3.6. Теплообмен при поперечном обтекании пучков труб
Теплообменные устройства редко выполняются из одной трубы, так как поверхность теплообмена при этом сравнительно невелика. Обычно трубы собираются в пучок.
Различают два основных типа пучков труб: коридорные и шахматные, (рис.3.11). Пучок характеризуется следующими геометрическими параметрами: диаметр трубы -d; шаг между осями труб в поперечном направлении движению потока –S1 ; шаг между осями труб по направлению движению потока –S2 ; количество труб поперек потока – n1; количество труб по направлению потока – n2.
Рис. 3.11. Геометрические параметры коридорных (а) и шахматных пучков труб
Течение жидкости в межтрубном пространстве имеет сложный характер (рис.3.12). Рядом стоящие трубы пучка оказывают влияние на омывание соседних. В результате теплообмен в пучке труб отличается от теплообмена при омывании одиночной трубы. Обычно пучок устанавливается в каком–либо канале. Поэтому течение в пучке связано с движением жидкости в канале.
Ламинарный режим движения в пучке случается крайне редко из-за турбулизирующего воздействия труб. При этом межтрубные зазоры как бы образуют отдельные щелевидные каналы переменного сечения. В технике чаще встречается турбулентная форма течения жидкости в пучках.
Теплоотдача в I ряду коридорного и шахматного пучков труб аналогична омыванию одиночной трубы.
Теплоотдача во II и III ряду возрастает за счет турбулизации потока в межтрубном пространстве.
Начиная с III-го ряда, турбулентность потока принимает стабильный характер, присущий данному типу пучка.
Рис. 3.12. Характер движения жидкости в коридорных (а)
и шахматных (б) пучках труб
По абсолютному значению теплоотдача в шахматных пучках выше, чем в коридорных, что обуславливается лучшим перемешиванием жидкости.
Если теплоотдача III-го ряда принята за 100%, то в шахматных и коридорных пучках теплоотдача первого ряда труб 60%, а II-го для коридорного 90%, для шахматных 70%.
На основе и обобщения опытных данных для расчета коэффициента теплоотдачи глубинных рядов труб (начиная с третьего ряда) рекомендуются соотношения:
а) коридорные пучки труб:
при
при
; (3.50)
б) шахматные пучки труб:
при
;
при
(3.51)
для труб первого и второго рядов значение корректируется:
.
Величина р определяется по таблице 3.6.
Таблица 3.6. Значения коэффициента для учета номера ряда
|
Тип |
Ряды |
|
|
1 |
2 |
|
|
Коридорный |
0,6 |
0,9 |
|
Шахматный |
0,6 |
0,7 |
Практическое значение имеет средний коэффициент теплоотдачи
.(3.52)
В качестве определяющего размера при расчетах чисел подобия следует принимать наружный диаметр труб, а в качестве определяющей температуры – температуру жидкости.
3.7. Теплообмен при обтекании плоской поверхности
При продольном течении жидкости вдоль плоской поверхности происходит образование гидродинамического пограничного слоя, в пределах которого в результате действия сил вязкостного трения скорость изменяется от значения скорости не возмущенного потока на внешней границе слоя, до нуля на самой поверхности пластины. По мере движения потока вдоль поверхности толщина пограничного слоя постепенно возрастает, тормозящее влияние стенки распространяется на все более далекие слои жидкости.
На небольшом расстоянии от кромки пластины пограничный слой весьма тонкий и движение жидкости носит ламинарный характер. Далее на некотором расстоянии lлам в пограничном слое начинают возникать вихри, и течение принимает турбулентный характер. Вихри обеспечивают интенсивное перемешивание жидкости в пограничном слое, однако в непосредственной близости от поверхности они затухают, и здесь сохраняется тонкий вязкий подслой.
Переход ламинарного движения в турбулентное происходит при критическом значении числа Re:
. (3.53)
Отсюда длина участка ламинарного участка пограничного слоя:
В результате преобразований пограничного слоя локальные значения коэффициента теплоотдачи будут переменными по длине пластины. Практическое значение имеют средние по длине пластины коэффициенты теплоотдачи. Теоретически и экспериментально установлены следующие уравнения:
или
,
то
(3.54)
или
,
то
В литературе имеется значение и уравнение подобия теплоотдачи для вычисления локальных значений коэффициента теплоотдачи.
В качестве определяющего принимается размер пластины в направлении движения потока, а в качестве определяющей температуры – температуру жидкости. Если при движении вдоль пластины температура жидкости ощутимо изменяется, в качестве определяющей следует принимать ее среднее значение на пути движения над пластиной:
;
.