- •Министерство образования и науки
- •Введение
- •1. Основные положения теплопроводности
- •1.1. Температурное поле
- •1.2. Температурный градиент
- •1.3. Основной закон теплопроводности
- •1.4. Коэффициент теплопроводности
- •1.5. Дифференциальное уравнение теплопроводности
- •1.6. Краевые условия
- •Вопросы для самоконтроля к разделу 1
- •2. Теплопроводность при стационарном режиме и граничных условиях первого рода
- •2.1. Теплопроводность через однослойную плоскую стенку
- •2.2. Теплопроводность через многослойную плоскую стенку
- •2.3. Теплопроводность через однослойную цилиндрическую стенку
- •2.4. Теплопроводность через многослойную цилиндрическую стенку
- •2.5. Теплопроводность через шаровую стенку
- •Вопросы для самоконтроля к разделу 2
- •3. Теплопроводность при стационарном режиме и граничных условиях третьего рода. Коэффициент теплопередачи
- •3.1. Передача теплоты через плоскую
- •Однослойную и многослойную стенки (теплопередача)
- •3.2. Передача теплоты через цилиндрические однослойную и многослойную стенки
- •3.3. Передача теплоты через шаровую стенку
- •3.4. Передача теплоты через ребристую стенку
- •Вопросы для самоконтроля к разделу 3
- •4. Конвективный теплообмен
- •4.1. Основы теории конвективного теплообмена
- •Физические свойства жидкостей
- •Режимы течения и пограничный слой
- •4.2. Коэффициент теплоотдачи
- •4.3. Основы теории подобия Основные понятия
- •4.4. Критериальные уравнения
- •Вопросы для самоконтроля к разделу 4
- •5. Конвективный теплообмен в вынужденном и свободном потоке жидкости
- •5.1. Средняя температура. Определяющая температура.
- •Эквивалентный диаметр
- •5.2. Теплообмен при ламинарном течении жидкости в трубах
- •5.3. Теплообмен при турбулентном течении жидкости в трубах
- •5.4. Теплообмен при течении жидкости вдоль пластины
- •5.5 Теплообмен при поперечном обтекании одиночной трубы
- •5.6. Теплообмен при поперечном обтекании пучка труб
- •5.7. Конвективный теплообмен в свободном потоке жидкости
- •Вопросы для самоконтроля к разделу 5
- •6. Теплообмен излучением
- •6.1. Общие сведения о тепловом излучении
- •6.2. Основной закон поглощения
- •6.3. Основные законы теплового излучения
- •6.4. Лучистый теплообмен между твердыми телами
- •6.5. Экраны
- •6.6. Излучение газов
- •6.7. Сложный теплообмен
- •Вопросы для самоконтроля к разделу 6
- •7. Теплообменные аппараты
- •7.1. Типы теплообменных аппаратов
- •7.2. Основные положения теплового расчета
- •Вопросы для самоконтроля к разделу 6
- •Библиографический список
5.6. Теплообмен при поперечном обтекании пучка труб
В технике большое практическое значение имеет конвективный теплообмен в пучках труб при расположении их перпендикулярно движению жидкости. Применяют в основном два вида расположения труб в пучках:
– коридорное (рис. 5.3);
– шахматное (рис. 5.4).
Характеристиками пучка труб считаются: диаметр трубы и относительные шаги по ширине и глубинепучка. От расположения труб в значительной степени зависит характер движения жидкости, омывание трубок каждого ряда и в целом теплообмен в пучке. Омывание трубок первого ряда, независимо от расположения труб в пучке, практически не отличается от омывания одиночной трубы и зависит только от начальной турбулентности потока. Характер омывания следующих рядов труб в обоих пучках изменяется. При коридорном расположении трубы любого ряда затеняются соответственными трубами другого ряда, что ухудшает омывание лобовой части и поэтому большая часть поверхности трубы находится в вихревой зоне. При шахматном расположении труб загораживание одних труб другими не происходит. Вследствие этого коэффициент теплоотдачи в шахматных пучках при одинаковых условиях выше, чем в коридорных. Установлено, что для любого ряда шахматного расположения труб в лобовой части коэффициент теплоотдачи получает максимальное значение и изменение его мало отличается от коэффициента теплоотдачи труб первого ряда. Для труб второго и следующих рядов коридорного расположения получается два максимума теплоотдачи – примерно под углом около 50° к направлению потока.
Рис. 5.3 Рис. 5.4
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 всех последующих рядов остается величиной постоянной. Если теплоотдачу третьего ряда принять за 100%, то теплоотдача первого ряда коридорных и шахматных пучков составляет лишь 60%. Теплоотдача второго ряда коридорного пучка составляет 90%, а шахматного – 70%. В целом теплоотдача в шахматных пучках вследствие лучшей турбулизации потока выше, чем в коридорных.
В поперечно обтекаемых пучках можно выделить три основных режима омывания: ламинарный, смешанный и турбулентный. Наиболее изученным является смешанный режим, которому соответствуют числа Re от 10до 10.
Для определения коэффициента теплоотдачи третьего и последующих рядов труб пучка при смешанном режиме () рекомендуются следующие уравнения:
– при коридорном расположении труб
, (5.19)
где – поправочный коэффициент, учитывающий влияние
относительных шагов для глубинных рядов;
– при шахматном расположении труб
, (5.20)
где при
;
при
= 1,12.
При вычислении критериев подобия за определяющую температуру принята средняя температура жидкости, за определяющую скорость – скорость в самом узком сечении ряда, за определяющий размер – диаметр трубы. Формулы справедливы для любых жидкостей.
Для двухатомных газов и воздуха эти формулы упрощаются и принимают следующий вид:
– при коридорном расположении труб
; (5.21)
– при шахматном расположении труб
. (5.22)
Значение коэффициента теплоотдачи для труб первого ряда определяется путем умножения коэффициента теплоотдачи для третьего ряда на поправочный коэффициент = 0,6; для труб второго ряда в шахматных пучках на коэффициент= 0,7, а в коридорных на коэффициент= 0,9.
Среднее значение коэффициента теплоотдачи для всего пучка в целом определяется по формуле осреднения
, (5.23)
где – коэффициенты теплоотдачи в отдельных рядах труб;
–поверхности нагрева каждого ряда.