帶夾套容器內(nèi)傳熱的傳熱系數(shù)計(jì)算

帶夾套容器內(nèi)傳熱的傳熱系數(shù)計(jì)算

1容器的傳熱設(shè)計(jì)這種帶夾框架容器廣泛應(yīng)用于化工、輕工業(yè)、醫(yī)藥等工業(yè)生產(chǎn)中，用于儲(chǔ)存、運(yùn)輸和反應(yīng)材料。夾套有以下幾種型式:普通型、帶擾流噴管普通型、帶導(dǎo)流板普通型、半圓管型和波紋型。容器內(nèi)部還可安裝螺旋形盤管。在帶夾套容器的傳熱計(jì)算中,總傳熱系數(shù)的倒數(shù)等于各分項(xiàng)傳熱系數(shù)倒數(shù)之和,各傳熱系數(shù)均基于容器內(nèi)直徑;容器壁及襯層的導(dǎo)熱系數(shù)和容器壁兩側(cè)的污垢系數(shù)按通常方法確定;而夾套內(nèi)和容器內(nèi)流體的傳熱系數(shù)則必須用適合的關(guān)聯(lián)式來求得。容器內(nèi)安裝的攪拌器其基本作用是促進(jìn)物料的混合或分散,但對器壁上的傳熱影響很大,應(yīng)予考慮。系統(tǒng)介紹各種夾套內(nèi)傳熱設(shè)計(jì)方法的文章鮮見報(bào)道,本文特對帶有上述型式的夾套和幾種常用攪拌器的容器的傳熱系數(shù)計(jì)算方法及關(guān)聯(lián)式做一介紹。2流體物性的要求夾套和盤管內(nèi)的傳熱系數(shù)需通過努塞爾特準(zhǔn)數(shù)Nu來求得。Nu=αl/λ,式中,α為傳熱系數(shù),W/(m2·℃);l為傳熱面特征尺寸,m;λ為流體導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃)。在以下的強(qiáng)制對流傳熱計(jì)算公式中,流體物性取自流體主體,特征尺寸為當(dāng)量直徑de,m;滯流區(qū)雷諾數(shù)的上限值為Re1=15000(de/dc>0.307時(shí))或Re1=2000[(1+13.2(de/dc)0.6](de/dc<0.307時(shí)),湍流區(qū)雷諾數(shù)的下限值為Re2=15000。式中,dc為夾套或盤管的彎曲直徑,m。2.1流動(dòng)傳熱參數(shù)的確定在普通型夾套中流體的流動(dòng)可能是滯流、過渡流或湍流。滯流時(shí)應(yīng)將自然對流對傳熱的影響考慮進(jìn)去。夾套的曲率對傳熱影響很大,用參數(shù)de/dc將這一影響考慮進(jìn)去。綜合流動(dòng)平均有效彎曲直徑dc=dv/cosγ,式中,γ=tg-1[2Hj/(πdv)];dv為容器內(nèi)直徑,m;Hj為夾套有效高度,m。2.1.1自然對流時(shí)流體的流動(dòng)及其傳熱特性首先令X=Re0.5(Prde/dc)0.25,式中雷諾準(zhǔn)數(shù)Re=deuρ/μ;u為流速,m/s;ρ為流體密度,kg/m3;μ為粘度,Pa·s;普蘭德準(zhǔn)數(shù)Pr=cpμ/λ,cp為流體的定壓熱容,kJ/(kg·℃)。在大曲率時(shí)(X>4.9),對流傳熱系數(shù)可用下式求算,即:式中,Nufc為強(qiáng)制對流時(shí)的努塞爾特準(zhǔn)數(shù);Vi為流體在主體中和器壁處的粘度比。大曲率情況下,入口和自然對流對強(qiáng)制滯流傳熱的影響可忽略。在小曲率時(shí)(X<4.9),對流傳熱系數(shù)可用下式求算,即:Nufc=4.86+Ge(2)式中,Ge為入口影響的修正系數(shù),當(dāng)格里茨準(zhǔn)數(shù)Gz≥0時(shí),可由下式求得:Ge=0.09525[Gz/(1+0.0525Gz0.67)]V。式中,Gz=wcp/(λL),w為流體質(zhì)量流率,kg/s;L為流道長度,m。小曲率情況下,自然對流傳熱可能增強(qiáng)也可能減弱強(qiáng)制對流的傳熱效果,應(yīng)予以考慮,可用下式求算:Nunc=±0.7287?0.33(GrPrde/L)m(3)式中,Nunc為自然對流時(shí)的努塞爾特準(zhǔn)數(shù);Gr為格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù),Gr=βgl3ρΔT/μ2,β為流體的體積膨脹系數(shù),1/℃;g為重力加速度,m/s2;l為傳熱面特征尺寸,此處取為de,m;ΔT=TW-Tb,Tw、Tb分別為流體在進(jìn)口處壁面和主體中的溫度,℃;系數(shù)?=exp[-0.4875(πNu/Gz)0.888],需用迭代法求得。當(dāng)自然對流增強(qiáng)強(qiáng)制對流的傳熱效果時(shí)(如容器冷卻時(shí)流體向上流動(dòng)或容器加熱時(shí)流體向下流動(dòng)),公式(3)中取“+”號且m=0.28;減弱傳熱效果時(shí)則取“-”號且m=0.25。在增強(qiáng)傳熱效果情況和減弱傳熱效果且Nufc>Nunc情況下,可用下式將自然對流和強(qiáng)制對流的影響合并起來,即:Nu3=Nu+Nu(4)2.1.2tw#tb時(shí)m在大曲率范圍,即Re(de/dc)2>4.72時(shí),式中Ge=1;Tw<Tb時(shí)m=0.30,Tw>Tb時(shí)m=0.18。在小曲率范圍,即Re(de/dc)2<4.72時(shí),上式中Ge=1+5.71(de/L)[1-exp(-0.07L/de)],m=0.18。2.1.3普通夾套內(nèi)的傳熱在滯流和湍流之間的過渡流區(qū)域,目前還沒有明確定義的方法來預(yù)測普通夾套內(nèi)的傳熱。一種比較合理的近似方法是在滯流時(shí)Nu的上限值與湍流時(shí)Nu的下限值之間,以Re的對數(shù)值進(jìn)行內(nèi)插求得。2.2內(nèi)流體流率的計(jì)算在相同流率下,普通型夾套的傳熱速率一般要比其他夾套低。為了彌補(bǔ)這一不足,常常在普通型夾套內(nèi)安裝噴管,在壓力下將傳熱介質(zhì)噴入夾套內(nèi)。這樣,將一個(gè)渦旋速度帶給夾套內(nèi)流體以改進(jìn)傳熱。帶擾流噴管的普通型夾套廣泛用于搪玻璃反應(yīng)器。由噴管液流帶給夾套內(nèi)流體的渦旋動(dòng)量與夾套對渦旋流動(dòng)產(chǎn)生的摩擦阻力之間的力的平衡,可得出如下公式,可用迭代法求解:式中,wj為夾套內(nèi)流體平均質(zhì)量流率,kg/s;wn為噴管內(nèi)流體質(zhì)量流率之和,kg/s;Aj為夾套流通面積,m2;An為噴管喉部面積之和,m2;系數(shù)?j=de/(4πfdv),f為范寧摩擦系數(shù)。帶擾流噴管普通型夾套中強(qiáng)制湍流傳熱計(jì)算公式與普通型夾套強(qiáng)制湍流傳熱計(jì)算公式(5)相同。不過要用dv代替式中的dc。2.3流體流動(dòng)及盤管流場對于容器內(nèi)的螺旋形盤管、容器外的半圓管盤管和帶螺旋導(dǎo)流板的普通型夾套,湍流區(qū)(實(shí)際運(yùn)行中流體流動(dòng)均為湍流)的對流傳熱可采用下式求算(式中忽略了入口的影響):對于半圓管型夾套,由于制造上的原因,盤管之間要留有間隙。容器未被覆蓋的部分因翅片效應(yīng)仍然傳遞熱量。通常,半圓管盤管傳熱面積(包括盤管間的空隙部分)的總有效系數(shù)一般在93%～96%范圍內(nèi)。2.4計(jì)算表內(nèi)的傳熱估算值至今尚無令人滿意的、公開發(fā)表的、適用于波紋夾套內(nèi)傳熱的關(guān)聯(lián)式。下式是從公開發(fā)表的大范圍的紊流數(shù)據(jù)中推導(dǎo)出來的,可求出Re>5000時(shí)的較好的傳熱估算值:式中,dt、dl分別為相鄰波紋的橫向和軸向中對中距離,m;Amax、Amin分別為最大和最小流通面積,m2;Re=ddumaxρ/μ,dd為波紋夾套平均直徑,m;umax為最小流通面積處流體的最大流速,m/s。3容器內(nèi)直徑dv容器內(nèi)流體對容器壁的傳熱系數(shù)亦通過努塞爾特準(zhǔn)數(shù)Nu來求算,其特征尺寸l取容器內(nèi)直徑dv。對帶攪拌器的容器,Re=d2aNρ/μ,式中,da為攪拌器直徑,m;N為攪拌器轉(zhuǎn)速,r/s。流體的物性均取自流體主體,特殊情況下另作說明。3.1u3000grp準(zhǔn)數(shù)自然對流時(shí)滯流和湍流部分的努塞爾特準(zhǔn)數(shù)分別為:Nulam=2.8/ln{1+2.8/{Clam(GrPr)0.25]}(9)和Nuturb=Cturb(GrPr)0.333(10)式中,Clam=0.6707/[1+(0.492/Pr)0.5625]0.4444,Cturb=0.13Pr0.22/(1+0.61Pr0.81)0.42。上述兩部分可以合并為:Nu6=Nu+Nu(11)式中,所有物性的定性溫度為膜層溫度Tf,℃,Tf=(Tw-Tb)/2;Gr準(zhǔn)數(shù)中的特征尺寸l取夾套有效高度Hj,m;ΔT取(Tw-Tb)的平均值。3.2器葉片寬度k容器內(nèi)裝有全擋板時(shí):式中,Re<400時(shí),K=0.54;Re>10000時(shí),K=0.74;400<Re<10000時(shí),K=0.1679+0.0621lnRe;Wa為攪拌器葉片寬度,m;nb為攪拌器槳葉數(shù);θ為葉片與水平方向的角度,葉片平面垂直時(shí)θ=90°。容器內(nèi)未裝擋板時(shí),仍可采用式(12),但無論Re值為多少,K值均取0.54。3.3帶螺桿式攪拌器的容器容器內(nèi)裝有全擋板時(shí):式中,h為螺槳的螺距,m。容器內(nèi)未裝擋板時(shí):式中,Ha為攪拌器距容器底部的高度,m;H1為容器內(nèi)液體高度,m。3.4器中ca/dv的影響帶錨式或螺帶式攪拌器的容器內(nèi)表面的傳熱系數(shù)可采用下式求算,適用于0.10<h/dv<2.0及0<Ca/dv<0.20范圍內(nèi)。Ca為攪拌器間隙,m,Ca=(dv-da)/2。式中,函數(shù)?1、?2、?3分別按以下方法計(jì)算:函數(shù)?1描述雷諾數(shù)(Re)對傳熱系數(shù)的影響:對于錨式攪拌器(Ca/dv=0.02為基準(zhǔn)):Re<12時(shí),K′=1.05及n=0.33;12<Re<100時(shí),K′=0.69及n=0.50;Re>100時(shí),K′=0.32及n=0.67。對于螺帶式攪拌器(Ca/dv=0.02、h/dv=0.25):Re<9時(shí),K′=0.98及n=0.33;9<Re<135時(shí),K′=0.68及n=0.50;Re>135時(shí),K′=0.30及n=0.67。函數(shù)?2描述攪拌器間隙(Ca/dv)對傳熱系數(shù)的影響。下式可應(yīng)用于錨式及螺帶式攪拌器,式中Ca/dv>0,為簡便起見,令x=Ca/dv,以x=0.02為基準(zhǔn),則函數(shù)?3描述葉片間距(h/dv)對傳熱系數(shù)的影響。對于錨形槳,?3=1;對于螺帶式葉片,令y=h/dv,以y=0.25為基準(zhǔn),函數(shù)表達(dá)式為:當(dāng)Re<11時(shí),?3=0.920/y0.0611<Re<170時(shí),?3=0.801/y0.16Re>170時(shí),?3=0.697/y0.264啟示三:國產(chǎn)管理中的特征尺寸介質(zhì)垂直流過盤管外表面的傳熱計(jì)算中,Nu準(zhǔn)數(shù)中的特征尺寸l取管外徑d0,m;有攪拌器時(shí),Re=d2aNρ/μ;流體物性均取自容器內(nèi)流體的主體。4.1沒有內(nèi)部攪拌槽管子外表面上自然對流傳熱關(guān)聯(lián)式:式中,Gr準(zhǔn)數(shù)中的ΔT取(Tw-Tb)的平均值。4.2帶渦旋混音器裝有全擋板的容器:無擋板的容器:4.3帶螺桿式注射器裝有全擋板的容器:無擋板的容器:5式夾套的基礎(chǔ)容器本例為內(nèi)部帶一渦輪式攪拌器,外部為5種不同型式的夾套和一種內(nèi)部盤管的普通容器。在6種流率(50～300l/min)情況下的總傳熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果,以定量說明不同型式夾套的傳熱效果。5.1計(jì)算數(shù)據(jù)5.1.1封頭asme封頭內(nèi)徑Φ1200mm,直邊高度1200mm,容積1497l,底部封頭ASME碟形封頭,夾套范圍100%覆蓋直邊及底封頭,壁厚7mm,器壁導(dǎo)熱系數(shù)17W/(m℃),導(dǎo)流板4片100mm寬,溫度95℃,污垢系數(shù)0.0002m2℃/W,介質(zhì):水(90%充滿量)。5.1.2緩沖套筒和盤管介質(zhì):水,污垢系數(shù)0.0002m2℃/W,入口溫度5℃。5.1.3混器單層六槳渦輪式,槳葉100mm寬、45°,直徑Φ700mm,轉(zhuǎn)速100r/min。5.1.4固定襯套和盤管的參數(shù)(1)波形夾芯100mm中心距,60mm×90mm方格形波紋,夾套內(nèi)安裝兩塊導(dǎo)流板;(2)半圓管夾套DN