Изучение процесса теплоотдачи в трубах представляет большой практический интерес, так как трубы является элементом различных теплообменных аппаратов.
При вынужденной конвекции различают ламинарный (Re <2300), переходный (2300 <Re <10000) и турбулентный (Re> 10000) режим движения среды. Формирование характера потока происходит на начальном участке трубы.
При входе в трубу скорости по сечению распределяются равномерно. В дальнейшем при течении вдоль трубы у стенок образуется гидродинамический граничный слой, толщина которого постепенно увеличивается и становится равной радиусу трубы, а в трубе устанавливается постоянное распределение скоростей, характерный для данного режима течения, или наступает так называемая cmабилизована течение. Последнее наблюдается как при ламинарном, так и при турбулентном течении жидкости. Длина участка стабилизации рамен примерно 50d.
Теория и эксперимент показывают, что теплоотдача при течении жидкости в трубе неодинакова по длине и поэтому кроме участка стабилизированного течения образуется участок тепловой стабилизации Ид.т.е. У входа в трубу коэффициент теплоотдачи а имеет максимальное значение, а затем резко уменьшается и при стабилизированной течения Ис.т. стремится к неизменному значение. Тепловой граничный слой, образующийся на поверхности трубы, увеличивается по мере удаления от входа и на участке тепловой стабилизации достигает толщины, равной радиусу трубы. Длина стабилизированного участка для горизонтальной круглой трубы зависит от многих величин - коэффициента теплопроводности, числа Re, стабилизированного течения др.., И принимается равной 50d.
Ламинарный режим движения теплоносителя. Экспериментальные исследования вынужденной конвекции при ламинарном движении теплоносителей показали, что возможно два режима движения - вязкий и связки ^ но-гравитационный.
Первый наблюдается в случае преобладания сил вязкости над поднимая силами, и последние не учитывают. Вязкостных режим наблюдается в жидкостях с большим коэффициентом вязкости, при этом режиме нет перемешивания слоев, свободная конвекция не влияет на теплообмен, перенос теплоты осуществляется теплопроводностью (например, мазут).
При втором режиме поднимая силы учитывают. Наличие естественной конвекции турбулизуе поток и увеличивает перенос теплоты. Вязкостно-гравитационный режим характерен для маловязких жидкостей и газов, при этом наблюдается дополнительное перемешивание слоев за счет свободной конвекции. Важное значение при этом имеют направления свободной и вынужденной конвекции. Возможны 3 случая:
- Направления совпадают - теплообмен улучшается за счет увеличения скорости жидкости;
- Направления противоположны - теплообмен ухудшается за счет уменьшения скорости жидкости;
- Направления взаимно перпендикулярны - теплообмен улучшается за счет перемешивания жидкости.
Критерием, по которому различают вязкостных и вязкостно-гравитационный режимы, является значение произведения Gr'Pr.
Переходный режим движения теплоносителя. Для переходного режима течения теплоносителя в трубах и каналах, которому соответствует число Re, превышает 2300, но меньше 10000 нет расчетных формул, обобщающих результаты различных опытов. В этой области для потока характерно неустойчивость режима, на него влияют отдельные местные возмущения, яки обусловлены размером и формой каналов, шероховатостью поверхности стенок и т.д. То есть теплоотдача при этом режиме зависит от очень многих величин, которые трудно учесть. Поэтому теплоотдача при переходном режиме движения теплоносителя не может быть описана одним уравнением подобия. При определении коэффициента теплоотдачи при переходном режиме используют комплекс Ko, значение которого определяют графическим методом (рис. 2.16).
Для многих теплообменников, например водотрубных котлов, воздухоподогревателей, экономайзеров и др.., Характерно поперечное расположение труб в потоке теплоносителя. При этом, как указывалось выше, поток жидкости отрывается от поверхности, он омывает, и движение теплоносителя имеет очень сложный характер: образуются застойные области, возникают обратные течения, большие вихри и другие явления, яки изменяют природные условия течения, соответствующие форме русла потока .
озрахунок конвективного теплообмена в пучках (пакетах) труб при их поперечном вынужденном обтекании жидкостью представляет собой более сложную задачу по сравнению с расчетом при обтекании одиночной трубы, поскольку на характер движения жидкости будет дополнительно влиять взаимное расположение труб в пучке. На практике чаще всего встречаются два типа пакетов: с коридорным и шахматным расположением, при этом характеристиками пучка принято считать диаметр труб d и расстояния между их осями по ширине Хи и глубине Х2 пучка, яки выражаются обычно через число диаметров ПD.
Следует отметить, что для пучка с шахматным расположением труб условия их омовения во всех рядах близкие к условиям омовения одиночного цилиндра. Для пучка с коридорным расположением труб это не характерно, в нем только характер омовения труб первого ряда такой же, как для одиночного цилиндра, а трубы всех последующих рядов находятся в вихревой зоне труб, расположенных в предыдущих рядах. Максимум теплоотдачи наблюдается не в лобовой точке, а примерно через 45-50 ° от нее в местах удара струй. Характер процесса теплоотдачи в пучке с шахматным расположением труб аналогичный характера процесса теплоотдачи по окружности одиночного цилиндра.
Вследствие увеличения турбулентности потока при прохождении через пучок самая теплоотдача наблюдается у труб начиная с третьего ряда (примерно на 40% больше, чем у труб первого ряда, и на 20-30% больше по сравнению с трубами второго ряда). После третьего ряда турбулентность потока стабилизируется соответствии с характером пучка, при этом через лучшее перемешивание частиц жидкости абсолютное значение коэффициента теплоотдачи при шахматном расположении труб выше, чем при коридорном. Нужно иметь в виду, что при выборе компоновки пучка необходимо учитывать также его габариты, величину гидравлических сопротивлений и засорение.
На основании обобщения многих экспериментальных данных используют следующие формулы для расчета средней теплоотдачи труб третьего и следующего рядов в пучке.