Пучки труб Основные определения

В теплообменных аппаратах наиболее часто используются так называемые пучки труб (трубные пучки, пакеты труб). Основными типами пучков можно считать коридорный (рис. ...) и шахматный (рис. ...).

Геометрия пучков характеризуется наружным диаметром труб и шагами поперечным (между трубами одного ряда) и продольным (между рядами). [При этом, очевидно, , но в шахматном пучке не обязательно !].

Особенности гидродинамики

В пучке поток испытывает большие возмущения, и турбулентный режим наступает уже при (для одиночной трубы было ). При на передней половине трубы образуется ламинарный погранслой, а сзади – неупорядоченные вихри, режим при называют смешанным (не переходным!). При режим считается ламинарным.

Первый ряд в пучках обоих типов работают в условиях, близких к случаю одиночный трубы, хотя значения характеристики несколько иные.

В следующих рядах коридорного пучка лобовые поверхности трубок обращены к застойным зонам за трубками предыдущего ряда, причем в этих застойных зонах циркуляция слабая, так как поток течет в “коридоре” между трубками. То есть лобовая и кормовая части каждой трубки омываются значительно менее интенсивно, чем боковая (и чем у одиночной трубы). Второй ряд работает в условиях, близких к условиям третьего и последующих рядов.

В шахматных пучках на лобовую поверхность трубки натекает струя из зазора между трубками предшествующего ряда, а жидкость из тыловой вихревой зоны втягивается в зазор следующего ряда. Поэтому в шахматном пучке омывание трубок более интенсивно, чем в коридорном, и по характеру ближе к омыванию одиночной трубы. Второй ряд здесь по условиям работы ближе к первому, и лишь с третьего ряда режим выравнивается.

Особенности теплоотдачи

Особенности теплоотдачи определяются описанным характером гидродинамики.

В коридорном пучке (кроме первого ряда) наибольшие значения имеют место на боковой поверхности трубок (максимум – при ). В шахматном – на лобовой поверхности. Средняя теплоотдача трубок в шахматном пучке выше, чем в коридорном (при равных прочих условиях).

Коэффициент теплоотдачи первых рядов ниже, чем глубинных. При этом в пучках обоих типов значение коэффициента теплоотдачи у трубок 1-го ряда составляет около 60% от трубок глубинных рядов. У второго ряда коридорного пучка теплоотдача уже около 90%, а у шахматного – только порядка 70% от третьего и последующих рядов. Впрочем, это зависит от режима набегающего потока. Если поток турбулизован (сразу за вентилятором или т.п.), то значения у первых рядов более высокие.

Уравнения для расчета теплоотдачи

Известны уравнения разных авторов для разных случаев. Обычно в них определяющий размер – внешний диаметр трубок , определяющая скорость - по самому узкому сечению пучке (то есть в шахматном пучке выбор этого сечения зависит от соотношения шагов и ), определяющая температура – средняя температура жидкости.

Как правило, уравнения записывается для трубок одного ряда и имеют характерный вид

,

где , – средний коэффициент теплоотдачи для трубок данного ( -го) ряда. Показатель близок к (0,33; 0,36 или т.п.);

– поправка на неизотермичность (например, для газов, для капельных жидкостей);

– поправка на номер ряда, то есть, в соответствии со сказанным выше, ; для шахматных и для коридорных пучков; для ;

– коэффициент учета относительных шагов и , то есть .

Например, в уравнении для (смешанный режим)

для шахматных,

для коридорных пучков;

при	для шахматных,

для коридорных пучков.

При неперпендикулярном обтекании добавляется поправочный коэффициент , учитывающий отличие угла атаки от . При значения (меньшие 1) отыскиваются по справочным таблицам или зависимостям.

Таким образом определяют и для трубок каждого ряда. Строго говоря, общую теплоотдачу пучка надо находить как суммарную по трубкам всех рядов

, где ,

где – средний температурный напор, – общая площадь поверхности трубок -го ряда, – число рядов. Но для упрощения расчетов часто вводят средний коэффициент теплоотдачи всего пучка , который с учетом различия по рядам, а также, возможно числа и длины трубок в рядах, можно найти по формуле

.

Аналогичным образом рассчитывается гидродинамическое сопротив­ление пучка , формулы имеются в справочниках.