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 глубине пучка. 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 10 до 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.