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 -=-lm00T)(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) hCp：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)14.0318.020023.0⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫⎝⎛==w a i k Cp N D kD 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：25.000)(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 kD h w a γβαμμμμρ⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫⎝⎛=200 (8)其中kD h 00：纳塞数，NuμρN D a 2：雷诺数，RekCp μ：普兰多数，Prh 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wμ：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14.033.062.020087.0⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫⎝⎛=w a k Cp N D kD h μμμμρ (9)(二)夹套管式热交换器夹套管式热交换器包括一个容器(vessel)及具备适当方式来循环热(或冷)流体的夹套(jacket)，在垂直圆柱形的容器内可以装设机械搅拌，以便加强热传效果。

为加强蒸汽的热传效果，夹套内可以用挡板(baffle)将夹套间隔成多个空间，如图四之(a)(b)所示；夹套的位置亦因需要而装设在不同的容器之外，如图四之(c)(d)所示。

图四 夹套几合组合夹套管热交换器大多以分批式(batch)方式操作，而在此操作期间，温度差并不是常数。

同时反应器有无装设搅拌器亦对热传有很大的影响，因此，对于夹套式热交换器的设计而言，所能获得的数据数据并不多见。

1.稳定状态下的传热 (1)总传热系数如图五所示，若所供应的热源为热水(加热流体)，则当系统达到稳定状态后，热水所供应的热量为)(hb ha h h h T T Cp m q -= (10)冷水吸收热量为：q m C p T T c c c cb ca =-() (11)若忽略热损失，则)()(ca cb c c hb ha h h T T Cp m T T Cp m -=-lmT A u )(00∆= (12)图五 温度变化图其中h m ：热水流量(kg/s)m c ：冷水流量(kg/s)cCp：冷水平均比热(kJ/kg ．K) hCp：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) lmT )(∆：对数平均温度差(K))/ln()(2121T T T T T lm ∆∆∆-∆=∆(2)夹套内侧(热水侧)的薄膜传热系数假设蒸汽在盘管内形成薄膜式冷凝(film-type condensation)，则根据纳塞(Nusselt)的经验式，在直立圆柱体面上的薄膜冷凝，其薄膜传热系数h i 为14.03132254.0⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫⎝⎛=w a j i k Cp N D kD h μμμμρ (13)(3)夹套外侧的薄膜传热系数 a.无机械搅拌设备时：在此状态下，容器内的热量传送完全是一种自然对流，因为一般使用这类型的加热器或反应器时，为达较佳的热传效果，都是加装搅拌设备以达此目的，因而使很少有学者专家针对容器内的自然对流现象作研究，在此，只好以圆柱体内的自然对流现象作为趋近于夹套式热交换的计算。

根据Perry Handbook 上的经验式：25.000)(127L T h ∆= (14)其中0T ∆：夹套式器壁温度与容器内液体平均温度的差值(K)L ：夹套式热交换器的高度(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，提出各种的经验式，其共同的关系式为：fkCp N D K kD h a γωβαμμμμρ)()()(20= (15)其中kD h 00：纳塞数，Nu μρN D a 2：雷诺数，RekCp μ：普兰多数，Prh 0：夹套外侧薄膜传热系数(kW/m 2．K) D 0：容器内径(M) D a ：搅拌翼直径(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：容器器壁温度下液体的黏度(kg/m ．s)K ，α，β，γ，f ：参数根据契尔顿(Chilton)及克劳梭德(Kraussold)等的研究，在四形底圆柱容器槽中，若搅拌翼为桨式，则各参数值分别为K ＝0.36，a ＝2/3，b ＝1/3，g ＝0.14，f ＝1，所以，式(15)可直接写成14.03/13/220)()()(36.0ωμμμμρkCp N D kD h a = (16)三、实验装置实验相关条件1.试验槽：采用SUS#304捍接成二重槽内槽有效：φ300 ⨯ H400 mm外槽有效：φ360 ⨯ H430 mm2.热交换管：采用红铜BWG #16 φ16 mm ⨯长500mm3.浮子流量计：0~5 L/min，0~10 L/min ⨯ 1支4.盘管式热交换器：A0＝0.25m2，D a＝35.3cm5.夹套管式热交换器：A0＝0.377m2，D a＝32cm四、实验步骤稳定状态下的热传(热水)A.盘管式热交换器1.打开冷水进水阀V1让冷水槽(内槽)中的冷水充满，并保持溢流。

此时已将槽内的空气排除。

2.将热水槽内的水填满，打开电源开关设定槽内之温度60℃，待达稳定为止。

3.调整冷水浮子流量计，使流量保持固定，记录温度与流量。

(冷、热水流量比为3：1)4.打开阀V3、V4(调B Y P A S S)、V5、V6、V8、V10、V12，开热水帮浦，让热水在盘管内与外部冷水进行热交换，启动搅拌器，维持一定转速40 rpm。

5.待系统达稳定状态后，每2分钟测定一次并记录进出口冷水温度、流量及热水进出口的温度，且约五组数据不随时间改变即可停止，并降温至T1=T2。

6.改变冷、热水流量比(6：1及9：1)，重复步骤3～5。

B.夹套式热交换器1.打开冷水进水阀V1让冷水槽中的冷水充满槽内，并保持溢流。

2.将热水槽内的水填满，打开电源开关设定槽内之温度60℃，待达稳定为止。

3.调整冷水浮子流量计，使流量保持固定，记录温度与流量。

(冷、热水流量比为3：1)4.打开V3，V4(调BY PASS) V5、V6、V9、V11、V12，让热水在夹套与内部冷水进行热交换，启动搅拌器，维持一定转速40 rpm。

5.待系统达稳定状态后，每2分钟测定一次并记录进出口冷水温度、流量及热水进出口的温度，且约五组数据不随时间改变即可停止，并降温至T1=T2。

6.改变冷、热水流量比(6：1及9：1)，重复步骤3～5。

五、注意事项1.温度须待稳定后才可记录。

2.确认各阀皆按步骤开关。

六、实验结果(一)数据记录A.盘管式热交换(稳定状态下的热传)搅拌器转速：B.夹套管式热交换(稳定状态下的热传)搅拌器转速：(二)结果整理1.盘管式热交换器(稳定状态附机械搅拌)搅拌器转速：2.夹套式热交换器(稳定状态附机械搅拌)搅拌器转速：3.绘出温度对时间之变化图。