Теплообмен при поперечном омывании пучков труб

Теплообмен при поперечном омывании пучков труб

Тепло-обменные аппараты, собирающиеся из пучка круглых труб и омываю-

щиеся поперечным потоком жидкости, имеют в технике большое рас­пространение. Гидродинамическая картина омывания пучка круглых труб имеет более сложный вид, чем для одиночной трубы.

При прохождении потока жидкости через пучок  начальная степень его турбулизации будет возрастать от ряда к ряду, -пучок труб является очень хорошим турбулирующим устройством. Если в канале перед пучком режим течения был ламинарным, то в зависимости от числа Re в пучке труб может быть как ламинарное, так и турбулентное течение жид­кости.

При малых значениях числа Re < 1 · 10³ ламинарный режим течения может сохраниться и в пучке труб. В теплообменных аппа­ратах  наиболее часто встречается турбулентное течение. При больших значениях Re наблюдается  как ламинарные , так и турбулентные пограничные слои. С увеличением  Re  изменение законов теплоотдачи связано с появлением на трубах пучка турбулентного пограничного слоя, который может наблюдаться  при Re ≈1 • 10⁵.

При Re = 1 •  I0⁵ лобовая часть трубы омывается ламинарным пограничным слоем, а кормовая находится в вихревой зоне, в межтрубном пространстве движения жидкости будет турбулентным. Такой режим называют смешанным режимом движения жидкости.

Рекомендуемые материалы

 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 предыдущего ряда, что ухудшает омыванче лобовой части и большая часть поверхности трубы находится в слабой вихревой зоне. При шахматном расположении труб загораживания одних труб другими не происходит. Вследствие этого коэффициент теплоотдачи в шахматных пучках при одинаковых условиях выше, чем в коридорных.

На рис., а к 6 показано изменение локального коэффициента теплоотдачи по периметру сечения трубы для первого и последующих рядов семирядного коридорного и шахматного пуч­ков. По оси ординат отложены относительные значения коэффициента теплоотдачи  , а по оси -абсцисс — угол j, отсчитываемый от лобо­вой точки трубы. Здесь  среднее, значение коэффициента теплоотдачи по окружности труб различных рядов, а  его локальное значение.

Из рассмотрения кривых (см. рис, а и б) следует, что коэф­фициент теплоотдачи для любого ряда шахматного расположения труб в лобовой части (при = 0) получает максимальное значение и изменение его мало отличается от изменения коэффициента тепло­отдачи для одиночной трубы. Такое же изменение коэффициента теплоотдачи имеет место и для первого ряда коридорного пучка.

Для трубок второго и следующих рядов коридорного расположения получается два максимума теплоотдачи  при углах  около 50—60о к направлению потока. Из этого следует, что теплоотдача как в лобовой, так и в кормовой части трубок будет меньшей по сравнению с тепло­отдачей одиночной трубы. 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 за счет лучшей турбулизации потока выше, чем в коридорных.. Кроме того, теплоотдача в пучках зависит от расстояния между трубами. Эта зави­симость учитывается поправочным коэффициентом es, отражающем  собой влияние относительных шагов.

При расчете теплообменных аппаратов и определении среднего коэффициента теплоотдачи третьего ряда пучка труб при смешанном режиме (Re_ж.d ≈ 1•10³—1 • 10⁵) применяются уравне­ния, полученные В. П. Исаченко:

при коридорном расположении труб

при шахматном расположении труб

Для глубинных рядов коридорного пучка ,

для шахматного:                   при  s₁/s₂, < 2    ,

при s₁/s₂, > 2     .

При вычислении чисел подобия за определяющую температуру принята средняя температура жидкости, за определяющую скорость — скорость жидкости в самом узком сечении ряда, за определяющий размер — диаметр трубы. Формулы справедливы для капель­ных жидкостей и газов.

Значение коэффициента теплоотдачи для трубок первого ряда оп­ределяется путем умножения коэффициента теплоотдачи для третьего ряда на поправочный коэффициент e₁= 0,6; для трубок второго ряда в шахматных пучках — на e ₂= 0,7, а в коридорных — на e ₂= 0,9.

Среднее значение коэффициента теплоотдачи для всего пучка в це­лом как средневзвешенная по поверхности теплообмена величина:

где , , ...,  — средние коэффициенты теплоотдачи в отдельных рядах труб; F_1,  F₂ ..., F_n — поверхности нагрева каждого ряда труб.

Если пучок труб омывается вынужденным потоком жидкости под углом   y< 90°, то коэффициент теплоотдачи для пучка труб при y= 90° необходимо умножить на поправочный коэффицииент e_y взя­тый из таблицы  тогда  .

Таблица 

Значение поправочного коэффициента e_y,   для  пучков из круглых труб.