7.4 Теплообмен при поперечном омывании пучков труб

Гидродинамическая картина поперечного омывания одиночной трубы довольно сложна. Еще более сложным является характер течения жидкости при омывании пучка труб. Теплообменные аппараты, в которых теплообменные поверхности собираются из пучков гладких труб, омывающихся поперечным потоком теплоносителя, довольно широко распространены в технике. Применяются в основном два вида пучков (см. рис. 7.4): коридорные (а) и шахматные (б).

Характеристиками пучка являются:

- наружный диаметр труб,

- количество рядов труб по ходу движения жидкости (по длине пучка),

- относительные шаги.

Отношение расстояния между осями двух соседних труб по ширине пучка к наружному диаметру трубы называют поперечным шагом . Отношение расстояния между осями двух соседних рядов труб по длине пучка к наружному диаметру трубы называют продольным шагом .

От расположения труб в значительной мере зависит характер движения жидкости в пучке, омывание каждого ряда и теплообмен в целом в пучке.

Рисунок 7.4 Омывание пучков труб потоком жидкости

Если в канале перед пучком было турбулентное движение жидкости, то оно будет турбулентным и в пучке труб. Причем степень турбулизации будет возрастать от ряда к ряду, т.к. пучок труб является хорошим турбулизирующим устройством.

Если в канале перед пучком режим течения был ламинарным, то в зависимости от числа Re в пучке труб может быть как ламинарное (при малых значениях числа Re < 10³), так и турбулентное течение жидкости.

В теплообменных аппаратах, как правило, имеет место турбулентное течение теплоносителя. Однако и при турбулентном течении в пучке теплообмен может определяться различными законами.

Изменение закона теплоотдачи связано с появлением на трубах пучка турбулентного пограничного слоя, который может появиться при Re ≈ 10⁵.

При Re ≈ 10³ - 10⁵ лобовая часть трубы омывается ламинарным пограничным слоем, а кормовая находится в вихревой зоне, при этом в межтрубном пространстве движение жидкости будет турбулентным.

В настоящее время этот режим является наиболее изученным. Рассмотрим его особенности. Омывание трубок первого ряда независимо от расположения труб в пучке, практически не отличается от поперечного омывания одиночной трубы и зависит только от начальной турбулентности потока. Характер омывания следующих рядов в обоих пучках изменяется.

При коридорном расположении трубы второго и последующего рядов «затеняются» соответственными трубами предыдущего ряда, что ухудшает омывание их лобовой части и большая часть трубы находится в слабой вихревой зоне.

При шахматном расположении труб в пучке для труб второго и последующих рядов такого «затенения» не происходит. Поэтому коэффициент теплоотдачи в шахматных пучках всегда выше, чем в коридорных при прочих равных условиях.

При любом расположении труб каждый ряд вызывает дополнительную турбулизацию потока. Поэтому коэффициент теплоотдачи для труб второго ряда выше, чем для первого, а для третьего ряда выше, чем для второго. Начиная с третьего ряда, поток жидкости стабилизируется, и коэффициент теплоотдачи для третьего и всех последующих рядов остается практически постоянным.

Если теплоотдачу третьего рядя принять за 100%, то теплоотдача первого ряда коридорных и шахматных пучков составляет 60%, а второго ряда коридорного пучка – 90%, второго ряда шахматного пучка – около 70%.

Кроме того, теплоотдача в пучках зависит от расстояния между трубами. Эта зависимость учитывается поправочным коэффициентом ε_Ѕ, который определяет влияние относительных шагов на турбулизацию потока.

Для рядов коридорного пучка (начиная с ІІІ):

. (7.20)

Для рядов шахматного пучка (начиная с ІІІ):

При ; (7.21)

При . (7.22)

При расчете теплообменных аппаратов и определении коэффициента теплоотдачи для третьего ряда пучка труб применяются следующие уравнения.

Коридорные пучки труб:

Если Re < 10³

; (7.23)

Для воздуха при Re < 10³:

. (7.24)

Если Re ≈ 10³ - 10⁵

(7.25)

Для воздуха при Re ≈ 10³ - 10⁵:

. (7.26)

Шахматные пучки труб:

Если Re < 10³

; (7.27)

Для воздуха при Re < 10³:

. (7.28)

Если Re ≈ 10³ - 10⁵

; (7.29)

Для воздуха при Re ≈ 10³ - 10⁵:

. (7.30)

При вычислении чисел подобия за определяющий линейный размер принят наружный диаметр трубы, за определяющую температуру – средняя температура жидкости, за определяющую скорость - скорость жидкости в самом узком сечении ряда.

По вышеприведенным формулам вычисляют коэффициент теплоотдачи для трубок ІІІ и последующих рядов.

Значение коэффициента теплоотдачи для трубок І ряда и коридорного и шахматного пучков:

α_І = α_ІІІ · 0,6.

Значение коэффициента теплоотдачи для трубок ІІ ряда:

- шахматных пучков: α_ІІ = α_ІІІ · 0,7;

- коридорных пучков: α_ІІ = α_ІІІ · 0,9.

Среднее значение коэффициента теплоотдачи для всего пучка в целом определится по формуле осреднения:

_, (7.31)

Где - средние коэффициенты теплоотдачи в отдельных рядах труб, Вт/м² град;

F_І, F_ІІ, F_n – площади поверхностей нагрева каждого ряда, м².

Если угол атаки потока жидкости, омывающего пучок труб, меньше 90^о (ψ < 90^о), то полученное по формуле (7.31) значение среднего коэффициента теплоотдачи в пучке умножается на поправочный коэффициент ε_ψ.

.