盘管式与夹套式热交换器

1、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 （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

2、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

3、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 mhCPh Tha -Thb冷水吸收熱量為：qc 二 mcCpc（Tcb 工） 若忽略熱損失，則mhCph（Tha -险）=mcCpc（Tcb -匸）=Uo Ao（心 T）|m（ 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)U0:以管外表面積為基準的總傳熱係數(k

4、W/m 2. K)C T)lm :對數平均溫度差(K)（Elm一 Tzln（ 5/ 汀2）TsTeb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-type con de nsatio n),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hi(直管)hi Dok-0.0230.80.142Da N(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(D i/D。)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

5、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：h。=127( TD0)0.25其中T :管壁溫度與流體平均溫度的差值(K)D :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hoD0 :納塞數，Nu k2 乙兰:雷諾數，ReW :普蘭多數，Prkho:盤管外側薄膜傳熱係數(kW/m 2

6、. 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h0 D0k(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，

7、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(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qh - mhCPh(Tha _ Thb)冷水吸收熱量為：(10)(

8、11)qc = mcCp/G - Tea)若忽略熱損失，則mhCph（Tha -Thb） = mcCpc（b -）二 uAo（订）忤（1 2）圖五溫度變化圖其中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/m 2. K)(近)lm :對數平均溫度差(K)CT）im 二In（ TJ ：T2）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-typecondensat

9、ion),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hDj 二 0.54Da NP CpP 3k0.14叽丿(13)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：h0= 127( J)0.25(14)厶T。:夾套式器壁溫度與容器內液體平均溫度的差

10、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：2(15)h0D0 =K(Da Nl(CPmkJk 計V1輸水群浦熱水流量計VF fnMnTYV4OO貫驗相關條件1. 試驗槽：採用SUS#304捍接成二重槽內槽有效： 300H400 mm外槽有效： 360H430 mm2. 熱交換管：採用紅銅 BWG #1616 mm 長500mm3. 浮子流量計： 05 L/min ，010 L/min 1 支4. 盤管式熱交換器：A。= 0.25m 2, Da = 35.3cm5. 夾套管式熱交換器：Ao =

11、 0.377m 2, 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 V 3、 V 4( 調 B Y PA SS) 、 V 5 、 V 6 、 V8、V10 、V12 ， 開熱水幫浦， 讓熱水在盤管內與外部 冷

12、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35。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 60 C ， 待 達 穩 定 為 止 。3. 調 整 冷 水 浮 子 流 量 計 ， 使 流 量 保 持

13、 固 定 ， 記 錄 溫 度 與 流 量 。 (冷、 熱 水 流 量 比 為 3: 1)4. 打 開 V3 ， V4( 調 BY PASS ) V5 、 V6 、 V9 、 V1 1 、 V1 2 ， 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 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

14、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(一)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/ mi n)熱水流量mh(L/ mi n)B.夾套管式熱交換(穩定狀態下的熱傳)攪拌器轉速：時間(mi n)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m e(L/ mi n)熱水流量m h(L/ mi n)（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(mi n)冷水流量me(kg/ s)熱水流量mh(kg/ s)qe(J/s)qh(J/s)( T)lm(K)Uo2(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(mi n)冷水流量me(kg/ s)熱水流量mh(kg/ s)qe(J/s)qh(J/s)( T)lm(K)Uo2(kW/m2k)3. 繪出溫度對時間之變化圖4.