Теплообмен при поперечном обтекании пучков труб

 

На практике применяют в основном два вида расположения труб в пучках: коридорный и шахматный. Характеристиками пучка, кроме диаметра труб и количества их рядов, считаются относительные шаги

, где s 1 – расстояние между осями труб по ширине, а s 2 – это расстояние по длине пучка. Если в канале было турбулентное движение, то оно турбулентно и в пучке, причем степень турбулизации растет по ходу жидкости. Если в канале течение ламинарное, то в зависимости от числа Re в пучке оно может быть как ламинарным, так и турбулентным. При Re < 1000 течение может сохраниться ламинарным.

Как правило, в теплообменных аппаратах движение турбулентное, но теплообмен в пучках может определяться различными законами. Это обусловлено появлением на трубах турбулентного пограничного слоя при Re 100000. В этом случае лобовая часть трубы омывается ламинарным пограничным слоем, а кормовая находится в области вихревого движения. Это наблюдается при Re =1000

 100000. Здесь омывание трубок I ряда не отличается от омывания одиночной трубы. Дальше, при коридорном расположении, теплоотдача следующих рядов оказывается лучше, поэтому интенсивность теплоотдачи шахматных пучков будет ниже (за счет лучшей турбулизации потока при коридорном расположении труб).

Начиная с III ряда поток жидкости стабилизируется, и

 от ряда к ряду не меняется. Если теплоотдачу III ряда принять за 100%, то теплоотдача I ряда при шахматном и коридорном расположении труб составляет 60%, II ряда - 90% при коридорном и 70% при шахматном расположении труб.

Теплоотдача в пучках зависит от расстояния между трубами, это учитывается коэффициентом

, который представляет собой влияние относительных шагов. В общем случае для III ряда

,                   (48)

где с – постоянная, определяемая по ряду труб пучка и диапазону 

чисел Re, в котором эксплуатируется теплообменник.           

Среднее значение

для всего пучка определяется по формуле:

.

Если

< 90o, то это учитывается сомножителем

, которой вводится в (48).

 

3.14 Контрольные вопросы

     1. Как решаются прикладные задачи конвективного теплообмена.

     2. Что такое коэффициент теплоотдачи и в каких пределах он меняется?

     3. Что такое динамический и тепловой пограничные слои?

     4. Запишите уравнения для расчета теплоотдачи между жидкостью и плоской и цилиндрической стенками.

     5. Что такое термическое сопротивление теплоотдачи?

     6. Сформулируйте три теоремы подобия.

     7. Что такое условия однозначности?

     8. Что такое константы подобия?

     9. Запишите основные критерии подобия конвективного теплообмена и объясните их физический смысл.

    10. В каком виде обычно представляется зависимость между критериями подобия для конвективного теплообмена?

    11. Что такое определяющий размер и определяющая температура?

    12. Каковы особенности конвективного теплообмена при ламинарном режиме движении?

13. По каким формулам и как определяется

 при ламинарном режиме движения?

14. Каковы особенности конвективного теплообмена и по каким формулам определяется

 при турбулентном режиме движения?

15.Каковы особенности конвективного теплообмена при свободном движении и по каким формулам определяется

?

    16. Опишите особенности конвективного теплообмена при поперечном обтекании труб и какие зависимости описывают этот теплообмен?

    17. Как влияет вид пучка и расположения труб на интенсивность конвективного теплообмена?

 

 

КИПЕНИЕ И КОНДЕНСАЦИЯ

     4.1 Теплообмен при кипении. Общие положения

 

Процесс кипения всегда связан с подводом теплоты к кипящей жидкости. Кипением называется парообразование, характеризующееся возникновением новых свободных поверхностей раздела жидкой и паровой фаз внутри жидкости, нагретой чуть выше температуры насыщения. Различают кипение на твердой поверхности теплообмена, к которой подводится теплота, и кипение в объеме жидкости.

Механизм теплообмена при пузырьковом кипении отличается от механизма теплоотдачи при конвекции однофазной жидкости наличием дополнительного переноса массы вещества и теплоты паровыми пузырями из пограничного слоя в объем кипящей жидкости.

Для возникновения процесса кипения необходимо выполнение двух условий: наличие перегрева жидкости относительно температуры насыщения и наличие центров парообразования.

Различают ядерное (пузырьковое) и пленочное кипение.

Кипение, при котором пар образуется в виде периодически зарождающихся и растущих пузырей, называется пузырьковым. С увеличением q до некоторой величины отдельные паровые пузырьки сливаются, образуя у стенки сплошной паровой слой, периодически прорывающийся в объем жидкости. Такой режим называется пленочным.

Высокая интенсивность ядерного кипения обусловлена тем, что периодический процесс роста и отрыва отдельных пузырьков от стенки, а также их всплытие вызывает турбулизацию жидкости, частично разрушающую пристеночный слой.

Для возникновения парового пузырька необходимо, чтобы суммарное давление р в нем было не меньше суммы всех сил, действующих на пузырек (силы давления окружающей среды и поверхностного натяжения поверхности пузырька). Условие равновесия при этом определяется уравнением Лапласа.

Паровые пузыри обычно образуются на теплообменной поверхности, где обычно молекулярное сцепление между молекулами более или менее ослаблено. Количество образующихся пузырей пара увеличивается при увеличении: количества центров парообразования, температурного напора, q, давления.

Величина пузырьков пара зависит от смачивающей способности жидкости. При хорошей смачиваемости пузырек легко отрывается.

При кипении в большом объеме в условиях свободного движения  зависит от физических свойств жидкости, температурного напора и давления. Форма сосуда влияния не оказывает, при кипении также не оказывает влияния размеры и форма теплопередающей поверхности. Однако опыты показывают, что

 может меняться в зависимости от состояния материала и чистоты поверхности нагрева. Это объясняется влиянием этих факторов на изменение плотности центров парообразования.

При развитом кипении связь между

 и q представляется в виде:

, где с – табличная постоянная.