（化学工程专业论文）搅拌釜传热过程的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 用于强放热反应的搅拌釜中热量的移出与釜内温度的均匀分布是工业生产 应用的一个重要课题。本文研究了二斜叶式搅拌桨( 4 = s 度倾角) 、三叶推进式搅 拌桨及三宽叶旋转式搅拌桨在不同搅拌转速下的传热特性，考察了高效传热元件 热管在工作范围内的传热性能，并将热管应用于强放热搅拌釜中，开发出了 具有较高传热效率的反应釜。 论文在容行设计的直径为3 0 0 m m 、高为6 0 赫强的搅拌釜中，研究了三种不 同桨型的搅拌桨在水体系中的搅拌传热过程。考察了两种搅拌桨尺寸、三种桨型 及不同搅拌转速对搅拌釜内热量传递的影响，选出了较佳的搅拌桨类型、尺寸及 搅拌转速。 论文考察了不同类型及外观形状的热管在特定工作范围内( 4 0 5 0 ) 的传 热性能，结果表明可选择冷凝段与蒸发段成一定夹角的铜水重力辅助式弯管为 搅拌釜用热管。 基于强放热搅拌釜内温度分布的特点、结构性状及安装方便，设计了特殊形 状的铜水热管( 倒j 型热管及倒2 型热管) ，将其弓| 入强放热搅拌釜中，著研究 了该搅拌釜的换热性能。 关键词：搅拌桨，热管，搅拌釜，传热性能，强放热反应 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t h e a tt r 觚s f e ri nah i 曲e x o t h e 翔畦e 粥a c t o r sa n du n i f o 渤i 锣o ft e 擞p e 糍撼r ep 妁基l e i nt 1 1 er c a c t o ra r ev e 碍i m p o 咖ti 1 1i n d u s t 阱h e a l 僦l l l s 诧rp e r f o r m a l l c e so ft h r e e 姗e s o fa g i t a t o r s ，i n c l u d i n gt 、v o o b l i q u e4 5d e g r e ea g i t a t o r ，3 诵d e _ b l a d ep r o p e l l e ra g i t a t o r 毒i 薰l d3b l a d em a r i n et y p ep r o p e l i e ra g i t a t o rw i t hd i 矗诗r e n tr o t a t i o ns p e e d s 、e r e i 勰s 专 翳德磊。露羚p e 娥糍粼嚣横蠡蔬凇谴k a 专p 谗e s 糊戮黻s oi n v e 幽g a t e d ，a n d s 瓣o & 采p i 辨s 蝴瀚嘲l i e 曩遮鑫s t i 戳畦羰瓣叙埝d 姆e l o p 翡wr e 矧燃w 蠊蠡e a 菰b o 鼍l s 甜妫曲i 酶e x o 至cf e 戳t i o 溉 as t i r r e dr e a c t o r 粥d e s i 髓e d 谢m3 0 0 摊瓤d i a m e 积蝴d6 珏雌i 珏h e i g h 鼍 铀eh e a t 似m s f e rp e r f o 衄a n c e sw e r e8 t l l d i e di nm es t 讯e dr e a c t o ru s i n gw a t e r i n c i u d i n g 妇e e 扔伊e so fa g i t a t o r s 谢t 1 1d i 虢r e mr a t i o so fd mu 1 1 d c rav a r i e t yo f 翔谢o ns 弦随s f r o mt l 豫e x p 谢m _ e n t s ，t ka d e q u a t ea g i t a t o ra n dr o t a t i o ns p e e dw e r e d g 疑獭i l 避 弧e 粒敷魏n s 融器熵t 髅鑫敬c e s 醴k 蘸p i 舻s ，诚也莲i 蛰鹈臻修辫塞躲莲 c o n 蠡删i o 殴s ，w e f e 越辩i 珏、忿s t 量g 搬d 激d e ra 呦e 赫掘托幽g 带l b 攥4 e 协5 g 莲e g r e e 。 e x p e r i m e n t a lr e s u h si n d i c a t e dt h a tm ec u r i n gt u b e ( w i 也a 娃a n g l eb e t w e e 娃也e c o n d e n s e rs e c t i o na 1 1 dm ee v a p o r a t o rs e c t i o n ) 、v a sag o o dc h o i c e an e w 黼a c t o rw a sd e v e l o p e db ya p p l y i n gt h eh e a tp i p e sw i n ls p e c i a ls h a p e s t h e 哟粼l 翻【c e so f 稻嚣f e 粼耄o rw e r es j 嗽西e d k 锣w o 斑s ：礤缀溉i 耄p 毋e ，蛾淤蘸锄羹精a c 约r ，k a t 锄鼗s 衙p e 蕊凇a l l c e ， h i g he x o 爨懿m i e 羚程e t i o 矬 l l 浙江人学硕士学位论文 符号说明 一冷却水定压比容，k j ( 蚝) ， 一输入电流，a 一搅拌桨转速，硼 一流体粘度，p a s q 一输入或输出功率，k w 一冷却水密度，埏m 3 一冷却段出水温度， 乙一冷却段进水温度， u 一输入电压，v y 一冷却水流量，m 3 s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 雷照 签字日期：捌岳年万月，矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝至三盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：、穆旱要、 导师签名： 签字日期：加0 8 年易月f 口日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字日期：h 以年月p 日 电话： 邮编； 浙江大学硕十学位论文 j 刖置 在现代化工生产过程中，多数化学反应是在有搅拌桨的反应器中进行的放热 反应，反应介质以液相为主，如：硝化、磺化、氧化、重氮化、酯化等反应，它 们都是放热量较大的反应，其反应热高达4 0 k w m ? f l 】，有些甚至有2 3 5 k w m 3 【2 】。 如果产生的反应热得不到及时排放，就会出现局部过热，进而引起反应失控。如 聚合反应均为放热和热动力不稳定过程，如果聚合反应失去阻聚荆或发生爆聚， 及应就会失去控制焉弓l 发爆炸事故。聚合产物粘性大，设备和管道易结焦、结垢， 不仅影响传热效果，还可能发生堵塞，引起器内压力和温度变化，甚至因局部过 热而引起失控。 因此，在反应器内进行放热反应时，须借助其它设备，如：搅拌设备和冷却 设备将其产生的反应热移出体系之外，反应才能稳定进行。如果反应热不能有效 移出时，将导致反应热的蓄积，加快反应速度，发生化学反应失控。反应器中放 热速率超过散热速率，导致反应体系能量积累，温度上升，反应速率进一步加快， 容器内压力过大，或反应物料发生分解，达不到预先设计的理论上的反应效果， 并产生严重的事故隐患。 为解决上述问题，提高化工生产的安全性和生产力，本论文拟采用水为模拟 介质来模拟研究发生在化工生产中、低粘体系下的强放热过程。计划通过对该过 程热量传递的研究以选择适用于强放热生产过程的搅拌桨型、尺寸及搅拌操作参 数；并在此基础上引入高效的换热元件，开发出适用于强放热反廒的生产、具有 离传热效率的搅拌釜。 浙江大学硕士学位论文 第一章文献综述 机械搅拌装罨广泛应用于众多的工业生产中，如：化工、石油、食晶、造纸、 冶金、医药、能源、水处理等过程，并且在工业过程中起着非常重要的作用。 搅拌釜式反应器是机械搅拌装置在化工行业中最广泛的应用形式，它是多相 流体进行质量、动量和能量传递及化学反应( “三传一反”) 的重要单元设备，具 有混合效果好、相接触面积大、传热和传质效率高等特点。在许多工业过程的开 发中，常常需要对这种反应器进行设计和放大，要求对釜内多相流体发生的反应 动力学及其“三传”过程中有深入的了解。一个完整的化工生产过程不仅有流动过 程，两且还有传热和反应过程的存在，并且这些过程是相互影响的。如：反应可 通过放热引起密度、黏度变化而影响流动，丽流动状态的变化又会改变浓度场和 温度场，进而影响反应过程。因此对搅拌釜式反应器的研究主要集中在两个方面： 一是搅拌釜内流体混合特性的研究；二是搅拌釜内传热和温度的分布的研究。 1 1 搅拌设备的简介 对搅拌设备而言，机械能通过旋转中的搅拌叶轮转化为流体的动能，从而形 成设备内的整体流动，进而完成传质与传热过程。 搅拌设备主要由搅拌槽( 又称力搅拌釜) 、搅拌桨和其能的辅助部件( 挡板、 导流篱等) 组成。其中最重要的部分是搅拌桨，它将旋转的机械能转化为流体的 动能，从丽形成整个搅拌釜内流体的流动，进而完成釜内的质量传递与热量传递 过程。因此，搅拌釜内整体流动的形式与搅拌桨叶片曲面形状及叶片的几何尺寸 参数及釜内结构密切相关。 2 浙江大学硕士学位论文 根据搅拌叶轮产生的循环流动的途径( 流型) 的不同特征，可将它们分为径 流式和轴流式。其中径流式叶轮使流体在叶轮半径和切线方向上流动，如图1 1 ， 存在能耗高、噪音大、剪切力过强和设备大型化困难等缺点；轴流式叶轮使液体 在与搅拌轴平行的方向上流动，如图1 2 ，在轴向上有较大排出流量，液体的循 环性能好，剪切作用较小嘲。 - -_ r ，一” fi f li 日归 径向漉 轴向流 图1 1 径流桨流型图1 2 轴流桨流型 按照搅拌桨叶片的结构形式又可分为圆盘涡轮式( 图1 3 ) 、折叶桨式( 图1 4 ) 、锚 式( 图1 5 ) 、螺旋桨式( 图1 6 ) 、翼形桨式( 图1 7 ) 、螺带式( 图1 8 ) 等。其中，圆盘 涡轮式桨为径向流搅拌桨，折叶桨为径向、轴向混合的桨型，锚式桨、螺旋桨、翼形桨 及螺带式桨为轴向流搅拌桨。在长期的应用研究中，发现径流桨存在整体混合差、桨区 局部剪切力作用强烈及功率因数偏高等弱点，而轴流桨则可改善整体混合效果、使剪切 变化均匀、功率因数及能耗小等特点，因此在实际的应用中已占据了主导地位。 图1 3 六凹叶圆盘涡轮搅拌桨图1 44 5 0 折叶桨 3 ” 图1 5 锚式& 框式搅拌桨 骟 融 浙江大学硕士学位论文 图1 6 螺旋桨图1 7 宽叶翼流型搅拌桨图1 8 螺带一螺杆搅拌桨 1 2 反应器内流体混合特性的研究现状 目前有关搅拌釜内流体流动特性的研究主要是从实验测定和数值模拟两方面进行， 其研究内容包括釜内的宏观特性和局部湍流信息，具体有以下几个方面：( 1 ) 宏观流动 场；( 2 ) 流速分布；( 3 ) 泵送能力及循环流量；( 4 ) 湍流能量耗散等。 1 2 1 流场常用的测试技术 流体的速度分布是描述流场性质的基本参数，许多科学技术领域都需要对流体速度 分布进行测量。在搅拌混合过程中，它是进一步优化搅拌器结构参数和分析搅拌槽内传 热、传质过程的基础。目前通用的速度测量主要方法有【4 j 【5 】【6 】：毕托管法 7 j 、热线热膜风 速仪法【8 】( h w h o tw r ea n e m o m e t o r ) 、粒子纹影照相法、激光诱导荧光技术( l i f l a s e r i n d u c e df l u o r e s c e c c e ) 、激光多普勒法( l d v - l a s e r d o p p e r v e l o c i i n e t e r ) 【9 】【1 们、粒子图像测 速技术( p j p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t i 鹊) 【4 】、数字粒子图像测速技术【1 1 1 ( d p i v _ d i g i t a l p a n i c l ei i i l a g ev e l o c i n l e t 巧) 及双电导电极探针法【1 2 1 等。 1 2 2 搅拌釜内流动场的实验研究现状 目前关于搅拌槽内流场的研究已有较多报道，其研究的流质以牛顿流体为主，而对 非牛顿流体的研究则较少。不过随着科学技术的进步，新型测试仪器的不断出现，搅拌 釜内流场的研究朝着更深、更广的方向进行。而现阶段已有的一些研究成果如下： 19 8 5 年k u b o i 利用纹影法研究了高粘度牛顿流体和假塑性非牛顿流体( 1 4 c m c 和 0 3 八氯铜聚羧乙烯( g o o 矾c hc a r b o p 0 1 ) 水溶液) 在安装有一斜叶涡轮桨和直叶涡轮桨 的双层桨搅拌槽内的涡流流场。确认了槽内流体的实际流型取决于流体流变特性、搅拌 4 恕磐 浙、江大学硕士学位论文 器桨型和搅拌横内结构。 、d e rk 【1 3 1 首先用l d v 进行搅拌式反应器流场的实验研究。b a k k e r 和w a r d 【1 4 】首先 将p 技术应用搅拌槽内二维流场的研究。 z h o u l l 5 1 利用p d p a 详细研究了带挡板反应器中圆盘涡轮桨( r t ) 、四直叶斜桨( p b t ) 、 c 疆3 、a 3 1 0 四种桨对液液分散的影响，研究了搅拌流场并得到了最佳的实验参数，提 出了液液分散过程的优化、质量控制以及按菜些参数进行放大的规律。 1 9 8 6 年戴干策嘲利用热膜风速仪测量了六叶涡轮桨的对均速度与脉动流的特征：在 时轮区，即叶轮边界所确定的区域，时轮旋转直接推动液体( 主流) ，液流具有射流特征， 卷吸周围流体( 次流) ；中心速度随径惫距离的增加露衰减，三个速度分量中以切向和径 向速度为主，轴向速度可以忽略；循环流区，由于主流的卷吸作用造成液体流动，总流 量可达叶轮排出流量的几倍；径向速度很小，随着远离叶轮，愈以轴向运动为主。 l9 9 6 年侯拴弟【1 7 1 利用激光多普勒测速仪测定了c b y 搅拌桨的宏观流动场。叶轮区 的轴向速度梯度较大，其速度分布与环形射流速度分布类似，轴向速度最大位置为 2 仉) 一0 8 ，最大轴向速度为0 3 v 。i p ；径向速度较小，与轴向及切向速度相比可忽略。循环 区速度分布较为平坦，速度值较小。桨叶下方靠近轴心区域流体出现反向流动，这一区 域称为诱导锥形区，且随桨径的增大该区域越为明显。 1 9 9 7 年毛德明嘲等人等利溺l d a 研究了涡轮桨d t 桨和斜叶w v 桨在搅拌槽内的 流场。结果表器：对d t 桨，在叶轮的上下方各存在一个漏区，噩径商速度、湍流强度和 雷诺疲力在叶轮射流区较大；面对蹦t 桨焉言，在时轮安装受为粥度时，其流场与d t 桨一致，角度为3 0 、4 5 度时主流基有一大涡区，自鸯面附近有一小涡区。 1 9 9 7 年鞠文涛【1 9 】对5 5 0 p p 激六种不同浓度的聚丙烯酰胺( 黝心蛭) 水溶液分别 进行了稳态流变实验测定，发现：各个p a m 水溶液的流动行为指数n 均小于l ，呈假塑 性的流体特性，并且其假塑性随浓度增加而增强。利用p i v 技术，分析了三叶和两叶c b y 桨在搅拌槽内不同浓度p a m 水溶液的流场。 丁文蕴【2 0 1 利用三维l d a 在直径为o 5 m 的搅拌槽内，测定了雷诺数处于过渡区时， 多层搅拌桨内的部分流场，分析了c b y 螺旋桨的叶片安放角、桨径、层间距、搅拌雷诺 数等对搅拌槽内流场的影响。结果表明：适当增加叶片安放角，不采用过大桨径，会增 加槽内轴向循环流动；而降低物料黏度，提高搅拌雷诺数，轴向分速度增加，切向分速 s 浙江大学硕士学位论文 度显著减少，易形成轴向循环流动。c b y 桨的叶轮区径向分速度小于轴向分速度和切向 分速度；相同条件下，p b t 桨的径向分速度大于c b y 桨的径向分速度。 丁文蕴等弘1 1 应用p d p a 对多层透平桨、螺旋桨等搅拌式反应器进行流场测试，研究 反应器中射流、卷吸、尾涡等现象、获得速度场、湍流强度等有关参数。 聂毅强鼙2 1 利用改进的p 技术测量了搅拌槽内质量分数为0 6 c m c 水溶液和清水 流动场，比较了输入功率糖同时c b y 桨和p b f 桨，在不闶转速( 两个转逮) ，不同桨层 数( 单、双层) 在0 6 c m c 水溶液和清水中的流场特性。清水中c 8 y 桨和p b t 桨以轴 向流动为主，p b t 桨有较大的径、切向速度；o 。6 c m c 水溶液中c b y 桨和p b t 桨切向 流占优势，单层桨不能形成良好的轴向循环；增加转速有利于提高轴向流动；双层桨在 桨问存在停滞流，不利于全流场轴向循环的形成，尤其以双层p b t 桨在o 6 c m c 水溶 液流场最明显。 崔玉华【2 3 】利用l d v 在直径为o 3 9 m 的搅拌槽内，对板框式搅拌器进行流场测定，获 得了其在不同工况下的时均速度场和脉动速度场。研究了挡板、桨径、搅拌转速及桨叶 离底高度对其流场的影响规律。 周国忠澄】利用u ) v 测量了在直径为0 5 m 的有机玻璃槽内，桨型为新型单层和双层 轴向流c b y 搅拌桨，工作介质为牛顿流体( 水) 和假塑性非牛顿流体( c m c 水溶液) 的流动场。研究了不同桨径、不同浓度菲牛顿流体以及多层搅拌桨在不同闻距下的流动 特性。 王煜【2 5 1 利用p i v 技术测量了体积为5 l 的生物热管反应器在各种工况下的典型流场。 樊建华f 2 6 1 等人利用p i v 技术对桨叶直径与搅拌槽直径比为o 。5 的涡轮桨搅拌槽内流 场进行了测量。 周睿【2 7 1 分别通过在直径为o 3 m 和直径为0 5 7 5 m 的两个搅拌釜中，对四种搅拌器在 两种不同粘度介质下的搅拌进行实验研究。考察了两种釜径，不同介质下，四种桨型的 功率特性和混合特性。实验表明，在不同釜径下，同种介质中，不同桨型的功率准数值 大小关系都是一致的；大双叶片桨在不同釜径和不同粘度介质下，都表现出最小的混合 时闯和混合时间数。将反应综合混合特性的混合效率数为判定标准时，不同桨型的放大 准则是不同的。双斜4 5 度桨和两层双斜4 5 度桨都可选用桨端线速度相等为其放大准则； 框式桨则是单位体积功率相等为其放大准则；大双时片桨以弗劳德数f r 为放大基数。 6 浙江大学硕士学位论文 k u b o i ，黜n h e 墒r d 【2 8 1 等人利用l d a 装嚣直接对流动场研究，作出三维速度时均分量 与脉冲分量分布的切面图，并对双层桨引起的流型进行研究。结果发现，搅拌桨层间距 对双涡轮桨引起的流型作用强烈，当层间距变化时，可以观测到三种清晰稳定流型( 平 行流、分离流、混合流) 。而m i s h r a 的研究表明，当层间距大于1 5 d 时，两桨之间几乎 没有影响。流型、混合时闯、耗散率与桨闻距都有明显关系。 m i s h 9 1 等人利用己d a 测定了双层斜叶涡轮桨形成的流场，指出当层间距l 与槽径 比p o 5 时两层桨形成磁独立循环。 转a _ u d o o l 等入剩用a 研究了轴流式螺旋桨的流型，结果发现：上层叶轮排出区内， 轴向流占主导，径向流很小；下层桨的排出区内轴向速度较小，特别是近轴区、浆叶吸 入区的叶端，径向分速度占很大比例；整个流场由一个主循环和两个次循环组成，两个 次循环无明显的分界。 1 2 3 搅拌釜内流动场的数值模拟研究现状 实验测定虽可以较精确的获得流动场的数据，是搅拌釜内流场研究不可缺少的手段。 但实验测量需要借助精密测量仪器，投入大量的人力物力，只能对少数体系进行测量， 优化参数仅适用于特定设备，实验结果的放大目前只能依靠一些经验半经验的方法，有 时还会出现较大的放大效应，导致仅依靠实验结果进行放大设计的可靠性不够，不能适 应现代工业对过程放大的要求。 测量技术的发展和计算机能力的提高，使得搅拌槽内流动场的数值模拟成为可能。 计算流体力学( c f d c o m p u 饧舶n 蠢f l u i dd l y n a m i c s ) 以计算机数值计算为基础，对于流体 流动，传热以及相关现象进行分析的一种研究方法。克服了实验测定的缺点，可对实际 设备以遽过计算的方式可获褥流动场的速度分布和湍流特性参数。 从19 8 2 年h a f v e y f 3 1 】第一次将计算流体力学( c f d ) 引入到搅拌楼内二维流动场的预 报开始，对搅拌槽内流动特性的数值模拟研究迅速地发展起来。 目前在搅拌釜中应用的c f d 技术常用的方法有：黑箱模型法【3 1 1 、动量源法【3 2 】【3 3 1 、 内外迭代法【3 4 】、多重参考系法f 3 卯、滑移网格法等等。 p e d c l e o “等【3 习利用动量源法模拟了单层、多层六直叶涡轮二维速度场分布，模拟计 7 浙江大学硕士学位论文 算结果与实验结果基本相近。s 奶a i l e n 【3 6 l 利用m r f 方法研究了不同网格数量下4 5 度斜叶 涡轮的流动场。o s 妇1 0 ，o 【3 7 1 用m r f 方法计算研究搅拌槽内的切向速度等。 国内也在进行这方面的研究。如侯拴弟、王英琛、施力田等人【3 8 】【3 9 】【4 0 1 对斜叶涡轮、 六直叶涡轮、螺旋桨、长薄叶c b y 螺旋浆用黑箱模型方法进行了模拟；周国忠【2 4 j 、钟丽 转1 1 、吴立志瞰1 对六童叶涡轮采用滑移网格法进行了模拟；马青山【4 3 1 脚1 等人对多层桨利用 滑移网格法进彳亍模拟；程刚等入团l 对双向组合桨利用滑移网格法进行模拟，但模拟简单， 与工韭实际运用有较大差距。 1 3 反应器内传热和温度分布的研究 搅拌反应器的应用十分广泛，而且大多数都涉及到传热与温度的分布问题。例如聚 合反应，由于聚合反应一般力伴有较大热效应的放热反应，反应器中的温度是否均匀以 及传热速率的大小等都对整个反应过程及产品溪量有决定性的影响。如采由于温度场分 布不均造成局部温度过高就会引起局部爆聚，进而造成产品质量下降，影响生产；丽在 生化反应过程中，温度场的分布状况也极其重要。许多生化反应是涉及到菌类的，很多 菌类对温度的适应条件很苛刻，局部温度过高或过低都将影响其生存，使得单位体积内 菌类的浓度降低，进而影响到产品的质量，甚至于难以得到所需的产品。因此提高釜内 传热效果，控制釜内反应温度，是工业上十分重要的问题，因此研究搅拌槽内的传热以 及温度分布情况具有明显的实际意义。 1 3 1 常用的温度测量方法【4 6 】【4 7 】 目前各种温度测量方法都是基于物体的某些物理、化学性质与温度存在一定的关系， 例如物体的颜色、几何尺寸、电导率、热电势和辐射强度等等都是与物体的温度有关。 当温度不阉时，以上这些参数中的一个或几个随之发生变化，测出这些参数的变化，就 可闻接地知道被测物体的溢度变化。一般测温方法可分为两大类：接触式测温方法和非 接触式测滏方法。磊前常用的温度测量方法有以下几种： 1 3 1 1 搿胀式温度计测温法 8 浙江大学硕士学位论文 膨胀式温度计测温法是利用热的机械效应进行温度测量，主要包括气、液、固相的 受热膨胀和饱和蒸汽压测温。 目前常用的为液体膨胀式温度计，水银玻璃管式温度计是其中应用最广泛的。其工 作原理是贮液泡中的测温介质感应到温度的变化后，毛细管中的液柱弯月面就升高或降 低，通过液面的高低与温度变化的对应关系可以读出温度值。其优点是构造简单、使用 方便和价格低廉。但若使用不当，会引起一系列误差。如在使用过程中，由于加热和冷 却的交替进行，使玻璃的内部产生一定的变化而引起玻璃温包的收缩，结果引起温度计 零点位移，原有刻度产生误差。 这种温度计不能用于测量搅拌槽中流体的温度分布，因为在搅拌槽内无论其安放位 置还是安放的数量都大大地收限制，而且它难以快速、准确地测出温度的变化。这种温 度计读数比较困难，尤其在多个点同时测温时。但是，由于玻璃温度计使用起来方便易 操作，在测量某一恒定的或者变化较慢的温度场时，还是优先选用此种测温工具。 1 3 1 2 热电阻温度计测温法 热电阻温度计是工业上广泛应用的一种测温仪器，能把温度信号转变成电信号，便 于信号的远传和实现多点切换测量，同时具有测量精度高、灵敏度高的特点，适合在3 0 0 以下工作。它是由热电阻、显示仪器和连接导线所组成，其中热电阻是测量温度的敏 感元件，分导体和半导体两种。实验证明，大多数金属导体当温度升高1 时，其阻值 要增加0 4 0 6 ，半导体的阻值要减少3 6 。正是由于导体和半导体的电阻值会随温度 而变化，因此测量它们的电阻值的变化便可以达到测温的目的。 1 3 1 3 热电偶温度计测温法 热电偶结构简单、制作方便、测温范围广，而且能把温度信号转变成电信号，有利 于信号的远传和实现多点切换测量，因此在工业生产和科学研究领域都广泛地使用热电 偶来测量温度，这也是目前测量搅拌槽中流体温度最为常用的一种方法。 热电偶温度计是由热电偶、显示仪表及连接导线组成。由热电偶测温原理可知热电 偶所产生的热电势只与温度t 有关，因此可通过测量热电势的大小，间接求得温度t 的数 值。但因其输出信号与温度之间程非线性关系，故其在测温下限的灵敏度低，常适用于 o 浙江大学硕+ 学位论文 较高温度值的测量。 1 3 1 4 辐射测温法 物体向周围辐射能量的特性( 如物体总辐射能量的大小及物体的光谱辐射特性) 也 可用于测量物体的温度。常用的此类温度计有：辐射高溢计( 用测量物体的总辐射能量 大小的方法来测量物体温度) 、光学高温计和比色( 或多色) 高温计( 利用物体的光谱辐射 特性，即辐射能量按波长分布的特性来测量温度) 。辐射式温度计属予非接触式测温仪器， 对测量对象有一定要求，且测量所需设备较繁琐，所以这种测温仪表不适用于搅拌槽内 温度场的测量。 1 3 1 5 液晶测温技术 2 0 世纪7 0 年代以来，出现了一种新型的温度测量方法液晶测温法。其利用液晶 材料中的热色液晶( 1 i l e 栅e 潮o e 纛醯cl i 键速dc 秽潮s ) 的特性能随温度变化面 显示不同的颜色。将热色液晶均匀的混入被侧流体中，或涂抹于被测物体的表两，就可 以把对温度的测量转变为对颜色的测定上来。它是利用热色液晶材料随温度的变化丽迅 速改变其反射光颜色的特性，在一定的实验方法指导下，定性或定量测定模型表面的温 度和热流场分布，是一种面测量显示技术。热色液晶技术具有的一些独特的性质，大致 是： ( 1 )反应速度快：光信号滞后于温度变化的时间约为1 。4 m s ，能在绝大多数温度 变化的环境中使用。 ( 2 ) 显示特性好：在复杂的温度场中，可显示出从红色到紫色的整个可见光光谱； 褶应的温度分辨率较高，可达到0 1 的量级； ( 3 )空闻分辨率高：可达到l 溉麴量级； ( 4 )能给出定量测定的数据，但精度比常规的点测热方法低，国外已达到圭l 泓 的精度； ( 5 ) 液晶的热色显示特性随温度的变化具有可逆性，试验模型能重复使用。 e l j 于上述几个特性，使得热色液晶技术具有一定的吸引力，已被用于各种复杂流动 现象的研究。 1 0 浙江大学硕士学位论文 综合国内外对液晶测温技术的开发应用来看，该技术已经可较好的应用到物体表面 及流体内部的温度测量。但是，热色液晶测温技术也有其不足之处：如在掺杂液晶粒子 时需要考虑它对流体的跟随性、匹配性等等问题，对使用的液体有一定的限制，在很多 研究情况不适用；使用该技术对配套设备要求高，需要设备的折光率与所测流体的折光 率尽量接近；热色液晶的使用寿命比较短，价格比较贵，用于研究的成本较高。 1 3 2 搅拌槽内常用的传热方式1 4 8 1 几何相似的搅拌槽随容积的增大，单位体积所对用的传热面与槽径成比例减少。因 此对于大型搅拌槽，得在槽内安装内构件来移走热量。而搅拌槽可配置的传热元件有： 夹套、内构件、热管及搅拌器本身。搅拌槽体系的换热方式最常用的大体上有以下几种： ( 1 ) 在搅拌槽的外壁上装有加热( 或冷却) 央套；( 2 ) 在搅拌槽内放置螺旋管；( 3 ) 在 搅拌槽内放置纵向盘管，此类盘管还兼起挡板的作用；( 4 ) 通过一个外换热器的循环系 统；( 5 ) 在搅拌槽内放置热管，该类热管同时可兼有挡板作用。 1 3 2 1 带夹套的搅拌槽 目前，有关传热的研究中以带夹套搅拌槽的传热研究是最多的。这种形式的传热面 需要分析的变量最少，且就设备成本和操作的经济性而言具有相当的优点。其主要的局 限性是对一定槽容积而言，传热面积小，且在槽体制成以后，几乎不可能再调整央套的 传热面。这一领域的研究工作主要是由b r o o k s 和s u 进行的，他们在很宽的黏度范围内 使用平叶片涡轮进行了研究并得到传热系数的基本关联式。 1 3 2 2 螺旋盘管 螺旋盘管的优点在于，它可以在一定的工艺流体体积条件下得到大量的传热面积。 但一般来说螺旋盘管的造价更高而且维修更加困难。o l d s h u e 和g r e 们n 对这类传热方式 的搅拌槽进行了深入的研究并发表了通用的传热关联式。与带央套相比，带螺旋盘管槽 增加了管子直径和间距两个变量。为了增加传热面积可采用多层盘管。但是由于两层盘 管之间流型的相互干扰，使得即使增加的第二层盘管的观景和传热面积与第一层相同， 总的传热效率与单层盘管的传热速率相比也不会提高一倍。另外，附加的螺旋盘管将起 1 1 浙江大学硕士学位论文 附加的挡板作用，减少了对外加挡板的需要。 1 3 2 3 垂直管束 这类搅拌槽利用垂直安装的管束起挡板的作用。除进行传热外，还能是物料产生自 顶部至底部的混和。且在管子周围形成的高湍动区，一般可达到良好的传热效果。d u n l a p 和r u s h t i 对这类搅拌槽进行了广泛的研究，并得到了通用的传热关联式。采用垂直板式 蛇形管来代替管束也是垂直管束传热体的一种。板式蛇形管壁垂直管束便于安装和维修。 此外，板式蛇形管的挡板作用明显更大，可达到全挡板条件而不需另设挡板。但是，板 式蛇形管由于本身的结构特点，的确会使在传热面附近的流体流动多少受到一定限制。 对长径比较大( 2 ：l 至3 ：1 ) 的聚合反应槽，采用与槽半径成一定角度的板式蛇形管可以 得到更大的传热面积，以精确的控制传热。 13 2 4 热管技术h 9 】 热管是一种同时运用沸腾与冷凝相变传热的高效换热元件。传热过程中，由于冷凝 液滴状流动、气泡的湍动以及很高的相变潜热，故其产生的热阻很小，热流强度很大， 其导热系数可达到铜的几百倍甚至上千倍。 表1 1 热管导热系数与其它材料导热系数的比较5 0 】 材料导热系数w ，( m k ) 热管 铝 铜 金刚石 5 0 ，0 0 0 2 0 0 ，0 0 0 1 8 0 3 8 6 2 0 0 0 1 3 2 4 1 热管的发展史 热管的概念首先是由美国通用汽车公司的g a u g l e r 【5 1 】于1 9 4 2 年提出。1 9 6 3 年 l o s a l 锄o s 科学实验室的c 的v e r 吲在他的专利中正式提出“热管( h e a tp i p e ) 的命名，它 的热导率远远超过任何一种已知的金属。 1 9 6 4 1 9 6 6 年期间，美国无线电公司制作了用玻璃、铜、镍、不锈钢、钼等材料作 1 2 浙江大学硕士学位论文 为壳体，水、铯、钠、锂、铋等作为管内工作液体的多种热管，工作温度最高可达到1 6 5 0 。 美国科学家对热管的研究、应用引起了各阑的关注，英国、前苏联、法国、前西德、 意大利、荷兰及日本等均开展了大量的研究工作，热管技术在全球迅速发展。 热管作为一种高效传热元件至今已有4 0 多年的历史，随着热管技术的不断发展，其 已深入到工业生产以及日常生活的各个领域了，具体体现在如下几个方面： ( 1 ) _ 工监领域：主要体现在余热的回收利用，利用烟道中废气的热镌来加热空气、 本或其它的化学反应物质。如日本的帝人工程公司成功的用热管做成锅炉给水 预热器，使得锅炉摊烟温度降到1 6 0 ，解决了露点腐蚀问题；瑟美国q d 0 t 公 司生产了热管废热锅炉；两在8 0 年代以后，热管换热器的研制工作迅速的开 展，回转型、分离型等新的结构型式相继出现，并且日趋工业化、大型化。 ( 2 ) 航天航空领域：涉及星体均温、航天器内部温控到辐射散热器、遥感装置的低 温制冷等，特别是在温控方面应用最广。1 9 6 7 年l o s 越锄o s 国家实验室把一 根不锈钢水热管首次送入地球卫星轨道，取得热管运行性能的遥测数据，证 明了热管在零重力条件下运行成功f 5 3 j 。1 9 6 8 年热管作为卫星仪器温度控制的 手段第一次应用在测地卫星，1 9 7 2 年的天文卫星及1 9 7 4 年的应用技术卫星都 成功的用了相当数量的热管作为温度控制的手段f 5 4 l 。 ( 3 )电机及电器设备的冷却：如电机转子和定予的冷却，变压器、高速轴承和铸模 的冷却；七十年代中期将热管应用于半导体工艺的等温炉f 5 熨。 ( 4 )电子元件及微型组件的散热：七十年代热管用于电子工业领域冷却大功率行波 管：薅德研制热管散热器用域冷却大功率半导体元件，并在电气机车上成功运 行四年。 ( 5 ) 能源方面：如太阳能热管热水器、低热热管换热器、风力热管换热器等等。 ( 6 ) 医疗器械方面：七十年代中期制成低温手术刀。 臼7 0 年代以来，热管技术飞速发展，各国高校、科研机构和公司均投入了相当多的 入力物力来进行多方面的研究，国际学术会议也活跃起来，自1 9 7 3 年在德国举行了第一 届国际热管会议后，直至1 9 9 9 年又分别在意大利、美国、英国、r 本、法国、前苏联、 中国、美国、德国、及冀本举行了第二至十一届冒际热管会议。1 9 8 4 年我函首次派代表 1 3 浙江人学硕+ 学位论文 参加在同本召开的第五届国际热管会议并应邀作报告。 我国的热管研究开始于1 9 7 0 年左右，在1 9 7 2 年，第一根钠热管运行成功，以后相 继研制成功氨、水、汞、联苯等各种介质的热管，而且在应用上取得了一定的进展。1 9 8 0 年国内第一台试验性热管换热器运转成功，各地相继出现各种不同类型的、不同温度范 围的气气热管换热器及气液热管换热器，热管预热锅炉、高温热管蒸汽发生器、高温热 管热风炉等等各类热管产品【5 们。同时我国的学术交流活动也十分活跃，从1 9 8 3 年起召开 了十届全国性的热管会议。 随着科学技术水平的不断提高，热管研究及应用的领域也将不断的拓宽至新能源的 开发、电子芯片冷却、笔记本电脑c p u 冷却、大功率晶体管、可控性元件、电路控制板 等等的冷却以及化工、动力、冶金、玻璃、轻工、陶瓷等领域的高效传热设备的开发， 这些也将促进热管技术的进一步发展皿5 1 。 1 3 2 4 2 热管的结构与工作原理【5 7 】 广义上的热管是指一个封闭的依靠工质相变传热的元件，标准热管是指利用蓄热介 质毛细力循环作用的一种换热元件。 热管主要是由密封管、吸液芯及蒸汽通道三部分组成，将管内不凝气体除去、抽成 负压，管内壁附着有毛细作用的多孔材料制成的吸液芯，在充入工质后密封该金属管则 制成热管。 热管的工作原理见图1 9 ：热管沿轴向分为蒸发段、绝热段、冷凝段。蒸发段从管外 热源吸收热量并传给管内毛细材料中的液相工质，并使其蒸发；冷凝段将气相工质冷凝 并把热量传给管外的冷源，同时液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流向蒸发段；如此循 环不已，热量由一端传到另一端；当热源与冷源隔开时，绝热段的管内工质和外界不做 热量传递。 1 4 浙江大学硕+ 学位论文 图1 9 热管工作原理示意图 从热源到冷源的热传递靠以下六个同时发生和相关联的过程来完成： ( 1 )热量从热源通过热管管壁和充满工质的吸液芯传递到蒸发段液体工质； ( 2 ) 液体在蒸发段内的液汽分界面上蒸发； ( 3 )蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段： ( 4 ) 蒸汽在冷凝段内的汽液分界面上凝结； ( 5 )热量从冷凝段汽液分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源； ( 6 )在吸液芯内由于毛细力作用使冷凝后的液体工质回流到蒸发段。 1 3 2 4 3 热管的特点 ( 1 ) 优良的传热性能：由于热管主要是靠内部工质相变吸收和释放汽化潜热进行热 量传导，热阻很小，因此热管具有很高的导热能力，其当量导热系数是铜、银、铝的数 倍甚至上百倍，液态金属热管当量导热系数甚至可达到紫铜的上千倍，以单位重量材质 计，热管比金属可多传递几个数量级的热量。大多数的工质汽化潜热很大，仅少量的蒸 发量就可传输较大的热量，而且热管可在很小的温度差下传输较高的热量。 ( 2 ) 良好的等温性：热管的表面温度分布取决于管内饱和蒸汽的温度分布。蒸汽相 变是等温状态且其流动温差很小，故热管各处的温差较小；热管内腔的蒸汽是处于饱和 状态，饱和蒸汽的压力决定了饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降较 小，温降也很小，因此热管本身具有优良的等温性【5 8 1 。 ( 3 ) 具有热控制等多重功能：可变导热管冷凝段的热阻随加热量的增加而降低、随 加热量的减少而增加，这样可使热管在加热量变化的情况下，实现恒温控制的目的，另 1 5 浙江大学硕士学位论文 外热管还具有热二极管、热开关等功能1 5 9 1 。 ( 4 ) 优良的响应性：热管内部压力很小，当蒸发段受热后蒸汽就以近似子该温度下 的音速前进。 ( 5 ) 热管体积小，重量轻，且无运动部件，运行可靠，使用寿命长。 1 3 2 4 4 热管的分类f 6 0 】f 6 1 】 热管根据不同的分类标准可分为不同类型。 热管按照工作温度可分为低温热管( 一2 7 3 0 ) 、常温热管( o _ 2 5 0 ) 、中温热管 ( 2 5 0 - 4 5 0 ) 、高温热管( 4 5 0 1 0 0 0 ) 等。 热管按照工作液体回流力，可分为有芯热管、两相闭式热虹吸管( 重力热管) 、重力 辅助热管、旋转热管、电流体动力热管、磁力体动力热管、渗透热管等。 热管按照管壳材质与工作介质的组合方式，可分为铜水热管、碳钢水热管、铜钢复 合水热管、铝。丙酮热管、碳钢萘热管、不锈钢钠热管、玻璃水热管、玻璃水甲醇混 合介质热管等。 热管按照结构形式，可分为普通热管、分离式热管、毛细泵回路热管、微型热管、 平板热管、径向热管等。 热管按照功用，可分为传输热量的热管、热二极管、热开关、热控制用热管、仿真 热管、制冷热管等。 1 3 。2 a 5 热管在传热过程中的应用 i 热管换热器 热管换热器作为传热装置，在实际生产中可分别耀 乍加热装置和冷却装置。 ( 1 ) 用作加热装置f 6 2 】 热管换热器广泛的用予石油化工生产中做加热装置主要有：热管喷雾干燥器；热管 空气预热器。 ( 2 ) 用作冷却装置【6 3 】 热管换热器广泛用于冷却装置。如热管用于电机的冷却，主要有两种形：一种是将 热管固定装在电机定子和转子的发热部分，另一种将电机的转子空心轴用旋转热管制成， 1 6 浙江大学硕+ 学位论文 这两类热管都能有效的将热量导出，提高电机功率；热管用于大容量电力电容器的冷却； 热管可用于冷却电力变压器，为变压器冷却采用无泵系统提供支持，提高了变压器的工 作效率；热管也用于蓄电池的冷却，将热管插入电解液中可及时将由于蓄电池充、放电 时电解液产生的热量移走，降低其充、放电时电解液的温度。 i i 热管在反应器中的应用畔l 将热管应用于反应器中是近年来熟管技术应用领域的又一扩展。由热管组成的换热 器用于化学反应器上( 吸热或放热反应) 可控制反应器的床层温度，使其接近最佳反应 温度，迸焉提高反应器的生产能力和产品质量。同时由于热管具有很好的温度平展懂， 其表面有很好的温度均匀性，因此可用它来保持想要的恒温环境。所以将热管应用予反 应器是很理想的。目前有代表性的热管反应器有热管管壁式催化反应器、热管固定床反 应器、热管氧化反应器、釜式热管反应器、套管式热管反应器、热管生物反应器等。 热管管壁式催化反应器 该类型反应器的催化剂喷涂在反应器的内壁上形成了一薄层。反应器的外壳是由同心 套管构成，在套管的间隙空间装有“辐条”状的热管吸液芯，蒸发段接受内管由催化反应所 放出的热量，冷凝段将放出的热量传向外管壁及其外的冷却介质( 水或空气) 。由美国华 盛顿研究中心、里海大学等联合研究设计的径向热管管壁式催化反应器具有一定代表性 明 o 热管固定床反应器 典型的热管固定床反应器，其结构特征主要是在绝热的固定床层中插入若干根热管， 利用热管的高效传热性将热量及时传入或移出反应器，确保反应顺利进行，同时剥黑热 管的等温性保证固定床层具有良好的等温性能s 5 1 【矧。常见的此类反应器有：乙苯脱氢反 应器f 6 5 1 、环己醇脱氢反应器、均四甲苯氧化制均苯四酸二酐反应器。 热管氧化反应器 常见的氧化反应器有固定床和流化床两种类型。其中固定床接近于理想活塞流，能 连续生产，但其床层温度不均匀，催化剂装填要求高；而流化床的床层温度分布均匀， 但催化剂易磨损，流体返混严重，影响转化率和收率。由于氧化反应为一强放热反应， 需要有足够的换热速率来提供最优的反应温度。近年来设计开发的热管氧化反应器保留 了上述两种氧化反应器的优点，克服了其缺点瑟朝阁。 1 7 浙江犬学硕+ 学位论文 釜式热管反应器 釜式热管反应器是化工生产中应用范围很广的一种反应器【6 7 1 。图1 1 0 是一种最简单 的吸热式热管反应器，采用带翅片的热管做搅拌轴，当釜温未达到规定反应温度上限时， 热管不工作；反之热管便将热量传给釜顶热管的冷凝段及翅片，通过自然冷却而传热降 温。在大型釜式反应器中，作为搅拌轴的单根热管难以满足传热面积的要求，此时需要 采用多级釜串联或在釜内增加热管元件等手段。热管