Теплоотдача при вынужденном поперечном обтекании труб и пучков труб. Теплообмен при поперечном обтекании коридорных и шахматных пучков труб.

    Экспериментальные данные по теплоотдаче при поперечном обтекании одиночной круглой трубы спокойным, нетурбулизированным потоком обобщается формулой:

значение коэффициента С и показателя степени n в зависимости от критерия Re_ж приведены ниже:

Reж	1-4×103	4×103-4×104	4×104-4×105
С	0,55	0,2	0,027
n	0,5	0,62	0,8

Коэффициент ε_s учитывает угол между направлением течения потока и осью трубы. Наибольшие значения a (ε_sj=1) наблюдаются при расположении труб перпендикулярно потоку. В случае если труба наклонена, то значение ε_s можно взять из таблицы.

φ, град	90	80	70	60	50	40	30	20	10
εs	1	1	0,98	0,95	0,87	0,77	0,67	0,66	0,55

Многие теплообменные аппараты представляют собой пучки поперечно омываемых труб. При этом различают два основных типа пучков труб: коридорный (а) и шахматный (б).

Каждый из пучков характеризуется внешним диаметром труб d, поперечным шагом S₁, продольным шагом S₂ и числом рядов труб по ходу движения жидкости Z.

Режим движения жидкости в пучке полностью определяется критерием , где – скорость потока, отнесенная к самому узкому сечению. В зависимости от величины Re_ж,d различают:

а) ламинарный режим, когда Re < 10³. В этом случае при небольших значениях Re может наблюдаться плавное, безотрывное обтекание труб пучка;

б) смешанный режим, когда Re = 10³…10⁵. Здесь наблюдается смешанное течение жидкости: турбулентное в пространстве между трубами и ламинарное на лобовой поверхности труб;

в) турбулентный режим (Re > 10⁵), когда вся поверхность труб омывается турбулентным пограничным слоем.

Чаще всего на практике встречается смешанный режим. В этом случае первый ряд труб обоих пучков омывается так же, как и одиночная труба. Характер обтекания остальных труб в значительной мере зависит от типа пучка. В коридорном пучке между трубами образуются застойные зоны со слабой циркуляцией жидкости, поэтому лобовая и кормовая части этих труб омываются с меньшей интенсивностью: поток в основном проходит в продольных зазорах между трубами. В шахматном пучке характер обтекания труб второго и последующего рядов качественно мало отличается от обтекания труб первого ряда.

Отмеченные особенности обтекания труб, расположенных в пучках, отражаются на теплоотдаче. Для труб первого ряда обоих пучков и последующих рядов шахматного пучка максимум коэффициента α_φнаблюдается в лобовой точке А. Для глубинных рядов коридорного пучка, вследствие наличия застойных зон, максимум α_φ смещается на расстояние φ≈50^о. Исследование теплоотдачи показало, что с ростом номера ряда средний коэффициент теплоотдачи увеличивается. Однако, начиная с третьего ряда, интенсивность теплоотдачи остается практически постоянной, так как не изменяется структура потока.

Расчетные формулы. В результате обработки опытных данных для определения средних коэффициентов теплоотдачи (α_3р) для труб, начиная с третьего ряда, при смешанном режиме были получены следующие формулы:

• при коридорном расположении труб в пучке

,

где ε_s– поправочный коэффициент, учитывающий густоту расположения труб в пучке, ε_s=(S₂/d)^-0,15;

• при шахматном расположении труб в пучке

,

гдеприS_1/S₂< 2,ε_s=(S₁/ S₂)^0,17 , априS_1/S₂≥ 2,ε_s=1,12.

В формулах в качестве определяющих температуры, скорости и размера приняты: средняя температура потока; скорость потока в узком сечении; наружный диаметр труб. ε_ψ– поправка на угол атаки.

Из формул определяется коэффициент теплоотдачи для третьего и последующих рядов труб .

Средний коэффициент теплоотдачи для всего пучка в целом определяется по формуле ,

где Z – количество рядов труб по ходу потока жидкости. Коэффициенты теплоотдачи для труб первого α_1ри второго α2_р рядов определяются по следующим формулам:

• для коридорного пучка ;

• для шахматного пучка .

Характер изменения скорости потока по длине канала. Характер изменения температуры потока по длине канала. Определение коэффициентов теплоотдачи при вынужденном течении жидкости в трубах.

На начальном участке круглой трубы происходит формирование гидродинамического и теплового пограничных слоев, т. е. толщина пограничных слоев увеличивается до тех пор, пока они не заполнят все поперечное сечение трубы.

Эти начальные участки называются соответственно гидродинамическим (длина l_г) и тепловым (длина l_т) начальными участками и характеризуются падением теплоотдачи по мере развития пограничных слоев. После начального участка течение жидкости и теплообмен стабилизируются, поле скоростей и теплоотдача становятся одинаковыми для всех поперечных сечений. Следовательно, для длинных труб при ,l >> l_г и l >> l_т средняя теплоотдача определяется по числу Nu, характеризующему теплоотдачу при полностью стабилизировавшемся потоке. Для коротких труб теплоотдача выше по сравнению с длинными труба­ми в равных условиях.

Форма поперечного сечения канала	Эквива­лентный диаметр	Коэффициент kг	Коэффициент kт
tc=const	qc=const
Круглое сечение, dB - внут­ренний диаметр	dB	0,065	0,055	0,07
Кольцевое сечение, отно­шение внутреннего диамет­ра к наружному l,0>dB/dH>0,l	dН - dB	0,010 - 0,015	0,05	0,06
Прямоугольное сечение со сторонами а и b, а/b =0,125÷1	2ab /a+b	0,023 – 0,075	-	-

Длина начальных участков гидродинамической и тепловой стабили­зации определяется по формулам

                         (1)

где k_г и k_т- коэффициенты, зависящие от формы канала (см. таблицу); d_экв- эквивалентный диаметр сечения канала, определяется по площади f и периметру Ппоперечного сечения канала:

                                                                       (2)

Следует отметить, что использование d_эквдает удовлетворитель­ные результаты только при развитом турбулентном движении среды в каналах без острых углов.

Ламинарный режимтечения в круглых трубах ( Re_ж< 2000) при отсутствии свободной конвекции называется вязкостным, а при наличии свободной конвекции - вязкостно-гравитационным. Переход одного ре­жима в другой определяется величиной (Gr∙Pr) _п.c=8*10⁵, которая на­ходится по определяющей температуре пограничного слоя t _п.c = 0,5(t_с + t_ж).

Для вязкостногорежима движения при (Gr Pr)_п.c ≤ 8*10⁵среднее
по длине трубы число Нуссельта при t_c=const

(3)

где lи d_в - длина и внутренний диаметр трубы.

Формула (3) справедлива при ≥ 20 и при отношении коэффициентов динамических вязкостей =0,00067÷14,3. Множи­тель используется только для капельных жидкостей. Опре­деляющий размер - внутренний диаметр трубы. Определяющая темпе­ратура для Gr, Pr, Nu, Ре, μ_жпринимается t_п.с = 0,5(t_с + t_ж), и в Gr вводится ∆t = (t_с - t_ж), если температура жидкости мало изменяется по длине. В противном случае определяющей температурой дляNu, Ре, μ_ж, принимают t = t_с - 0,5∆t_л, где среднелогарифмический температурный напор ∆t_л находится по формуле (5.4) при средней температуре стен­ки t_с. При этом для Gr и Рr физические свойства жидкости выби­раются по t = 0,5(t'_ж + t_с),a ∆t = 0,5(t_с - t'_ж). Поправка ε_lна гидродина­мический начальный участок определяется по формуле

которая справедлива при < 0,1. Если >0,1, то = 1.

Для вязкостно-гравитационного режимапри (Gr Рr)_п.с > 8*10⁵ в горизонтальных трубах длиной lсправедлива формула

(4)

Формула (6.14) справедлива при = 20÷120; Rе_ж< 3500,

(Gr Pr)_п.c<13*10⁶; Рr_п.с=2÷10.

В вертикальных трубах, при совпадениинаправлений вынужденной и свободной конвекции у стенки средняя теплоотдача определяется формулой

(5)

здесь

Формула справедлива при =20÷130;

.

В вертикальных трубах при противоположных,направлениях вы­нужденной и свободной конвекции у стенки средняя теплоотдача опре­деляется формулой

(6)

где n = 0,11 при нагревании, n = 0,25 при охлаждении жидкости. Формула справедлива при Re_ж = 250÷2*10⁴ и (Gr∙Pr)_п.c= (1,5÷12)*10⁶.

Нa участке стабилизированного теплообмена теплоотдача для жидкого металла определяется соотношением

(7)

Б.При турбулентном течении жидкости в прямых трубах и каналах с различной формой поперечного сечения (Rе_ж > 10⁴) справедлива формула М. А. Михеева

(8)

Для двухатомных газов (например, воздуха) при постоянных фи­зических свойствах можно использовать формулу

(9)

Коэффициент теплоотдачи , где определяется по фор­муле (4). Определяющий геометрический размер для круглых труб - внутренний диаметр, для некруглых каналов - эквивалентный диаметр d_экв, который находится по формуле (2). Формула (8) справед­лива при Rе_ж=10⁴÷5*10⁶ и Рr_ж=0,6÷2500. Коэффициент ε_lучиты­вает влияние начального теплового участка:

при > 50 ε_l=l; при <50 ε_lопределяется по справочникам.

 

---

Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 1067; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!