ОБТЕКАНИИ ОДИНОЧНОЙ ТРУБЫ

В теплотехнологиях большое распространение получили трубчатые теплообменники с перекрестным током. Трубы в этом случае обтекаются снаружи перпендикулярным их оси потоком жидкости. Турбулентность потока при этом повышается, что при одинаковых скоростях ведет к повышению теплоотдачи на внешней поверхности труб при поперечном обтекании по сравнению с продольным.

Опыт показывает, что безотрывное плавное обтекание труб имеет место лишь при малых числах Рейнольдса порядка Re ≈ 5. В характерных для практики условиях обтекание тел сопровождается отрывом потока и образованием в кормовой части вихревой зоны. Картина течения при поперечном обтекании одиночной трубы показана на рис. 3.7. Пограничный слой имеет наименьшую толщину в лобовой (фронтовой) части трубы и нарастает, достигая наибольшей величины вблизи φ = 90⁰. В этой зоне происходит отрыв ламинарного пограничного слоя от поверхности трубы, и кормовая часть трубы омывается сильно завихренным потоком с обратными циркуляцион-ными токами.

Положение точки отрыва струи не является стабильным и зависит от характера движения невозмущенного потока. Чем больше скорость потока, тем при больших углах φ происходит отрыв ламинарного пограничного слоя. При больших значения числа Рейнольдса (Re>1·10⁵) ламинарный пограничный слой переходит в турбулентный, а отрыв слоя, например, при Re > 2·10⁵ происходит при φ = 120 – 140⁰.

Рис.3.7. Картина течения при поперечном обтекании трубы

Это смещение точки отрыва пограничного слоя приводит к уменьшению вихревой зоны в кормовой части трубы и обтекание ее улучшается. Такая своеобразная картина движения жидкости при поперечном обтекании одиночной трубы в сильной мере отражается на интенсивности теплоотдачи по периметру трубы.

На рис. 3.8 показана типичная зависимость отношения местного коэффициента теплоотдачи α_φ к среднему его значению для всей трубы от угла φ, который определяет местоположение точки на окружности. Как видно из рисунка, теплоотдача протекает наиболее интенсивно вблизи лобовой образующей цилиндра (φ = 0), так как пограничный слой в этой зоне имеет наименьшую толщину. Вблизи участков поверхности, где пограничный слой достигает наибольшей толщины, коэффициент теплоотдачи имеет минимальное значение. В кормовой части коэффициент теплоотдачи увеличивается, достигая максималь-ного значения при φ = 180⁰ за счет интенсивного вихревого движения жидкости.

Сложный характер теплообмена, связанный со сложным движением жидкости при поперечном обтекании трубы (отрыв струи и образование вихрей), затрудняет теоретическое исследование процесса. Все приве-денные ниже результаты получены экспериментальным путем. Уравне-ния подобия, позволяющие определять средний коэффициент теплоот-дачи одиночной трубы, имеют вид:

при Re_ж = 5 – 1·10³

Nu_ж = 0,5Re_ж^0,5Pr_ж^0,38 (Pr_ж/Pr_ст)^0,25;

Рис. 3.8. Изменение коэффициента

теплоотдачи по периметру трубы

(3.43)

для воздуха и двухатомных газов

Nu_ж = 0,43Re_ж^0,5. (3.44)

При Re_ж = 1·10³ – 2·10⁵

Nu_ж = 0,25Re_ж^0,6Pr_ж^0,38 (Pr_ж/Pr_ст)^0,25; (3.45)

для воздуха и двухатомных газов

Nu_ж = 0,216Re_ж^0,6. (3.46)

За определяющий геометрический размер принят наружный диаметр трубы, за определяющую температуру – средняя температура жидкости. Скорость отнесена к самому узкому сечению канала, в котором расположена труба.

Приведенные формулы справедливы для трубы, которая располагается перпендикулярно направлению потока, когда так называемый «угол атаки» ψ при поперечном обтекании трубы ψ = 90⁰. При ψ < 90⁰ коэффициент теплоотдачи определяется из соотношения:

α_ψ= ε_ψα, (3.47)

где α –коэффициент теплоотдачи, найденный по формулам (3.43)-(3.46);

ε_ψ – поправочный коэффициент.

Значения ε_ψ представлены в таблице 3.4.

Таблица 3.4. Значения ε_ψ для одиночной трубы