Процессы и аппараты упаковочного производства

Теплоотдача при вынужденном поперечном обтекании труб

Для того чтобы лучше понять зависимость коэффициента теплоотдачи От гидродинамических условий обтекания теплоносителем наруж­ной поверхности труб, рассмотрим вначале поперечное обтекание одиночной трубы, а затем - пучка труб. При поперечном обтекании трубы на лобовой части ее поверхности образуется ламинарный пограничный слой, толщина которого постепенно увеличивается (рис. 11-13). При обтекании лобовой части трубы сечение потока уменьшается, скорость жидкости увеличивается, а давление у по поверхности падает. В кормовой части трубы давление увеличивается, гик как скорость уменьшается; скорость жидкости в пограничном Слое также снижается, а начиная с некоторого сечения частицы движутся в обратном направлении, образуя вихри, которые перио­дически отрываются с поверхности трубы и уносятся потоком (подробнее см. разд. 6.8). При этом соответственно изменяется значение локального коэффициента теплоотдачи по поверхности (окружности) трубы (рис. 11-13, в, г).

Рис. 11-13. Схема поперечного обтекания трубы теплоносителем:

А - при ламинарном пограничном слое; б - при турбулентном пограничном слое; в - распределение скорости у поверхности трубы; г-изменение локального коэффициента теплоотдачи по ПоверхНости цилиндра (1 - Re = 70 800; 2 - Re = 219000)

Максимальное значение лобовой образующей трубы (угол =0), где толщина пограничного слоя Г мала. Затем коэффициент теплоотдачи снижается за счет увеличения Г. Такой режим наблюдается при Re до 2-105. При дальнейшем увеличении числа Рейнольдса (при Re>2-105) ла­минарный пограничный слой переходит в турбулентный, и точки отрыва перемещается в кормовую сторону трубы.

Локальный коэффициент теплоотдачи при этом может иметь два минимальных значения (рис. 11-13,г): одно - в точке перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный, другое - в точке отрыва от поверхности трубы турбулентного пограничного слоя, Для определения среднего коэффициента теплоотдачи при попе­речном обтекании трубы предложены следующие уравнения:

При Re=5-

Nu=0,5Re0,5Pr0,38(Pr/Prcт)0,25; (11.66)

При Re=103 – 2*105

Nu=0,25Re0,6Pr°,43(Pr/Prcт)0,25. (11.67)

Трубчатые теплообменники обычно выполняют в виде пучка трубок. Расположение трубок в этих теплообменниках может быть самым разнообразным. Наиболее распространены шахматные и коридорные пучки (рис. 11-14). Обтекание трубы в пучке отличается от обтекания одиночной трубы тем, что расположенные рядом трубы оказывают

11-14. Схема обтекания пучков труб: а - коридорных; б - шахматных; 1-5 – ряды труб

взаимное влияние на этот процесс. Протекая между трубами, поток сужается, вследствие чего из­меняется поле скоростей, и место отрыва пограничного слоя перемещается в направлении потока. Трубы, расположенные во втором и последующих рядах, попадают в вихревой след от предыдущих рядов, что не может не отразиться на коэффициентах теплоотдачи. Обтекание пучка труб и теплоотдача в нем зависят не только от расположения труб (коридорное или шахматное), но и от их плотности. Плотность расположения труб в пучке может быть охарактеризована относительными поперечным S1/D продольным и ,S2/D Шагами.

Для значения Re= (что наиболее характерно для промышленных теплообменников) при числе рядов в пучке больше трех

Nu = CRemPr0,33(Pr/Prcт)0,25 S, (11.68)

Где С = 0,41 и m = 0,6-для шахматных пучков; С = 0,2 и Т = 0,65 - для коридорных.

В уравнении (11.68) за определяющий размер принимают наружный диаметр трубы пучка, скорость жидкости рассчитывают по самому узкому сечению ряда. Поправку , учитывающую плотность расположения труб в пучке, определяют следующим образом:

Для коридорного пучка =(S/d)-0,25

Для шахматного при S1/S2

при S1/S2

При проектировании теплообменных аппаратов следует выбирать оптимальную компоновку с учетом капитальных и эксплуата­ционных затрат. При больших числах Рейнольдса (при Re > 5 ) обычно оказывается предпочтительнее теплообменник с шахмат­ным расположением труб в пучке.