盘管与夹套式热交换器

iani盘管与夹套式热交换器

一、实验目的

测定盘管式与夹套式热交换器的热总传系数。

二、实验原理

化学工厂常见的反应器、调料桶等都需要配备加热(或冷却)及搅拌装置，以便有效控制器内物料的温度，一般均以夹套或盘管式热交换器来达成目的。夹套与盘管可同时共有，也可单独装设，依实际需要而定。

(一)盘管式热交换器

盘管式热交换器包括一个圆柱形容器，在容器内可以装设机械搅拌，以便加强热传效果，其盘管则由铜管、钢管或其他合金管均匀地盘绕而成，使获得较大的传热面积。若以盘管盘绕方式来区分，则可分为平板盘管式(Plate coil)热交换器(图一)及螺旋盘管式(Helical coil)热交换器(图二)两种。平板管水平置于容器底部，藉由自然对流的方式传递热量，螺旋管则装在垂直圆柱容器内，两者皆可加装搅拌器，以提高热传效率。

图一平板盘管热交换器(a)侧视图(b)为不同盘绕方式的俯视图

图二 附挡板螺旋盘管式热交换器及其几何形状的建议值比率

盘管式热交换器具有如下的优点：

(1)流体具有离心力，而增加传热效果。

(2)型态简单，有安定的流动，适于黏性流体的热交换。 (3)积垢性小，易清理。

(4)适于流量小或低比热的流体。 (5)安装容易，坚固耐用。 但它亦受以下的限制：

(1)整体结构小，管的整修、接合比较困难。

(2)管外虽可用机械方式清理，但管内一定要以化学方式 处理。

以下各种热传系数经验式的介绍，皆以螺旋盘管式热交换器为例：

1.稳定状态下的传热 (1)总传热系数

如图三所示，若所供应热源为热水加热流体，当系统达稳定状态后，则热水所供应的热量为

()hb ha h h h T T Cp m q -= (1) 冷水吸收热量为：

)(ca cb c c c T T Cp m q -=

(2)

若忽略热损失，则

())(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 ：热水流量(kg/s)

m c ：

冷水流量(kg/s)

c Cp ：冷水平均比热(kJ/kg ．K) h

Cp

：热水平均比热(kJ/kg ．K) T ca cb /：

冷水进/出口温度(K)

hb ha T /：热水进/出口温度(K)

u 0：

以管外表面积为基准的总传热系数(kW/m 2．K)

lm T )(∆：对数平均温度差(K)

)

/ln()(2121T T T T T lm ∆∆∆-∆=

∆ (4)

图三 温度变化图

(2)盘管内侧(热水侧)的薄膜传热系数

假设热水在盘管内形成薄膜式冷凝(film-type condensation)，则根据经验式，薄膜冷凝状态下水平管中的薄膜传热系数h i 为

h i (直管

)14

.03

1

8

.020023.0⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛⎪⎭

⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭

⎫

⎝

⎛==

w a i k Cp N D k

D h μμμμρ

(5)

直管的传热系数再乘上一校正因子，即为盘管的薄膜传热系数。

h i (盘管)=h i (直管)×[1+3.5(D i /D o )] (6)

(3)盘管外侧的薄膜传热系数 a.无机械搅拌设备时：

盘管外围储槽容器的热量传送完全是一种自然对流的现象，因此需依照普通管子外围自然对流的公式与方法加以计算。但目前大部份学者专家仅研究单管束(single tubes)的自然对流现象，而缺乏工业用热交换器设备中的多管束或各形状加热管束的数据，因此本设备对于盘管外侧薄膜传热系数的估算乃根据Perry Handbook 上的经验式：

25

.00

0)

(

127D T h ∆= (7)

其中

T

∆：管壁温度与流体平均温度的差值(K) D 0：盘管外径(m)

b.附有机器搅拌设备时：

关于在搅拌状态下的热量传送，曾有许多位学者，针对各类盘管热交换器的型式与流体种类，提出各种的经验式，其关系式为：

f k Cp N D K k

D h w a γ

β

α

μμ

μμρ⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭

⎫

⎝

⎛=20

0 (8)

其中

k

D h 0

0：纳塞数，Nu

μ

ρ

N D a 2

：雷诺数，Re

k

Cp μ：普兰多数，Pr

h 0：盘管外侧薄膜传热系数(kW/m 2．K) D a ：搅拌翼直径(m) D 0：盘管外径(m) N ：转速(rps ，l/s)

k ，μ，ρ，C p ：在流体平均温度下的物性

w

μ：盘管管壁温度下的黏度(kg/m ．s)

K ，α，β

，γ，f ：各类盘管加热器的参数

根据契尔顿(Chilton)及克劳梭德(Kraussold)等的研究，在圆筒槽中，各参数值分别为K=0.87，α=0.62，β=0.33，γ=0.14，f=1，所以，式(8)可直接写成

14

.033

.062

.020

087.0⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛⎪⎭

⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭

⎫

⎝

⎛=w a k Cp N D k

D h μμμμρ (9)