盤管與夾套式熱交換器

1、盤管與夾套式熱交換器一 、 實(shí) 驗(yàn) 目 的測 定 盤 管 式 與 夾 套 式 熱 交 換 器 的 熱 總 傳 係 數(shù) 。二 、 實(shí) 驗(yàn) 原 理化 學(xué) 工 廠 常 見 的 反 應(yīng) 器 、 調(diào) 料 桶 等 都 需 要 配 備 加 熱 (或 冷 卻 及 攪 拌 裝 置 , 以 便 有 效 控 制 器 內(nèi) 物 料 的 溫 度 , 一 般 均 以 夾 套 或 盤 管 式 熱 交 換 器 來 達(dá) 成 目 的 。 夾 套 與 盤 管 可 同 時(shí) 共 有 , 也 可 單 獨(dú) 裝 設(shè) , 依 實(shí) 際 需 要 而 定 。 (一 盤 管 式 熱 交 換 器盤 管 式 熱 交 換 器 包 括 一 個 圓 柱 形 容

2、器 , 在 容 器 內(nèi) 可 以 裝 設(shè) 機(jī) 械 攪 拌,以 便 加 強(qiáng) 熱 傳 效 果,其 盤 管 則 由 銅 管 、 鋼 管 或 其 他 合 金 管 均 勻 地 盤 繞 而 成 , 使 獲 得 較 大 的 傳 熱 面 積 。 若 以 盤 管 盤 繞 方 式 來 區(qū) 分 , 則 可 分 為 平 板 盤 管 式 (Pla te co il 熱 交 換 器 (圖 一 及 螺 旋 盤 管 式 (Heli ca l co i l 熱 交 換 器 (圖 二 兩 種 。 平 板 管 水 平 置 於 容 器 底 部 , 藉 由 自 然 對 流 的 方 式 傳 遞 熱 量 , 螺 旋 管 則 裝 在 垂 直

3、圓 柱 容 器 內(nèi) , 兩 者 皆 可 加 裝 攪 拌 器 , 以 提 高 熱 傳 效 率 。1 - 1 圖 一 平 板 盤 管 熱 交 換 器 (a 側(cè) 視 圖 (b 為 不 同 盤 繞 方 式 的 俯 視 圖 圖 二 附 擋 板 螺 旋 盤 管 式 熱 交 換 器 及 其 幾 何 形 狀 的 建 議 值 比 率盤 管 式 熱 交 換 器 具 有 如 下 的 優(yōu) 點(diǎn) :(1流 體 具 有 離 心 力 , 而 增 加 傳 熱 效 果 。(2型 態(tài) 簡 單 , 有 安 定 的 流 動 , 適 於 黏 性 流 體 的 熱 交 換 。(3積 垢 性 小 , 易 清 理 。(4適 於 流 量 小 或

4、低 比 熱 的 流 體 。(5安 裝 容 易 , 堅(jiān) 固 耐 用 。但 它 亦 受 以 下 的 限 制 :(1整 體 結(jié) 構(gòu) 小 , 管 的 整 修 、 接 合 比 較 困 難 。(2管 外 雖 可 用 機(jī) 械 方 式 清 理 , 但 管 內(nèi) 一 定 要 以 化 學(xué) 方 式1 - 21 - 3處 理 。以 下 各 種 熱 傳 係 數(shù) 經(jīng) 驗(yàn) 式 的 介 紹 , 皆 以 螺 旋 盤 管 式 熱 交 換 器 為 例 :1. 穩(wěn) 定 狀 態(tài) 下 的 傳 熱(1總 傳 熱 係 數(shù)如 圖 三 所 示 , 若 所 供 應(yīng) 熱 源 為 熱 水 加 熱 流 體 , 當(dāng) 系 統(tǒng) 達(dá) 穩(wěn) 定 狀 態(tài) 後 , 則

5、熱 水 所 供 應(yīng) 的 熱 量 為(hb ha h h h T T Cp m q -= (1冷 水 吸 收 熱 量 為 :(ca cb c c c T T Cp m q -= (2若 忽 略 熱 損 失 , 則( (ca cb c c hb ha h h T T Cp m T T Cp m -=-lm 00T (A u = (3其 中h m :熱 水 流 量 (kg/s m c :冷 水 流 量 (kg/s c Cp :冷 水 平 均 比 熱 (kJ/k g . K h Cp :熱 水 平 均 比 熱 (kJ/k g . K T ca cb /:冷 水 進(jìn) /出 口 溫 度 (Khb ha T

6、 /:熱 水 進(jìn) /出 口 溫 度 (Ku 0:以 管 外 表 面 積 為 基 準(zhǔn) 的 總 傳 熱 係 數(shù) (kW /m 2.K lm T (:對 數(shù) 平 均 溫 度 差 (K1 - 4/ln( (2121T T T T T lm -= (4 圖 三 溫 度 變 化 圖(2盤 管 內(nèi) 側(cè) (熱 水 側(cè) 的 薄 膜 傳 熱 係 數(shù)假 設(shè) 熱 水 在 盤 管 內(nèi) 形 成 薄 膜 式 冷 凝 (film -typ e co n d e n s a tio n , 則 根 據(jù) 經(jīng) 驗(yàn) 式 , 薄 膜 冷 凝 狀 態(tài) 下 水 平 管 中 的 薄 膜 傳 熱 係 數(shù) h i 為h i (直 管 14. 0

7、8. 020023. 0 =w a i k Cp N D k D h (5直 管 的 傳 熱 係 數(shù) 再 乘 上 一 校 正 因 子 , 即 為 盤 管 的 薄 膜 傳 熱 係 數(shù) 。h i (盤 管 =h i (直 管 ×1+3.5(Di /D o (6(3盤 管 外 側(cè) 的 薄 膜 傳 熱 係 數(shù)a. 無 機(jī) 械 攪 拌 設(shè) 備 時(shí) :盤 管 外 圍 儲 槽 容 器 的 熱 量 傳 送 完 全 是 一 種 自 然 對1 - 5 流 的 現(xiàn) 象 , 因 此 需 依 照 普 通 管 子 外 圍 自 然 對 流 的 公 式 與 方 法 加 以 計(jì) 算 。 但 目 前 大 部 份 學(xué) 者

8、 專 家 僅 研 究 單 管 束 (sin gl e tub es 的 自 然 對 流 現(xiàn) 象 , 而 缺 乏 工 業(yè) 用 熱 交 換 器 設(shè) 備 中 的 多 管 束 或 各 形 狀 加 熱 管 束 的 資 料 , 因 此 本 設(shè) 備 對 於 盤 管 外 側(cè) 薄 膜 傳 熱 係 數(shù) 的 估 算 乃 根 據(jù) Perry Ha n d b o o k 上 的 經(jīng) 驗(yàn) 式 :25. 000 (127D T h = (7其 中T :管 壁 溫 度 與 流 體 平 均 溫 度 的 差 值 (KD 0:盤 管 外 徑 (mb. 附 有 機(jī) 器 攪 拌 設(shè) 備 時(shí) :關(guān) 於 在 攪 拌 狀 態(tài) 下 的 熱

9、量 傳 送 , 曾 有 許 多 位 學(xué) 者 , 針 對 各 類 盤 管 熱 交 換 器 的 型 式 與 流 體 種 類 , 提 出 各 種 的 經(jīng) 驗(yàn) 式 , 其 關(guān) 係 式 為 :f k Cp N D K k D h w a =200 (8其 中kD h 00:納 塞 數(shù) , Nu N D a 2:雷 諾 數(shù) , RekCp :普 蘭 多 數(shù) , P r h 0:盤 管 外 側(cè) 薄 膜 傳 熱 係 數(shù) (kW /m 2. K D a :攪 拌 翼 直 徑 (mD 0:盤 管 外 徑 (mN :轉(zhuǎn) 速 (rps , l/s k , , , C p :在 流 體 平 均 溫 度 下 的 物 性w

10、 :盤 管 管 壁 溫 度 下 的 黏 度 (kg/m . s K , , , , f :各 類 盤 管 加 熱 器 的 參 數(shù)根 據(jù) 契 爾 頓 (Chilto n 及 克 勞 梭 德 (Kra us s o l d 等 的 研 究,在 圓 筒 槽 中 , 各 參 數(shù) 值 分 別 為 K =0. 87, =0. 62, =0. 33, =0.14, f =1, 所 以 , 式 (8可 直 接 寫 成14. 033. 062. 020087. 0 =w a k Cp N D k D h (9(二 夾 套 管 式 熱 交 換 器夾 套 管 式 熱 交 換 器 包 括 一 個 容 器 (vess

11、el 及 具 備 適 當(dāng) 方 式 來 循 環(huán) 熱 (或 冷 流 體 的 夾 套 (ja cket , 在 垂 直 圓 柱 形 的 容 器 內(nèi) 可 以 裝 設(shè) 機(jī) 械 攪 拌 , 以 便 加 強(qiáng) 熱 傳 效 果 。 為 加 強(qiáng) 蒸 汽 的 熱 傳 效 果 , 夾 套 內(nèi) 可 以 用 擋 板 (ba f fle 將 夾 套 間 隔 成 多 個 空 間 , 如 圖 四 之 (a(b 所 示 ; 夾 套 的 位 置 亦 因 需 要 而 裝 設(shè) 在 不 同 的 容 器 之 外 , 如 圖 四 之 (c(d 所 示 。 圖 四 夾 套 幾 合 組 合夾 套 管 熱 交 換 器 大 多 以 分 批 式 (b

12、a tch 方 式 操 作 , 而 在 此 操 作 期 間 , 溫 度 差 並 不 是 常 數(shù) 。 同 時(shí) 反 應(yīng) 器 有 無 裝 設(shè) 攪 拌 器 亦 對 熱 傳 有 很 大 的 影 響 , 因 此 , 對 於 夾 套 式 熱 交 換 器 的 設(shè) 計(jì) 而 言 , 所 能 獲 得 的 數(shù) 據(jù) 資 料 並 不 多 見 。1. 穩(wěn) 定 狀 態(tài) 下 的 傳 熱 (1總 傳 熱 係 數(shù)如 圖 五 所 示 , 若 所 供 應(yīng) 的 熱 源 為 熱 水 (加 熱 流 體 , 則 當(dāng) 系 統(tǒng) 達(dá) 到 穩(wěn) 定 狀 態(tài) 後 , 熱 水 所 供 應(yīng) 的 熱 量 為(hb ha h h h T T Cp m q -=

13、(10冷 水 吸 收 熱 量 為 :q m Cp T T c c c cb ca =-( (11若 忽 略 熱 損 失 , 則( (ca cb c c hb ha h h T T Cp m T T Cp m -=-lm T A u (00= (12 圖 五 溫 度 變 化 圖其 中h m :熱 水 流 量 (kg/s m c :冷 水 流 量 (kg/s c Cp :冷 水 平 均 比 熱 (kJ/k g . K h Cp :熱 水 平 均 比 熱 (kJ/k g . K T ca cb /:冷 水 進(jìn) /出 口 溫 度 (Khb ha T /:熱 水 進(jìn) /出 口 溫 度 (Ku 0:以 管

14、 外 表 面 積 為 基 準(zhǔn) 的 總 傳 熱 係 數(shù) (kW /m 2.K lm T (:對 數(shù) 平 均 溫 度 差 (K /ln( (2121T T T T T lm -=(2夾 套 內(nèi) 側(cè) (熱 水 側(cè) 的 薄 膜 傳 熱 係 數(shù)假 設(shè) 蒸 汽 在 盤 管 內(nèi) 形 成 薄 膜 式 冷 凝 (film -typ e co n d e n s a tio n ,則 根 據(jù) 納 塞 (Nuss el t 的 經(jīng) 驗(yàn) 式,在 直 立 圓 柱 體 面 上 的 薄 膜 冷 凝 , 其 薄 膜 傳 熱 係 數(shù) h i 為14. 0254. 0 =w a j i k Cp N D kD h (13(3夾

15、套 外 側(cè) 的 薄 膜 傳 熱 係 數(shù) a. 無 機(jī) 械 攪 拌 設(shè) 備 時(shí) :在 此 狀 態(tài) 下 , 容 器 內(nèi) 的 熱 量 傳 送 完 全 是 一 種 自 然 對流 , 因 為 一 般 使 用 這 類 型 的 加 熱 器 或 反 應(yīng) 器 時(shí) , 為 達(dá) 較 佳 的 熱 傳 效 果 , 都 是 加 裝 攪 拌 設(shè) 備 以 達(dá) 此 目 的 , 因 而 使 很 少 有 學(xué) 者 專 家 針 對 容 器 內(nèi) 的 自 然 對 流 現(xiàn) 象 作 研 究 , 在 此 , 只 好 以 圓 柱 體 內(nèi) 的 自 然 對 流 現(xiàn) 象 作 為 趨 近 於 夾 套 式 熱 交 換 的 計(jì) 算 。 根 據(jù) Perry H

16、an d b o o k 上 的 經(jīng) 驗(yàn) 式 :25. 000 (127LT h = (14 其 中0T :夾 套 式 器 壁 溫 度 與 容 器 內(nèi) 液 體 平 均 溫 度 的 差值 (KL :夾 套 式 熱 交 換 器 的 高 度 (mb. 附 有 機(jī) 器 攪 拌 設(shè) 備 時(shí) :關(guān) 於 在 攪 拌 狀 態(tài) 下 的 熱 量 傳 送 , 曾 有 許 多 位 學(xué) 者 , 提 出 各 種 的 經(jīng) 驗(yàn) 式 , 其 共 同 的 關(guān) 係 式 為 :f k Cp N D K k D h a ( ( (200= (15 其 中k D h 00:納 塞 數(shù) , Nu N D a 2:雷 諾 數(shù) , RekCp

17、 :普 蘭 多 數(shù) , P r h 0:夾 套 外 側(cè) 薄 膜 傳 熱 係 數(shù) (kW /m 2. K D 0:容 器 內(nèi) 徑 (M D a :攪 拌 翼 直 徑 (m N :轉(zhuǎn) 速 (rps , l/s k , , , C p :在 流 體 平 均 溫 度 下 的 物 性w :容 器 器 壁 溫 度 下 液 體 的 黏 度 (kg/m . s K , , , , f :參 數(shù)根 據(jù) 契 爾 頓 (Chilto n 及 克 勞 梭 德 (Kra us s o l d 等 的 研 究,在 四 形 底 圓 柱 容 器 槽 中 , 若 攪 拌 翼 為 槳 式 , 則 各 參 數(shù) 值 分 別 為 K

18、=0. 36, a =2/3, b =1/3, g =0. 14, f =1, 所 以 , 式 (15 可 直 接 寫 成14. 03/13/2200 ( ( (36. 0k Cp N D k D h a = (16三 、 實(shí) 驗(yàn) 裝 置 實(shí) 驗(yàn) 相 關(guān) 條 件1. 試 驗(yàn) 槽 :採 用 SUS#304捍 接 成 二 重 槽內(nèi) 槽 有 效 :300 H400 mm 外 槽 有 效 :360 H430 mm2. 熱 交 換 管 :採 用 紅 銅 BW G #16 16 mm 長 500mm 3. 浮 子 流 量 計(jì) : 05 L/mi n , 010 L/min 1支 4. 盤 管 式 熱 交

19、換 器 :A 0=0. 25m 2, D a =35. 3cm 5. 夾 套 管 式 熱 交 換 器 :A 0=0. 377m 2, D a =32cm四 、 實(shí) 驗(yàn) 步 驟穩(wěn) 定 狀 態(tài) 下 的 熱 傳 (熱 水 A. 盤 管 式 熱 交 換 器1. 打 開 冷 水 進(jìn) 水 閥 V1讓 冷 水 槽 (內(nèi) 槽 中 的 冷 水 充 滿 , 並 保 持 溢 流 。 此 時(shí) 已 將 槽 內(nèi) 的 空 氣 排 除 。2. 將 熱 水 槽 內(nèi) 的 水 填 滿 , 打 開 電 源 開 關(guān) 設(shè) 定 槽 內(nèi) 之 溫 度 60 , 待 達(dá) 穩(wěn) 定 為 止 。3. 調(diào) 整 冷 水 浮 子 流 量 計(jì) , 使 流 量

20、 保 持 固 定 , 記 錄 溫 度 與 流 量 。 (冷 、 熱 水 流 量 比 為 3:14. 打 開 閥 V 3、 V 4(調(diào) B Y P A S S 、 V 5、 V 6、 V8、 V10、 V12, 開 熱 水 幫 浦 , 讓 熱 水 在 盤 管 內(nèi) 與 外 部 冷 水 進(jìn) 行 熱 交 換,啟 動 攪 拌 器,維 持 一 定 轉(zhuǎn) 速 40 rpm 。 5. 待 系 統(tǒng) 達(dá) 穩(wěn) 定 狀 態(tài) 後 , 每 2分 鐘 測 定 一 次 並 記 錄 進(jìn) 出 口 冷 水 溫 度 、 流 量 及 熱 水 進(jìn) 出 口 的 溫 度 , 且 約 五 組 數(shù) 據(jù) 不 隨 時(shí) 間 改 變 即 可 停 止 ,

21、並 降 溫 至 T1=T2。6. 改 變 冷 、 熱 水 流 量 比 (6:1及 9:1 , 重 覆 步 驟 35。B. 夾 套 式 熱 交 換 器1. 打 開 冷 水 進(jìn) 水 閥 V1讓 冷 水 槽 中 的 冷 水 充 滿 槽 內(nèi),並 保 持 溢 流 。2. 將 熱 水 槽 內(nèi) 的 水 填 滿 , 打 開 電 源 開 關(guān) 設(shè) 定 槽 內(nèi) 之 溫 度 60 , 待 達(dá) 穩(wěn) 定 為 止 。3. 調(diào) 整 冷 水 浮 子 流 量 計(jì) , 使 流 量 保 持 固 定 , 記 錄 溫 度 與 流 量 。 (冷 、 熱 水 流 量 比 為 3:14. 打 開 V3, V4(調(diào) BY PASS V5、 V6、 V9、 V11、 V12, 讓 熱 水 在 夾 套 與 內(nèi) 部 冷 水 進(jìn) 行 熱 交 換 , 啟 動 攪 拌 器 , 維 持 一 定 轉(zhuǎn) 速 40 rpm 。5. 待 系 統(tǒng) 達(dá) 穩(wěn) 定 狀 態(tài) 後 , 每 2分 鐘 測 定 一 次 並 記 錄 進(jìn) 出口 冷 水 溫 度