7.4. Теплоотдача при поперечном обтекании труб

П роцесс теплоотдачи при поперечном обтекании трубы характеризуется рядом особенностей, которые связаны с гидродинамикой движения жидкости вблизи поверхности трубы (рис.7.9).

Гидродинамика движения жидкости определяется числом Rе_жd=wd/v, где d – наружный диаметр трубы.

При небольших скоростях потока жидкости (Rе_жd <40) обтекание трубы плавное, при более высоких скоростях (40< Rе_жd<10³) происходит отрыв ламинарного пограничного слоя от поверхности трубы, угол отрыва φ=80-90^о. При значениях Rе_жd>10⁵ ламинарное течение в пограничном слое сменяется турбулентным, угол отрыва турбулентного пограничного слоя от поверхности трубы составляет φ=120-140^о.

О бразующийся на поверхности трубы пограничный слой имеет наименьшую толщину в лобовой точке и далее постепенно нарастает до тех пор, пока не произойдет отрыв потока. Характер изменения коэффициента теплоотдачи =f(φ) для позиций рис.7.9 а, б, в показан на рис. 7.10.

Коэффициент теплоотдачи принимает наибольшее значение на лобовой части трубы, где толщина пограничного слоя минимальная.

Из-за увеличения толщины пограничного слоя по периметру трубы коэффициент теплоотдачи уменьшается, достигая минимального значения в точке отрыва потока. В области циркуляционной зоны происходит увеличение коэффициента теплоотдачи за счет разрушения пограничного слоя. Для случая (в) первое увеличение коэффициента теплоотдачи связано со сменой режима течения в пограничном слое, второе – с отрывом турбулентного пограничного слоя.

Для расчета среднего по периметру трубы коэффициента теплоотдачи рекомендуются следующие уравнения:

- при Rе_жd<40

(7.31)

- при 40< Rе_жd<10³

(7.32)

- при 10³< Rе_жd<2 ∙10⁵

(7.33)

- при 2 ∙10⁵< Rе_жd<10⁷

(7.34)

Формулы (7.31) – (7.34) действительны для случая, когда угол ψ между направлением потока жидкости и осью трубы, называемый углом атаки, равен 90^о. Если ψ<90^о, то найденный по этим формулам коэффициент теплоотдачи следует умножить на поправочный коэффициент ε_ψ=1- 0,54 cos² ψ.

В теплообменниках трубы располагаются в виде коридорных или шахматных пучков (рис.7.11).

Геометрическими характеристиками пучка являются: поперечный (s₁) и продольный (s₂) шаги, наружный диаметр трубы (d), количество рядов труб (п) по направлению движения жидкости.

Режим течения жидкости в пучках может быть ламинарным, турбулентным или смешанным и определяется числом Rе_жd=wd/v, где d – наружный диаметр трубы.

При Rе_жd<10³ – ламинарный режим;

при Rе_жd>10⁵ – турбулентный;

при 10³ <Rе_жd<10⁵ – смешанный.

Экспериментальными исследованиями теплоотдачи в пучках установлено следующее:

1. При ламинарном режиме теплоотдача шахматных пучков выше, чем коридорных, при смешанном режиме эта разница уменьшается. При турбулентном режиме теплоотдача шахматных и коридорных пучков практически одинакова.

2. С увеличением номера ряда пучка теплоотдача возрастает благодаря увеличению турбулентности потока при прохождении его через пучок.

Начиная с третьего ряда и далее, структура потока остается практически неизменной и коэффициент теплоотдачи принимает постоянное значение.

Средние коэффициенты теплоотдачи для третьего и последующих рядов в пучках при поперечном омывании труб потоком жидкости рассчитываются по следующим уравнениям.

Для коридорных пучков:

- при 40<Rе_жd<10³ – ламинарный режим,