15.2 Теплоотдача при поперечном омывании пучков труб

Теплообменные поверхности выполняют из труб в виде пучков. Расположение труб в пучке может быть либо в коридорном, либо в шахматном порядках (рис 15.3).

В кожухотрубчатых теплообменниках может быть ромбическое или концентрическое расположение труб в пучке:

К характеристикам пучка относятся:

• поперечный шаг пучка (S₁) – расстояние между осями двух соседних труб в ряду, перпендикулярному движению жидкости;

• продольный шаг пучка (S₂) – расстояние между осями двух соседних труб в ряду, параллельному движению жидкости;

• относительный поперечный шаг пучка – отношение S₁/d;

• относительный продольный шаг пучка – отношение S₂/d;

• количество рядов труб поперёк движения жидкости – n₁;

• количество рядов труб вдоль движения жидкости – n₂;

Т.к. пучок является турбулизатором потока, то критическое значение числа Рейнольдса Re_кр для пучка будет равно:

.

Если , то режим движения жидкости в пучке будет ламинарным; если , то режим движения жидкости в пучке будет турбулентный; смешанный режим течения существует при условии . Такой режим наблюдается в реальных теплообменных аппаратах.

Коэффициент теплоотдачи для первого ряда труб аналогичен коэффициенту теплоотдачи одиночной трубы. На теплоотдачу второго и последующих рядов влияет геометрия пучка (S₁ и S₂), поэтому первый ряд является турбулизатором для второго ряда, и коэффициент теплоотдачи у второго ряда будет больше. Начиная с третьего ряда коэффициент теплоотдачи устанавливается постоянным.

Для смешанного режима течения изменение коэффициента теплоотдачи по рядам показано на (рис. 15.4). Определяющий размер – наружный диаметр трубы. Определяющая скорость – скорость в самом узком месте. Определяющая температура – средняя температура теплоносителя.

Коэффициент теплоотдачи для пучка труб определяется исходя из критериального уравнения для третьего и последующих рядов труб:

,

при .

Для коридорного расположения: .

Для шахматного расположения: .

Поправочный множитель _i для третьего и последующих рядов равен 1, а для первого и второго рядов определяется из рис 15.4.

Коэффициент _S учитывает влияние относительности шагов. Для коридорного пучка , для шахматного пучка .

Поправка , учитывающая угол атаки , выбирается из таблиц.

Для очень вязких жидкостей ( ): .

При обтекании пучка оребрённых труб, коэффициент теплоотдачи рассчитывается по следующей критериальной зависимости:

, (15.5)

где h – высота ребра: ; t–шаг рёбер; D–диаметр ребра.

Формула справедлива при , .

,

где F_н – наружная поверхность оребрённой трубы;

F_в – внутренняя поверхность трубы.

Полученный из (15.5) подставляется в выражение для К.

16 Теплоотдача при свободном движении жидкости

Свободное движение возникает за счёт неоднородного распределения в рассматриваемой жидкости массовых или объёмных сил. Такими силами являются: сила тяжести, центробежная сила, сила электромагнитного поля.

Наиболее хорошо изучено свободное движение, вызванное силой тяжести – это « » составляющая в уравнении движения Навье-Стокса (11.13).

При теплообмене температура жидкости переменна, поэтому возникает разность плотностей (плотность зависит от температуры), и как следствие, разность гравитационных сил, и эта разность представляет собой Архимедову или подъёмную силу.

Различают свободную конвекцию в неограниченном и в ограниченном пространстве (узкие щели или каналы).