Поперечное обтекание одиночной трубы и пучка 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 e_j учитывает угол между направлением течения потока и осью трубы. Наибольшие значения a (e_j=1) наблюдаются при расположении труб перпендикулярно потоку. Если труба наклонена, то значение e_j можно взять из графика.

Во многих теплообменниках трубы располагаются в виде шахтных или коридорных пучков. Коэффициент теплоотдачи при поперечном обтекании таких пучков в интервале Re_ж=10³¸10⁵ можно рассчитать по формуле:

Для шахтных пучков С=0,41; n=0,6, для коридорных С=0,26; n=0,65. Определяющим размером является наружный диаметр труб, определяющей температурой – среднее значение между температурами жидкости от пучка и после него. Скорость w_ж рассчитывается как отношение объемного расхода теплоносителя при к наиболее узкому сечению в пучке, ширина которого меньше ширины канала на значение произведения наружного диаметра труб на их число в одном ряду. Поправочный коэффициент e_s учитывает влияние поперечного s₁ и продольного s₂ шагов. Для шахтного пучка e_s=(s₁/s₂)^1/6 при (s₁/s₂)<2 и e_s=1,12 при (s₁/s₂)³2. Для коридорного пучка e_s=(s₂/d)^-0.15.

Течение теплоносителя внутри труб. Обобщение большого числа экспериментальных данных дает следующую зависимость для расчета коэффициента теплоотдачи от стенки трубы к текущему в ней теплоносителю на участке стабилизированного течения:

В уравнении, справедливой для наиболее распространенного турбулентного течения при Re_ж=10⁴¸5×10⁶ и Pr=0,6¸2500, определяющим размером является внутренний диаметр трубы d если это не круглая труба, а канал произвольного сечения, то тоже применима, только определяющим размером будет эквивалентный диаметр канала d_экв=4F/П, где F – площадь поперечного сечения; П – внутренний периметр этого сечения.

Теплоотдача при естественной конвекции. Для расчета коэффициента теплоотдачи в условиях естественной конвекции пользуются зависимостью вида:

Значение коэффициента В и показателя степени n для вертикальной и горизонтальной поверхностей в зависимости от произведения приведены ниже:

 

	I	II
	103-109	>109	103-108
B	0,76	0,15	0,5
n	1/4	1/3	1/4

 

Для труб и шаров определяющим линейным размером, входящим в безразмерные числа Nu_ж и Gr_ж, является диаметр d; для вертикальных труб большого диаметра и пластин – высота Н.

Теплоотдача при конденсации. Пар конденсируется, т.е. переходит в жидкое состояние, на поверхности теплообмена, температура которой ниже температуры насыщения (t_с<t_н). Различают капельную конденсацию, когда образовавшаяся жидкость (конденсат) не смачивает поверхность и скатывается в виде отдельных капель, например, ртуть на стальной стенке, и пленочную конденсацию, когда конденсат смачивает поверхность и образует сплошную пленку. Пленочная конденсация встречается значительно чаще.

Аналитическое решение для расчета локального коэффициента теплоотдачи при ламинарном течении пленки (Re=w×d/v<400) имеет вид

 

где r – теплота парообразования.

Из формулы видно, что интенсивность теплоотдачи убывает по мере стекания конденсата из-за возрастания толщины его пленки. Среднее значение коэффициента теплоотдачи от поверхности высотой Н рассчитывается по формуле:

 

Re=0.95Z^0.78e_t;

где

 

Теплофизические параметры конденсата в формулы следует подставлять при температуре насыщения t_н, а l_с и m_с при температуре стенки.

Ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи. Чтобы не допустить грубой ошибки, нужно четко представлять диапазоны изменения коэффициентов теплоотдачи в различных условиях. Они приведены ниже, Вт/(м²×К)

 

Свободная конвекция в газах	5-30
Свободная конвекция воды	102-103
Вынужденная конвекция газов	10-500
Вынужденная конвекция воды	500-2×104
Жидкие металлы	102-3×104
Пленочная конденсация водяного пара	4×103-104
Капельная конденсация водяного пара	4×104-105