殼管式熱交換器

一、殼管式熱交換器 簡介

殼管式熱交換器(shell and tube heat exchanger>是一種結構簡單、製造容易、成本低廉且維護容易的熱交換器，雖然是緊緻度(compactness>較差，仍廣泛被應用於化工製程、動力廠、冷凍機械…等用途。b5E2RGbCAP

1-1 結構

殼管式熱交換器視應用場合的不同也有許多形態的結構設計，美國的管式熱交換製造協會 TUBULAR EXCHANGER MANUFACTURES ASSCOCIATION (TEMA>所出版的 STANDARDS OF THE TUBULAR EXCHANGER MANUFACTURERS ASSOCIATION一書中有各種型式殼範，設計殼管式熱交換器的工程師可自該書中得到設計上所需的基本資料，該書已於1988年發行第七版。p1EanqFDPw

圖一為TEMA記號AEP之殼管式熱交換器之基本結構，其記號分類依前端板(FRONT END>、殼體(SHELL>及後端板(REAR END>的形式來分，如圖二所示。DXDiTa9E3d

1-2 LMTD 與 F

熱交換器之熱傳方程式一般可用下式表示：

(1>

其中Q為熱傳量，U為總包熱傳係數，A為傳熱面積為冷熱流體逆流(COUNTER FLOW>進行熱傳時之平均溫差，F為其當其熱傳方式非逆流時之溫差校正因子，若冷熱兩流體之流向自始至終都維持向或平行(COUNTERor RARALLEL>則F=1.0，而若非單純的逆向或平行，則F<1.0，F值可依實際情況查表或圖，如圖三即為殼側單通，而管側有2,4,6…通時之修正因子F之圖。RTCrpUDGiT

經簡單的熱傳理論分析可以發現到其型式為一對數平均值，而一般就稱之為對數平均溫差(LOG MEAN TEMPERATURE DIFFERENCE>，簡記為LMTD。LMTD之取法為先取冷熱流體在各端點(前或後>之溫差，而後計算其對數平均，如圖四所示。故5PCzVD7HxA

(2>

與之比值若小於2，則以算術平均溫差所得到的值誤差小於4﹪，故一般來說若前後溫差比值小，則用算術平均溫差亦可得到可被接受的結果。jLBHrnAILg

圖三之溫差修正因子係依兩個參數P及R來查得，P為熱交換器之所謂溫度效率(TEMPERATURE EFFICIENCY>，因此，我們可以發現到，若某一側流體維持固定溫，即P=0或R=0，則修正因子為1.0。當熱容量比R固定時，溫度效率P大到某一值後，修正因子F會遽降，若熱交換器在這種範圍下操作，表示該熱交換器為了提高溫度效率，使得真正的有效溫差大打折扣，而傳熱面積必需大幅增加，成本也大幅提高。xHAQX74J0X

1-3 污垢因子(Fouling Factor>

熱交換器之規格通常都必需包含污垢因子的說明，污垢因子在新機運轉時由於熱傳管表面仍十分乾淨，故污垢因子為零，而機器或製程在使用了一段時間後，由於髒東西或雜質附著於熱傳管表面，形成所謂污垢(FOULING or SCALE>，通常污垢都是熱傳導係數很小的物質，故使得熱交換器能力降低，當污垢大到使系統無法達到最低要求能力時，熱交換器便需要清洗或換新，為配合工廠或機器之維護，通常污垢因子之訂定是以其運轉一年所會產生之污垢量所造成影響仍能提供最小能力需求為準。因此，污垢因子之決定依實際上系統的週邊設備或環境而定，污垢因子大則熱交換器必需作得愈大，相對的成本愈高。LDAYtRyKfE

若工作流體係封閉回路者，則其污垢因子應該會很小，若工作流體會與大氣接觸且沒有良好過濾裝置來清除雜質，則其污垢因子會較大。工作流體會與熱傳管產生化學反應者，其污垢因子也會較大。流速小的情況雜質較易沈澱，污垢因子也較大，流速大雖然污垢因子會較小，且熱傳係數大，但是摩擦力大，管材較易磨損且有振動問題之可能，壽命較短。故如何決定這些相關因素通常有經驗值可依循，有些應用的污垢因子甚至有*家國**標準，設計時不可不察。Zzz6ZB2Ltk

以殼管熱交換器之實驗設備而言，由於學校用水不經處理，其中雜質會在經年累月使用後沈澱在管壁上，污垢量愈來愈大，故比較前後期同學的數據亦可分析出污垢因子之成長。dvzfvkwMI1

污垢因子在熱交換器之熱傳方程式中的地位為熱阻抗，如下式：

(3>

其中

為依管外熱傳面積所定義之總包熱傳係數

為管外流體之熱傳係數

分別為管外及管內傳熱面積

為管內流體之熱傳係數

分別為熱傳管之外徑及內徑

為傳熱管之熱傳導係數

為熱傳管總長度

為管外及管內壁之污垢因子

圖一 AEP 殼管式熱交換器之結構

圖二 TEMA 殼管式熱交換器之分類

圖三 殼側單通之殼管式交換器的溫差校正因子圖，圖中下標1為進口，下標2

為出口

4a 平行流

4b 逆向流

圖四 平行流及逆向流熱交換

扬州麦克维尔机械有限公司

二、1-2熱交換器

2-1 溫度分布

殼管式熱交換器之殼側流體為單通，而管側有雙通是一種很基本的型式，如圖五為典型的這種殼管式熱交換器的流體溫度分布圖。rqyn14ZNXI

在圖五所示之1-2熱交換器中，管側流體對殼側流體有一通為逆向流，另一通為平行流，即此熱交換器為一逆向流熱交換器與一平行流熱交換器之組合，依方程式(2>所得之LMTD非其真正溫差，其真正的溫差必須由圖三求得溫差校正因子F來加以修正。EmxvxOtOco

圖五 1-2熱交換器之溫度分布圖

殼管式熱交換器的殼側為了增強熱傳效果，通常會有許多擋板(BAFFLE>，因此殼側流體在進入熱交換器後會在管陣中穿越來回數次，其流場自然是紊性的，故殼側流體可視為完全混合而使溫度分布呈平滑地變化趨勢。管側流體則在第一通先升溫到，在第二通時再逐步升溫到。SixE2yXPq5

圖六 另一種1-2熱交換器之溫度分布圖

若1-2熱交換器之冷熱流體之進出口位置改變，如圖六，則其管側流體之溫度變化可能會在第二通時有降溫的現象發生。這是因為第一通管側流體在其末端已與殼側進口端的最高溫度流體熱交換，其溫度可能高於仍在殼側中流動的工作流體之溫度，故當其逆向流回時，因為管側溫度高於殼側流體，故會形成熱能的回送，因此，經驗告訴我們，若溫差校正因子小於0.75，則不能用如圖六的進出口布置方式。6ewMyirQFL

理論上，圖五與圖六的布置方式其溫度校正因子是相同的(KERN, PROCESS HEAT TRANSFER, 1950, McGrawHill>。kavU42VRUs

2-2 熱傳係數

管側的熱傳係數可假設工作流體均勻分布於每一熱傳管中，用Dittus-Beolter方程式

(4>

其中

n=0.4 加熱用 (管側流體溫度較高>

n=0.3 冷卻用 (管側流體溫度較低>

來求，此式為最常用之紊流經驗公式，平均誤差約，用於水時之計算結果則約低估10﹪。若經計算其雷諾數Re為層流，則以層流的熱傳係數來算，由於壁溫通常不可能為常數，而熱通量是否為近似常數則依實際情況而定，故建議以Nu=4去作估算應為可接受的方法。y6v3ALoS89

殼側之熱傳是在一種非常複雜的情形下進行的，其熱傳係數與管陣布置方式、管陣與殼壁之間隙分布大小、擋板形式、擋板尺寸、擋板間隔、不同管通間之距離、流體進口處是否有擋板及擋板形式、是否有密封板(SEALING STRIP>都有關；因此，殼側之熱傳係數的預估事實上並無一個放諸四海皆準的經驗公式可用。M2ub6vSTnP

KERN(1950>建議，若擋板為25﹪橫切(HORIZONTAL CUT>則殼側熱傳係數可依下式計算：0YujCfmUCw

(5>

此式中之各參數的定義，可由圖七查得。進一步的研究及工程上的需要則可參考 DANIEL A. DONOHUE, Heat Transfer and Pressure Drop in Heat Exchangers, Industrial and Engineering Chemistry, vol.41 No.11, pp.2499~2510。eUts8ZQVRd

由於殼側熱傳之預測非常複雜，設計者必需有經驗據輔佐，而且，因為影響殼側熱傳係數之參數非常的多，所以，在引用舊數據時必需確實掌握有原始製作時之加工圖面，在這種情形下，分析仍然有其必要性，透過計算分析才能瞭解任何一種改善方案之可能影響效應，再輔以成品的測試或實際運轉數據則可建立更進一步的資料庫。sQsAEJkW5T

圖七 殼側熱傳係數<KERN,1950）

三、實驗測試

本組殼管式熱交換器實驗系統之目的在於：

1.培養學生對殼管式熱交換器之基本認識，透過實驗及數據之計算，對熱交換器之熱性能評估建立基本完整的認識。GMsIasNXkA

2.透過實驗過程，瞭解量測數據之不準的意義，並建立儀表校正之需要的觀念。

圖八 實驗系統流程圖

3-1 實驗系統

本實驗系統之流程圖如圖八所示，主要零組件包含：

1-2熱交換器乙個

面積式流量計兩個

PT100 溫度計四個

可調式變壓器乙個

泵浦乙個

電熱水槽乙個

電源開關

殼管流體切換電磁閥四個

熱交換器基本規格：

殼：長800mm，內徑156.3mm

管：不繡鋼管，OD=15.9mm，ID=12.7mm，32根正三角形排列，管距=21.2mm

擋板：25﹪橫切，ABS板，厚2mm，11塊，間距64.8mm

3-2 電源供應

由於本實驗使用電熱器作為熱水之熱源，故實驗時務必注意使用的安全性，基本上整組實驗系統已作了相當完善的安全防護措施，但在使用變壓器時電源供應之電壓最好不要超90伏特。TIrRGchYzg

3-3 流量讀取及校正

在本實驗系統中有兩個面積式流量計，分別為左流量計及右流量計，左流量計量取殼流體之流量，右流量計量取管側流體之流量。其個別之校正為7EqZcWLZNX

左流量計：

(6>

標準差

右流量計：

(7>

標準差

其中

X=[器示值]，即依流量計刻度所讀到之值。

Y=[校正值]，即校正後的流量。

若不經校正，直接讀取流量計上之值，則左流量計之誤差為，右流量計之誤差亦約為。

3-4溫度讀取

在實驗臺上，冷熱流體之進出口溫度均度同步顯示，偵測器(SENSOR>為PT 100，誤差。

用變壓器調整輸入電熱器之電壓後，觀察自來水回流溫度之變化，當其溫度不再有以上之變化時，記錄各點溫度及各流量值。lzq7IGf02E

3-5 水流方向切換(已改為手動操作>

當欲改變冷熱流體在殼側或管側以進行其差異之比較時，面盤上有一紅色鈕可供改變四個電磁閥之位置，為使其操作較順利，我們建議先關閉總電源，然後再送電，則系統的操作將較穩定。zvpgeqJ1hk

3-6 數據收集及計算

四、實驗步驟

0.實驗前須先清洗熱水恆溫槽，並通入熱水清洗管路，洩料後方可進行實驗。(啟動冷、熱水流需參考以下步驟>NrpoJac3v1

1.決定水流方向─「殼側熱水，管側冷水」或「殼側冷水，管側熱水」

。

2.先確定排水閥是否關閉，將熱水槽注入熱水(不得低於50℃>，打開電源，等pump將水打入殼管後，關掉電源，並補充熱水至8~9分滿。1nowfTG4KI

3.決定左、右流量計之流量(熱水、冷水比例為2：1>，打開冷水入口閥(勿全開，以免壓力累積在管線內>，調整流量計至所須刻度，記錄此時冷、熱水進出口初溫。fjnFLDa5Zo

4.每隔30秒記錄冷、熱水之進出口溫度，至溫度達穩定為止(溫度值保持不變達4分鐘>。

5.排掉殼管內的水，補充熱水於熱水槽(槽內水溫與步驟2之水溫相差不得超過5℃>，此時殼側及管側需進冷水降溫，改變左、右流量比(熱水、冷水比例為3：1及4：1> (熱水、冷水比例需大於2：1>，通入熱水使初溫相同，重覆步驟3 ~ 4。tfnNhnE6e5

6.改變水流方向，重覆步驟3 ~ 4。

五、實驗結果

(一>數據記錄

水流方向：冷水－、熱水－

冷熱水比例：

時間

(sec>

殼進溫度

(℃>

殼出溫度

(℃>

管進溫度

(℃>

管出溫度

(℃>

(二>結果整理

1.試以不同操作條件所得之溫度對時間作圖(作圖在同一張紙>。

2.請算出各過程之LMTD、F、U0。

六、問題與討論

1. 試比較實驗中不同操作過程之溫度對時間的關係。

2. 相同流量及進口溫度下，冷流體在管側或殼側所得到之Uo會有不

同嗎？請說明。

3. 請比較各種不同操作條件下之實驗結果，並比較說明其差異性。

4. 請舉出其他二種熱交換器，並詳加介紹。