Одиночные трубы

Теплоотдача при поперечном обтекании труб

Теплоотдача при поперечном обтекании трубы имеет свои особенности, которые зависят от условий омывания трубы жидкостью, влияющих на формирование пограничного слоя. Плавный, безотрывный характер обтекания наблюдается только при очень малых величинах Re < 5 (рис. 13.8, а).

При больших значениях критерия Рейнольдса, которые характерны для практики, обтекание трубы сопровождается образованием в кормовой зоне вихрей, как это показано на рис. 13.8, б и 13.8, в. Как видно из рисунков, условия омывания фронтальной и кормовой частей совершено различны.

Набегающий поток разделяется в лобовой точке трубы на две симметричные части и плавно обтекает переднюю (фронтальную) часть периметра. Обтекание сопровождается образованием постепенно нарастающего пограничного слоя, имеющего наименьшую толщину в любой точке.

Рис. 13.8. Обтекание одиночной трубы

В лобовой зоне наблюдается наибольшее значение коэффициента теплоотдачи, так как здесь наименьшая толщина пограничного слоя. Нарастание пограничного слоя по периметру трубы происходит в условиях изменения скорости потока и изменения давления жидкости. Скорость потока, имеющая минимальное значение перед трубой, в связи с изменением живого сечения потока нарастает и достигает максимума в точке периметра трубы, соответствующей углу j = 90° от лобовой точки. Далее скорость начинает уменьшаться и приходит к минимуму, когда поток минует трубу. В соответствии с уравнением Бернулли, при увеличении скорости потока давление жидкости в нем уменьшается, а в кормовой зоне — увеличивается. В кормовой зоне пограничный слой, достигнув своей максимальной толщины, становится неустойчивым, в нем возникают вихри и вспятное движение, оттесняющее этот слой от поверхности трубы. Вихревая зона охватывает практически всю кормовую часть трубы, но при этом отрыв ламинарного пограничного слоя начинается в зоне, соответствующей углу j = 80…85°.

При значительной турбулизации потока, когда число Рейнольдса превышает 10⁵, течение в пограничном слое имеет турбулентный характер. Турбулентный пограничный слой более устойчив, зона отрыва отодвигается в область больших углов j = 120…130° (см. рис. 13.8, в). Эта картина гидродинамических условий отражается на теплоотдаче. Интенсивность теплоотдачи меняется по периметру трубы от максимального значения в лобовой точке до минимума, что связано с возрастанием толщины пограничного слоя, который изолирует трубу от основного потока. Затем, в кормовой зоне теплоотдача снова возрастает за счет перемешивания жидкости и соответственного улучшения условий отвода тепла (рис. 13.9).

Рис. 13.9. Изменение относительного коэффициента теплоотдачи
по окружности цилиндра

Теоретическое исследование теплоотдачи затруднено из-за сложного характера обтекания трубы, поэтому основным методом изучения закономерностей теплообмена является эксперимент.

Изучению теплоотдачи трубы при омывании ее поперечным потоком посвящено значительное количество исследований. В результате анализа и обобщения опытных данных по определению среднего по периметру трубы коэффициента теплоотдачи можно рекомендовать зависимости:

§ при Re < 10³

; (3.19)

§ при Re > 10³

. (3.20)

Если в качестве теплоносителя используется воздух, зависимости (13.19) и (13.20) упрощаются и принимают вид:

§ при Re < 10³

; (13.19¹)

§ при Re > 10³

; (13.20¹)

Следует отметить, что на теплоотдачу влияет угол атаки трубы омывающим её потоком жидкости. Максимальное значение теплоотдачи наблюдается, если угол между направлением движения потока и осью трубы составляет y = 90°. При угле атаки меньше 70° необходимо вводить поправку, учитывающую уменьшение теплоотдачи.