盘管式与夹套式热交换器.docx
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盘管式与夹套式热交换器
盤管與夾套式熱交換器
實驗目的
測定盤管式與夾套式熱交換器的熱總傳係數
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）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。
】5公分以£
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
（1）
qh二mhCphJ讥
冷水吸收熱量為：
qc=mcCpc（Tcb-Tea）
若忽略熱損失，則
mhCPhTha-Thb二m£Pc（Tcb-⑴）二比代（T*（3）
其中
mh:
熱水流量（kg/s）
mc:
冷水流量（kg/s）
Cpc:
冷水平均比熱（kJ/kg.K）
Cph:
熱水平均比熱（kJ/kg.K）
Tca/cb:
冷水進/出口溫度（K）
Tha/hb:
熱水進/出口溫度（K）
uo:
以管外表面積為基準的總傳熱係數（kW/m2.K）（•订治:
對數平均溫度差（K）
（•Em
ln（订/T2）
圖三溫度變化圖
Ts
Teb
⑵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
（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。
（6）
hi（盤管）=h（直管）人1+3.5（Di/D。
）]
⑶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（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：
ho=127（
-'T\0-25
Do）
其中
T:
管壁溫度與流體平均溫度的差值（K）
Do:
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：
（8）
其中
hoDo:
納塞數，Nu
k
2
:
雷諾數，Re
型:
普蘭多數，Pr
k
ho:
盤管外側薄膜傳熱係數（kW/m2.K）
Da:
攪拌翼直徑（m）
Do:
盤管外徑（m）
N:
轉速（rps，l/s）
k，」，「，Cp:
在流體平均溫度下的物性
Jw:
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,:
=0.62,1=0.33,=0.14,f=1,所以，式（8）可直接寫成
-0.87
Da2N「
0.62
（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⑻（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
（IO）
（11）
qh-mhCPh（Tha_Thb）
冷水吸收熱量為：
qc=mcCpc（Tcb-Tca）
（12）
若忽略熱損失，則
mhCph（Tha~'Thb）=mcCpc（Tcb-'Tea）=UoAo（=T）|m
圖五溫度變化圖
其中
mh:
熱水流量（kg/s）
me:
冷水流量（kg/s）
Cpc:
冷水平均比熱（kJ/kg.K）
Cph:
熱水平均比熱（kJ/kg.K）
Tca/cb:
冷水進/出口溫度（K）
Tha/hb:
熱水進/出口溫度（K）
uo：
以管外表面積為基準的總傳熱係數（kW/m2.K）
（，T）|m:
對數平均溫度差（K）
C'T）lm二
In（TJ：
T2）
⑵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
⑶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PerryHandbook上的經驗式：
h0D0k
厶T。
:
夾套式器壁溫度與容器內液體平均溫度的差值（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：
（15）
创:
普蘭多數，Pr
k
ho:
夾套外側薄膜傳熱係數（kW/m2.K）
Do:
容器內徑（M）
Da:
攪拌翼直徑（m）
N:
轉速（rps,l/s）
k，'「，Cp:
在流體平均溫度下的物性
Jw:
容器器壁溫度下液體的黏度（kg/m.s）
K,1,,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=0.36,a=2/3,b=1/3,g=0.14,f=1,所以，式（15）可直接寫成
2
DaNP2/3CpP1/3卩014=0.36（」）（）（）k%
三、實驗裝置
攪拌馬建
V8
—
7—XVA冷水流>計V1
輸水群浦
熱水流量計VFfnMnTY^
V4
OO
貫驗相關條件
1.試驗槽：
採用SUS#304捍接成二重槽
內槽有效：
300H400mm
外槽有效：
360H430mm
2.熱交換管：
採用紅銅BWG#1616mm長500mm
3.浮子流量計：
0~5L/min，0~10L/min1支
4.盤管式熱交換器：
A。
=0.25m2,Da=35.3cm
5.夾套管式熱交換器：
Ao=0.377m2,Da=32cm
四、實驗步驟
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、V4（調BYPASS）、V5、V6、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40rpm。
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3〜5。
B.夾套式熱交換器
1.打開冷水進水閥V1讓冷水槽中的冷水充滿槽內，並保
持溢流。
2.將熱水槽內的水填滿，打開電源開關設定槽內之溫度60C，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V3，V4（調BYPASS）V5、V6、V9、V11、V12，讓熱水在夾套與內部冷水進行熱交換，啟動攪拌器，維持一定轉速40rpm。
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3〜5。
五、注意事項
1.溫度須待穩定後才可記錄
2.確認各閥皆按步驟開關。
六、實驗結果
（1）數據記錄
A.盤管式熱交換（穩定狀態下的熱傳）
攪拌器轉速：
時間
（min）
熱水進口
溫度Tha
（C）
熱水出口
溫度Thb
（C）
冷水進口
溫度Tca
（C）
冷水出口
溫度Tcb
（C）
冷水流量
me
（L/min）
熱水流量
mh
（L/min）
B.夾套管式熱交換（穩定狀態下的熱傳）
攪拌器轉速：
時間
（min）
熱水進口
溫度Tha
（C）
熱水出口
溫度Thb
（C）
冷水進口
溫度Tea
（C）
冷水出口
溫度Teb
（C）
冷水流量
me
（L/min）
熱水流量
mh
（L/min）
（二）結果整理
1.盤管式熱交換器（穩定狀態附機械攪拌）
攪拌器轉速：
時間
（min）
冷水流量
me
（kg/s）
熱水流量
mh
（kg/s）
qe
（J/s）
qh
（J/s）
（△T）lm
（K）
Uo
2
（kW/m2k）
2.夾套式熱交換器（穩定狀態附機械攪拌）
攪拌器轉速：
時間
（min）
冷水流量
me
（kg/s）
熱水流量
mh
（kg/s）
qe
（J/s）
qh
（J/s）
（△T）lm
（K）
Uo
2
（kW/m2k）
3.繪出溫度對時間之變化圖
4.計算各種情況下之總熱傳係數。
（三）附錄：
流量計校正曲線圖1.冷水流量計
冷水流量計校正曲線圖
2.熱水流量計
熱水流量計校正曲線圖
sg量流
流量計刻度
七、問題與討論
1.試比較在各實驗操作情況下，溫度對時間之影響
2.試比較不同操作情況，對總熱傳係數的關係。
3.試比較盤管式與夾套式熱傳的差異。
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