 |
обтекании одиночной трубы. обтекании пучка труб
|
|
|
|
ОБТЕКАНИИ ОДИНОЧНОЙ ТРУБЫ
В теплотехнологиях большое распространение получили трубчатые теплообменники с перекрестным током. Трубы в этом случае обтекаются снаружи перпендикулярным их оси потоком жидкости. Турбулентность потока при этом повышается, что при одинаковых скоростях ведет к повышению теплоотдачи на внешней поверхности труб при поперечном обтекании по сравнению с продольным.
Опыт показывает, что безотрывное плавное обтекание труб имеет место лишь при малых числах Рейнольдса порядка Re ≈ 5. В характерных для практики условиях обтекание тел сопровождается отрывом потока и образованием в кормовой части вихревой зоны. Картина течения при поперечном обтекании одиночной трубы показана на рис. 3. 7. Пограничный слой имеет наименьшую толщину в лобовой (фронтовой) части трубы и нарастает, достигая наибольшей величины вблизи φ = 900. В этой зоне происходит отрыв ламинарного пограничного слоя от поверхности трубы, и кормовая часть трубы омывается сильно завихренным потоком с обратными циркуляцион-ными токами.
Положение точки отрыва струи не является стабильным и зависит от характера движения невозмущенного потока. Чем больше скорость потока, тем при больших углах φ происходит отрыв ламинарного пограничного слоя. При больших значения числа Рейнольдса (Re> 1·105) ламинарный пограничный слой переходит в турбулентный, а отрыв слоя, например, при Re > 2·105 происходит при φ = 120 – 1400.
Рис. 3. 7. Картина течения при поперечном обтекании трубы
Это смещение точки отрыва пограничного слоя приводит к уменьшению вихревой зоны в кормовой части трубы и обтекание ее улучшается. Такая своеобразная картина движения жидкости при поперечном обтекании одиночной трубы в сильной мере отражается на интенсивности теплоотдачи по периметру трубы.
|
|
|
На рис. 3. 8 показана типичная зависимость отношения местного коэффициента теплоотдачи α φ к среднему его значению для всей трубы от угла φ, который определяет местоположение точки на окружности. Как видно из рисунка, теплоотдача протекает наиболее интенсивно вблизи лобовой образующей цилиндра (φ = 0), так как пограничный слой в этой зоне имеет наименьшую толщину. Вблизи участков поверхности, где пограничный слой достигает наибольшей толщины, коэффициент теплоотдачи имеет минимальное значение. В кормовой части коэффициент теплоотдачи увеличивается, достигая максималь-ного значения при φ = 1800 за счет интенсивного вихревого движения жидкости.
Сложный характер теплообмена, связанный со сложным движением жидкости при поперечном обтекании трубы (отрыв струи и образование вихрей), затрудняет теоретическое исследование процесса. Все приве-денные ниже результаты получены экспериментальным путем. Уравне-ния подобия, позволяющие определять средний коэффициент теплоот-дачи одиночной трубы, имеют вид:
при Reж = 5 – 1·103
Nuж = 0, 5Reж0, 5Prж0, 38 (Prж/Prст)0, 25;
Рис. 3. 8. Изменение коэффициента
теплоотдачи по периметру трубы
(3. 43)
для воздуха и двухатомных газов
Nuж = 0, 43Reж0, 5. (3. 44)
При Reж = 1·103 – 2·105
Nuж = 0, 25Reж0, 6Prж0, 38 (Prж/Prст)0, 25; (3. 45)
для воздуха и двухатомных газов
|
|
|
Nuж = 0, 216Reж0, 6. (3. 46)
За определяющий геометрический размер принят наружный диаметр трубы, за определяющую температуру – средняя температура жидкости. Скорость отнесена к самому узкому сечению канала, в котором расположена труба.
Приведенные формулы справедливы для трубы, которая располагается перпендикулярно направлению потока, когда так называемый «угол атаки» ψ при поперечном обтекании трубы ψ = 900. При ψ < 900 коэффициент теплоотдачи определяется из соотношения:
α ψ = ε ψ α, (3. 47)
где α –коэффициент теплоотдачи, найденный по формулам (3. 43)-(3. 46);
ε ψ – поправочный коэффициент.
Значения ε ψ представлены в таблице 3. 4.
Таблица 3. 4. Значения ε ψ для одиночной трубы
| ψ, град |
| ε ψ | 1 | 1 | 0, 98 | 0, 95 | 0, 87 | 0, 77 | 0, 67 | 0, 6 | 0, 55 |
3. 2. 3. ТЕПЛООТДАЧА ПРИ ПОПЕРЕЧНОМ
ОБТЕКАНИИ ПУЧКА ТРУБ
Компоновка труб в пучки и пакеты нашла широкое распространение в теплообменных аппаратах различных теплотехнологий. Типичное расположение трубных пучков – шахматное (рис. 3. 9, а) и коридорное (рис. 3. 9, б). Геометрическими характеристиками пучков являются: внешний диаметр труб, количество рядов труб по направлению потока теплоносителя, относительный поперечный (относительно направления потока) s1/d и относительный продольный s2/d шаги труб.
Рис. 3. 9. Шахматная (а) и коридорная (б) компоновки трубных пучков
Теплоотдача труб, составляющих трубный пучок, зависит от расположения труб в пучке, а также от номера ряда, в котором труба находится. Характер движения теплоносителя показан на рис. 3. 10. При
шахматном расположении труб в пучке теплоноситель перемешивается
лучше, и теплообмен протекает более интенсивно.
Движение теплоносителя в пучках при низких числах Рейнольдса может сохранять ламинарный режим, но это сравнительно редкий случай. Чаще имеет место турбулентное движение. Значение Reкр для пучков обычно принимают Reкр = 1·105. При Reкр < 1·105 режим течения
|
|
|
пучков обычно принимают Reкр = 1·105. При Reкр < 1·105 режим течения смешанный, т. е. лобовая часть омывается пограничным слоем, а кормовая находится в вихревой зоне, при этом в межтрубном пространстве движение теплоносителя будет турбулентным.
.
Рис. 3. 10. Характер движения теплоносителя при
коридорном (а) и шахматном (б) расположении труб
Движение теплоносителя в пучках при низких числах Рейнольдса может сохранять ламинарный режим, но это сравнительно редкий случай. Чаще имеет место турбулентное движение. Значение Reкр для пучков обычно принимают Reкр = 1·105. При Reкр < 1·105 режим течения смешанный, т. е. лобовая часть омывается пограничным слоем, а кормовая находится в вихревой зоне, при этом в межтрубном пространстве движение теплоносителя будет турбулентным.
Картина обтекания и интенсивность теплоотдачи труб первого ряда
в шахматных и коридорных пучках такие же, как и для одиночной трубы. Поэтому характер теплообмена на трубах первого ряда аналогичен изменению местного коэффициента теплоотдачи на поверхности одиночной трубы (см. рис. 3. 8). Трубы же второго и последующих рядов пучка находятся в вихревой зоне впереди расположенных труб, и характер их обтекания и теплоотдача зависят кроме режимных параметров также от плотности их упаковки в пучке. Начиная с третьего ряда, режим течения и теплообмен стабилизируются. На рис. 3. 11 показано изменение коэффициента теплоотдачи по периметру труб, расположенных в первом (1), втором (2) и последующих (3-7) рядах коридорного (рис. 3. 11, а) и шахматного (рис. 3. 11, б) пучков при смешанном режиме течения теплоносителя.
Рассмотрение кривых α φ /α = f(φ ) позволяет сделать следующие выводы. Для шахматных пучков локальные коэффициенты теплоотдачи всех рядов труб имеют наибольшее значение на лобовой образующей (φ = 0). На трубах глубинных рядов коридорного пучка максимум локальной теплоотдачи наблюдается на образующей, отстоящей от лобовой на 500, т. е. там, где струя, движущаяся в пучке, «смывает» пограничный слой, утоньшая его при ударе о поверхность трубы. Теплоотдача труб третьего и последующих рядов пучка одинакова и выше, чем первого и второго рядов.
|
|
|
Анализ и обобщение результатов многочисленных экспериментальных исследований теплоотдачи в пучках труб позволили сделать общие выводы. Средняя теплоотдача первого ряда определяется начальной турбулентностью потока. Средняя теплоотдача стабилизируется, начиная с третьего ряда, так как первыые два ряда являются по существу системой турбулизирующих устройств. В глубинных пучках устанавливаются гидро- или газодинамика и теплообмен, зависящие от геометрии пучка и числа Re.
Анализ и обобщение результатов многочисленных экспери-ментальных исследований теплоотдачи в пучках труб позволили сделать общие выводы. Средняя теплоотдача первого ряда определяется начальной турбулентностью потока. Средняя теплоотдача стабили-зируется, начиная с третьего ряда, так как первыые два ряда являются по существу системой турбулизирующих устройств. В глубинных пуч-ках устанавливаются гидро- или газодинамика и теплообмен, зависящие от геометрии пучка и числа Re.
Теплоотдача труб первого ряда составляет 60% от теплоотдачи труб третьего ряда. Теплоотдача во втором ряду несколько выше и в коридорных пучках труб составляет 90%, а в шахматных пучках – около 70% от теплоотдачи труб третьего ряда. При прочих равных условиях в ламинарной области теплоотдача шахматных пучков труб в 1, 5 раза выше теплоотдачи коридорных. В смешанном режиме течения теплоносителя, когда передняя поверхность труб омывается ламинар-ным пограничным слоем, а кормовая – вихревым потоком, эта разница в теплоотдаче шахматных и коридорных пучков труб уменьшается и в пределе при Re ≥ 105 практически исчезает.
Рис. 3. 11. Изменение относительного коэффициента теплоотдачи по
периметру труб коридорного(а) и шахматного (б) пучков
Расчет среднего коэффициента теплоотдачи третьего и последующих рядов пучка труб рекомендуется вести по следующим эмпирическим зависимостям:
|
|
|
