盘管与夹套式热交换器

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1、盤管與夾套式熱交換器一、實驗目的測定盤管式與夾套式熱交換器的熱總傳係數。二、實驗原理化學工廠常見的反應器、調料桶等都需要配備加熱(或冷卻)及攪拌裝置，以便有效控制器內物料的溫度，一般均以夾套或盤管式熱交換器來達成目的。夾套與盤管可同時共有，也可單獨裝設，依實際需要而定。(一)盤管式熱交換器盤管式熱交換器包括一個圓柱形容器，在容器內可以裝設機械攪拌，以便加強熱傳效果，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分，則可分為平板盤管式(Platecoil)

2、熱交換器(圖一)及螺旋盤管式(Helicalcoil)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，螺旋管則裝在垂直圓柱容器內，兩者皆可加裝攪拌器，以提高熱傳效率。圖一平板盤管熱交換器(a)側視圖(b)為不同盤繞方式的俯視圖1-15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點：(1)流體具有離心力，而增加傳熱效果。(2)型態簡單，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)適於流量小或低比熱的流體。(5)安裝容易

3、，堅固耐用。但它亦受以下的限制：(1)整體結構小，管的整修、接合比較困難。(2)管外雖可用機械方式清理，但管內一定要以化學方式處理。以下各種熱傳係數經驗式的介紹，皆以螺旋盤管式熱交換器為例：1.穩定狀態下的傳熱(1)總傳熱係數如圖三所示，若所供應熱源為熱水加熱流體，當系統達穩定狀態後，則熱水所供應的熱量為(1)1-15冷水吸收熱量為：(2)若忽略熱損失，則(3)其中：熱水流量(kg/s)：冷水流量(kg/s)：冷水平均比熱(kJ/kg．K)：熱水平均比熱(kJ/kg．K)：冷水進/出口溫度(K)：

4、熱水進/出口溫度(K)：以管外表面積為基準的總傳熱係數(kW/m2．K)：對數平均溫度差(K)(4)圖三溫度變化圖1-15(2)盤管內側(熱水側)的薄膜傳熱係數假設熱水在盤管內形成薄膜式冷凝(film-typecondensation)，則根據經驗式，薄膜冷凝狀態下水平管中的薄膜傳熱係數hi為(直管)(5)直管的傳熱係數再乘上一校正因子，即為盤管的薄膜傳熱係數。(盤管)=(直管)×[1+3.5(Di/Do)](6)(3)盤管外側的薄膜傳熱係數a.無機械攪拌設備時：盤管外圍儲槽容器的熱量傳送完全是一

5、種自然對流的現象，因此需依照普通管子外圍自然對流的公式與方法加以計算。但目前大部份學者專家僅研究單管束(singletubes)的自然對流現象，而缺乏工業用熱交換器設備中的多管束或各形狀加熱管束的資料，因此本設備對於盤管外側薄膜傳熱係數的估算乃根據PerryHandbook上的經驗式：(7)其中：管壁溫度與流體平均溫度的差值(K)：盤管外徑(m)b.附有機器攪拌設備時：關於在攪拌狀態下的熱量傳送，曾有許多位學者，針對各類盤管熱交換器的型式與流體種類，提出各種的經驗式，其關係式為：1-15(8)其中

6、：納塞數，Nu：雷諾數，Re：普蘭多數，Prh0：盤管外側薄膜傳熱係數(kW/m2．K)Da：攪拌翼直徑(m)D0：盤管外徑(m)N：轉速(rps，l/s)k，，，Cp：在流體平均溫度下的物性：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根據契爾頓(Chilton)及克勞梭德(Kraussold)等的研究，在圓筒槽中，各參數值分別為K=0.87，=0.62，=0.33，=0.14，f=1，所以，式(8)可直接寫成(9)1-15(二)夾套管式熱交換器夾套管式熱交換器包括一個

7、容器(vessel)及具備適當方式來循環熱(或冷)流體的夾套(jacket)，在垂直圓柱形的容器內可以裝設機械攪拌，以便加強熱傳效果。為加強蒸汽的熱傳效果，夾套內可以用擋板(baffle)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(batch)方式操作，而在此操作期間，溫度差並不是常數。同時反應器有無裝設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計而言，所能獲得的數據資

8、料並不多見。1.穩定狀態下的傳熱(1)總傳熱係數如圖五所示，若所供應的熱源為熱水(加熱流體)，則當系統達到穩定狀態後，熱水所供應的熱量為(10)冷水吸收熱量為：(11)1-15若忽略熱損失，則(12)圖五溫度變化圖其中：熱水流量(kg/s)：冷水流量(kg/s)：冷水平均比熱(kJ/kg．K)：熱水平均比熱(kJ/kg．K)：冷水進/出口溫度(K)：熱水進/出口溫度(K)：以管外表面積為基準的總傳熱係數(kW/m2．K)：對數平均溫度差(K)(2)夾套內側(熱水側)的薄膜傳熱係數假