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带夹套容器与带半盘管容器传热效率及经济性对比

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在工程上解决反应釜的传热可采取的措施有：外夹套、外半管、内盘管等结构。反应釜外壁的换热方式有外夹套和外半管。在传热面积上，夹套式的大，外半管的小，但由于流速、壁厚等多方面因素的影响，半盘管的容器总体传热效率明显优于夹套式容器。本文试图通过实例进行分析，对比两种换热方式的传热效率及经济性。

夹套容器；半管容器；传热效率；经济性

1　概述

工程上，化工设备换热方式一般采用夹套型式、内部盘管型式、外部半管型式。夹套型式较为常用，它具有换热面积大、易于实现制作的优点。但是半管容器在传热及结构上有其特殊的优点，它的管内流体流速快，这种结构的设备壁厚薄，易于传热，因此传热效能高。本文通过实例（相同工艺条件）分别介绍半管容器及夹套容器传热系数的计算方法，对比验证半管传热效率优于夹套管。

2　工艺条件

有两台设备，一台为带夹套的容器，一台为带盘管容器，设备运行的所有数据如下：

两台设备的相同条件：内筒直径d=1400mm，内筒温度为140度，内筒物料的给热系数α1=500W/（m2·K）。夹套（或盘管）介质为冷却水，温度小于等于60度。冷却水进口处流速v=0.5m/s。夹套进口管直径d0×t=φ57x3.5mm。

带夹套容器的其他条件：夹套直径 D=1600mm，夹套长度为1500mm。

带盘管容器的其他条件：盘管直径D0×t=φ133x4mm。

查物性手册，水的密度ρ=1000kg/m3，水的比热容CP=4. 178×103J/（kg·K），水的热导率λ=0.6589W/（m·K），水的粘度μ=450×10-6Pa/s。

3　首先计算夹套/盘管侧流体的给热系数

3.1夹套筒体

给热系数计算：

当量直径：

夹套内的流速：

计算雷诺数Re，

Re＜2000时，流体处于层流状态，所以该夹套内流体处于层流状态。可用下式计算给热系数：

0.14=0.95

其中Pr代表普朗特数，

根据以上公式，

3.2半盘管筒体给热系数计算：

当量直径：

夹套内的流速：

该夹套内流体处于强制湍流状态，可用下式计算给热系数：

……（被加热时b=0.4，冷却时b=0.3）

4　计算器壁的传热系数

根据《GB150-2011压力容器》计算规范，受夹套容器外压影响，带夹套的容器内筒计算较厚，而盘管可作为外压补强圈，外压计算壁厚会薄很多。我们假定带夹套容器内筒壁厚为14mm，带盘管容器内筒壁厚10mm，进行以下计算：

4.1夹套筒体结构，传热系数计算

4.2盘管筒体结构，传热系数计算

假定内筒壁厚10mm，内筒给热系数500W/（m2·K），与夹套结构给热系数相同。

根据上述计算结果，由于Q=KAΔtm，虽然盘管围成的换热面积小于夹套筒体的换热面积，但是传热系数却远大于夹套筒体，在相同的Δtm情况下，盘管的换热性能远高于夹套筒体。

5　结语

虽然盘管容器的换热面积小于夹套容器，但是其传热系数远高于夹套容器，而通过内筒的强度校核，盘管容器所需要的器壁厚度远低于夹套容器内壁，所以，盘管容器在传热效率及经济性上，具有明显优势。

［1］陈敏恒，丛德滋，方图南等.化工原理（上册）［M］.第三版.北京：化学工业出版社，2006.

［2］杨世铭.传热学［M］.北京：高等教育出版社，1987.

［3］陈英南，刘玉兰.常用化工单元设备的设计［M］.上海：华东理工大学出版社，2005.