Меню

Теплоотдача при вынужденном поперечном омывании одиночной трубы

Теплоотдача при поперечном омывании пучков труб

Процесс теплоот­дачи еще более усложняется, если в поперечном потоке жидкости имеется не одна, а пучок (пакет) труб. В технике распространены два основных типа трубных пучков – коридорный и шахматный (рис. 5.10).

Рис. 5.10. Схемы расположения труб в коридорных (а)

Характеристиками пучка являются диаметр труб d и относи­тельные расстояния между их осями по ширине пучка и его глубине x2/d.

От схемы компоновки пучка зависят характер движения жидко­сти и омывание трубок (рис. 5.11). Условия омывания первого ряда трубок в обоих пучках близки к условиям омывания одиночной трубки. Для последующих же рядов характер омывания изменяется. В коридорных пучках (рис. 5.11, а) все трубки второго и после­дующих рядов находятся в вихревой зоне впереди стоящих; между трубками по глубине пучка получается застойная зона с относительно слабой циркуляцией жидкости. Поэтому здесь как лобовая так и кормовая части трубок омываются с значительно меньшей интенсивностью, чем те же части одиночной трубки или лобовая часть первого ряда в пучке. В шахматных пучках (рис. 5.11, б) глубоко расположенные трубки по характеру омывания мало чем отличаются от трубок первого ряда.

Рис. 5.11. Картина движения жидкости в коридорных (а)

и шахматных (б) пучках труб

На рис. 5.12 приведены результаты исследования изменения теплоотдачи по окружности труб для разных рядов в коридорных и шахматных пучках. Из рассмотрения кривых следует, что для пер­вого ряда коридорных пучков изменение относительной теплоотда­чи по окружности почти в точности соответствует таковой для одиночной трубки (см. рис. 5.9). Для шахматных пучков кривая имеет такой же характер, но изменения здесь более резкие. Для вторых и всех последующих рядов характер кривых относительной теплоотдачи меняется. Типовыми становятся кривые, приведенные на рис. 5.13. В коридорных пучках максимум теплоотдачи наблюдается не в лобовой точке, а на расстоянии 50° от нее. Таких максимумов два, и расположены они как раз в тех областях поверх­ности трубы, где происходит удар набегающих струй. Лобовая же часть непосредственному воздействию омывающего потока не под­вергается, поэтому здесь теплоотдача невысока. В шахматных пуч­ках максимум теплоотдачи для всех рядов остается в лобовой точке.

Рис. 5.12. Изменение теплоотдачи по окружности труб для

различных рядов в коридорных (а) и шахматных (б) пучках;

Re=14 . 10 3

Приведенный анализ показывает, что теплоотдача труб в пуч­ке, а также изменение теплоотдачи по окружности в основном опре­деляются характером обтекания. При изменении условий омывания меняется и теплоотдача. Последнее обстоятельство с успехом может быть использовано при компоновке пучков.

По изучению теплоотдачи в зависимости от типа пучка, диамет­ра труб, расстояния между ними, температуры жидкости и других факторов проведено довольно большое количество исследований. На основе результатов этих работ можно сделать ряд общих выво­дов. Теплоотдача первого ряда различна и определяется начальной турбулентностью потока. Теплоотдача второго и третьего рядов по сравнению с первым постепенно возрастает. Если теплоотдачу тре­тьего ряда принять за 100%, то в шахматных и коридорных пучках теплоотдача первого ряда составляет всего лишь около 60%, а вто­рого в коридорных пучках — около 90% и в шахматных — около 70%. Причиной возрастания теплоотдачи является увеличение турбулентности потока при прохождении его через пучок. Начиная с третьего ряда, турбулентность потока принимает стабильный характер, присущий данной компоновке пучка. По абсолютному значению теплоотдача в шахматных пучках выше, чем в коридорных, что обусловливается лучшим перемешиванием жидкости, омывающей трубы.

Читайте также:  Диаметр труб при расходе пара

На основе анализа и обобщения опытных данных для расчета коэффициента теплоотдачи рекомендуются следующие соотношения :

Рис. 5.13. Типичное изменение теплоотдачи по окружности труб в коридорных (1) и шахматных (2) пучках.

(5.18)

При

(5.18)

(5.19)

При

(5.19)

(5.20)

При

(5.20)

(5.21)

При

(5.21)

Соотношения (5.18) — (5.21) позволяют определить среднее значение коэффициента теплоотдачи для трубок третьего и всех последующих рядов в пучках.

(5.22)

Среднее значение критерия теплоотдачи при поперечном обтекании газами коридорных пучков при определяют по формуле:

где Cz’ – поправочный коэффициент на число поперечных рядов труб (в среднем Cz’= 0,95).

Среднее значение критерия ж,d при поперечном обтекании газами шахматных пучков равно

коэффициент Cz” можно принимать в среднем Cz” =0,9.

Поправочный коэффициент Cz на число поперечных рядов труб учитывает влияние турбулизации потока, производимой предшествующими рядами труб. Поправочные коэффициенты можно также выбирать по графикам (рис. 5.14).

Рис. 5.14. Значение коэффициента Cz пучков труб: а-шахматное расположение труб; б-коридорное расположение труб

Источник

Теплоотдача при поперечном омывании одиночной трубы

Поверхности нагрева паровых котлов, водяных экономайзеров, воздухоподогревателей и других теплообменников обычно состоят из пучков труб. Передача тепла нагреваемому рабочему телу, протекаю­щему внутри этих труб, осуществляется в результате обтекания их сна­ружи потоками греющего теплоносителя. Поэтому такой случай тепло­обмена имеет большое практическое значение. Рассмотрим сначала по­перечное обтекание одиночной трубы.

Процесс теплоотдачи при поперечном обтекании трубы имеет ряд особенностей, которые объясняются гидро­динамической картиной движения жидкости вблизи поверхности трубы. Опыт показывает, что плавный, безотрывный характер обтекания трубы имеет место только при очень малых числах Re

В лобовой точке набегающий поток разделяется на две часть и плавно обтекает переднюю части периметра трубы. На поверхности трубы образуется пограничный слой, который имеет наименьшую толщину в лобовой точке и далее постепенно нарастает в размерах.

Читайте также:  Герметизация ввода труб в цокольный этаж

Рис. 5.8. Распределение скоростей у по­верхности цилиндра и образование воз­вратного течения

Развитие пограничного слоя вдоль периметра трубы происходит в условиях переменной внешней скорости потока и пе­ременного давления. Скорость слоев жидкости, примыкающих к внешней границе пограничного слоя, увеличивается вдоль периметра трубы, а давление в соответствии с уравнением Бернулли уменьшается. При достижении точки периметра, отвечающей углу 90 0 (угол отсчитывается от лобовой точки), скорость достигает наибольших значений и далее начинает уменьшаться, что сопровож­дается соответствующим увеличением (восстановлением) давления. В этой области пограничный слой становится неустойчивым, в нем возникает обратное течение
(рис. 5.8), которое оттесняет поток от поверхности. В итоге происходят отрыв потока и образование вихревой зоны, охватывающей кормовую часть трубы. Положение точ­ки отрыва пограничного слоя зависит от значения Re и степени турбулентности набегающего потока. При малой степени турбулент­ности внешнего потока и относительно небольших числах Re тече­ние в пограничном слое вплоть до точки отрыва имеет ламинарный характер. При этом местоположе­ние зоны начала отрыва погранич­ного слоя характеризуется углом (рис. 5.7,б). При значительных числах Рейнольдса, примерно , тече­ние на значительной части периметра в пограничном слое становит­ся турбулентным.

Рис. 5.9. Зависимость отношения от угла

Турбулентный пограничный слой более устойчив, зона начала отрыва отодвигается в область больших углов (рис. 5.7,в).

В вихревой зоне движение жидкости имеет сложный и неупо­рядоченный характер, причем средняя интенсивность вихревого движения и перемешивания жидкости увеличивается с ростом Re. Такая своеобразная картина обтекания трубы в сильной мере отражается и на теплоотдаче. Интенсивность теплоотдачи по ок­ружности трубы неодинакова. Представление об ее относительном изменении дает рис. 5.9. Максимальное значение коэффициента теплоотдачи на­блюдается на лобовой образующей цилиндра ( = 0), где толщина пограничного слоя наименьшая. По поверхности цилиндра в на­правлении движения жидкости интенсивность теплообмена резко падает и при достигает минимума. Это изменение свя­зано с нарастанием толщины пограничного слоя, который как бы изолирует поверхность трубы от основного потока. В кормовой части трубы коэффициент теплоотдачи снова возрастает за счет улучшения отвода тепла вследствие вихревого движения и перемешивая жидкости. При малых значениях Re интенсивность теплообмена в вихревой зоне ниже, чем в лобовой точке. Однако по мере увеличения числа Re за счет интенсификации вихревого движения в области отрыва коэффициент теплоотдачи в кормовой зоне увеличивается.

Из изложенного следует, что теплоотдача по окружности одиночной трубы при поперечном обтекании тесно связана с характером омывания ее поверхности, зависит от скорости и направления потока жидкости, от температуры и диаметра трубы, от направления теплового потока, от внешних тел, изменяющих степень турбулизации потока, и т.д. Все эти моменты указывают на трудность теоретического решения данной задачи.

Читайте также:  Теплицы из поликарбоната своими руками из профильной трубы без сварки

В результате обоб­щения опытных данных были получены уравнения подобия, позволяю­щие определять средний коэффициент теплоотдачи по окружности оди­ночной трубы:

Источник

17 Теплообмен при поперечном омывании одиночной трубы

Теплообмен при поперечном омывании одиночной трубы

При поперечном потоке жидкости, омываю­щей одиночную круглую трубу, плавное, безотрывное омывание поверхности круглой трубы наблю­дается только при Re 5.

Рекомендуемые файлы

Рис. Изменение коэффициента теплоотдачи по периметру сечения цилиндра при поперечном обтекании и Re =2-5•105.

Рис. Распределение скоростей у поверхности цилиндра и образование возвратного течения.

Фото обтекание круглого цилиндра при Re=2000, В верхней части цилиндра сформировавшийся ламинарный слой разрушается, затем он отрывется и образуется турбулентный след

Фото обтекание круглого цилиндра при Re=10000, В верхней части цилиндра сформировавшийся ламинарный слой разрушается, затем он отрывется и образуется турбулентный след.

Фото изотерм при охлаждения круглого цилиндра в потоке для режима Re=120. Асимметрия изотерм в потоке объясняется влиянием естественной конвекции.

При больших значениях Re картина омывания лобовой и кормовой половин трубы совершенно различны . Ламинарный пограничный слой, образующийся в лобовой части трубы отрывается от ее поверхности и в кормовой части образуются два симметричных вихря. Только 45—47% периметра сечения трубы (при углах j = 80—85 о , отсчитывая от лобовой точки омывается по­током жидкости безотрывно, вся осталь­ная ее часть находится в вихревой зоне. Чем больше скорость потока, тем при больших углах j происходит отрыв ла­минарного пограничного слоя. При боль­ших значениях числа Re ламинарный пограничный слой переходит в турбу­лентный, а отрыв слоя происходит при j = 120—130 о . Это смещение приводит к уменьшению вихревой зоны в кормо­вой части трубы и обтекание ее улуч­шается. Турбулентный пограничный слой появляется при числах Re = 1 • 10 5 — 4 •10 6 . На появление турбулентного пограничного слоя боль-

шое влияние оказывает начальная турбу­лентность потока, чем она больше, тем при меньших значениях числа Re.

Среднее значение коэффициента теплоотдачи при поперечном обтекании круглой трубы при Re=5-1 •10 3

,

для воздуха: .

При Re=1•10 3 — 2 •10 5

Для воздуха — .

В расчетах в качестве определяющего линейного размера принимается диаметр трубы, за определяющую температуру – средняя температура жижкости.

Приведенные формулы получены для цилиндра, ось которого перпендикулчрна потоку жидкости. Если угол атаки y о , то в выражение для вводится поправочный коэффициент ey, значения которого приведены ниже в таблице, и .

Источник

Adblock
detector