盘管与夹套式热交换器.docx

1 - 1 - PAGE 12 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。 二、 實驗原理 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。 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： 流體具有離心力， 而增加傳熱效果。 型態簡單， 有安定的流動， 適於黏性流體的熱交換。 積垢性小， 易清理。 適於流量小或低比熱的流體。 安裝容易， 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， 皆以螺旋盤管式熱交換器為例： 穩定狀態下的傳熱 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 q ? m Cp ?T h h h ha T ? hb (1) 冷水吸收熱量為： q ? m Cp (T c c c cb ? T ) ca (2) 若忽略熱損失， 則 m Cp ?T h h ha ? T ?? m Cp (T hb c c cb ? T ) ? u ca 0 A ( ?T) 0 lm ( 3 ) 其中 m ： 熱水流量 (kg/s) h m ： 冷水流量 (kg/s) c Cp ： 冷水平均比熱 (kJ/kg ． K) c Cp ： 熱水平均比熱 (kJ/kg ． K) h T ： 冷水進 / 出口溫度 (K) ca / cb T ： 熱水進 / 出口溫度 (K) ha / hb u ： 以管外表面積為基準的總傳熱係數 (kW/m 0  ． K) (?T ) ： 對數平均溫度差 (K) lm ?T ? ?T (?T ) ???1 2 (4) lm ln(?T 1 / ?T ) 2 圖 三 溫 度 變 化 圖 盤管內側 ( 熱水側 ) 的薄膜傳熱係數 i假 設 熱 水 在 盤 管 內 形 成 薄 膜 式 冷 凝 (film-type condensation) ， 則 根 據 經驗式， 薄膜冷凝狀態下水平管中的薄膜傳熱係數 h 為 i h D ? D 2 N? ?0.8 ? Cp? ? 13 ? ? ?0.14 h ( 直管 ) ? i 0 ? 0.023???a ? ? ? ? ? (5) i k ? ? ? ? k ? ? ? ? ? ? w 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。 h h( 盤管 )= ( 直管 ) ×[ 1+3.5(D /D ) h h i i i o (6) 盤管外側的薄膜傳熱係數 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 Handbook 上的經驗式： Perry ?T h ? 127( )0.25 0 D (7) 0 其中 ?T ： 管壁溫度與流體平均溫度的差值 (K) D ： 盤管外徑 (m) 0 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： h D ? D 2 N? ?? ? Cp? ?? ? ? ?? 0 0 ? K ? a ? ? ? ? ? f (8) k ? ? ? ? k ? ? ? ?