отрыва от внутренней стенки вихревая зона распространяется далеко вперед и вширь, существенно сокращая сечение основного потока.

Появлением центробежной силы и наличием пограничного слоя у стенок объясняется возникновение в изогнутой трубе вторичного поперечного течения, образование парного вихря, который налагается на главный поток, параллельный оси канала, и придает линиям потока винтообразную форму.

Основная часть потерь давления в изогнутых трубах вызывается вихреобразованием у внутренней стенки. Это вихреобразование определяет в основном и характер распределения скоростей за поворотом.

Коэффициент сопротивления изогнутых труб и структура потока в них изменяются под влиянием как факторов, определяющих степень турбулентного потока (число Рейнольдса, относительная шероховатость стенок, условия входа), так и формы трубы (угол поворота, относительный радиус закругления, относительная вытянутость поперечного сечения, отношение площадей входа и выхода).

При подсчете коэффициента сопротивления для теплоотводов из оребренных Профилей трудно составить полную картину течения при разветвлении потока. Поэтому согласно [3.10] коэффициент сопротивления берется приблизительно равным 1.

Суммарные потери в трубопроводе определяют как сумму местных и линейных потерь:

Такое суммирование потерь возможно при выполнении двух условий. Во-первых, расстояния между местными сопротивлениями должны быть достаточно большими (например, не менее 10 калибров), чтобы исключить взаимное их влияние. Во-вторых, местное сопротивление должно определяться с учетом его влияния на линейные потери в соседних участках трубопровода.

В настоящей работе при суммировании потерь давления в межреберных каналах для упрощения расчета влияние местного сопротивления на линейные потери в соседних участках трубопровода не учитывалось.

Потери напора, обусловленные ускорением потока вследствие изменения температуры и объема воздуха в межреберном канале,

где и - средние скорости, — плотность воздуха во входном и выходном сечениях потока, .

Вследствие незначительного изменения температуры и объема воздуха в межреберных каналах при расчетах эти потери напора иногда не учитываются.

Потери напора, вызванные сопротивлением самотяги,

где — средние плотности охлаждающего воздуха и воздуха окружающей среды, — расстояние по вертикали между входом и выходом теплоносителя, .

Знак плюс в формуле берется при движении теплоносителя сверху вниз, знак минус — при движении его снизу вверх. Это означает, что при подаче в охладитель воздуха вниз общее сопротивление движению теплоносителя увеличивается на величину , а при подаче вверх уменьшается на ДЯС. Для замкнутых систем, где теплоотводы охладителя не сообщаются с окружающей средой, .

Процессы ускорения и самотяги оказывают заметное влияние на уровень сопротивления лишь при ламинарном режиме течения воздуха в межреберных каналах. В большинстве ПУ охладители работают в условиях форсированного принудительного воздушного охлаждения с турбулентным режимом течения воздуха в межреберных каналах. В этих условиях изменение температуры и плотности воздуха в межреберных каналах охладителя весьма незначительно, поэтому влияние процессов ускорения потока и самотяги можно не учитывать.

Таким образом, при неустановившемся течении воздуха аэродинамическое сопротивление охладителя имеет сложную природу, обусловленную одновременным протеканием нескольких физических процессов в межреберных каналах. С ростом скорости движения воздуха преобладающее влияние на сопротивление начинают оказывать процессы гидродинамического трения и преодоления местных сопротивлений, связанные с уровнем кинетической энергии потока.

В качестве примера проведен расчет аэродинамического сопротивления оребренных профилей теплоотводов , охладителей СПП воздушных систем охлаждения, выпускаемых по ТУ .

Расчет аэродинамического сопротивления проводится по следующей схеме.

Условия окружающей среды: Т=20° С; ; - плотность поперечного сечения межреберного канала; П — смоченный жидкостью периметр; — эквивалентный диаметр.

Имеем

Для ;

определяем

где -длина межреберного канала.

Далее имеем

Для теплоотводов охладителей

Результаты расчета аэродинамического сопротивления теплоотводов охладителей и сравнение с экспериментальными данными приведены в табл. 7.9.