18. Теплоотдача при поперечном обтекании одиночной трубы и пучков труб

Теплоотдача при поперечном обтекании одиночной трубы

При поперечном омывании трубы при значении числа Рейнольдса имеет место плавное безотрывное омывание внешней поверхности. С увеличением числа Рейнольдса режим становится ламинарным, а при , со стороны кормовой части трубы возникают вихревые потоки и отрыв пограничного слоя. Отрыв происходит при угле атаки .

При дальнейшем увеличении числа Рейнольдса угол отрыва вырастает с 80 до 440. В лобовой точке набегания потока, поток разделяется на две части, на поверхности трубы образуется пограничный слой, который имеет начальную толщину в лобовой точке, и далее постепенно нарастает в размерах. Скорость слоёв жидкости, примыкающих к внешней границе пограничного слоя, увеличивается вдоль периметра трубы, а давление в соответствии с уравнением Бернулли:

давление веса жидкости, высотой z

гидромеханическое давление

. (15.1)

динамическое или скоростное давление

При достижении угла атаки скорость достигает наибольшего значения и далее начинает уменьшаться, что сопровождается соответствующим увеличением или восстановлением давления. В этой области пограничный слой становится неустойчивым.

Имеем следующий график распределения коэффициента теплоотдачи по периметру трубы в зависимости от угла атаки :

Кормовая часть трубы омывается и поэтому коэффициент теплоотдачи возрастает.

На кривой 2 …

Второй минимум соответствует месту отрыва турбулентного пограничного слоя – примерно 140. За местом отрыва труба омывается вихрями (отрезок се), теплоотдача возрастает. Определяющий размер – внутренний диаметр d_вн, определяющая температура – средняя температура жидкости.

Точка b на графике 2 соответствует отрыву ламинарного пограничного слоя и образованию вихрей. Т.е. точка b соответствует переходу ламинарного течения в пограничном слое в турбулентное. Точка с соответствует … пограничного слоя. Точка d – отрыв турбулентного пограничного слоя от поверхности трубы.

Экспериментальными исследованиями поперечного омывания трубы занимался Жукаускас. Он обобщил многие экспериментальные данные, данные других авторов в виде экспериментальной зависимости. Средний по периметру трубы коэффициент теплоотдачи определяется:

. (15.2)

Различают три режима:

1. Ламинарное течение в пограничном слое:

.

2. Переходный режим (лобовая часть трубы омывается ламинарным пограничным слоем, а кормовая – турбулентным пограничным слоем):

.

3. Развитый турбулентный режим течения жидкости в пограничном слое:

.

При значении числа Рейнольдса происходит изменение закона теплообмена. Уравнение (15.2) справедливо при угле атаки .

Угол атаки потока – это угол между направлением потока и осью трубы.

Если угол атаки  отличается от 90, то необходимо ввести поправку в уравнение (15.2) на угол атаки:

, 	90	70	50	30	10	0
	1	0,98	0,87	0,67	0,55	0,5

В случае продольного омывания трубы коэффициент теплоотдачи меньше, чем при поперечном омывании.

Турбулентность потока, согласно рис. 12.2, характеризуется степенью турбулентности:

(пульсационные составляющие

скорости вдоль осей)

.

Влияние турбулентности набегающего потока на среднюю теплоотдачу трубы лежит в пределах:

.

Влияние турбулентности на среднюю теплоотдачу трубы

. (15.3)

Теплоотдача при поперечном омывании пучков труб

Теплообменные поверхности выполняют из труб в виде пучков. Расположение труб в пучке может быть либо в коридорном, либо в шахматном порядках (рис 15.3).

В кожухотрубчатых теплообменниках может быть ромбическое или концентрическое расположение труб в пучке:

К характеристикам пучка относятся:

• поперечный шаг пучка (S₁) – расстояние между осями двух соседних труб в ряду, перпендикулярному движению жидкости;

• продольный шаг пучка (S₂) – расстояние между осями двух соседних труб в ряду, параллельному движению жидкости;

• относительный поперечный шаг пучка – отношение S₁/d;

• относительный продольный шаг пучка – отношение S₂/d;

• количество рядов труб поперёк движения жидкости – n₁;

• количество рядов труб вдоль движения жидкости – n₂;

Т.к. пучок является турбулизатором потока, то критическое значение числа Рейнольдса Re_кр для пучка будет равно:

.

Если , то режим движения жидкости в пучке будет ламинарным; если , то режим движения жидкости в пучке будет турбулентный; смешанный режим течения существует при условии . Такой режим наблюдается в реальных теплообменных аппаратах.

Коэффициент теплоотдачи для первого ряда труб аналогичен коэффициенту теплоотдачи одиночной трубы. На теплоотдачу второго и последующих рядов влияет геометрия пучка (S₁ и S₂), поэтому первый ряд является турбулизатором для второго ряда, и коэффициент теплоотдачи у второго ряда будет больше. Начиная с третьего ряда коэффициент теплоотдачи устанавливается постоянным.

Для смешанного режима течения изменение коэффициента теплоотдачи по рядам показано на (рис. 15.4). Определяющий размер – наружный диаметр трубы. Определяющая скорость – скорость в самом узком месте. Определяющая температура – средняя температура теплоносителя.

Коэффициент теплоотдачи для пучка труб определяется исходя из критериального уравнения для третьего и последующих рядов труб:

,

при .

Для коридорного расположения: .

Для шахматного расположения: .

Поправочный множитель _i для третьего и последующих рядов равен 1, а для первого и второго рядов определяется из рис 15.4.

Коэффициент _S учитывает влияние относительности шагов. Для коридорного пучка , для шахматного пучка .

Поправка , учитывающая угол атаки , выбирается из таблиц. Для очень вязких жидкостей ( ): .

При обтекании пучка оребренных труб, коэффициент теплоотдачи рассчитывается по следующей критериальной зависимости:

, (15.5)

где h – высота ребра: ;

t – шаг рёбер;

D – диаметр ребра.

Формула справедлива при , .

,

где F_н – наружная поверхность оребрённой трубы;

F_в – внутренняя поверхность трубы.

Полученный из (15.5) подставляется в выражение для К.