ТЕПЛООБМЕН И АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ СОПРОТВЛЕНИЕ МАЛОРЯДНЫХ ПАКЕТОВ ПЛОСКООВАЛЬНЫХ ТРУБ

Кондратюк В. А.¹, Терех А. М.², Руденко А. И.³, Гайдаренко В. С.⁴

¹ Mладший научный сотрудник, ²кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ³кандидат технических наук, доцент, ⁴студент, Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт»

ТЕПЛООБМЕН И АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ СОПРОТВЛЕНИЕ МАЛОРЯДНЫХ ПАКЕТОВ ПЛОСКООВАЛЬНЫХ ТРУБ

Аннотация

Приведены результаты экспериментальных исследований теплообмена и аэродинамического сопротивления малорядных шахматных пакетов плоскоовальных  труб в диапазоне изменения чисел Рейнольдса от 3000 до 30000. Полученные данные показали увеличение интесивности теплообмена при переходе от первого ко второму – третьему рядам пакета, что можно обьяснить ростом степени турбулентности потока по мере продвижения его вглубь пучка. Аэродинамическое сопротивление пакетов увеличивается по мере возрастания количества поперечных рядов труб. Получены зависимости для расчета поправок, учитывающих влияние числа поперечных рядов труб в пакете на его теплообмен и аеродинамическое сопротивление.

Ключевые слова: плоскоовальная труба, пакет, малорядный, теплообмен, аэродинамическое сопротивление, расчет, поправка.

Kondratyuk V. A.¹ , Terekh A. M.², Rudenko A. I.³, Gaydarenko V. S.⁴

¹Junior researcher, ²PhD in Technical sciences, Senior Researcher, ³PhD in Technical sciences, associate professor, ⁴student, National technical university of Ukraine "Kiev Polytechnic Institute"

HEAT TRASFER OF SINGLE FLAT OVAL TUDES IN CROSS FLOW

Abstract

Results of experimental researches of heat exchange and aerodynamic resistance few row bundles chess packages flat oval tubes  in a range of variation of numbers of Reynolds from 3000 up to 30000. Оbtained data are resulted have shown an increase intensity heat exchange at transition from the first in the second – to the third numbers of a package that it is possible to explain growth of a degree of turbulence of a stream in process of its promotion deep into a bunch. Aerodynamic resistance of packages increases in process of increase of quantity of cross-section numbers of tubes. Dependences for calculation of the corrections considering influence of number of cross-section numbers of pipes in a package on its heat exchange and aerodynamic resistance are received.

Keywords:  flat-oval tube, bundles, few row, heat transfer, aerodynamic drag, calculation, amendment.

1. Введение

Малорядные пакеты труб применяют в калориферах для лесосушильных камер, предварительного подогрева воздуха в котлах, в системах вентиляции, кондиционирования и воздушного отопления общественных зданий и промышленных предприятий. Число поперечных рядов труб z₂ по направлению движения потока в таких устройствах обычно составляет z₂ = (2-5).

Отсутствие рекомендаций по определению влияния количества поперечных рядов труб на теплообмен и аэродинамическое сопротивление пакетов способствует принятию противоречивых конструкторских решений при проектировании теплообменных устройств.

В связи с этим актуальными являются вопросы создания надежных обобщенных зависимостей для расчета поправочных коэффициентов, которые учитывают влияние количества поперечных рядов труб z₂ на теплообмен и аэродинамическое сопротивление пакетов из плоскоовальных труб. Неучет влияния этого фактора приводит к неоправданному занижению или завышению площади теплообменной поверхности.

В НТУУ „КПИ” проведены экспериментальные исследования по определению влияния на теплообмен и аэродинамическое сопротивление числа поперечных рядов шахматных компоновок плоскоовальных труб (рис.1) [1, 2] по методикам, которые подробно описаны в работах [3-5].

Рис.1 - Шахматный пакет плоскоовальных труб

2. Теплообмен малорядных пакетов плоскоовальных труб

Влияние числа поперечных рядов труб на теплообмен пакетов обычно учитывается поправкой C_z  в уравнении (1)

   (1)

Экспериментальные исследования теплообмена во входных рядах пакетов проведены путем последовательного удаления поперечных рядов  многорядного пучка (z₂ =6-7). Таким образом определялись значения чисел Нуссельта для 1-го, 2-х, 3-х, 4-х, 5-и, 6-и и 7-и  рядных компоновок пучка. В таблице 1 приведены геометрические характеристики плоскоовальных труб и пакетов для которых проведены исследования влияния на теплообмен числа поперечных рядов труб. Значения поправки C_z вычислялись относительно средних коэффициентов теплоотдачи десятирядных пакетов.

Таблица 1 – Геометрические характеристики шахматных пакетов труб

Обработка экспериментальных данных для шахматных компоновок показала увеличение интенсивности теплообмена при переходе от первого ко второму- третьему рядам пучка, что можно объяснить ростом степени турбулентности потока по мере его продвижения вглубь пучка (рис.2, 3).

Рис.2 - Теплообмен входных рядов шахматного пакета труб № 1 (табл.1)

1 – первый ряд; 2 – второй; 3 – пятый

Рис.3 - Теплообмен входных рядов шахматного пакета труб № 2 (табл.1)

1 – первый ряд; 2 – второй; 3 – пятый

На рис. 4 представлена усредненная по экспериментальным точкам 1, 2 кривая поправки С_z от числа рядов z₂ (кривая 5) для шахматных пакетов плоскоовальных труб.

На рис.4 для сравнения полученных результатов нанесены и кривые  для шахматных (кривая 3 с S₁/d < 3, кривая 4  S₁/d ³ 3 ) пакетов круглых труб [5]. Значения C_z в этих случаях при увеличении z₂ растут, как и для пакетов плоскоовальных труб, однако входные ряды круглых труб имеют более сильное влияние на интенсивность теплообмена, а значения C_z для шахматных пакетов круглых труб изменяется от 0.62 до 1 при изменении z₂ от 1 до 10 для  S₁/d <3  и от 0.8 до 1 для S₁/d ³ 3. Такая достаточно большая разница в кривизне кривых 3 и 4 можно объяснить тем, что для шахматных пакетов с S₁/d ³  3 стабилизация течения и теплообмена происходит значительно быстрее, чем для пакетов с  S₁/d < 3.

Рис.4 – Зависимость поправки С_z от числа поперечных рядов труб z₂

1 – шахматный пакет плоскоовальных труб №1; 2 – шахматный пакет плоскоовальных труб №2; 3 – шахматные пакеты круглых труб при S₁/d<3 [5]; 4 - шахматные пакеты круглых труб при S₁/d³ 3 [5]; 5 – расчет по (2)

Математическое описание опытного массива данных (кривая 5, рис. 4) с точностью ±4% дает следующую зависимость для расчета поправки на малорядность шахматных пакетов плоскоовальных труб в формуле (1)

Расчетные зависимости для поправки С_z пакетов из круглых труб  имеют вид [5]

при z₂ < 10  и S₁/d < 3

Для всех рассмотренных компоновок пакетов из различных типов труб при z₂ ³ 10 поправка С_z = 1.

3. Аэродинамическое сопротивление малорядных пакетов плоскоовальных труб

Поправка на малорядность в формуле подобия (5) представлена как функция отношения чисел Эйлера, отнесенным к одному ряду малорядного ппакета Eu₀, к числам Эйлера,  отнесенным также к одному ряду, но многорядного пакета  (z₂ ³ 6) для которого при последующем увеличении количества поперечных рядов труб числа Eu₀ достигают своего предельного значения [3, 4]

В таблице 1 приведены геометрические характеристики плоскоовальных труб и пакетов, для которых проведены исследования влияния на потери давления числа поперечных рядов труб.

На рис.5, 6 представлены в логарифмических координатах зависимости чисел Эйлера Eu₀ от чисел Рейнольдса при изменении числа поперечных рядов шахматных пакетов плоскоовальных труб (пакети №1, № 2, табл.1).

Рис.5 – Аэродинамическое сопротивление входных рядов пакета №1

z₂=1; 2- z₂=2; 3- z₂=3; 4- z₂=4; 5- z₂=6; 6- z₂=7

Рис.6 – Аэродинамическое сопротивление входных рядов пакета №2

z₂=1; 2- z₂=2; 3- z₂=3; 4- z₂=4; 5- z₂=6; 6- z₂=7

С уменьшением z₂, как свидетельствуют данные на рис.5, 6 для исследованных шахматных пакетов наблюдается уменьшение чисел Эйлера. В нормативном методе [6] не приведены соотношения поправки на малорядность пакетов гладких круглых труб. Для шахматных поперечно ребристых труб наблюдается увеличение сопротивления при уменьшении числа рядов труб пакета [3, 4, 6].

На рис. 7 представлены экспериментальные данные  зависимости поправки  от числа рядов z₂ (точки 1,2) для шахматных пакетов плоскоовальних труб.

Рис.7 – Зависимость поправки  от числа рядов труб z₂

1 – пакет плоскоовальных труб №1; 2 – №2;

3 – расчет по зависимости (6)

Математическое описание опытных данных с точностью ±8% дает следующую зависимость для расчета поправки на малорядность шахматных пакетов плоскоовальных труб в формуле (5)

        (7)

4. Выводы

• Входные ряды существенно влияют на интенсивность теплообмена и аэродинамическое сопротивление пучков. Это влияние проявляется тем больше, чем меньше число поперечных рядов труб в пучке.
• Величину поправки С_z, учитывающую влияние на теплообмен числа поперечных рядов плоскоовальных труб для шахматной компоновки предлагается определять по формуле (2).
• Величину поправки , учитывающую влияние на сопротивление числа поперечных рядов плоскоовальных труб для шахматной компоновки  предлагается определять по зависимости  (7).

Литература

1. Письменный Е. Н., Кондратюк В. А., Жукова Ю. В., Терех А. М. Конвективный теплообмен поперечно-омываемых шахматных пакетов плоскоовальных труб// Восточно-Европейский журнал передовых технологий. – 2011. – №23/8 (50). – С. 4-
2. Кондратюк В. А., Туз В. Е., Терех А. М., Жукова Ю. В., Мейрис А. Ж. Аэродинамическое сопротивление поперечно-омываемых шахматных пакетов плоско-овальных труб//Восточно-Европейский журнал передовых технологий. – 2012. – №3/8 (57). – С. 39-42.
3. Юдин В.Ф. Теплообмен поперечно оребренных труб / В.Ф. Юдин. – Л.: Машиностроение, 1982. – 189 с.
4. Письменный Е.Н. Теплообмен и аэродинамика пакетов поперечно-оребренных труб / Е. Н. Письменный. – Киев: Альтерпрес.- 2004.- 244 с.
5. Тепловой расчет котлов (Нормативный метод). Издание 3-е, переработанное и дополненное. – СПб: НПО ЦКТИ, 1998. – 256 с.
6. Аэродинамический расчет котельных установок (нормативный метод). Изд. 3, под редакцией С.И. Мочана – Л.: Энергия, 1977. – 256 с.