盘管与夹套式热交换器
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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)