Обтекание пучка круглых труб

И без того сложная гидродинамическая картина обтекания одиночного цилиндра (трубы) становится еще сложнее при обтекании пучка круглых труб. В этом случае влияние на число Нуссельта Nu оказывает схема расположения труб в пучке, поперечный uiarsj, продольный шаг s2 и число рядов труб zp (рис. 9.8). Характеристиками пучка считают относительный поперечный шаг = st / d и относительный продольный шаг а2 = s2/ d.

При течении потока теплоносителя в межтрубном пространстве поперечно обтекаемого пучка можно выделить также ламинарный, смешанный и турбулентный режимы. Наиболее изучен смешанный режим омывания и теплоотдачи, имеющий место при Re = 10³-Н0⁵. При этом в межтрубном пространстве движется турбулентный поток, а пограничный слой, формирующийся на лобовой части каждой трубы, имеет ламинарную структуру.

На рис. 9.9 показано изменение по периметру трубы локального коэффициента теплоотдачи в зависимости от угла ф для первого, второго и последующего рядов семирядного коридорного и шахматного пучков при смешанном режиме течения.

а б

Рис. 9.8. Схема расположения труб в коридорных (а) и шахматных (б) пучках.

Рис. 9.9. Изменение теплоотдачи по окружности труб для различных рядов в коридорных (а) и шахматных (б) пучках По оси абсцисс отложен азимутальный угол ф, отсчитанный от лобовой образующей, а по оси ординат — отношение аф / а, где а_ф — значение локального коэффициента теплоотдачи; а — среднее по периметру значение коэффициента теплоотдачи.

Из рис. 9.9 следует, что ос_ф для всех рядов шахматного пучка достигает максимума при ср = 0°, т. е. на лобовой поверхности трубы в месте удара набегающего потока о ее поверхность. То же наблюдается и для первого ряда коридорного пучка. Таким образом, во всех рядах шахматного пучка и в первом ряду коридорного пучка изменение локального коэффициента теплоотдачи по окружности трубы подчинено принципиально той же закономерности, что и для одиночной трубы.

Для второго и последующих рядов коридорного пучка максимальные значения а_ф соответствуют азимутальным углам ср * 5(Н60° и<�р = 30(Н310°. Это объясняется тем, что поток теплоносителя, расширяющийся после местного сужения в просвете между трубами предыдущего ряда, встречается с поверхностью трубы последующего ряда именно в указанных зонах, разрушая формирующийся там пограничный слой.

Из анализа тех же кривых следует, что средний по периметру коэффициент теплоотдачи второго и особенно третьего ряда коридорного пучка больше коэффициента теплоотдачи первого ряда в связи с большей степенью турбулентности потока. После третьего ряда режим движения потока практически стабилизируется, вследствие чего средний по периметру коэффициент теплоотдачи всех последующих рядов остается одинаковым и равным коэффициенту теплоотдачи третьего ряда.

Коэффициент теплоотдачи в пучках труб зависит от размеров поперечного и продольного шагов. При смешанном режиме течения коэффициент теплоотдачи глубинных рядов коридорных пучков труб уменьшается при увеличении х₂/ d. Для шахматных пучков при х, /х₂ < 2 интенсивность теплоотдачи увеличивается с ростом относительного шага G} и уменьшением относительного шага а₂.

Приведем уравнения подобия (рекомендованы по результатам обобщения многочисленных экспериментальных данных) для определения, а в третьем и последующих глубинных рядах пучков.

Шахматные пучки: при Re_IIOT < 10^3.

где c_t — температурный фактор; для газов с, = 1; при Re_IIOT = 10³-=-(2 • 10⁵) и S, / х₂ < 2 при Re_II0T = 10³-Д2 • 10⁵) и Sj / х₂ > 2 при Re_IIOT> 2 • 10⁵

Коридорные пучки: при Rc_n0T < 10³

при Re_IIOT= 10³-^(2 • 10^г>).

при Re_IIOT> 2 • 10⁵

В уравнениях (9.18)—(9.24) определяющий размер — наружный диаметр труб. Скорость теплоносителя определяют в сжатом сечении пучка (в самом узком сечении ряда). Для шахматных пучков это сечение часто определяют по диагональному (или косому) шагу

Коэффициент теплоотдачи груб первого ряда принимают равным 0,6 от найденного значения, а для третьего ряда. Для труб второго ряда при шахматном их расположении поправочный коэффициент равен 0,7, а для коридорного пучка принят равным 0,9 от значения ос для третьего ряда.

Средний коэффициент теплоотдачи для всего пучка, состоящего из z_p рядов, определяют по формуле усреднения.

где А₂,…, А_г— площади наружных поверхностей первого, второго и г-го рядов труб; ос, а₂…"г,^- коэффициенты теплоотдачи соответственно первого, второго и z-ro рядов труб.

Часто пучок состоит из труб одинакового диаметра и одинаковой длины. В этом случае для пучка с шахматным расположением для коридорного пучка.

где, а — коэффициент теплоотдачи третьего ряда, определяемый по (9.18) — (9.24).

Если набегающий на пучок труб поток значительно турбулизирован (например, в результате резкого расширения после вентилятора или насоса), то коэффициент теплоотдачи может приниматься одинаковым для всех рядов труб.

Гладкотрубные пучки, широко применяемые в судовых теплообменных аппаратах, удобны в эксплуатации, потому что их легко очищать от загрязняющих отложений, они редко выходят из строя и имеют низкое гидравлическое сопротивление.