【文章內(nèi)容簡介】 的總傳熱系數(shù) U。在二維模型中 ,不但要估算管壁的傳熱系數(shù) hw,還要估算流體和固體多相體系間的有效徑向?qū)嵯禂?shù)λ er,這是因?yàn)棣?er 描述了管內(nèi)壁傳熱的邊界條件 ： 圖 在一維模型和二維模型中反應(yīng)物和冷卻劑的換熱示意圖 描述上述階段 l)的傳熱過程的所有參數(shù)值 ,無論是固定床層還是載熱體中 ,都主要是取決于管壁某一側(cè)的流體動(dòng)力學(xué)和傳熱狀況。另一方面 ,階段 2)的傳熱過程則完全取決于反應(yīng)器殼程的局部流體動(dòng)力學(xué)條件。而這些條件的定量描述只能依靠可靠的管束間載熱體的流動(dòng)模型來實(shí)現(xiàn)。 模型中參數(shù)的確定 管側(cè)參數(shù)的確定 表 是幾個(gè)采用估算管側(cè)總傳熱系數(shù)的重要關(guān)聯(lián)式。前兩個(gè)是一維模型的關(guān)聯(lián)式 ,其中 Dewasch和 Froment關(guān)聯(lián)式中 ,管內(nèi)傳熱系數(shù)和雷諾數(shù)之間呈線性關(guān)系 ,但值得一提的是該結(jié)果是在較大管子中得到的 (比工業(yè)反應(yīng)器直徑大 3～ 5倍 ),所以 ,文獻(xiàn)給出的靜態(tài)傳熱系數(shù)僅為理論值。 Stankiewicz[9]推薦使用 Li 和Finlayson 關(guān)聯(lián)式 [10],該關(guān)聯(lián)式是在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上得到的 ,適用的雷諾數(shù)和粒徑比范圍較寬。 文獻(xiàn) [11]是采用二維模型的估算有效徑向?qū)嵯禂?shù)和壁傳熱系數(shù)值得推薦的一個(gè)關(guān)聯(lián)式。有一些研究者報(bào)道了不同二維模型下傳熱系數(shù)數(shù)據(jù)的離散性 ,特別是伴隨著化學(xué)反應(yīng)壁傳熱系數(shù)變化更為明顯 ,而有效徑向?qū)嵯禂?shù)誤差則在允許范圍內(nèi)?？傊?,采用二維模型計(jì)算壁傳熱系數(shù)在精確度上還存在問題 ,需要研究反應(yīng)下的傳熱情況之后建立可靠的關(guān)聯(lián)模型。 表 管內(nèi)總傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式 殼側(cè)參數(shù)的確定 對(duì)管殼式換熱器殼側(cè)流體動(dòng)力學(xué)的研究已經(jīng)進(jìn)行了近 40 年。最初 ,對(duì)流體流動(dòng)的研究僅僅是定性研究 ,只是提供了管殼式換熱器換熱過程的一個(gè)總體思路。在這些研究中 ,Gunter 用攝影的方法研究了在二維模型中擋板間距和開口對(duì)換熱的影響 ,在研究中 Gunter 不考慮擋板和殼體的間隙以及擋板和管子的間隙。Short 則研究了擋板開口和擋板一管子間隙對(duì)傳熱和壓降的影響 ,其中該反應(yīng)器擋板的洞比管子外徑大 。 Stachiewicz 研究了立方體換熱器的局部傳熱參數(shù) ,圖 描繪了在該反應(yīng)器內(nèi)傳熱系數(shù)的分布。該圖顯示殼側(cè)的傳熱 有相當(dāng)大的差異 ,有些部位的傳熱系數(shù)是最低值的 400%。這也說明深入研究殼側(cè)冷卻劑傳熱狀況是非常有必要的。 圖 在 換熱器中殼程傳熱系數(shù)的分布示意圖 管間冷卻劑流動(dòng)模型 1951 年 ,Tinker[12]首次完整地分析了管殼式換熱器中殼程的流動(dòng)分布 ,殼側(cè)的流體分成如下幾部分 : (A)通過管子和擋板孔之間環(huán)隙的漏流 。 (B)通過管束的錯(cuò)流部分 。 (C)管束和換熱器殼體的邊緣流 。 (D)擋板邊緣和換熱器殼體的漏流。 為了求解該模型 ,也就是確定上述各流股所占的比率 ,必須先了解殼程部分所有幾何結(jié)構(gòu)的壓降參數(shù)關(guān)聯(lián)式。因此 ,研究者們都以 Tinker 模型為出發(fā)點(diǎn) ,展開了更加廣泛的研究 [19]。 sullivan 等人基于載熱體動(dòng)量微分方程和物質(zhì)守恒方程 ,得到了另一個(gè)二維模型 ,但此模型相當(dāng)復(fù)雜 ,只能用于一些簡單的換熱器結(jié)構(gòu) ,如單擋板立方形換熱器。 GuPta 提出了一個(gè)新的模型 ,他忽略了擋板和殼體以及管束和擋板的間隙 ,GuPta 將管間流動(dòng)分為以下三個(gè)特征區(qū)域 :縱向流或擋板開口區(qū) 。純錯(cuò)流區(qū) 。渦流區(qū)。 GuPta 的這一模型同樣也被許多研究者所采用。另外一個(gè)模型是Brambilla提出來的 ,他也是基于 Tinker模型 ,將管間區(qū)域分為若干個(gè)二維單元 ,在所有單元內(nèi) ,載熱體的流動(dòng)方向被分為兩個(gè)分量 ,即平行流和錯(cuò)流。該模型較詳細(xì)地描述了殼程內(nèi)的流體動(dòng)力學(xué)行為 ,因此用途極為廣泛 [5][19]。 Dietz 和 Gaddis也提出了類似的模型 ,而且后者還將其用來估算雙通道管殼式 換熱器中的操作性能和平均溫差。 此外 ,Patankar[13]最先提出了一個(gè)多孔體模型 (PorouSBedyModel),該模型是考慮整個(gè)管間的三維微分模型 ,基于各向異性多孔介質(zhì)與分布阻力得出來的模型。目前由于該模型非常的復(fù)雜 ,主要是用于具有簡單結(jié)構(gòu)的管殼式換熱器的模擬 ,而對(duì)列管式換熱器 ,該模型還不適用 ,但是也有一些文獻(xiàn)中采用這種方法 [18][19]。 殼側(cè)壓降和傳熱系數(shù) 。 為了求解載熱體的流動(dòng)模型 ,必須要了解殼程所有幾何結(jié)構(gòu)單元的水力阻力系數(shù)。 這些結(jié)構(gòu)單元包括管束 (產(chǎn)生錯(cuò)流阻力和縱向流阻力 )、擋板開口、管束與殼體之間的間隙以及擋板與殼體和管子與擋板之間的間隙。另外 ,對(duì)于列管式反應(yīng)器 ,殼程的換熱系數(shù) ,包括平行流和錯(cuò)流 ,都必須知道。 (l)錯(cuò)流區(qū) 文獻(xiàn)中報(bào)道了很多錯(cuò)流區(qū)或 GuPta 模型中錯(cuò)流區(qū)內(nèi)的壓降和傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式 [15]。除特別說明外 ,摩擦系數(shù)由下式定義 : 有研究者對(duì)各個(gè)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 ,結(jié)果表明多數(shù)關(guān)聯(lián)式的吻合程度比較好 ,可靠程度相差無幾。對(duì)壓降系數(shù)本文推薦的是 Engineeringamp。scienceData。對(duì)傳熱系數(shù)本文推薦的是 VDI Wannenilas關(guān)聯(lián)式 ,該關(guān)聯(lián)式用簡單的形式關(guān)聯(lián)了10～ 10６ 雷諾數(shù)范圍內(nèi)的錯(cuò)流傳熱系數(shù)。 VDI Ｗ arnlentlas 關(guān)聯(lián)式 : (2)平行流部分 文獻(xiàn)中有很多與管束平行流時(shí)的壓降和傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式。壓降系數(shù)是由下式定義： 絕大多數(shù)情況下 ,雷諾數(shù)和努塞爾數(shù)都是由管子的當(dāng)量直徑定義的。經(jīng)研究者檢驗(yàn) ,在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中最常用的雷諾數(shù)范圍內(nèi) ,大多數(shù)文獻(xiàn)提出的平行流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式均吻合良好 ,結(jié)果非常相近。而不同壓降系數(shù)關(guān)聯(lián)式得到的結(jié)果則相差很大 ,這很可能是由于平行流式反應(yīng)器的流動(dòng)阻力較小 ,所以實(shí)驗(yàn)測定時(shí)的較小誤差就會(huì)引起很大的誤差。 對(duì)平行流時(shí)的壓降系數(shù)本文推薦采用的是 Firsova或 。傳熱系數(shù)采用 Brambilla 或 weisman 關(guān)聯(lián)式。 MilleLP 關(guān)聯(lián)式 : 3)管一折流板與折流板一殼之間的漏流 載熱體在管一折流板與折流板一殼體之間縫隙的流動(dòng)對(duì)管間的流體動(dòng)力學(xué)影響很大 ,尤其是對(duì)大直徑反應(yīng)器內(nèi) ,有相當(dāng)一部分載熱體是從管一折流板之間的縫隙流出去的。文獻(xiàn)中有關(guān)此種流動(dòng)的壓降和傳熱系數(shù)研究的不多 ,研究最詳盡的是 Sulllvan和 Bell等人 ,這些研究者發(fā)現(xiàn) ,管一板之間和板一殼之間縫隙的流動(dòng)可以用描述單環(huán)空隙的流動(dòng)方法來研究 ,而且流動(dòng)參數(shù)與錯(cuò)流管束無關(guān)。但令人遺憾的是所有的研究結(jié)果都不是以關(guān)聯(lián)式的形式 ,而是以圖表的形式來表示的。 Speyer 關(guān)聯(lián)了 Bell 和 Bergelin 的數(shù)據(jù) ,提出了下列方程式 : 上式中 C 由下 表取值。 表 上 式中的 C值 2l/dod 1 2 5 10 20 C 40 60 80 132 236 414 (4)管 殼程之間的漏流 有關(guān)管束和殼體之間的旁流 ,文獻(xiàn)中沒有很好的描述。同時(shí) ,由于在很多列管反應(yīng)器設(shè)計(jì)中 ,管束和殼體之間的縫隙很小 ,有時(shí)還采用縱向擋板 ,所以其管束旁流實(shí)際上可以忽略。 (5)折流板缺口處的流動(dòng) 折流板缺口產(chǎn)生的壓降不但包括載熱體流動(dòng)時(shí)的收縮和膨脹所引起的能量損失 ,還 有流向變化引起的能量損失。通過折流板缺口處的壓降系數(shù)一般定義為 : 文獻(xiàn)中用于折流板缺口處流動(dòng)的壓降和傳熱關(guān)聯(lián)式大多只適用于弓形擋板 ,本文采用的 slipcevic 關(guān)聯(lián)式可以用于盤一環(huán)式擋板。 slipeevie 關(guān)聯(lián)式 : (6)渦流區(qū) 有關(guān)渦流區(qū)的傳熱關(guān)聯(lián)式很少 ,文獻(xiàn)中只有少數(shù)關(guān)聯(lián)式。對(duì)管間湍流渦流的精確數(shù)學(xué)描述實(shí)際上是不可能的 ,所以實(shí)際設(shè)計(jì)中只能盡量減弱渦流區(qū)的影響。 列管式固定床反應(yīng)器的放大 列管式固定床反應(yīng)器 (MTR)廣泛應(yīng)用與氣固相催化反應(yīng) ,該類反應(yīng)反應(yīng)速度非?？?,放熱量大 ,反應(yīng)系統(tǒng)對(duì)傳熱條件非常敏感。所以該反應(yīng)系統(tǒng)對(duì)等溫過程的要求非常的高。國外大直徑的大型反應(yīng)器的徑向溫差一般在 2～ 3℃左右 ,而國內(nèi)的大型裝置經(jīng)常高達(dá) 10℃ ,如此大的溫差大大降低了催化劑的催化效用 ,并很大的影響了反應(yīng)系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性 ,因此在設(shè)計(jì)該類反應(yīng)過程的列管式反應(yīng)器時(shí)應(yīng)確保反應(yīng)器殼程載熱體的均勻流動(dòng) ,以保證傳熱均勻。 對(duì)于平行流式反應(yīng)器 ,就是通過反應(yīng)器內(nèi)的分布板調(diào)節(jié)管外流體在反應(yīng)器內(nèi)的均勻流動(dòng) 。而對(duì)于錯(cuò)流式反應(yīng)器 ,通過管心距的調(diào)節(jié)、折流板的形式選擇、折流板缺口的調(diào)節(jié)、折流板與管束環(huán)隙的調(diào)節(jié)等使管外載熱體的流動(dòng)更均勻 ,也就保證了整個(gè)反應(yīng)器的徑向溫差較小。如果保證了反應(yīng)器內(nèi)每一根管子所處的熱條件都與單管實(shí)驗(yàn)相同 ,也就解決了大型列管式固定床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)放大問題 [19]。 典型的列管式固定床反應(yīng)器中 ,反應(yīng)管束內(nèi)裝催化劑 ,反應(yīng)氣體走管程 ,通過管內(nèi)催化劑的裝填來控制每根管子的壓降相同。而管外則是載熱體 ,為了使殼程載熱體能均勻流動(dòng) ,一 般在平行流式反應(yīng)器的上下分別裝有分布板 ,通過分布板的開孔調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)載熱體的均勻流動(dòng)。如果反應(yīng)器的設(shè)計(jì)要求較高 ,則需對(duì)分布板的環(huán)隙進(jìn)行設(shè)計(jì) ,即在壓降大的地方開較小的環(huán)隙