帶夾套容器內(nèi)傳熱的傳熱系數(shù)計算

帶夾套容器內(nèi)傳熱的傳熱系數(shù)計算

1容器的傳熱設(shè)計這種帶夾框架容器廣泛應(yīng)用于化工、輕工業(yè)、醫(yī)藥等工業(yè)生產(chǎn)中，用于儲存、運輸和反應(yīng)材料。夾套有以下幾種型式:普通型、帶擾流噴管普通型、帶導(dǎo)流板普通型、半圓管型和波紋型。容器內(nèi)部還可安裝螺旋形盤管。在帶夾套容器的傳熱計算中,總傳熱系數(shù)的倒數(shù)等于各分項傳熱系數(shù)倒數(shù)之和,各傳熱系數(shù)均基于容器內(nèi)直徑;容器壁及襯層的導(dǎo)熱系數(shù)和容器壁兩側(cè)的污垢系數(shù)按通常方法確定;而夾套內(nèi)和容器內(nèi)流體的傳熱系數(shù)則必須用適合的關(guān)聯(lián)式來求得。容器內(nèi)安裝的攪拌器其基本作用是促進(jìn)物料的混合或分散,但對器壁上的傳熱影響很大,應(yīng)予考慮。系統(tǒng)介紹各種夾套內(nèi)傳熱設(shè)計方法的文章鮮見報道,本文特對帶有上述型式的夾套和幾種常用攪拌器的容器的傳熱系數(shù)計算方法及關(guān)聯(lián)式做一介紹。2流體物性的要求夾套和盤管內(nèi)的傳熱系數(shù)需通過努塞爾特準(zhǔn)數(shù)Nu來求得。Nu=αl/λ,式中,α為傳熱系數(shù),W/(m2·℃);l為傳熱面特征尺寸,m;λ為流體導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃)。在以下的強制對流傳熱計算公式中,流體物性取自流體主體,特征尺寸為當(dāng)量直徑de,m;滯流區(qū)雷諾數(shù)的上限值為Re1=15000(de/dc>0.307時)或Re1=2000[(1+13.2(de/dc)0.6](de/dc<0.307時),湍流區(qū)雷諾數(shù)的下限值為Re2=15000。式中,dc為夾套或盤管的彎曲直徑,m。2.1流動傳熱參數(shù)的確定在普通型夾套中流體的流動可能是滯流、過渡流或湍流。滯流時應(yīng)將自然對流對傳熱的影響考慮進(jìn)去。夾套的曲率對傳熱影響很大,用參數(shù)de/dc將這一影響考慮進(jìn)去。綜合流動平均有效彎曲直徑dc=dv/cosγ,式中,γ=tg-1[2Hj/(πdv)];dv為容器內(nèi)直徑,m;Hj為夾套有效高度,m。2.1.1自然對流時流體的流動及其傳熱特性首先令X=Re0.5(Prde/dc)0.25,式中雷諾準(zhǔn)數(shù)Re=deuρ/μ;u為流速,m/s;ρ為流體密度,kg/m3;μ為粘度,Pa·s;普蘭德準(zhǔn)數(shù)Pr=cpμ/λ,cp為流體的定壓熱容,kJ/(kg·℃)。在大曲率時(X>4.9),對流傳熱系數(shù)可用下式求算,即:式中,Nufc為強制對流時的努塞爾特準(zhǔn)數(shù);Vi為流體在主體中和器壁處的粘度比。大曲率情況下,入口和自然對流對強制滯流傳熱的影響可忽略。在小曲率時(X<4.9),對流傳熱系數(shù)可用下式求算,即:Nufc=4.86+Ge(2)式中,Ge為入口影響的修正系數(shù),當(dāng)格里茨準(zhǔn)數(shù)Gz≥0時,可由下式求得:Ge=0.09525[Gz/(1+0.0525Gz0.67)]V。式中,Gz=wcp/(λL),w為流體質(zhì)量流率,kg/s;L為流道長度,m。小曲率情況下,自然對流傳熱可能增強也可能減弱強制對流的傳熱效果,應(yīng)予以考慮,可用下式求算:Nunc=±0.7287?0.33(GrPrde/L)m(3)式中,Nunc為自然對流時的努塞爾特準(zhǔn)數(shù);Gr為格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù),Gr=βgl3ρΔT/μ2,β為流體的體積膨脹系數(shù),1/℃;g為重力加速度,m/s2;l為傳熱面特征尺寸,此處取為de,m;ΔT=TW-Tb,Tw、Tb分別為流體在進(jìn)口處壁面和主體中的溫度,℃;系數(shù)?=exp[-0.4875(πNu/Gz)0.888],需用迭代法求得。當(dāng)自然對流增強強制對流的傳熱效果時(如容器冷卻時流體向上流動或容器加熱時流體向下流動),公式(3)中取“+”號且m=0.28;減弱傳熱效果時則取“-”號且m=0.25。在增強傳熱效果情況和減弱傳熱效果且Nufc>Nunc情況下,可用下式將自然對流和強制對流的影響合并起來,即:Nu3=Nu+Nu(4)2.1.2tw#tb時m在大曲率范圍,即Re(de/dc)2>4.72時,式中Ge=1;Tw<Tb時m=0.30,Tw>Tb時m=0.18。在小曲率范圍,即Re(de/dc)2<4.72時,上式中Ge=1+5.71(de/L)[1-exp(-0.07L/de)],m=0.18。2.1.3普通夾套內(nèi)的傳熱在滯流和湍流之間的過渡流區(qū)域,目前還沒有明確定義的方法來預(yù)測普通夾套內(nèi)的傳熱。一種比較合理的近似方法是在滯流時Nu的上限值與湍流時Nu的下限值之間,以Re的對數(shù)值進(jìn)行內(nèi)插求得。2.2內(nèi)流體流率的計算在相同流率下,普通型夾套的傳熱速率一般要比其他夾套低。為了彌補這一不足,常常在普通型夾套內(nèi)安裝噴管,在壓力下將傳熱介質(zhì)噴入夾套內(nèi)。這樣,將一個渦旋速度帶給夾套內(nèi)流體以改進(jìn)傳熱。帶擾流噴管的普通型夾套廣泛用于搪玻璃反應(yīng)器。由噴管液流帶給夾套內(nèi)流體的渦旋動量與夾套對渦旋流動產(chǎn)生的摩擦阻力之間的力的平衡,可得出如下公式,可用迭代法求解:式中,wj為夾套內(nèi)流體平均質(zhì)量流率,kg/s;wn為噴管內(nèi)流體質(zhì)量流率之和,kg/s;Aj為夾套流通面積,m2;An為噴管喉部面積之和,m2;系數(shù)?j=de/(4πfdv),f為范寧摩擦系數(shù)。帶擾流噴管普通型夾套中強制湍流傳熱計算公式與普通型夾套強制湍流傳熱計算公式(5)相同。不過要用dv代替式中的dc。2.3流體流動及盤管流場對于容器內(nèi)的螺旋形盤管、容器外的半圓管盤管和帶螺旋導(dǎo)流板的普通型夾套,湍流區(qū)(實際運行中流體流動均為湍流)的對流傳熱可采用下式求算(式中忽略了入口的影響):對于半圓管型夾套,由于制造上的原因,盤管之間要留有間隙。容器未被覆蓋的部分因翅片效應(yīng)仍然傳遞熱量。通常,半圓管盤管傳熱面積(包括盤管間的空隙部分)的總有效系數(shù)一般在93%～96%范圍內(nèi)。2.4計算表內(nèi)的傳熱估算值至今尚無令人滿意的、公開發(fā)表的、適用于波紋夾套內(nèi)傳熱的關(guān)聯(lián)式。下式是從公開發(fā)表的大范圍的紊流數(shù)據(jù)中推導(dǎo)出來的,可求出Re>5000時的較好的傳熱估算值:式中,dt、dl分別為相鄰波紋的橫向和軸向中對中距離,m;Amax、Amin分別為最大和最小流通面積,m2;Re=ddumaxρ/μ,dd為波紋夾套平均直徑,m;umax為最小流通面積處流體的最大流速,m/s。3容器內(nèi)直徑dv容器內(nèi)流體對容器壁的傳熱系數(shù)亦通過努塞爾特準(zhǔn)數(shù)Nu來求算,其特征尺寸l取容器內(nèi)直徑dv。對帶攪拌器的容器,Re=d2aNρ/μ,式中,da為攪拌器直徑,m;N為攪拌器轉(zhuǎn)速,r/s。流體的物性均取自流體主體,特殊情況下另作說明。3.1u3000grp準(zhǔn)數(shù)自然對流時滯流和湍流部分的努塞爾特準(zhǔn)數(shù)分別為: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。上述兩部分可以合并為:Nu6=Nu+Nu(11)式中,所有物性的定性溫度為膜層溫度Tf,℃,Tf=(Tw-Tb)/2;Gr準(zhǔn)數(shù)中的特征尺寸l取夾套有效高度Hj,m;ΔT取(Tw-Tb)的平均值。3.2器葉片寬度k容器內(nèi)裝有全擋板時:式中,Re<400時,K=0.54;Re>10000時,K=0.74;400<Re<10000時,K=0.1679+0.0621lnRe;Wa為攪拌器葉片寬度,m;nb為攪拌器槳葉數(shù);θ為葉片與水平方向的角度,葉片平面垂直時θ=90°。容器內(nèi)未裝擋板時,仍可采用式(12),但無論Re值為多少,K值均取0.54。3.3帶螺桿式攪拌器的容器容器內(nèi)裝有全擋板時:式中,h為螺槳的螺距,m。容器內(nèi)未裝擋板時:式中,Ha為攪拌器距容器底部的高度,m;H1為容器內(nèi)液體高度,m。3.4器中ca/dv的影響帶錨式或螺帶式攪拌器的容器內(nèi)表面的傳熱系數(shù)可采用下式求算,適用于0.10<h/dv<2.0及0<Ca/dv<0.20范圍內(nèi)。Ca為攪拌器間隙,m,Ca=(dv-da)/2。式中,函數(shù)?1、?2、?3分別按以下方法計算:函數(shù)?1描述雷諾數(shù)(Re)對傳熱系數(shù)的影響:對于錨式攪拌器(Ca/dv=0.02為基準(zhǔn)):Re<12時,K′=1.05及n=0.33;12<Re<100時,K′=0.69及n=0.50;Re>100時,K′=0.32及n=0.67。對于螺帶式攪拌器(Ca/dv=0.02、h/dv=0.25):Re<9時,K′=0.98及n=0.33;9<Re<135時,K′=0.68及n=0.50;Re>135時,K′=0.30及n=0.67。函數(shù)?2描述攪拌器間隙(Ca/dv)對傳熱系數(shù)的影響。下式可應(yīng)用于錨式及螺帶式攪拌器,式中Ca/dv>0,為簡便起見,令x=Ca/dv,以x=0.02為基準(zhǔn),則函數(shù)?3描述葉片間距(h/dv)對傳熱系數(shù)的影響。對于錨形槳,?3=1;對于螺帶式葉片,令y=h/dv,以y=0.25為基準(zhǔn),函數(shù)表達(dá)式為:當(dāng)Re<11時,?3=0.920/y0.0611<Re<170時,?3=0.801/y0.16Re>170時,?3=0.697/y0.264啟示三:國產(chǎn)管理中的特征尺寸介質(zhì)垂直流過盤管外表面的傳熱計算中,Nu準(zhǔn)數(shù)中的特征尺寸l取管外徑d0,m;有攪拌器時,Re=d2aNρ/μ;流體物性均取自容器內(nèi)流體的主體。4.1沒有內(nèi)部攪拌槽管子外表面上自然對流傳熱關(guān)聯(lián)式:式中,Gr準(zhǔn)數(shù)中的ΔT取(Tw-Tb)的平均值。4.2帶渦旋混音器裝有全擋板的容器:無擋板的容器:4.3帶螺桿式注射器裝有全擋板的容器:無擋板的容器:5式夾套的基礎(chǔ)容器本例為內(nèi)部帶一渦輪式攪拌器,外部為5種不同型式的夾套和一種內(nèi)部盤管的普通容器。在6種流率(50～300l/min)情況下的總傳熱系數(shù)計算結(jié)果,以定量說明不同型式夾套的傳熱效果。5.1計算數(shù)據(jù)5.1.1封頭asme封頭內(nèi)徑Φ1200mm,直邊高度1200mm,容積1497l,底部封頭ASME碟形封頭,夾套范圍100%覆蓋直邊及底封頭,壁厚7mm,器壁導(dǎo)熱系數(shù)17W/(m℃),導(dǎo)流板4片100mm寬,溫度95℃,污垢系數(shù)0.0002m2℃/W,介質(zhì):水(90%充滿量)。5.1.2緩沖套筒和盤管介質(zhì):水,污垢系數(shù)0.0002m2℃/W,入口溫度5℃。5.1.3混器單層六槳渦輪式,槳葉100mm寬、45°,直徑Φ700mm,轉(zhuǎn)速100r/min。5.1.4固定襯套和盤管的參數(shù)(1)波形夾芯100mm中心距,60mm×90mm方格形波紋,夾套內(nèi)安裝兩塊導(dǎo)流板;(2)半圓管夾套DN