盘管与夹套式热交换器.docx

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 （Plate coil） 熱交換 器 （圖一）及 螺 旋盤管 式 （Helical coil） 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15公分以上(a) (b) (c)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 ， 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q 二 m Cp(T - T ) (1)h h h ha hb冷水吸收熱量為：q 二 m Cp (T - T ) (2)c c c cb ca若忽略熱損失，則=u A ( AT)0 0 lm(3)m Cp(T 一 T )= m Cp (T 一 T )h h ha hb c c cb ca其中m :熱水流量(kg/s)hm : 冷 水 流 量 (kg/s)cCp : 冷 水 平均 比 熱 (kJ/kg ．K) cCp : 熱 水 平均 比 熱 (kJ/kg ．K) hT : 冷 水 進/出口溫 度 (K)ca / cbha / hb熱 水 進 / 出 口 溫 度 (K)u ：以管外表面積為基準的總傳熱係數 (kW/m 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i．K)0(AT):對數平均溫度差(K) lm—、 AT-AT(4)(AT)二 i 2 .im ln(AT / AT )12Ts r Ts△ T2 •圖 三 溫 度變 化圖‘D 2Np'13I H J〔k J[h丿0.14hi(直管)二晋0 = 0.023(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。

h (盤管)=h (直管)x [ 1+3.5(D i/D )] ⑹i i i o(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 (single tubes) 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 Perry Handbook 上 的 經 驗 式 ：(7)h = 127(竺)o.250D0其中A T :管壁溫度與流體平均溫度的差值(K)d :盤管外徑(m)0b.附有機器攪拌設備時(8)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：'D 2Np'PaI H JI k J[h丿hD0_0kY=K其中沁：納塞數，NukDa2NP ：雷諾數，ReCP± :普蘭多數，Prkh0 :盤管外側薄膜傳熱係數(kW/m 2 . K)Da： 攪拌 翼 直徑 (m)aD0 :盤管外徑(m)N :轉速(rps , l/s)k ,卩,p , Cp :在流體平均溫度下的物性卩：盤管管壁溫度下的黏度(kg/m . s)wK , a , p , Y , 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 , a =0.62 , p =0.33Y =0.14 , f=1，所以，式⑻可直接寫成hDk'D 2Np'a0-62 ( Cph'0.33I H J〔k J[h丿0.14=0.87(9)(二)夾套管式熱交換器夾套管式熱交換器包括一個容器(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q 二 m Cp (T - T ) (10)h h h ha hb冷水吸收熱量為q = m Cp ( T - T )c c c cb ca若忽略熱損失，則m Cp (T - T ) = m Cp (T - T )二 u A (AT)(11)(12)Thb圖 五 溫 度變 化圖h h ha hb c c cb ca 0 0 lm其中m :熱水流量(kg/s)hm :冷水流量(kg/s)cCp :冷水平均比熱(kJ/kg . K)cCp : 熱 水 平 均 比 熱 (kJ/kg ． K)hT : 冷 水 進/出口溫 度 (K)ca / cbT : 熱 水 進/出 口溫度 (K)2．K)ha / hbu :以管外表面積為基準的總傳熱係數(kW/m0(AT):對數平均溫度差(K)lm/5、 at -at(AT) = i 2 -im ln(AT / AT )12(2) 夾套內 側 (熱水 側 )的薄膜 傳 熱係數假 設 蒸 汽 在 盤 管 內 形 成 薄 膜 式 冷 凝 (film-type condensation) ，則 根 據 納 塞 (Nusselt) 的 經 驗 式，在 直 立 圓柱體面上的薄膜冷凝，其薄膜傳熱係數 hi 為hDi jk=0.54\ 0.14丿(13)(3) 夾套外 側 的薄膜 傳 熱係數a.無機械攪拌設備時：在此狀態下，容器內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器時，為達較 佳的熱傳效果，都是加裝攪拌設備以達此目的，因而使 很少有學者專家針對容器內的自然對流現象作研究，在 此，只好以圓柱體內的自然對流現象作為趨近於夾套式 熱交換的計算。

根據 Perry Handbook 上的經驗式：(14)h 二 127(竺)o.250L其中AT :夾套式器壁溫度與容器內液體平均溫度的差值 0(K)L： 夾 套式熱交換器的 高度 (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，提出各種的經驗式，其共同的關係式為：h D D 2 No /Cpp、/卩、- (15)0 0 二 K(— )«()卩()y f (15)k 卩 k 卩O其中沁：納塞數，NukDa2N :雷諾數，Re他：普蘭多數，Prkh0 :夾套外側薄膜傳熱係數(kW/m 2 . K)D0 :容器內徑(M)D :攪拌翼直徑(m)aN :轉速(rps ，l/s)k， P， o， Cp： 在 流 體平均 溫 度下的 物 性P : 容 器 器 壁 溫度下 液 體的黏 度 (kg/m ． s) wK ， a ， p ， y ， f :參數根 據 契 爾 頓 (Chilton) 及 克 勞 梭 德 (Kraussold) 等 的 研 究 ， 在四形底圓柱容器槽中， 若攪拌翼為槳式， 則各參數值分別為 K 二 0.36 ，a 二 2/3，b 二 1/3，g 二 0.14 ，f 二 1，所 以， 式(15) 可直接寫成h D D 2 No CpP P-0_0 = 0.36( —a——)2/3( )1/3( )0.14 (16)k P k P三、實驗裝置實驗相關條件1. 試 驗 槽：採 用 SUS#304 捍 接 成二重 槽內槽有效：© 300 x H400 mm外槽有效：© 360 x H430 mm2. 熱交換管：採用紅銅 BWG #16 © 16 mm x長500mm3. 浮子流量計： 0~5 L/min ，0~10 L/min x 1 支4. 盤管式熱交換器：A = 0.25m 2 , D = 35.3cm0a5. 夾套管式熱交換器：A二0.377m 2 , D二32cm1- 12實驗步穩定狀態下的熱傳（熱水）A. 盤管式熱交換器1. 打 開 冷水進 水 閥 V1 讓冷水 槽 （內槽）中 的 冷水充 滿 ，並 保持溢流。

此時已將槽內的空氣排除2. 將熱水槽內的水填滿，打開電源開關設定槽內之溫度60 °C ,待達穩定為止3. 調 整 冷 水 浮 子 流 量 計 ， 使 流 量 保持固 定， 記錄溫度與 流 量 （ 冷 、 熱 水 流 量 比 為 3 ： 1）4 .打開閥 V3、V 4 （調 BY PASS）、V 5、V 6、V8、 V10、 V12， 開熱水幫浦， 讓熱水在盤管內與外部 冷水進行熱交換，啟動攪拌器，維持一定轉速 40 rpm 5. 待系統達穩定狀態後， 每 2 分鐘測定一次並記錄進出 口 冷 水 溫度、 流量及熱水進出口的溫 度 ， 且約五組數 據不隨時間改變即可停止， 並降溫至 T1=T2 6. 改變冷、熱水流量比（6 : 1及9 : 1）,重覆步驟3 ~ 5B. 夾套式熱交換器1。