Коридорное Шахматное

Характер движения жидкости, омывание труб каждого ряда и теплообмен в пучке зависит от расположения труб. Основными характеристиками пучков труб являются: внешний диаметр труб – d_внеш; количество рядов труб по движению жидкости –n, расстояние между осями диаметров по ширине –s₁и глубине пучка –s₂; отношение расстояния между осями труб по ширине пучка к внешнему диаметру трубы –s₁/d_внеш; отношение расстояния между осями двух соседних рядов труб по направлению движения жидкости к внешнему диаметру труб –s₂/d_внеш.

Омывание трубок первого ряда независимо от расположения труб в пучке практически не отличается от омывания одиночной трубы поперечным потоком жидкости и зависит от начальной турбулентности потока. Характер омывания следующих рядов труб в обоих пучках изменяется.

При коридорном расположении трубы любого ряда затеняются соответствующими трубами предыдущего ряда, что ухудшает омывание лобовой части, и большая часть поверхности трубы находится в слабой вихревой зоне. При шахматном расположении труб загораживания одних труб другими не происходит. Вследствие этого коэффициент теплоотдачи при шахматном расположении труб в одинаковых условиях выше, чем при коридорном.

При любом расположении труб каждый ряд вызывает дополнительную турбулизацию потока. Поэтому коэффициент теплоотдачи для труб второго ряда выше, чем для первого, а для третьего ряда выше, чем для второго. Начиная с третьего ряда поток жидкости стабилизируется и коэффициент теплоотдачи для всех последующих рядов остается постоянным.

Если теплоотдачу третьего ряда принять за 100%, то теплоотдача первого рада коридорных и шахматных пучков составляет 60%. Теплоотдача второго ряда коридорного пучка составляет 90%, а шахматного- 70%.

Теплоотдача в шахматных пучках выше, чем в коридорных за счет большей турбулизации потока.

Теплоотдача в пучках зависит от расстояния между трубами. Эта зависимость учитывается поправочным коэффициентом ε₀, представляющим влияние относительных шагов.

Для глубинных рядов коридорного расположения пучка ε₀ = (s₂/d)^{- 0,15} ; для шахматного приs₁/s₂<2 ε_s = (s₁/s₂ )^0,166, при (s₁ / s₂ )>2 ε_s= 1,12.

При расчете теплообменных аппаратов и определении среднего коэффициента теплоотдачи третьего ряда пучка труб при смешанном режиме Re= 1_.10³– 10⁵применяются следующие зависимости:

при коридорном расположении труб

Nu_ж= 0,26Re_ж^0,65Рr_ж^0,33( Рr_ж/ Рr_ст )^0,25ε_s 2.52

При коридорном расположении труб

Nu_ж= 0,41Re_ж^0,6Рr_ж^0,33( Рr_ж / Рr_ст)^0,25ε_s2.53

Для воздуха при коридорном расположении пучка труб

Nu_ж= 0,194Re_ж^0,652.54

При шахматном расположении

Nu_ж= 0,35Re_ж^0,62.55

При вычислении чисел подобия за определяющую температуру принята средняя температура жидкости, за определяющую скорость – скорость жидкости в самом узком сечении ряда; за определяющий размер – диаметр трубы. Формулы справедливы для любых капельных жидкостей и газов.

Значение коэффициента теплоотдачи для труб первого ряда определяется путем умножения коэффициента теплоотдачи для третьего ряда на поправочный коэффициент ε_s= 0,6; для труб второго ряда в шахматных пучках – на ε_s= 0,7, а в коридорных – на ε_s= 0,9.

Среднее значение коэффициента теплоотдачи для всего пучка труб в целом определяется по формуле осреднения

α = ( α₁F₁ + α₂F₂+^…..+ α_nF_n)(F₁+F₂+^…. +F_n) 2.56

где: α _1,α_2,….α_п – средние коэффициенты теплоотдачи в отдельных рядах труб;F₁,F₂F₃- поверхности нагрева каждого ряда.

Если пучок труб омывается вынужденным потоком жидкости под углом менее 90⁰, то коэффициент теплоотдачи, полученный при угле атаки 90⁰, следует умножить на поправочный коэффициент ε_Ψ

Теплообмен при вынужденном движении жидкости вдоль пластины при ламинарном режиме при Re< 1^.10⁴можно рассчитывать по формулам

Nu_ж = 0,66Re_ж^0,5Рr_ж^0,33(Рr_ж/ Рr_ст)^0,25 2.57

Для воздуха формула упрощается

Nu_ж= 0,57Re_ж^0,52.58

Теплообмен при вынужденном движении жидкости вдоль пластины при турбулентном режиме при Re> 4^.10⁴можно определить

Nu_ж = 0,037Re_ж^0,8Рr_ж^0,43(Рr_ж/ Рr_ст)^о,252.59

Для воздуха при Рr≈ 0,7 = соnstуравнение упрощается

Nu_ж= 0,032Re_ж^0,8 2.60

За определяющую температуру принята температура жидкости вдали от пластины, за определяющий размер принята длина пластины по направлению потока.

Теплообмен жидких металлов. Иногда в качестве рабочих жидкостей применяют расплавленные металлы, обладающие значительными достоинствами по сравнению с газами и жидкостями. Высокую температуру можно получить с водяным паром, но требуется большое давление. Газы имеют малый коэффициент теплоотдачи и небольшую теплоемкость. Жидкие металлы имеют высокую температуру кипения, большие коэффициенты теплоотдачи и термически устойчивы.

В качестве теплоносителей применяют натрий, калий, натриево-калиевые сплавы, литий, олово и др.

При Re≈ 10⁴- 10⁶, Рr= 0,004 – 0,032 и ℓ/d> 30 для определения коэффициентов теплоотдачи при вынужденном турбулентном течении щелочных и тяжелых металлов применяется формула

Nu_ж= 4,8 + 0,014 (Re_жРr_ж )^0,82.61

Приведенная формула справедлива для чистых поверхностей нагрева и герметичных контуров нагрева, заполненных нейтральными газами.При свободном движении щелочных и тяжелых металлов и их сплавов применима формула

Nu_ж= С^.GrⁿPr^0,242.62

При ламинарном режиме Gr= 10²– 10⁹ C= 0,52 иn= 0,25

При турбулентном режиме Gr= 10⁹– 10¹³ C= 0,106 иn= 0,33

За определяющую температуру принята средняя температура пограничного слоя t= 0,5 (t_ж +t_ст ); за определяющий размер принята для горизонтальных труб – внешний диаметр, для вертикальных пластин – их высота.

Теплообмен при свободном течении жидкости Аналитические решения задач конвективного теплообмена при свободном ламинарном и турбулентном движении выполнены при целом ряде упрощающих предпосылок, поэтому эти решения большого практического применения не получили. Решение задач по определению коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции основаны на экспериментальных исследованиях.

Конвективный теплообмен при свободном течении жидкости основан на изменении плотности жидкости при нагревании. В промышленности свободная конвекция широко применяется. Свободная конвекция возникает у нагретых стен котельных агрегатов, печей, батарей отопления, в холодильниках при охлаждении продуктов и т.д.

Если тело имеет более высокую температуру, чем окружающая среда, то слои жидкости, нагреваясь от тела, становятся легче и под действием подъемной силы поднимаются вверх, а на их место приходят более холодные слои. Поэтому возникает свободная конвекция.

Свободное движение жидкости у поверхности тела может быть как ламинарным, так и турбулентным. Характер движения жидкости в основном зависит от температурного напора, т.е. от разности температур стенки объекта и окружающей среды. При малых значениях температурного напора вдоль поверхности наблюдается ламинарное течение.

При больших температурных напорах преобладает турбулентное течение жидкости.

При свободной конвекции форма тела имеет второстепенное значение. Основное значение при свободной конвекции имеет длина поверхности, вдоль которой происходит теплообмен.

При свободной конвекции для определения средних значений коэффициентов теплоотдачи можно пользоваться формулами

При t_ст = соnstNu_ж= 0,63 (GrPr)^0,252.63

При q_ст=constNu_ж= 0,75 (Gr_жPr_ж)^0,25(Pr_ж/Pr_ст)^0,252.64

Формулы получены для теплоносителей с числом Рrот 0.7 до 3^.10³при10³<GrPr< 10⁹.

За определяющую температуру принята температура вдали от нагретой поверхности, за определяющий размер – длина поверхности.

Для определения средних значений коэффициентов теплоотдачи при свободном турбулентном течении жидкости вдоль вертикальной стенки, которое наступает при числах Gr_жPr_ж > 6^.10¹⁰предложена формула

Nu_ж= 0,15 (Gr_жPr_ж)^0,33(Pr_ж/Pr_cт)^0,252.65

Если 10⁹ <Gr_жPr_ж< 6^.10¹⁰, то вдоль вертикальной пластины имеет место переходный режим свободного движения жидкости. Переходный процесс характеризуется неустойчивостью как процесса течения жидкости, так и теплоотдачи.

Для определения средних коэффициентов теплоотдачи при свободном ламинарном движении жидкости около горизонтальных труб при 10³<Gr_жPr_ж< 10⁸предложена формула

Nu_ж= 0,5 (Gr_жPr_ж)^0,23( Рr_ж/ Рr_ст)^0,252.66

В этой формуле за определяющую температуру принята температура капельной жидкости или газа вдали от трубы, а за определяющий размер – диаметр трубы. Около горизонтальных нагретых поверхностей движение жидкости имеет особый характер и зависит от положения и размеров теплоотдающих поверхностей. Если нагретая поверхность обращена кверху, то коэффициент теплоотдачи увеличивается на 30%. Если поверхность обращена книзу, то коэффициент теплоотдачи уменьшается на 30%. При расчете теплоотдачи плит за определяющий размер берется меньшая сторона плиты.

Теплоотдача в ограниченном пространстве при свободном движении жидкости представляет более сложную картину и рассматривается в специальной литературе.