ОБТЕКАНИИ ПУЧКА ТРУБ

Компоновка труб в пучки и пакеты нашла широкое распространение в теплообменных аппаратах различных теплотехнологий. Типичное расположение трубных пучков – шахматное (рис. 3.9,а) и коридорное (рис. 3.9,б). Геометрическими характеристиками пучков являются: внешний диаметр труб, количество рядов труб по направлению потока теплоносителя, относительный поперечный (относительно направления потока) s₁/d и относительный продольный s₂/d шаги труб.

Рис. 3.9. Шахматная (а) и коридорная (б) компоновки трубных пучков

Теплоотдача труб, составляющих трубный пучок, зависит от расположения труб в пучке, а также от номера ряда, в котором труба находится. Характер движения теплоносителя показан на рис. 3.10. При

шахматном расположении труб в пучке теплоноситель перемешивается

лучше, и теплообмен протекает более интенсивно.

Движение теплоносителя в пучках при низких числах Рейнольдса может сохранять ламинарный режим, но это сравнительно редкий случай. Чаще имеет место турбулентное движение. Значение Re_кр для пучков обычно принимают Re_кр = 1·10⁵. При Re_кр < 1·10⁵ режим течения

пучков обычно принимают Re_кр = 1·10⁵. При Re_кр < 1·10⁵ режим течения смешанный, т.е. лобовая часть омывается пограничным слоем, а кормовая находится в вихревой зоне, при этом в межтрубном пространстве движение теплоносителя будет турбулентным.

.

Рис. 3.10. Характер движения теплоносителя при

коридорном (а) и шахматном (б) расположении труб

Движение теплоносителя в пучках при низких числах Рейнольдса может сохранять ламинарный режим, но это сравнительно редкий случай. Чаще имеет место турбулентное движение. Значение Re_кр для пучков обычно принимают Re_кр = 1·10⁵. При Re_кр < 1·10⁵ режим течения смешанный, т.е. лобовая часть омывается пограничным слоем, а кормовая находится в вихревой зоне, при этом в межтрубном пространстве движение теплоносителя будет турбулентным.

Картина обтекания и интенсивность теплоотдачи труб первого ряда

в шахматных и коридорных пучках такие же , как и для одиночной трубы. Поэтому характер теплообмена на трубах первого ряда аналогичен изменению местного коэффициента теплоотдачи на поверхности одиночной трубы (см. рис. 3.8). Трубы же второго и последующих рядов пучка находятся в вихревой зоне впереди расположенных труб, и характер их обтекания и теплоотдача зависят кроме режимных параметров также от плотности их упаковки в пучке. Начиная с третьего ряда, режим течения и теплообмен стабилизируются. На рис. 3.11 показано изменение коэффициента теплоотдачи по периметру труб, расположенных в первом (1), втором (2) и последующих (3-7) рядах коридорного (рис.3.11,а) и шахматного (рис.3.11,б) пучков при смешанном режиме течения теплоносителя.

Рассмотрение кривых α_φ/α = f(φ) позволяет сделать следующие выводы. Для шахматных пучков локальные коэффициенты теплоотдачи всех рядов труб имеют наибольшее значение на лобовой образующей (φ = 0). На трубах глубинных рядов коридорного пучка максимум локальной теплоотдачи наблюдается на образующей, отстоящей от лобовой на 50⁰, т.е. там, где струя, движущаяся в пучке, «смывает» пограничный слой, утоньшая его при ударе о поверхность трубы. Теплоотдача труб третьего и последующих рядов пучка одинакова и выше, чем первого и второго рядов.

Анализ и обобщение результатов многочисленных экспериментальных исследований теплоотдачи в пучках труб позволили сделать общие выводы. Средняя теплоотдача первого ряда определяется начальной турбулентностью потока. Средняя теплоотдача стабилизируется, начиная с третьего ряда, так как первыые два ряда являются по существу системой турбулизирующих устройств. В глубинных пучках устанавливаются гидро- или газодинамика и теплообмен, зависящие от геометрии пучка и числа Re.

Анализ и обобщение результатов многочисленных экспери-ментальных исследований теплоотдачи в пучках труб позволили сделать общие выводы. Средняя теплоотдача первого ряда определяется начальной турбулентностью потока. Средняя теплоотдача стабили-зируется, начиная с третьего ряда, так как первыые два ряда являются по существу системой турбулизирующих устройств. В глубинных пуч-ках устанавливаются гидро- или газодинамика и теплообмен, зависящие от геометрии пучка и числа Re.

Теплоотдача труб первого ряда составляет 60% от теплоотдачи труб третьего ряда. Теплоотдача во втором ряду несколько выше и в коридорных пучках труб составляет 90%, а в шахматных пучках – около 70% от теплоотдачи труб третьего ряда. При прочих равных условиях в ламинарной области теплоотдача шахматных пучков труб в 1,5 раза выше теплоотдачи коридорных. В смешанном режиме течения теплоносителя, когда передняя поверхность труб омывается ламинар-ным пограничным слоем, а кормовая – вихревым потоком, эта разница в теплоотдаче шахматных и коридорных пучков труб уменьшается и в пределе при Re ≥ 10⁵ практически исчезает.

Рис. 3.11. Изменение относительного коэффициента теплоотдачи по

периметру труб коридорного(а) и шахматного (б) пучков

Расчет среднего коэффициента теплоотдачи третьего и последующих рядов пучка труб рекомендуется вести по следующим эмпирическим зависимостям: