Дзюбенко Б.В., Дрейцер Г.А., Ашмантас Л.-В.А. - Нестационарный тепломассообмен в пучках витых труб, страница 2

Индексы: з — закрученный пучок; и — источник диффузии; к — кожух теплообменника; кс — кваэистационарный; Л вЂ” при описании течения по Лаг- ранжу; м максимальная; модифициро- ванный; н — иестациоиарный; п — поток; для прямого пучка витых труб; с — стенка; ст — стержень; ср — средняя величина; средне- массовый; т — турбулентный; "твердая фаза*', тр — труба; ц — цилиндрическая часть ореб- ренного стержня; Э вЂ” при описании течения по Эйлеру; Ь вЂ” среднемассовый; с' — определено по сакэ, т — при средней температуре в пристенном слое; г — направлено по оси у; х — направлено по оси х; 6 — определено по толщине при- стенного слоя; т — тангенциальная; 1, 2 — течение внутри витых труб и в межтрубном пространстве. Гл ене1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОСОБЕННОСТИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССООБМЕНА В ПУЧКАХ ВИТЫХ ТРУБ ЪЪ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ С ПУЧКАМИ ВИТЫХ ТРУБ В настоящее время разработаны разнообразные конструкции теплообменных аппаратов с пучками витых труб овального профиля.

В теплообменном аппарате с продольным обтеканием пучка витых труб (рис. 1.1) трубы установлены одна относительно другой с касанием по максимальному размеру овала и закреплены прямыми круглыми концами в трубных досках*. При такой установке труб обеспечивается существенная интенсификация тепломассообменных процессов в межтрубном пространстве аппарата и решается другая важная задача — обеспечения его вибропрочности. Интенсификация теплообмена в межтрубном пространстве такого теплообменника и внутри витых труб [39) при оптимальных относительных шагах закрутки профиля труб Я/и' = 6 ... 16 позволяет в 1,5 ... 2 раза уменьшить объем теплообменного аппарата по сравнению с гладкотрубным аппаратом при заданных тепловой мощности и мощности на прокачку теплоносителей. При этом уменьшается масса аппарата и его металлоемкость. В таком аппарате все витые трубы имеют одинаковое направление закрутки (либо правое, либо левое).

На границе винтовых каналов таких труб возникает тангенциальный разрыв вращательной компоненты скорости, что приводит к турбулизации потока, В пристенном слое труб поток закручен по закону твердого тела, а в ядре закрутка потока определяется взаимодействием винтовых течений, обтекающих соседние трубы. Поскольку поток в пристенном слое закручен в большей степени, чем ядро потока (максимум вращательной и радиальной составляющих скорости приходится на внешнюю границу пристенного слоя), то использование витых труб приводит к турбулизации потока прежде всего в пристенном слое [39). Поэтому в межтрубном пространстве таких аппаратов теплообмен и гидравлическое сопротивление при шагах закрутки 5/с' = 12 возрастает при турбулентном режиме течения *А.с, Т81820 СССР.

Дзюбенко Б.В., Вилемас Ю.В. Кожукотрубный теплообменник, Б.И., 1980, 88 33, с. 194 Рис. 1.1. Теплообменный аппарат с закруткой по- тока: 1 — витые трубы; 2 трубные доски; 3 — ко- жух; 4 — днища в равной степени, а в переходной области течения при Ве = 10з ... , 104 рост теплоотдачи опережает рост гидравлического сопротивления [52] . Особенности течения и теплообмена в аппаратах с продольным обтеканием пучков витых труб приводят к уменьшению массы и габаритных размеров теплообменных устройств, что позволяет использовать такие аппараты в различных областях промышленности и народного хозяйства.

Поэтому представляет интерес изучение в теплообменниках с продольным обтеканием витых труб не только стационарных, но и нестационарных тепломассообменных процессов, которые могут играть решающую роль для создания надежных конструкций, работающих в теплонапряженных условиях. Характер течения внутри витых труб овального профиля как в теплообменнике, представленном на рис.

1.1, так и в теплообменниках с поперечным обтеканием витых труб, обеспечивает заметную интенсификацию теплоотдачи [39]. Теплообменные аппараты с поперечным обтеканием пучков витых труб также могут быть установлены с касанием по максимальному размеру овала, что улучшает их вибропрочностные характеристики, но при этом интенсификация тепло- обмена и процесса выравнивания неравномерностей температур труб по их периметру достигается только при размещении витых труб с образованием щелевых каналов по длине пучка труб с шириной, равной половине разности между максимальным и минимальным размерами овала.

В этом случае трубы в плотной упаковке касаются только труб соседних рядов*. Результаты исследования теплообмена, гидравлического сопротивления в таких аппаратах, оценка эффективности их использования приведены в работе [39] . е А,с, 840662 СССР. Кожухотрубный теплообменник/Б.В. Дзюбенко, Г.А. Дрейдер, Ю.В. Вилемас и др, Б.И., 1981, М 23, с. 178.

Другая конструкция теплообменника с поперечным обтеканием пучка витых труб, когда спиральная закрутка теплоносителя в межтрубном пространстве приводит к выравниванию неравномерностей температур по периметру труб и интенсификации теплообмена, отличается перекрестным располо жением соседних рядов витых труб.

В этом случае появляется возможность одновременного нагревания или охлаждения двух различных сред. Дополнительная турбулизация потока в межтрубном пространстве обеспечивается в этом случае взаимодействием разнонаправленных винтовых течений, обусловленным поворотом вихрей при переходе потока с одного ряда труб на другой. Такой теплообменный аппарат*, имеющий две пары коллекторов с трубными досками под перпендикулярно расположенные трубы чередующихся рядов, характеризуется большей пористостью пучка, чем предыдущий аппарат, из-за увеличения расстояния между соседними рядами в 2/ т/ 3 раза при плотной упаковке пучка и обеспечивает касание каждой трубы на длине шага закрутки с шестью попарно расположенными трубами. Этот аппарат также является более компактным и менее металлоемким, чем гладко- трубчатый аппарат при ~ой же тепловой мощности и тех же затратах энергии на прокачку теплоносителей.

Для продольно обтекаемых теплообменных аппаратов с боковыми входом и выходом теплоносителя из межтрубного пространства определенный интерес может представлять закрутка витых труб относительно осиек пучка (рис. 1.2). В этом случае обеспечивается выравнивание неравномерностей полей скорости и температуры теплоносителя, сформированных входными условиями, а также неравномерным тепло- подводом по радиусу и азимуту пучка, благодаря азимутальному переносу теплоносителя закрученными относительно оси пучка витыми трубами. При этом для лучшего выравнивания неравномерностей полей скорости и температуры на входе и выходе из теплообменника образуютсн коллекторы для среды межтрубного пространства, имеющие пористость ббльшую пористости пучка благодаря использованию прямых концов труб с диаметром, равным меньшему размеру овала.

Результаты исследования теплообмена и гидравлического сопротивления в пучках закрученных витых труб были рассмотрены в 139~. Обнаруженная интенсификация теплоотдачи в е А.с, 1084583 СССР. Кожухотрубный теплообменник / Б.В. Дзюбенко, Г.А, Дрейцер, Ю.В. Вилемас и др, Б.И., 1984, Ке 13, с.

127. **А,с, 937934 СССР. Кожухотрубный теплообменник/ Б.В, Дзюбенко, Ю.В. Вилемас, Р.Р, Варшклвнеюс и др. Б.И., 1982, Ра 23, с. 189. 1О Рис. 1.2. Теплообменный аппарат с закрученным пучком витых труб: 1 — кожух; 2 — трубные доски; 3 — закрученный пучок труб; 4— витая труба; 5 — прямые круглые концы труб; 6, 7 — патрубки 4 7 т х е 1 г г 1.2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕПЛОМАССООБМЕНА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ГОМОГЕНИЗИРОВАННОЙ МОДЕЛИ ТЕЧЕНИЯ В книге рассматриваются проблемы нестационарного и стационарного тепломассопереноса применительно к теплообменным аппаратам и устройствам, предназначенным для авиационной техники.

Интенсификация тепломассообменных процессов в этих аппаратах достигается путем закрутки потока в каналах сложной формы, образованных спирально закрученными витыми трубами овального профиля. Наиболее сложный характер течения наблюдается при продольном обтекании пучков витых труб как прямых, так и закрученных относительно оси пучка. Продольно обтекаемые пучки витых труб теплообменных 11 таких пучках позволяет надеяться и на интенсификацию процесса поперечного перемешивания теплоносителя, что очень важно при работе в условиях неравномерного теплоподвода по радиусу и азимуту аппарата.

Этот вопрос будет рассматриваться в данной работе при обобщении данных по стационарному тепломассопереносу в пучках прямых витых труб, в пучках оребренных стержней и стержней со спирально навитой проволокой, где характер течения аналогичен течению в пучках витых труб. аппаратов, рассмотренных в разд.

1.1, обладают рядом конструктивных особенностей, приводящих к сложному пространственному течению теплоносителя [3, 39) . Пространственная неоднородность потока в таких пучках связана с наличием чередующихся винтовых и сквозных каналов, с тангенциальными разрывами полей скорости на их границах, с наличием мест касания соседних труб пучка, течение за которыми аналогично характеру течения в следе за обтекаемым телом. Вторичная циркуляция потока, обусловленная действием центробежных сил при спиральной закрутке теплоносителя витыми трубами, сушественно уменьшает толщину пристенного слоя на стенках труб и приводит к увеличению турбулентности потока, генерируемой неподвижной стенкой. Таким образом, закрутка потока в большей степени турбулизирует пристенный слой, что интенсифицирует теплообмен при умеренных гидравлических потерях.