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搅拌设备中的夹套

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学社问答 发表于 2019-9-5 10:01 | 显示全部楼层 打印 上一主题 下一主题
什么是传热夹套?传热夹套有什么作用?这是很多人在购买搅拌设备时都会问的问题,今天,我们就对传热夹套进行一下介绍。9 T6 j) R" E2 E2tech.cn
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  某些搅拌过程中的化学反应或物理反应对温度的要求十分严格,这就要求我们对搅拌设备中的物料温度进行控制,控制温度的方式有很多,其中,最有效的方式就是通过传热夹套。
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4 D/ _+ i1 A' V* q: o  a  举例来说,如果把人比作搅拌容器,那么衣服就是传热夹套,比如在寒冷的冬季,我们都穿上羽绒服,其中羽绒呢可以看做是一种保温介质,而羽绒服的布料可看做是羽绒的容器。同理,传热夹套可以看做是搅拌容器的羽绒服,它是一种在搅拌容器外侧,通过焊接或法兰安装固定的一种钢结构,这种钢结构和搅拌容器外壁形成了一个封闭空间,在这个空间中,我们加入载热介质,通过载热介质实现传热,当然,在实际的传热夹套设计中,其结构更为复杂,没有我们上面所说的这么简单,但是,其原理都是一样的。
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6 ]2 f/ T# A/ b. O2 E9 @+ n. `  传热夹套的种类有:整体夹套、型钢夹套、半管夹套、蜂窝夹套、螺旋板蜂窝夹套等。  传热夹套并非是对搅拌物料进行温度控制的唯一选择,而是首要选择,因为安装夹套既方便清洗又便于维护,不占用搅拌容器的空间,可以提高搅拌设备的工作效率。但是,如果搅拌容器的外部空间太小,或是结构方面不允许安装传热夹套时,我们也可以考虑其它传热方式,比如内盘管,再比如通过空心搅拌器加入载热介质的方式。8 m1 K7 w8 w" @' J. @. K1 c" o2tech.cn
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[mu4]搅拌设备中夹套形式发展历程[/mu4]% v: N2 ^) G+ E. {7 q! V2tech.cn
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  搅拌设备中的夹套形式有多种,目前空心夹套已很少用,图5-2中是四种夹套示意图。其中,螺旋导流板夹套、半管螺旋夹套已广泛应用,扰流喷嘴大量用于搪玻璃釜。内部夹套是20世纪90年代初日本开发的高效夹套,首先在PVC工业得到应用。在用悬浮聚合制造PVC时,其反应罐内压力为0.8MPa左右,通常使用碳钢与不锈钢的复合钢板制造罐壁,如国 产30m3罐使用29mm碳钢与3mm不锈钢的复合板,其传热热阻相当大。而内部夹套则如下图所示,其罐内压力由密绕的螺旋管构成的蜂窝结构以及厚的罐外壳承受,而担负传热的罐内壁则使用了相当薄的材料,故可使总传热系数大幅提高。由图5—3所见,像PVC聚合罐那样在压力下操作的情况,若使用通常的螺旋导流板夹套,随反应罐容积的增大,则罐壁厚度也随之增大,如容积在100立方米左右时,罐壁厚度需35mm左右,而使用内部夹套,则即使容积达100m3,仍只需10多毫米。
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因此,对于80—100m3的大型聚合罐,用螺旋导流夹套时,水—水系的总传热系数仅800W/(㎡.K),而内部夹套的水—水系总传热系数达1400 W/(㎡-K)[图中传热系数的单位为kcal/(㎡.h.℃),Lkcal/(㎡.h.℃)=1.163W/(㎡.K)]。然而,在制造内部夹套时,罐内壁面有大量焊缝需要研磨和抛光,难度很大,不便推广。
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  1996年日本住友重机、三菱化学和三菱化学工程三个公司一起开发了一种更新型的氯乙烯聚合反应器,称双壳反应器(Double Hull Reactor)。所谓双壳,其实是对内部夹套进行了一次革命性的改进。双壳的结构简图如图。
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* n! a! F8 P. B- u* l2 @0 ?9 z1 v  由图可见,双壳其实已不是一个夹套,而是一个内置的传热元件,该元件是由密绕方形螺旋管组成的蜂窝状结构,在螺旋管中通冷却水,全部蜂窝结构均由薄板组成。该元件的一侧是反应室,另一侧是密闭室,两室之间以隔板隔开,用一根连通管使两室相通。在密闭室中充满水,连通管的存在使反应室与密闭室的压力平衡。在密闭室的外侧是由厚碳钢板制成的反应容器本体。由于与反应液接触的传热面是薄板,故与内部夹套一样,双壳元件有高的传热系数。但是与内部夹套不同的是,与反应液接触的传热面是一块整板,上面没有大量焊缝,便于进行镜面抛光;而构成密绕螺旋管所需的大量焊缝被放到密闭室一侧,显然,在这里不需对焊缝进行抛光,不仅节约了加工费用,还使蜂窝状结构的强度更有保证。据称双壳反应器适用于1OOm3左右的氯乙烯悬浮聚合反应器。
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6 M& |; j8 R& T# P% e  带螺旋导流板的环形夹套(螺旋导流板夹套)、半管螺旋夹套和空心的环形夹套(环形夹套)的传热计算基本相同,按雷诺数的不同分别用不同公式计算,与计算管中流体传热不同的是其当量直径、计算流速时的流通面积和传热面积的取值也另有规定,见下表。 对于环形夹套,当Re数很低时(层流域),自然对流在一定程度上对搅拌设备的传热有帮助,下式是夹套中通水时的近似计算式。  Q' l+ B+ r# b) S) @8 h# ^& g2tech.cn

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/ f# D6 Z0 V$ M/ m9 ]1 O/ K' n环形夹套中流通的是液体时,可在液体的进口装上扰流喷嘴来强化夹套中流体对罐壁的传热。A50扰流喷嘴的形状如上图。为达到湍流状态,每平方米夹套传热面需水功率值为0.041。0.082kW//平方米,流速约0.8—1.2m/s,表面传热系数约2900一3500W/(㎡.K)。设计时根据反应器容积的大小,需要确定喷嘴型号、个数、水流量。喷嘴型号、个数、水流量对表面传热系数的影响如图5-6,压力降的数值如图5-7。喷嘴材料为铸铁,在夹套上焊—带法兰短管,进水管也有法兰,两个法兰将喷嘴法兰夹紧,如图5-2(c)。4 ]2 z8 ~1 i- P+ @: w: K2tech.cn

7 N/ W2 k& D6 ^8 h$ X# h  表5-3中为使用螺旋导流板夹套和使用扰流喷嘴的环形夹套的表面传热系数对比表;表5-4中为水量同为60t/h的情况下,14m3氯乙烯悬浮聚合釜使用喷嘴和不使用喷嘴的传热系数对比。由表可见,使用喷嘴的表面传热系数与有2mm缝隙的螺旋导流板差不多,但压头损失喷嘴要大1倍。而与切线进水的空心夹套相比,使用喷嘴后表面传热系数提高约1倍。 " 5 E3 V+ C# |8 @# y0 D7 I) c* _9 W2tech.cn

! l1 [: ~& m+ l  20世纪90年代日本开发的两种新型高效夹套,即内部夹套和双壳夹套,从结构上看两者部是封闭的方形螺旋管,这两种夹套强化传热的措施无非是两条:一是由于螺旋管是封闭的,故与传统的螺旋导流板夹套相比,它不存在泄漏的问题,故其有效流速比螺旋导流板夹套中高出40%:另一方面是这两种夹套都使被搅拌液体与夹套中冷却介质之间的传热壁的厚度大大降低,从而降低了筒体壁而的导热热阻。然而,从计算夹套内水对夹套壁的表面传热系数的角度看,仍可用螺旋管传热关联式(5-8)计算,只是这时管截面是方形的,只要使用式(5-10)计算它的当量管径便可。
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$ f7 a7 n% b* G4 ]( [$ o, ?4 }[mu4]搅拌设备中的整体夹套[/mu4]. y) W1 k7 @3 P) E6 n2tech.cn

& c: U0 p4 |2 i$ [  搅拌设备中常用的整体夹套型式有圆筒形和U形两种,如图7-1中所示,其中a图所示的就是圆筒形夹套仅在圆筒部分有夹套,传热面积较小,适用于换热量要求不大的场合。U形管式圆筒部分和下封头都有夹套,传热面积大,是最常用的结构,如图7-1中b所示。为有利于传热,当夹套用作冷却时,冷却水从夹套的底部进入,夹套的上部排出;当夹套用蒸汽加热时,蒸汽从夹套上部进入,底部出口排出冷凝水。
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  根据夹套与筒体的连接方式不同,夹套又分为可拆卸式和不可拆卸式两种结构。搅拌设备中使用较多的是不可拆卸式夹套。当夹套内载热介质易结垢、需经常清洗,或者搅拌设备容器内操作条件较恶劣,要求定期检查筒体外表面时,必须采用可拆卸式夹套结构。此外,当筒体与夹套采用不同材料制造,两者又不能焊接时,也应采用可拆卸式夹套结构。夹套肩与筒体的连接处,做成锥形的称为封口锥,做成环形的称为封口环,如图7-2所示。当下封头底部有接管时,夹套底与容器封头的连接方式的也有封口锥和封口环两种,其结构见图7-3。* t4 O; w! n/ f3 L) k8 B( k: o& _9 M2tech.cn

. i9 `/ Y- A' L; j6 O8 M  搅拌设备中的载热介质流过夹套时,其流动横截面积为夹套与筒体的环形面积,流道面积大、流速低、传热性能差。为提高传热效率,常采取以下措施:①在筒体上焊接螺旋导流板,以减小流道截面积,增加冷却水流速,如图7-4所示;②进口处安装扰流喷嘴,使冷却水呈湍流状态,提高传热效果,搪玻璃搅拌釜常采用此法;③夹套的不同高度处安装切向进口,提高冷却水的流速,增加传热系数。
# p: l9 d  p2 X" D; ^( W$ L3 A  整体夹套与筒体的强度计算:; Z8 ^& @. X) M5 O$ V9 q. T5 k. @环保之家[2TECH.CN]-专业环保技术交流门户!( L0 X" @% k- K, A# p7 S2tech.cn
  ①夹套覆盖范围内的容器筒体按同时受内压与外压作用下的受压元件,计算其强度和稳定性,整体夹套按受内压作用的容器计算。
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  ②容器筒体外壁上焊有螺旋导流板,且经计算导流板截面有足够的惯性矩,可将螺旋导流板视为加强圈时,取螺距作为外压计算长度,进行筒体的外压计算。8 R; e7 @) u  S, K2tech.cn

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[mu4]拌装置中的型钢夹套半管夹套[/mu4]) ^! C& R: c( i$ W$ v. U2tech.cn
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' t* e; ?' ], i7 s2 \8 V& N( ?   搅拌装置的型钢夹套一般由角钢与筒体焊接组成,如图7-5所示。角钢主要有两种布置方式:沿筒体外壁轴向布置和沿筒体外壁螺旋布置。由于型钢的刚度大,因而与整体夹套相比,型钢夹套能承受更高的压力,但其制造难度也相应增加了。  半管夹套通常由半圆管或弓形管制成,其结构放大图如图7-6所示。半圆管或弓形管一般布置在筒体外壁,既可螺旋缠绕在筒体上(图7-7 a),也可沿筒体轴向平行焊在筒体上或沿筒体圆周方向平行焊接在筒体上(图7-7 b)。半圆管或弓形管一般由带材压制而成,加工方便。当搅拌装置中的载热介质流量小时宜采用弓形管。半管夹套的缺点是焊缝多,焊接工作量大,且筒体较薄时易造成焊接变形。
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9 u# ~+ Q% h  m) ?% [3 l  半管夹套容器的结构:3 D- b; R3 M; d( k% g$ j* r2tech.cn
  ①半圆管和弓形管的结构,见图7-6。3 v2 b8 u5 o; y  _& F5 H2tech.cn
  ②螺旋形和排管形半管夹套结构,见图7-7所示。半管焊接于容器壳体外壁之上,其焊缝间应留有足够的距离,以避免焊接产生的相互不利影响并便于焊接施工。- b) q" f% m' _- x: M/ k2tech.cn

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[mu4]蜂窝夹套[/mu4]; Z+ o5 Z2 w9 i% M6 s: j2tech.cn
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搅拌设备中的蜂窝夹套是以整体夹套为基础,采取折边或短管等加强措施,提高筒体的刚度和夹套的承压能力,减少流道面积,从而减薄筒体壁厚,强化传热效果。搅拌设备中常用的蜂窝夹套有折边式和拉撑式两种型式。夹套向内折边与筒体贴合好再进行焊接的结构称为折边式蜂窝夹套。拉撑式蜂窝夹套是用冲压的小锥体或钢管做拉撑体。为短管支撑式蜂窝夹套,蜂窝孔在筒体上呈正方形或三角形布置。
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3 B, T8 z! r8 J2 n1 f) r0 f  激光焊接式蜂窝夹套是将薄平板和筒体厚平板紧密贴合在一起,用激光沿设计好的点(正三角形布置或正方形布置)进行焊接,然后将焊接好的两块平板卷成筒体,在板和厚板之间用干净水打压,使薄板鼓胀成蜂窝状的结构。
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; l9 _$ z( f0 L' S, _( \- P* _8 H) [  激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性,广泛应用于搅拌设备加工中。激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面,通过激光与金属的相互作用,使金属熔化形成焊接。
% M1 t( V* g% o# `" E3 E  激光焊接式蜂窝夹套的特点之一是蜂窝点不用开孔(折边式和短管支撑式蜂窝夹套都要开孔)。由于在平板上开孔往往会产生应力集中,对整个结构的承载能力有很明显的削弱作用,因此激光焊接式蜂窝夹套的结构强度比其他结构的蜂窝夹套要好。所以在同样的设计压力下,激光焊接蜂式窝夹套的壁厚可比其他结构的蜂窝夹套的壁厚薄得多。0 S* P4 v" q* z1 g" ]8 R8 ^2tech.cn
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  激光焊接式蜂窝夹套的另一个特点是传热性能好。该类夹套的通道高度小,如液氨冷却的蜂窝夹套,在1.6MPa设计压力下激光焊接式通道高度仅为2.5~3mm。通道高度小,流体的流动速度快,而且蜂窝点对流体还有扰动作用,因而激光焊接式蜂窝夹套的传热系数大、换热效果好。
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  激光焊接式蜂窝夹套是激光焊接后再用压力鼓胀成型的,这种新颖的制造工艺将蜂窝夹套的结构特点和激光焊接先进制造技术结合起来,与其他蜂窝夹套的制造工艺相比,具有节省金属材料、生产效率高、加工质量好、易于实现生产过程的自动化等优点。因此在食品、饮料等行业,激光焊接式蜂窝夹套的应用越来越广泛。6 E& Z+ a! e( b' Z; R) y3 b2tech.cn
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  螺旋板缠绕式蜂窝夹套是将一定宽度的板螺旋缠绕并焊接在筒体外壁、同时在夹套的中间焊接有蜂窝点的结构。该结构综合了螺旋缠绕式半圆管夹套和蜂窝夹套的优点,对筒体刚度的加强效果好,使筒体和夹套的壁厚得以减薄,且焊缝较少,搅拌设备传热系数高。螺旋板缠绕式蜂窝结构夹套已大量应用在大型的发酵设备上,具有明显的经济效益。/ n( O9 V: P# m, Y) I2tech.cn
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