Теплообмен при обтекании пучков труб (цилиндров)

Теплообменные устройства выполняются, как правило. в виде пучков труб (цилиндров). В технике чаще встречаются два основных типа цилиндрических пучков: шахматный или коридорный.

Характеристикой пучка является поперечный шаг S₁ (расстояние между осями цилиндров в направлении, поперечном потоку жидкости) и продольный шаг S₂ (расстояние между осями соседних цилиндров расположенных один за другим в направлении течения жидкости). Относительный шаг (расстояние) по глубине пучка S₁/d - отношение расстояния между осями двух соседних рядов цилиндров по направлению движения жидкости к внешнему диаметру цилиндров. Относительный шаг S₂/d - отношение расстояния между осями цилиндров по ширине пучка к внешнему диаметру.

Обтекание пучков цилиндров отличается от обтекания одиночного цилиндра, так как соседние цилиндры оказывают влияние на характер движения. На трубах глубинных рядов коридорных пучков максимум локальной теплоотдачи наблюдается на образующей, отстоящей от лобовой на 50⁰. В шахматных пучках максимум теплоотдачи труб всех рядов отмечается на лобовой составляющей. Теплоотдача труб третьего и последующего рядов пучка одинакова. Если это значение принять за 100%, то в шахматных и коридорных пучках теплоотдача труб первого ряда составляет лишь 60%, второго коридорного ряда 90%, а второго шахматног ряда 70%. при прочих равных условиях в ламинарной области теплоотдача шахматных пучков в 1.5 раза выше коридорных. В смешанном режиме течения, когда передняя поверхность труб омывается ламинарным пограничным слоем. кормовая - вихревым потоком, эта разница в теплоотдаче уменьшается и в пределе при практически исчезает.

Средний коэффициент теплоотдачи трубы в глубинном (начиная с третьего ряда) ряду пучка при :

шахматный пучок

при	;
при	;

коридорный пучок

Средний коэффициент теплоотдачи трубы при обтекании всего пучка жидкостью или газом, :

.

Число Нуссельта вычисляется по формулам выше, поправка находится из справочника в зависимости от числа рядов труб в пучке. Определяющий размер - диаметр трубы, определяющая температура средняя температура жидкости или газа (кроме Pr_с). Скорость потока определяется в сечении, проходящем через оси поперечного ряда труб.

Теплоотдача при течении жидкости (газа) в трубах

Ламинарный режим наблюдается при числе Рейнольдса ниже критического, который для изотермического потока в круглой трубе равен 2300. Режим развитого турбулентного течения устанавливается при . Значения Re до 10⁴ соответствуют переходному режиму. вследсвтие теплообмена плотность текущей среды может быть неоднородной по сечению и длине канала, и при определенных значениях числа Рэлея Ra=GrPr в вынужденном потоке может возникнуть и развиваться свободная конвекция. Ламинарное течение в отсутствии свободной конвекции принято называть вязкостным, а течение, сопровождающееся свободной конвекцией, вязкостно-гравитационным. Вязкостный режим тем более вероятен, чем больше вязкость жидкости и меньше диаметр трубы и температурный напор.

На начальном участке канала профили скорости и температуры жидкости (газа) изменяются от состояния во входном сечении до полностью развитой по сечению потока формы. Эти участки канала, в пределах которых формируются гидродинамический и тепловой пограничные слои, соответственно называются гидродинамическим и термическим начальным участком. на участках гидродинамической и тепловой стабилизации потока теплоотдача по мере развития пограничных слоев падает по длине канала, число Нуссельта уменьшается приближаясь к постоянному значению . Это значение , называемое предельным, характеризует интенсивность теплоотдачи полностью стабилизированного потока. В трубах длиной и среднюю теплоотдачу можно считать равной предельной: .

13