Кафедра Теплоэнергетика и холодильные установки

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Астраханский государственный технический университет»

Институт морских технологий энергетики и транспорта

Кафедра Теплоэнергетика и холодильные установки

 

Реферат

По дисциплине: «Интенсификация теплофизических процессов»

По теме: «Влияние угла атаки потока на теплоотдачу пучка»

 

 

Выполнил студент группы ДТЕТБ-31/2

Милосердов Н.Д.

 

Проверил доцент

Глухов А.Н.

 

Астрахань – 2018 г.

 

Процесс теплоотдачи при поперечном обтекании труб имеет ряд особенностей, которые объясняются гидродинамической картиной движения жидкости вблизи поверхности трубы. Опыт показывает, что плавный, безотрывный характер обтекания трубы имеет место только при очень малых числах Re<5 (рис. 1, а). При значительно больших числах , что более характерно для практических задач, обтекание трубы всегда сопровождается образованием вихревой зоны в тыльной части, как это показано на рис. 1, б, в. При этом характер и условия омывания передней и тыльной половины цилиндра совершенно различны.

а) б) в)

 

Рисунок 1 – Обтекание одиночного цилиндра

а) – безотрывное; б) – отрыв ламинарного пограничного слоя;

в) – отрыв турбулентного пограничного слоя

 

В лобовой точке набегающий поток разделяется на две части и плавно обтекает переднюю часть периметра трубы. На поверхности трубы образуется пограничный слой, который имеет наименьшую толщину в лобовой точке и далее постепенно нарастает в размерах. Развитие пограничного слоя вдоль периметра трубы происходит в условиях переменной внешней скорости потока и переменного давления. Скорость слоев жидкости, примыкающих к внешней границе пограничного слоя, увеличивается вдоль периметра трубы, а давление при этом, как известно из уравнения Бернулли, уменьшается. При достижении точки поверхности трубы, соответствующей углу (угол отсчитывается от лобовой точки), скорость достигает наибольших значений и далее начинает уменьшаться, что сопровождается увеличением (восстановлением) давления. В этой области пограничный слой становится неустойчивым, в нем возникает обратное течение (рис. 2), которое оттесняет поток от поверхности. В итоге происходит отрыв потока и образование вихревой зоны, охватывающей тыльную часть трубы. Положение точки отрыва пограничного слоя зависит от значения Re и степени турбулизации набегающего потока. При малой степени турбулизации внешнего потока и относительно небольших числах Re течение в пограничном слое вплоть до точки отрыва имеет ламинарный характер. При этом местоположение зоны начала отрыва пограничного слоя характеризуется углом (рис. 1,6). При Re = (1…4)·10⁵ течение в пограничном слое вдоль большей части поверхности становится турбулентным. Турбулентный пограничный слой более устойчив, зона начала отрыва отодвигается в область больших углов (рис. 1, в).

В вихревой зоне движение жидкости имеет сложный и неупорядоченный характер, причем средняя интенсивность вихревого движения и перемешивания жидкости увеличивается с ростом Re. Такая своеобразная картина обтекания трубы в сильной мере отражается и на теплоотдаче. Интенсивность теплоотдачи по окружности трубы неодинакова. Представление об ее относительном изменении дает кривая на рис. 3,.

Максимальное значение коэффициента теплоотдачи наблюдается на лобовой области цилиндра (φ=0), где толщина пограничного слоя наименьшая. По поверхности цилиндра в направлении движения жидкости интенсивность теплообмена резко падает и при достигает минимума. Это изменение связано с нарастанием толщины пограничного слоя. В тыльной части трубы коэффициент теплоотдачи снова возрастает за счет улучшения отвода теплоты вследствие вихревого движения и перемешивания жидкости. При малых значениях Re интенсивность теплообмена в вихревой зоне ниже, чем в лобовой точке. Однако по мере увеличения числа Re за счет интенсификации вихревого движения в области отрыва коэффициент теплоотдачи в тыльной зоне увеличивается.

Рисунок 2 – Распределение скоростей у поверхности цилиндра и образование возвратного течения

Рисунок 3 – Распределение относительного коэффициента теплоотдачи по окружности цилиндра

Средняя по периметру трубы теплоотдачи описывается уравнениями подобия:

при 5<Re<10³

; (1)

при 10³<Re<2·10⁵

; (2)

при Re=3·10⁵–2·10⁶

. (3)

При этом за характерный линейный размер принят внешний диаметр трубы, скорость отнесена к самому узкому поперечному сечению канала, стесненному цилиндром. Определяющей температурой является средняя температура жидкости; исключение составляет

Соотношения (1) - (3) справедливы в случае, когда угол атаки Ψ, образованный направлением движения потока и осью трубы, равен 90°. Зависимость теплоотдачи от величины угла атаки Ψ представлена на рис. 4. Здесь по оси абсцисс отложено значение Ψ, а по оси ординат — значение ε_Ψ, которое представляет собой отношение теплоотдачи при угле атаки Ψ к теплоотдаче при угле атаки Ψ = 90°, т. е. . Тогда

(4)

Рисунок 4 – Зависимость теплоотдачи цилиндра от угла атаки Ψ

 

С учетом характера изменения ε_Ψ (рис. 4) видно, что с уменьшением угла атаки теплоотдача ухудшается.

Теплоотдача при поперечном обтекании пучков труб.В практике трубные теплообменные поверхности компонуются в трубные пучки. Процессы течения и теплоотдачи при этом усложняются. Получили наибольшее распространение два основных типа трубных пучков — коридорный и шахматный (рис. 5).

Характеристиками пучка являются диаметр труб d и относительные расстояния между их осями по ширине пучка и его глубине .

 

 

Рисунок 5 – Схемы расположения труб в коридорных (а) и шахматных (б) пучках

 

а) б)

Рисунок 6 – Характер движения жидкости в: а) -коридорных и б) - шахматных пучках круглых труб

Рисунок 7 – Типичное изменение теплоотдачи по окружности труб в коридорных (1) и шахматных (2) пучках

 

От схемы компоновки пучка зависят характер движения жидкости и омывания трубок (рис. 6). Условия омывания первого ряда трубок в обоих пучках близки к условиям омывания одиночной трубки. Для последующих же рядов картина изменяется. В коридорных пучках (рис. 6, а) все трубки второго и последующих рядов находятся в вихревой зоне впереди стоящих труб. Основной поток проходит как бы через «коридор» между рядами труб. Между трубками по глубине пучка получается застойная зона с относительно слабой циркуляцией жидкости. Поэтому здесь как лобовая, так и тыльная части трубок омываются со значительно меньшей интенсивностью, чем те же части одиночной трубки или лобовая часть первого ряда в пучке (рис. 7). В шахматных пучках (рис. 6, б) обеспечивается более интенсивное перемешивание потока и глубоко расположенные трубки по характеру омывания мало чем отличаются от трубок первого ряда.

Для обоих компоновок трубных пучков теплоотдача при переходе от первого ряда к третьему ряду возрастает и стабилизируется в третьем и последующих рядах. Если теплоотдачу третьего ряда принять за 100%, то в шахматных и коридорных пучках теплоотдача первого ряда составляет всего лишь около 60 %, а второго ‒ в коридорных пучках около 90 % и в шахматных ‒ около 70%. Причиной возрастания теплоотдачи является увеличение турбулентности потока при прохождении его через пучок. Начиная с третьего ряда, турбулентность потока принимает стабильный характер, присущий данной компоновке пучка. По абсолютному значению теплоотдача в шахматных пучках выше, чем в коридорных, что обусловливается лучшим перемешиванием жидкости, омывающей трубы. Однако гидравлическое сопротивление такого пучка больше.

Для расчета средней теплоотдачи рекомендуется уравнение подобия:

, (5)

где ε_i и ε_s соответственно коэффициенты, учитывающие ряд расположения труб и шаг между трубами. Значения ε_i представлены в таблице 1:

Таблица 1

Значения коэффициента ε_i

 

трубный пучок	C	n	εi
1 ряд	2 ряд	3 и последующие ряды
Коридорный	0,26	0,65	0,6	0,9	1,0
Шахматный	0,41	0,6	0,6	0,7	1,0

Значение коэффициента ε_s определяется:

для коридорной компоновки ,

для шахматной компоновки при ,а при .

 

 

Уравнение (5) справедливо при . Определяющая температура - t_ж, характерный линейный размер - d, В числе Re скорость взята в узкой части протока.

Уравнение подобия позволяет определить среднее значение коэффициента теплоотдачи для трубок третьего и всех последующих рядов в пучках.

Значения коэффициента теплоотдачи для трубок первого ряда пучка определяются путем умножения найденного среднего значения коэффициента теплоотдачи для трубок третьего ряда на поправочный коэффициент . Для трубок второго ряда в коридорных пучках , а в шахматных пучках .

Если же требуется определить средний коэффициент теплоотдачи всего пучка в целом, то в этом случае необходимо осреднение найденных значений а, которое производится следующим образом:

(6)

где — средние коэффициенты теплоотдачи по рядам; — площади поверхности теплообмена всех трубок в ряду.

Уравнение подобия (5) применимо лишь для случая, когда поток жидкости перпендикулярен оси пучка, т. е. когда угол атаки Ψ = 90°. Однако в практике не менее часты случаи, когда Ψ < 90°. Проще всего изменение теплоотдачи при изменении угла атаки может быть учтено путем введения поправочного коэффициента ε_Ψ, представляющего собой отношение коэффициента теплоотдачи при угле атаки Ψ к коэффициенту теплоотдачи при Ψ = 90°. При этом расчетная формула имеет следующий вид:

(7)

На основании ряда исследований определено, что значение коэффициента ε_Ψ является функцией угла атаки Ψ (Табл. 2):

Таблица 2

Зависимость коэффициента ε_Ψ от угла атаки потока Ψ

 

Список литературы:

1. https://studopedia.ru/12_128377_teplootdacha-pri-poperechnom-obtekanii-odinochnih-trub.html

2. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. Изд. 2-е, стереотип. М., «Энергия», 1977. - 344 с.

3. https://megaobuchalka.ru/8/46151.html