Определение аэродинамических сопротивлений при движении воздуха и газов

Сопротивление трения. В общем случае при продольном об­текании поверхности нагрева сопротивление трения равно, Па,

,

(4.3)

где		–	коэффициент сопротивления трения, зависящий в общем случае от относительной шероховатости стенок ( – абсолютная шероховатость стенок) и числа Рейнольдса Rе = ;
		–	скорость потока, м/с;
		–	коэффициент кинематической вязкости газа или воздуха, м2/с (см. рис. 3.9);
		–	длина канала, м;
		–	эквивалентный диаметр канала, м;
		–	плотность среды при температуре , кг/м3.

Для судовых парогенераторов характерна область работы, в которой зависит только от и определяется формулой

,

(4.4)

Величину можно принимать равной 0,2 мм для труб по­верхностей нагрева и 0,4 мм для стенок газоходов, выполненных из листовой стали.

Местные сопротивления. К ним относятся сопротивления, вызванные внезапным изменением сечения канала (вход, вы­ход), сопротивление поворотов и сопротивление топочных устройств.

Местные сопротивления рассчитываются по формуле, Па,

,

(4.5)

где		–	коэффициент местного сопротивления, определяемый по опытным данным;
		–	скорость потока, отнесенная к меньшему сечению канала, м/с.

На рис. 4.2 изображены графики для определения коэффи­циентов сопротивления при внезапном изменении сечения ка­нала. При сужении потока в расчетную формулу (4.5) входит коэффициент , а при расширении – .

Коэффициент сопротивления поворотов определяется по фор­муле

,

(4.6)

где		–	коэффициент, учитывающий влияние шероховатости стенок канала (для стальных газовоздухопроводов );
		–	исходный коэффициент сопротивления поворота, зависящий от формы поворота;
		–	коэффициент, зависящий от угла поворота (при коэффициент );
		–	коэффициент, зависящий от размеров поперечного сечения канала (для круглого и квадратного каналов ).

При использовании формулы (4.6) следует различать плав­ные повороты (или отводы) и резкие повороты (колена). Плавные повороты имеют закругления наружной и внутренней кро­мок радиусом R. У резких поворотов или колен плавных закруг­лений нет, но могут быть скругления острых кромок малым ра­диусом (наружным или внутренним ). На рис. 4.3 представлен график для определения произведе­ния в зависимости от формы поворота и относительной кри­визны R/b или , где – ширина канала. При угле плавного поворота = 30, 60, 90, 120, 150° коэффициент В = 0,5; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4 соответственно. Коэффициент с зависит от отноше­ния высоты канала к его ширине ; при = 0,5; 1,0; 1,5 коэффициент с плавных поворотов принимает значения 1,3; 1,0 и 0,8 соответственно.

Рис. 4.2. Коэффициент сопротивления при внезапном изменении сечения канала – мéньшая и бóльшая площади живого сечения соответственно Рис. 4.3. График для определения произведения при плавных и резких поворотах: 1 – плавный поворот с закруглением стенок; 2 – плавный поворот с составными (сварными) секциями; 3 – резкий поворот = 0, > 0; 4 – резкий поворот . В случае > 1 при = 0 и > 0 = 0,47

Сопротивления плавных поворотов меньше, чем резких. По­этому надо стремиться к выполнению плавных поворотов.

Например, канал квадратного сечения ( = 1,0) должен иметь поворот на 90° ( = 1,0). Если поворот выполнить рез­ким, почти без скругления кромок ( ), то = 0,8 и = 0,8∙0,1∙1,0 = 0,8 (на рис. 4.3 кривая 3 при = 0,2). Если поворот выполнить плавным, с закруглением = 1,5, то сопротивление поворота можно уменьшить в 4 раза, так как в этом случае = 0,2 и = 0,2∙1,0∙1,0 = 0,2.

Сопротивление топочного устройства определяется по фор­муле (4.5). Коэффициент сопротивления топочного устройства можно принять равным = 2,7 ÷ 3,2. Входящая в формулу (4.5) скорость движения воздуха рассчитывается как скорость движения в фурме, м/с,

,

(4.7)

где		–	температура воздуха на входе в топку ( = 30 ÷ 35°С);
		–	число включенных топочных устройств (у которых открыты регистры);
	= 0,785 , м2	–	площадь сечения фурмы;
		–	диаметр фурменного отверстия, м.

Для качественного смесеобразования топлива с воздухом скорость воздуха в фурме должна быть в пределах = 25 ÷ м/с.

Сопротивление поперечно-омываемых пучков труб. Этот вид сопротивления примерно на 25% состоит из трения и на 75% из местного сопротивления. Расчет аэродинамического сопротив­ления при поперечном омывании трубных пучков производится по формуле

,

(4.8)

где		–	коэффициент сопротивления поперечно-омываемых трубных пучков;
		–	скорость потока [для газов она уже определялась в формулах (3.47) и (3.50)], м/с;
		–	плотность среды при средней температуре потока [для газа = 1,3∙273/(273 + ), кг/м3, где – средняя температура газа в пучке, °С].

Коэффициент для коридорного пучка труб определяется по формуле

,

(4.9)

где		–	коэффициент сопротивления одного ряда труб;
		–	число рядов труб в пучке.

Значение для коридорного расположения гладкотрубных пучков можно определить по формуле

,

(4.10)

где

–

относительный поперечный шаг труб в пучке.

Формула (4.10) справедлива при и , где .

Для шахматного пучка труб

.

(4.11)

В этом случае

.

(4.12)

При 0,14 1,7 и величина определяется по формуле

,

(4.13)

где ; .

Если поток омывает трубный пучок под углом менее 90° (ко­сое омывание), то величина , рассчитанная по формуле (4.8), увеличивается на 10%. Заметим, что значение од­ного пакета, включающего 10–20 рядов, обычно невелико и со­ставляет примерно от 100 до 200 Па.

Нивелирный перепад давления. Нивелирный перепад давле­ния (самотяга) возникает из-за того, что газовоздушный тракт котла и окружающая котел воздушная атмосфера являются как бы сообщающимися сосудами, заполненными жидкостями с раз­ной плотностью: менее плотным горячим газом и более плотным холодным атмосферным воздухом. Благодаря этому возникает подъемная сила, помогающая движению, если газ движется вверх, или оказывающая сопротивление – если газ в газоходе движется вниз.

Нивелирный перепад давления определяется по формуле, Па,

,

(4.14)

где		–	высота канала, заполненного газом, м;
		–	плотность окружающего воздуха (при = 20 ÷ 30°C ≈ 1,20 ÷ 1,16 кг/м3 );
		–	средняя плотность газа на участке высотой , кг/м3.

При восходящем движении газа (воздуха) величина имеет знак «минус», уменьшая величину , а при опускном – «плюс», что увеличивает .

Суммарное аэродинамическое сопротивление судового котла, показанного на рис. 4.1, составляет 2400–2600 Па.