Сопротивление продольно омываемых неравномерных пучков гладких труб
К настоящему времени в отечественной и зарубежной литературе имеется довольно много расчетно-тео-ретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию тепловых и гидравлических характеристик продольно омываемых пучков. В подробно изученных плотных пучках с относительным шагом стержней в решетке 1,0... 1,1 прослеживается четкая зависимость гидравлических и тепловых характеристик пучка от шага. Для разреженных пучков с относительным шагом стержней в решетке больше 1,1 зависимость гидравлических и тепловых характеристик от шага выражена значительно слабее. Рекомендуемые исследователями расчетные зависимости для гидравлического сопротивления гладких пучков с шагом более 1,1 по мере накопления экспериментальных данных при большом числе стержней в пучке все меньше отклоняются от формулы для гладкой трубы.
Если на ранней стадии исследования пучков было установлено, что гидравлическое сопротивление пучка с относительным шагом ~1,5 почти на 50 % выше сопротивления гладкой трубы того же гидравлического диаметра, то в более поздних работах это превышение составляло всего 10 %.
Такая существенная разница в результатах исследований не может быть объяснена неточностями эксперимента. Причина здесь, по-видимому, заключается в том, что исследования пучков проводились в относительно разных условиях по неравномерности проходного сечения канала. Имеется в виду следующее обстоятельство: пучок стержней, расположенный -в канале и омываемый продольным потоком теплоносителя, представляет собой систему сообщающихся по всей длине ячеек-каналов с различными гидравлическими диаметрами и различными соотношениями расхода теплоносителя и величинами смоченного и теплообменного периметров. Например, пучок гладких труб в шестигранном канале образует три вида ячеек-каналов: ячейки в центральной части пучка; ячейки у стенки канала; ячейки в углах канала. При этом число ячеек-каналов в углах не зависит от числа труб в пучке, число ячеек-каналов у стенки пропорционально квадратному корню из числа труб, а число центральных каналов прямо пропорционально числу труб в пучке.
Так как канал с пучком труб представляет собой сумму всех трех видов ячеек-каналов, то она имеет усредненные характеристики, которые зависят от формы ячеек и соотношения числа ячеек каждого вида. Эти последние, в свою очередь, зависят от числа труб в пучке и расположения пучка относительно стенок канала. Большое значение имеет при этом шероховатость труб и канала.
Представляет интерес установление зависимости суммарных гидравлических- и тепловых характеристик пучков от числа и гидравлических диаметров отдельных ячеек. Однако имеющиеся в литературе данные не
содержат единообразной методики аналитического обзора такой зависимости. Более надежным и эффективным является проведение специального экспериментального исследования пучков из гладких труб в одинаковых условиях. Такое исследование должно быть достаточно объемным, т. е. охватывать значительное количество исследуемых пучков с различными геометрическими параметрами и числом труб.
Исследование гидравлических характеристик пучков проводилось на экспериментальном стенде ВНИИАМа, представляющем собой замкнутый циркуляционный контур с газодувкой. Давление воздуха в контуре можно изменять с помощью специального компрессор, а температура воздуха, продуваемого через экспериментальный участок, регулируется работой вспомогательных теплообменников. Экспериментальный участок выполнен в виде пучка гладких стержней 8 длиной 1050 мм, установленных в шестигранном гладком канале и закрепленных между двумя дистанционирующими решетками на входе и на выходе.
Воздух подается в торец пучка через специальные отверстия в дистанционирующей решетке, выполненной с большим числом отверстий, часть из которых служит для крепления стержней пучка, а часть — для прохода газа. При этом каждая ячейка-канал имеет свое отверстие для прохода воздуха в решетках на входе и на выходе из пучка. С целью уменьшения гидравлического сопротивления эти отверстия в решетках имеют коническую форму. Решетки сверлили на координатном станке (погрешность разметки центров отверстий не более +0,01 мм).
Отбор статического давления производили через 10 пар дренажных о1Ъерстий 6 диаметром 0,2 мм, выполненных электроискровым способом без заусенцев. Отверстия расположены попарно на противоположных гранях канала на равных расстояниях вдоль оси канала. Каждая пара отверстий объединена одной трубкой. В опытах измеряли массовый расход, температуру воздуха на входе в экспериментальный участок и за ним, давление в середине длины исследуемого пучка и перепады статического давления вдоль пучка и на дистанционирующих решетках. Исследования проведены при давлениях воздуха 0,1 ... 1,5 МПа, температурах 300 ... 320 К и массовых расходах 0,02... 1,1 кг/с.