Глава 15. ТЕПЛООБМЕН В ПАКЕТАХ И ЗАСЫПКАХ

15.1. ПОПЕРЕЧНОЕ ОБТЕКАНИЕ ПАКЕТОВ ЦИЛИНДРОВ

Поверхности нагрева, набираемые из отдельных труб, образуют пакеты, обтекаемые жидкостью или газом. Основными типами пакетов являются коридорный, шахматный (рис. 15.1) и пакеты с разрывами. Геометрически коридорные и шахматные пакеты однозначно определяются наружным диаметром цилиндров поперечным шагом и продольным . Так как передние трубы турбулизуют поток, то интенсивность теплоотдачи повышается от ряда к ряду по направлению течения теплоносителя.

На рис. 15.2 показана схема обтекания труб в свободном коридорном пакете. Как видно из рис. 15.3, распределение статического давления вокруг одной из труб такого пакета, по измерениям А. Жукаускаса, В. Макарявичюса и А. Шланчяускаса, существенно более равномерно, чем при обтекании одиночного цилиндра. С увеличением продольного шага неравномерность поля давления увеличивается.

В тесных коридорных пакетах основное течение приближается к течению в каналах (рис. 15.4). При больших продольных шагах поток, проходя через узкое сечение данного ряда, начинает развиваться в кормовом пространстве как затопленная струя. Таким образом, в тесных пакетах все цилиндры, кроме первого ряда, обтекаются потоком с квазиструевым распределением скоростей (рис. 15.5).

Рис. 15.1. Схемы расположения труб в пучке

Рис. 15.2. Обтекание продольного ряда труб

На рис. 15.6 показаны, по опытам Г. А. Михайлова, эпюры коэффициентов теплоотдачи для труб, находящихся в коридорном пучке. Отчетливо видны взаимодействие последующих рядов труб с аэродинамическими следами предшествующих рядов и постепенная стабилизация условий обтекания после третьего-четвертого ряда.

Таким образом, коэффициент теплоотдачи пучка труб в квазиизотермическом потоке определяется некоторой функцией

    (15.1.1)

где Z — номер ряда по направлению течения.

Первый ряд труб любого пучка находится в условиях, соотвегствующих обтеканию одиночного цилиндра. Исключение составляют только пучки с весьма тесным поперечным шагом, когда возникает взаимодействие пограничных слоев соседних труб. Последующие ряды труб в коридорном пучке попадают в вихревую область, образующуюся за впереди стоящими трубами.

Рис. 15.3. Перепад статического давления вокруг трубы в продольном ряду (пунктирная линия соответствует обтеканию одиночного цилиндра идеальной жидкостью)

Рис. 15.4. Схема течения в сжатом коридорном пучке

Рис. 15.5. Схема спутного течения за первым рядом

Условия омывания в этой области хуже, чем в лобовой части одиночной трубы, максимальное значение локального коэффициента теплоотдачи сдвигается вглубь по течению потока.

В шахматном пучке взаимодействующие трубы отстоят друг от друга на большем расстоянии, чем в коридорном пучке, и поэтому омывание глубоко расположенных труб мало отличается по характеру от омывайия труб первого ряда.

Обширные исследования теплоотдачи от газа к пучкам труб были проведены В. М. Антуфьевым, Л. С. Казаченко и Г. С. Белецким, а также Н. В. Кузнецовым. Обзор последующих работ и новые результаты можно найти в монографии А. Жукаускаса, В. Макарявичюса и А. Шланчяускаса. Анализ показывает, что практически наиболее целесообразным оказывается метод обобщения при отнесении всех физических свойств к температуре потока и скорости течения, рассчитанной по узкому сечению пакета (ряда). Тогда формула для теплоотдачи в пучке имеет вид

    (15.1.2)

За определяющий размер принят наружный диаметр трубы.

Обработка опытных данных, проведенная под руководством Н. В. Кузнецова, позволяет рекомендовать при следующие расчетные формулы (при ):

1) коридорные пучки

    (15.1.3)

где — поправка на число рядов в продольном направлении; берется по графику рис. 15.7;

Рис. 15.7. Коэффициент С для пакета труб коридорного (1) и шахматного (2) пучков

Рис. 15.8. Зависимость коэффициента В от конфигурации и размеров коридорного (1) и шахматного (2) пучков труб

2) шахматные пучки при

    (15.1.4)

3) шахматные пучки при

    (15.1.5)

где берется по графику рис. 15.7.

В этих формулах

    (15.1.6)

Рис. 15.6. Распределение теплоотдачи по окружности труб в коридорном пучке

По данным А. Жукаускаса и др., в пакетах труб , т. е. для неметаллических сред практически можно пользоваться формулой (10.14.3) при введении в нее соответствующего значения коэффициента С. При показатель степени при числе Рейнольдса возрастает до 0,8.

В литературе имеются и другие эмпирические расчетные предложения. Для предельного случая металлических теплоносителей , по расчетам Цесса и Грома, имеют место следующие зависимости:

где значение коэффициента В берется по графику (рис. 15.8).

На рис. 15.9 приведен ряд экспериментальных данных о теплообмене при поперечном обтекании пакетов труб щелочными металлами ( рассчитан по скорости потока в узком зазоре, ).

Как видно, при таких значениях Рr конфигурация пакетов влияет относительно мало.

Широкое распространение имеют пакеты оребренных труб, главным образом в аппаратах с газовыми и жидкими теплоносителями, имеющими малые коэффициенты теплопроводности и теплоемкости или большую вязкость. При обтекании ребристых труб условия обтекания различных элементов поверхности теплообмена могут быть существенно неодинаковыми. Поэтому рассмотренные в гл. 7 задачи о теплопроводности в ребрах, на поверхности которых имеет место постоянное значение коэффициента теплоотдачи, далеко не всегда могут служить основанием для расчетов повышенной точности.

Рис. 15.9. Средняя теплоотдача при поперечном обтекании пучков труб жидким металлом

Кроме условий обтекания на теплообмен в оребренных поверхностях влияют и теплофизические свойства материалов ребер, например в стационар ном режиме — их теплопроводность. Соотношения условий теплоотдачи к ребру и теплопроводности в самом ребре определяют поле температур на поверхности ребра я распределение тепловых потоков. Все это, а также многочисленность возможных конструкций оребрения делает невозможным построение универсальных зависимостей, связывающих значение коэффициента С в формулах типа (15.1.2) с геометрией и теплопроводностью ребристой поверхности.

Можно только считать, что показатель степени при числе Прандтля во всех случаях почти постоянен и равен 0,33—0,40.

На рис. 15.10 показаны результаты опытов В. Ф. Юдина и Л. С. Тохтаровой с пакетом труб, имеющих поперечное одновинтовое оребрение. Отчетливо видно влияние теплопроводности материала при . Действительным критерием этого влияния, конечно, является число , т. е. соотношение коэффициента теплоотдачи к ребру и его внутреннего термического сопротивления.

В литературе к главе указаны некоторые работы, позволяющие ориентироваться в данном вопросе.

Рис. 15.10. Теплоотдача пучка труб из различных металлов