盘管式与夹套式热交换器

1、103學年103學年(1)1- (1)1- #1- 盤管與夾套式熱交換器一、實驗目的測定盤管式與夾套式熱交換器的熱總傳係。二、實驗原化學工廠常的反應器、調桶等需要配備加熱（或卻）及攪拌裝置，以有效控制器內物的溫，一般均以夾套或盤管式熱交換器達成目的。夾套與盤管可同時共有，也可單獨裝設，依實際需要而定。15公分以上圖一平板盤管熱交換器（a）側視圖（b）為同盤繞方式的俯視圖（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，以加強熱傳效果，其盤管則由銅管、鋼管或其他合管均勻地盤繞而成，使獲得較大的傳熱面積。以盤管盤繞方式區分，則可分y為平板盤管式（Platecoil）熱

2、交換器（圖一）及旋盤管式（Helicalcoil）熱交換器（圖二）種。平板管水平置於容器底部，藉由自然對的方式傳遞熱，旋管則裝在垂直圓柱容器內，者皆可加裝攪拌器，以提高熱傳效。圖二附擋板旋盤管式熱交換器及其幾何形的建議值比盤管式熱交換器具有如下的優點：體具有心，而增加傳熱效果。型態簡單，有安定的動，適於黏性體的熱交換。積垢性小，清。適於小或低比熱的體。安裝容，堅固耐用。但它亦受以下的限制：整體結構小，管的整修、接合比較困難。管外雖可用機械方式清，但管內一定要以化學方式處。以下各種熱傳係經驗式的介紹，皆以旋盤管式熱交換器為：1.穩定態下的傳熱總傳熱係如圖三所示，所供應熱源為熱水加熱體，當系統達穩

3、定態後，則熱水所供應的熱為q二mCp(T-T)hhhhahb103學年103學年1- 1- 吸收熱q二mCp(T一T)ccccbca(2)失，則其中mCphh(Tha-T)=mCp(T-T)cccbcahb=uA(AT)00lm(3)m：hm：cCp：cCp：熱hT：ca/cbT：ha/hbu：以0(AT)lmJ?J?(kg/s)(kg/s)均比熱(kJ/kg均比熱(kJ/kgK)K)水進/出口溫(K)熱水進/出口溫(K)管外表面積為基準的總傳熱係對平均溫差(K)(kW/m2K)(AT)lmAT-AT12ln(AT/AT)12(4)LrLT2圖三溫變化圖盤管內側(熱水側)的薄膜傳熱係假設熱水在

4、盤管內形成薄膜式凝(film-typecondensation)，則根據經驗式，薄膜凝態下水平管中的薄膜傳熱係hi為ahD.管)=0=0.023ikD2Np)0.8a卩丿CpHk丿丫;r0.14(5)即為盤管的薄膜傳(6)直管的傳熱係再乘上一校正因子熱係。h(盤管)=h(直管)x1+3.5(Di/Do)盤管外側的薄膜傳熱係a.無機械攪拌設備時：盤管外圍儲槽容器的熱傳送完全是一種自然對的現象，因此需依照普通管子外圍自然對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)的自然對現象，而缺乏工業用熱交換器設備中的多管束或各形加熱管束的資，因此本設備對於盤管外側薄膜傳熱

5、係的估算乃根據PerryHandbook上的經驗式：h=127(AT)0.25(7)0D0其中AT：管壁溫與體平均溫的差值(K)D0：盤管外徑(m)b.附有機器攪拌設備時：關於在攪拌態下的熱傳送，曾有許多位學者，針對各盤管熱交換器的型式與體種，提出各種的經驗式，其關係式為：103學年103學年(11)1- 1- 其中D2NpaCpybIJIkJ丿丫hD0o=Kk(8)hD:納00、护kD2Np:ayCpRkhoDaD0NuRePr盤管：攪拌翼直徑(m)：盤管外徑(m)N：轉速(rps，l/s)k，y，p，Cp：在盤管管壁溫下f：外側薄膜傳熱係(kW/m2K)體平均溫下的物性的黏(kg/ms)盤

6、管加熱器的根據爾在圓筒槽Y=0.14，頓(Chilton)中，各f=1，所以及克值分別式(8)可直接寫成梭德(Kraussold)等的研為K=.87，a=.62，b究=0.33D2Npa0.62CpQ.33IyJIk丿u?0.14h0Do=0.87k(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)及具備適當方式循環熱(或)體的夾套(jacket)，在垂直圓柱形的容器內可以裝設機械攪拌，以加強熱傳效果。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(a)(b)所示；夾套的位置亦因需要而裝設在同的容器之外，如圖四之(c)(d)所示。圖四

7、夾套幾合組合夾套管熱交換器在此操作期間，溫大多以分批式(batch)方式操差並是常。同時反應器設攪拌器亦對熱傳交換器的設計而言很大的影響，因此，對於夾所能獲得的據資並多作，而有無裝套式熱O1.穩定態下的傳熱(1)總傳熱係如圖五所示，則當系統達到穩定所供應的熱源為熱水(加熱體)，態後，熱水所供應的熱為q=mCp(T一T)hhhhahb水吸收熱為：(10)q=mCp(T-T)ccccbca忽熱損失，則mCp(Thhha-T)=mCp(Thbcccb-T)二uA(AT)ca00lm(12)其中Thb圖五溫變化圖m：熱水hm：水cCp：水平cCp：熱水平h(kg/s)(kg/s)均比熱(kJ/kg均比

8、熱(kJ/kgK)K)T：水進/出口溫ca/cbT：熱水進/出口溫ha/hb(K)(K)以管外表面積為(AT)：對平均溫lm基準的總傳熱差(K)(kW/m2K)(AT)lmAT-AT12ln(AT/AT)12(2)夾套內側(熱水側)的薄膜傳熱係假設蒸汽在盤管內形成薄膜式凝(film-typecondensation)，則根據納(Nusselt)的經驗式，在直圓柱體面上的薄膜凝，其薄膜傳熱係hi為103學年103學年1- 1- hDijk=0.54Np)2；(伽了p)0-1452aIp丿3丿屮(13)夾套外側的薄膜傳熱係a.無機械攪拌設備時：在此態下，容器內的熱傳送完全是一種自然對，因為一般使用

9、這型的加熱器或反應器時，為達較佳的熱傳效果，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現象作研究，在此，只好以圓柱體內的自然對現象作為趨近於夾套式熱交換的計算。根據PerryHandbook上的經驗式：(14)h二127(AT0)0.250L其中AT：夾套式器壁溫與容器內液體平均溫的差0值(K)L：夾套式熱交換器的高(m)b.附有機器攪拌設備時：有許多位學者，關於在攪拌態下的熱傳送，提出各種的經驗式，其共同的關係式h0：夾套外側薄膜傳熱係(kW/m2K)其中hD00kK(Da2NP(CPPp(15)hD00kNuD2NpapCppRe，PrD0：容器內徑(M)Da：攪拌翼

10、直徑(m)aN：轉速(rps，l/s)k，卩，p，Cp:在體平土均溫下的物性卩:容器器壁溫下液體的黏(kg/ms)wK，a，B，丫，f:根據爾頓(Chilton)及克梭德(Kraussold)等的研究，在四形底圓柱容器槽中，攪拌翼為槳式，則各值分別為K=0.36，a=2/3，b=1/3，g=0.14，f=1，所以，式(15)可直接寫成hD0_0k(16)D2NpCp口口二0.36()2/3(上)1/3(上)0.14卩k卩103學年103學年1- 1- 實驗裝置攪拌馬達攪拌熱傳槽V14XV8Xj熱水流量計V5MMUXX冷水流量計V1熱水槽r實1.2.3.4.5.驗相關條件試驗槽：採用SUS#30

11、4捍接成二重槽卜槽有力效：300 xH400mm外槽有力效：360 xH430mm熱交換管：採用紅銅BWG#1616mmx長500mm浮子計：05L/min，010L/minx1支盤管式熱交換器:A0=0.25m2，Da=35.3cm夾套管式熱交換器:A0=0.377m2，D=32cm四、實驗步驟穩定態下的熱傳(熱水)A.盤管式熱交換器打開水進水閥V1讓水槽(內槽)中的水充滿，並保持溢。此時已將槽內的空氣排除。將熱水槽內的水填滿，打開電源開關設定槽內之溫60C，待達穩定為止。調整水浮子計，使保持固定，記溫與。(、熱水比為3：1)4.打開閥V3、V4(調BYPASS)、V5、V6、V8、V10、

12、V12，開熱水幫浦，讓熱水在盤管內與外部水進熱交換，啟動攪拌器，維持一定轉速40rpm。待系統達穩定態後，每2分鐘測定一次並記進出口水溫、及熱水進出口的溫，且約五組據隨時間改變即可停止，並溫至T1=T2。改變、熱水比(6:1及9:1)，重覆步驟35。B.夾套式熱交換器打開水進水閥V1讓水槽中的水充滿槽內，並保持溢。將熱水槽內的水填滿，打開電源開關設定槽內之溫60C，待達穩定為止。調整水浮子計，使保持固定，記溫與。(、熱水比為3:1)打開V3，V4(調BYPASS)V5、V6、V9、VI1、VI2，讓熱水在夾套與內部水進熱交換，啟動攪拌器，維持一定轉速40rpm。待系統達穩定態後，每2分鐘測定一次並記進出口水溫、及熱水進出口的溫，且約五組據隨時間改變即可停止，並溫至T1=T2。改變、熱水比(6:1及9:1)，重覆步驟35。五、注意事項1.溫須待穩定後才可記。2.確認各閥皆按步驟開關。實驗結果（一）據記A.盤管式熱交換（穩定態下的熱傳）攪拌器轉速：103學年103學年1- 1- B.夾套管式熱交換（穩定態下的熱傳）攪拌器轉速：103學年103學年1- 1- （二）結果整1.盤管式熱交換器（穩定態附機械攪拌）攪拌器轉速：2.夾套式熱交換器（穩定