2.7.3 Теплоотдача при поперечном обтекании труб.

Итак рассмотрим 2 задачи поперечного набегания потока жидкости (газа) на одиночные трубы и пучки труб. Опыт показывает, что теплоотдача в этом случае существенно интенсивнее чем при продольном обтекании трубы или пучка труб. Почему? Ну во-первых более эффективно работает поверхность теплообмена (при продольном обтекании по мере движения вдоль трубы ∆t падает и интенсивность теплообмена тоже, при поперечном обтекании поверхность работает более равномерно) и во- вторых это связано со структурой потока при поперечном обтекании трубы, отличной от случая продольного обтекания. Её мы рассмотрим на примере одиночной трубы.

Вследствие большей интенсивности теплоотдачи поперечное обтекание труб нашло широкое применение в практике конструировании теплообменных аппаратов (радиатор автомобиля, котел и т. д.) .

Для расчетов коэффициентов теплоотдачи “α” при поперечном обтекании труб получены достаточно надежные уравнения подобия. При их использовании надо рассчитать два основных случая: обтекание одиночной трубы и обтекание пучка труб.

2.7.3.1 Теплоотдача при обтекании одиночной трубы.

Пусть одиночная труба находиться в поперечном потоке набегающей жидкости со скоростью ω. Средняя температура набегающего потока жидкости равна t_ж.

Движение жидкости у поверхности трубы является сложным. Его характер не одинаков на передней боковой (90⁰) и задней (180⁰) половинках цилиндра трубы.

Поток жидкости набегает на цилиндр в лобовой части и начинает его обтекать. Вдоль поверхности трубы образуется ламинарный пограничный слой. В районе экватора боковой поверхности (точнее при угле 82⁰) происходит отрыв струи от поверхности трубы и возникают вихревые турбулентные структуры. Следовательно только 45% поверхности трубы омывается потоком жидкости безотрывно, остальная часть её находится в вихревой зоне со сложным циркуляционным течение.

Такая своеобразная картина обтекания одиночной трубы в сильной мере отображается и на теплоотдаче.

На лобовой части трубы (0⁰) (где поток жидкости набегает на неё), коэффициент теплоотдачи α имеет максимальное значение (от удара разрушается ламинарный пограничный слой).

Далее по мере обтекания боковой поверхности до угла в 82⁰ коэффициент теплоотдачи уменьшается вследствие роста ламинарного пограничного слоя. В кормовой части трубы он вновь несколько возрастает, так как здесь наблюдается отрыв потока и образование вихревых структур.

В литературе вы можете найти обширные опытные данные как по значениям местных коэффициентов теплоотдачи при поперечном обтекании труб, так и по их средним значениям по всей поверхности трубы. Последние представляют наибольший интерес в технических расчетов.

Вообще, при поперечном обтекании труб в теплообмене учувствует лишь тонкий, прилегающий к поверхности слой жидкости. Но так как этот слой от остальной жидкости не отделен, то процесс теплоотдачи сильно зависит от характера движения всей массы жидкости, угла атаки, диаметра трубы и ряда других факторов.

Для определения средних значений α по периметру одиночной трубы можно рекомендовать следующие критериальное уравнение подобия: 10³<Re<2∙10⁵.

(7)

Это уравнение справедливо для жидкостей и газов. Учитывая, что для газов Pr_ж=const уравнение (7) можно упростить, так для воздуха и 2 – х атомных газов.

(7а)

В этих уравнениях в качестве определяющей температуры принята температура набегающего потока , определяющий линейный размер – наружный диаметр трубыd_н

- учитывает влияние на уравнение теплообмена, при направлениивыше чем при охлаждении жидкости.

Из уравнения (7) мы видим, что при поперечном обтекании одиночной трубы коэффициент теплоотдачи потока зависит от скорости ω, физических свойств Pr_ж, диаметра трубы (с уменьшением диаметра трубы интенсивность теплоотдачи растет). Кроме того при поперечном обтекании коэффициент теплоотдачи α существенно зависит от угла атака φ (т.е. от направления потока жидкости по отношению к оси трубы ).

Приведенные уравнения (7) и (7а) справедливы для угла атаки φ=90⁰. Если φ<90⁰ то αуменьшается. Поэтому полученный из уравнения (7) коэффициент теплоотдачи необходимо домножать на поправочный коэффициент ε_φ<1. (Например для φ=45⁰, ε_φ =0,8). Значение его берется из специальных графиков.

Из графика видно, что худшим случаем теплоотдачи будет продольное обтекание трубы (φ=0⁰).

Теперь рассмотрим поперечное обтекание пучка труб.