带夹套容器内传热的传热系数计算

带夹套容器内传热的传热系数计算

1容器的传热设计这种带夹框架容器广泛应用于化工、轻工业、医药等工业生产中，用于储存、运输和反应材料。夹套有以下几种型式:普通型、带扰流喷管普通型、带导流板普通型、半圆管型和波纹型。容器内部还可安装螺旋形盘管。在带夹套容器的传热计算中,总传热系数的倒数等于各分项传热系数倒数之和,各传热系数均基于容器内直径;容器壁及衬层的导热系数和容器壁两侧的污垢系数按通常方法确定;而夹套内和容器内流体的传热系数则必须用适合的关联式来求得。容器内安装的搅拌器其基本作用是促进物料的混合或分散,但对器壁上的传热影响很大,应予考虑。系统介绍各种夹套内传热设计方法的文章鲜见报道,本文特对带有上述型式的夹套和几种常用搅拌器的容器的传热系数计算方法及关联式做一介绍。2流体物性的要求夹套和盘管内的传热系数需通过努塞尔特准数Nu来求得。Nu=αl/λ,式中,α为传热系数,W/(m2·℃);l为传热面特征尺寸,m;λ为流体导热系数,W/(m·℃)。在以下的强制对流传热计算公式中,流体物性取自流体主体,特征尺寸为当量直径de,m;滞流区雷诺数的上限值为Re1=15000(de/dc>0.307时)或Re1=2000[(1+13.2(de/dc)0.6](de/dc<0.307时),湍流区雷诺数的下限值为Re2=15000。式中,dc为夹套或盘管的弯曲直径,m。2.1流动传热参数的确定在普通型夹套中流体的流动可能是滞流、过渡流或湍流。滞流时应将自然对流对传热的影响考虑进去。夹套的曲率对传热影响很大,用参数de/dc将这一影响考虑进去。综合流动平均有效弯曲直径dc=dv/cosγ,式中,γ=tg-1[2Hj/(πdv)];dv为容器内直径,m;Hj为夹套有效高度,m。2.1.1自然对流时流体的流动及其传热特性首先令X=Re0.5(Prde/dc)0.25,式中雷诺准数Re=deuρ/μ;u为流速,m/s;ρ为流体密度,kg/m3;μ为粘度,Pa·s;普兰德准数Pr=cpμ/λ,cp为流体的定压热容,kJ/(kg·℃)。在大曲率时(X>4.9),对流传热系数可用下式求算,即:式中,Nufc为强制对流时的努塞尔特准数;Vi为流体在主体中和器壁处的粘度比。大曲率情况下,入口和自然对流对强制滞流传热的影响可忽略。在小曲率时(X<4.9),对流传热系数可用下式求算,即:Nufc=4.86+Ge(2)式中,Ge为入口影响的修正系数,当格里茨准数Gz≥0时,可由下式求得:Ge=0.09525[Gz/(1+0.0525Gz0.67)]V。式中,Gz=wcp/(λL),w为流体质量流率,kg/s;L为流道长度,m。小曲率情况下,自然对流传热可能增强也可能减弱强制对流的传热效果,应予以考虑,可用下式求算:Nunc=±0.7287ϕ0.33(GrPrde/L)m(3)式中,Nunc为自然对流时的努塞尔特准数;Gr为格拉斯霍夫准数,Gr=βgl3ρΔT/μ2,β为流体的体积膨胀系数,1/℃;g为重力加速度,m/s2;l为传热面特征尺寸,此处取为de,m;ΔT=TW-Tb,Tw、Tb分别为流体在进口处壁面和主体中的温度,℃;系数ϕ=exp[-0.4875(πNu/Gz)0.888],需用迭代法求得。当自然对流增强强制对流的传热效果时(如容器冷却时流体向上流动或容器加热时流体向下流动),公式(3)中取“+”号且m=0.28;减弱传热效果时则取“-”号且m=0.25。在增强传热效果情况和减弱传热效果且Nufc>Nunc情况下,可用下式将自然对流和强制对流的影响合并起来,即:Nu3=Nu+Nu(4)2.1.2tw#tb时m在大曲率范围,即Re(de/dc)2>4.72时,式中Ge=1;Tw<Tb时m=0.30,Tw>Tb时m=0.18。在小曲率范围,即Re(de/dc)2<4.72时,上式中Ge=1+5.71(de/L)[1-exp(-0.07L/de)],m=0.18。2.1.3普通夹套内的传热在滞流和湍流之间的过渡流区域,目前还没有明确定义的方法来预测普通夹套内的传热。一种比较合理的近似方法是在滞流时Nu的上限值与湍流时Nu的下限值之间,以Re的对数值进行内插求得。2.2内流体流率的计算在相同流率下,普通型夹套的传热速率一般要比其他夹套低。为了弥补这一不足,常常在普通型夹套内安装喷管,在压力下将传热介质喷入夹套内。这样,将一个涡旋速度带给夹套内流体以改进传热。带扰流喷管的普通型夹套广泛用于搪玻璃反应器。由喷管液流带给夹套内流体的涡旋动量与夹套对涡旋流动产生的摩擦阻力之间的力的平衡,可得出如下公式,可用迭代法求解:式中,wj为夹套内流体平均质量流率,kg/s;wn为喷管内流体质量流率之和,kg/s;Aj为夹套流通面积,m2;An为喷管喉部面积之和,m2;系数ϕj=de/(4πfdv),f为范宁摩擦系数。带扰流喷管普通型夹套中强制湍流传热计算公式与普通型夹套强制湍流传热计算公式(5)相同。不过要用dv代替式中的dc。2.3流体流动及盘管流场对于容器内的螺旋形盘管、容器外的半圆管盘管和带螺旋导流板的普通型夹套,湍流区(实际运行中流体流动均为湍流)的对流传热可采用下式求算(式中忽略了入口的影响):对于半圆管型夹套,由于制造上的原因,盘管之间要留有间隙。容器未被覆盖的部分因翅片效应仍然传递热量。通常,半圆管盘管传热面积(包括盘管间的空隙部分)的总有效系数一般在93%～96%范围内。2.4计算表内的传热估算值至今尚无令人满意的、公开发表的、适用于波纹夹套内传热的关联式。下式是从公开发表的大范围的紊流数据中推导出来的,可求出Re>5000时的较好的传热估算值:式中,dt、dl分别为相邻波纹的横向和轴向中对中距离,m;Amax、Amin分别为最大和最小流通面积,m2;Re=ddumaxρ/μ,dd为波纹夹套平均直径,m;umax为最小流通面积处流体的最大流速,m/s。3容器内直径dv容器内流体对容器壁的传热系数亦通过努塞尔特准数Nu来求算,其特征尺寸l取容器内直径dv。对带搅拌器的容器,Re=d2aNρ/μ,式中,da为搅拌器直径,m;N为搅拌器转速,r/s。流体的物性均取自流体主体,特殊情况下另作说明。3.1u3000grp准数自然对流时滞流和湍流部分的努塞尔特准数分别为: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。上述两部分可以合并为:Nu6=Nu+Nu(11)式中,所有物性的定性温度为膜层温度Tf,℃,Tf=(Tw-Tb)/2;Gr准数中的特征尺寸l取夹套有效高度Hj,m;ΔT取(Tw-Tb)的平均值。3.2器叶片宽度k容器内装有全挡板时:式中,Re<400时,K=0.54;Re>10000时,K=0.74;400<Re<10000时,K=0.1679+0.0621lnRe;Wa为搅拌器叶片宽度,m;nb为搅拌器桨叶数;θ为叶片与水平方向的角度,叶片平面垂直时θ=90°。容器内未装挡板时,仍可采用式(12),但无论Re值为多少,K值均取0.54。3.3带螺杆式搅拌器的容器容器内装有全挡板时:式中,h为螺桨的螺距,m。容器内未装挡板时:式中,Ha为搅拌器距容器底部的高度,m;H1为容器内液体高度,m。3.4器中ca/dv的影响带锚式或螺带式搅拌器的容器内表面的传热系数可采用下式求算,适用于0.10<h/dv<2.0及0<Ca/dv<0.20范围内。Ca为搅拌器间隙,m,Ca=(dv-da)/2。式中,函数ϕ1、ϕ2、ϕ3分别按以下方法计算:函数ϕ1描述雷诺数(Re)对传热系数的影响:对于锚式搅拌器(Ca/dv=0.02为基准):Re<12时,K′=1.05及n=0.33;12<Re<100时,K′=0.69及n=0.50;Re>100时,K′=0.32及n=0.67。对于螺带式搅拌器(Ca/dv=0.02、h/dv=0.25):Re<9时,K′=0.98及n=0.33;9<Re<135时,K′=0.68及n=0.50;Re>135时,K′=0.30及n=0.67。函数ϕ2描述搅拌器间隙(Ca/dv)对传热系数的影响。下式可应用于锚式及螺带式搅拌器,式中Ca/dv>0,为简便起见,令x=Ca/dv,以x=0.02为基准,则函数ϕ3描述叶片间距(h/dv)对传热系数的影响。对于锚形桨,ϕ3=1;对于螺带式叶片,令y=h/dv,以y=0.25为基准,函数表达式为:当Re<11时,ϕ3=0.920/y0.0611<Re<170时,ϕ3=0.801/y0.16Re>170时,ϕ3=0.697/y0.264启示三:国产管理中的特征尺寸介质垂直流过盘管外表面的传热计算中,Nu准数中的特征尺寸l取管外径d0,m;有搅拌器时,Re=d2aNρ/μ;流体物性均取自容器内流体的主体。4.1没有内部搅拌槽管子外表面上自然对流传热关联式:式中,Gr准数中的ΔT取(Tw-Tb)的平均值。4.2带涡旋混音器装有全挡板的容器:无挡板的容器:4.3带螺杆式注射器装有全挡板的容器:无挡板的容器:5式夹套的基础容器本例为内部带一涡轮式搅拌器,外部为5种不同型式的夹套和一种内部盘管的普通容器。在6种流率(50～300l/min)情况下的总传热系数计算结果,以定量说明不同型式夹套的传热效果。5.1计算数据5.1.1封头asme封头内径Φ1200mm,直边高度1200mm,容积1497l,底部封头ASME碟形封头,夹套范围100%覆盖直边及底封头,壁厚7mm,器壁导热系数17W/(m℃),导流板4片100mm宽,温度95℃,污垢系数0.0002m2℃/W,介质:水(90%充满量)。5.1.2缓冲套筒和盘管介质:水,污垢系数0.0002m2℃/W,入口温度5℃。5.1.3混器单层六桨涡轮式,桨叶100mm宽、45°,直径Φ700mm,转速100r/min。5.1.4固定衬套和盘管的参数(1)波形夹芯100mm中心距,60mm×90mm方格形波纹,夹套内安装两块导流板;(2)半圆管夹套DN