Коэффициент гидравлического сопротивления каждого пучка определяли по падению давления на участке стабилизации, выделенному на экспериментальной пьезометрической линии вдоль пучка. Начало его отстояло от входной решетки на 270 ... 360 мм, конец — на 190 мм от выходной решетки. Эти концевые участки, где имело место влияние дистанционирующих решеток, исключались из рассмотрения. Длина участка с установившимся течением была равна примерно половине длины пучка и составляла 30 ... 200 калибров. Расчетную обработку результатов эксперимента производили по средне-расходной скорости воздуха в живом сечении канала с пучком и по гидравлическому диаметру канала с пучком в качестве определяющего размера.
Исследованные пучки собирали из стальных шлифованных стержней диаметром 6 ... 8 мм, в пучке содержалось 121 ... 37 стержней. Дистанционирующие решетки обеспечивали треугольную разбивку стержней в пучках с шагом 7 ... 9,5 мм. Продувка пучков проводилась в гладких шестигранных каналах с размером «под ключ» 80 и 92 мм.
Комбинирование стержней разного диаметра с различными дистанционирующими решетками и каналами позволило получить 44 пучка с относительным шагом 1,02... 1,59. Для каждого исследованного пучка находили зависимость коэффициента гидравлического сопротивления трения X от числа Рейнольдса. Оказалось, что все 44 исследованных пучка удовлетворительно описываются уравнением вида Х=АКеп.
В интервале исследованных значений числа Рейнольдса 5-103 ... 200-103 величины показателя степени п близки к —0,25 (с разбросом +5 %) для всех исследованных пучков. Это обстоятельство позволяет привести гидравлические характеристики всех исследованных пучков к виду ЯАТ, сопоставив их с гидравлической характеристикой гладкой трубы Ях, которая, как известно, описывается уравнением Блазиуса: 0,316 Ее0.25.
Десять из этих пучков с числом стержней 91 и 127 н относительным шагом 1,08 ... 1,59 имели равномерное распределение стержней в канале. На этих пучках производилась отработка методики эксперимента. Данные о коэффициенте гидравлического сопротивления этих пучков, полученные в проведенных опытах, хорошо согласуются с данными последних публикаций, что свидетельствует о надежности примененной методики.
На остальных 34 пучках, имевших ту или иную неравномерность заполнения канала пучком, были проведены исследования влияния этой неравномерности на гидравлические характеристики пучка. Неравномерности заполнения канала пучком добивались тремя способами (рис. 4): сборкой пучка из стержней различного диаметра; удалением отдельных стержней из пучка; увеличением зазора между периферийными стержнями пучка и стенками канала за счет сгущения пучка в центре.
Обобщение гидравлических характеристик исследованных пучков произведено по параметру, который однозначно определяет свойства каждого пучка как комбинации составляющих его ячеек. При выборе этого геометрического параметра руководствовались соображениями его простоты и однозначности связи с гидравлическими и тепловыми характеристиками пучка.
Применительно к продольно омываемому пучку гладких стержней в гладком канале эту геометрическую характеристику можно определить, исходя из упрощенной модели течения. Рассмотрим канал с пучком как систему параллельных прямых каналов, для каждого из которых справедлив один и тот же закон течения, например Блазиуса. Кроме того, сделаем допущение, что поперечное перемешивание теплоносителя в канале отсутствует, так как статическое давление в каждом поперечном сечении канала одинаково, а физические константы теплоносителя по сечению также одинаковы.
В этих условиях суммарная гидравлическая характеристика канала с пучком — коэффициент гидравлического сопротивления в форме отношения АДТ определяется как функция, где и ч — гидравлические диаметры канала и центральной ячейки, т2 и тг — доли живого сечения в канале и в ячейке. Значения т2 и тг, определенные таким образом, являются ни чем иным, как пористостью канала с пучком стержней и пористостью центральной ячейки.
Обработка экспериментальных данных по аргументам показала, что разброс экспериментальных точек для аргумента (3) наибольший, а для аргументов (1) и (2) практически одинаков. Поэтому в качестве параметра, характеризующего степень неравномерности проходного сечения, было принято отношение пористостей канала с пучком и ячейки пучка, т. е. характеристика пучка дана в форме зависимости Х/ХТ= (гпъ/т-д для всех исследованных пучков.
Исследованные каналы с пучками имели пористость т2 0,24 ... 0,81 при пористости ячейки тг 0,12 ... 0,64. Степень неравномерности проходного сечения, т. е. отношение т2/т1, находится в диапазоне 1,02 ... 4,33. Прямая линия, усредняющая экспериментальные точки с разбросом +10 % до значения т2/т1<^ 2,5 н далее при т%1тх до 4,3 с разбросом +20 %, отвечает уравнению
АЛ (т2/т1)~°>75.
Это позволяет рекомендовать для расчета коэффициента гидравлического сопротивления трения про-дольно омываемого гладкого пучка в гладком канале формулу
Х = 0,31б(^) °’75Ке-°-25, которая в диапазоне числа Рейнольдса 5* 103 ... 200* 103 с приемлемой погрешностью 10 % (для практических случаев т2/т1 < 2,5) учитывает влияние неравномерности потока на его гидравлическую характеристику.
Вследствие неравномерности проходного сечения канала часть теплоносителя минует непосредственный контакт с поверхностью теплообмена, не участвуя в процессе теплообмена, что существенным образом снижает эффективность работы поверхности.
Влияние неравномерности особенно заметно, когда теплообменная поверхность выполнена с максимальной компактностью, т. е. с малым значением тг, а по условиям конструкционной компоновки общая пористость канала не может быть достаточно минимизирована и Щр-тх в 2 и более раз. При этом коэффициент сопротивления снижается почти вдвое, что свидетельствует о существенном ухудшении эффективности теплообмена. В этих условиях должна возникнуть неравномерность в тепловой работе поверхности, связанная с неодинаковым омыванием теплоносителем труб, прилегающих к разреженным участкам пучка и удаленных от них. В тех случаях, когда неравномерность теплоотвода имеет существенное значение, неравномерность течения должна быть тщательно учтена в расчетах теплообменной поверхности. Для обеспечения равномерной и эффективной работы теплообменной поверхности следует стремиться к равенству пористостей канала с пучком и ячейки пучка.
