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        關(guān)于整體夾套導(dǎo)流圈設(shè)置原則的探討

        2014-03-06 05:47:10陳庭清
        機(jī)電信息 2014年14期
        關(guān)鍵詞:壓力降夾套圈數(shù)

        陳庭清

        (上海遠(yuǎn)躍制藥機(jī)械有限公司,上海 201716)

        0 引言

        在制藥裝備領(lǐng)域,夾套容器經(jīng)常被用于工藝介質(zhì)的熱傳遞過程,而整體夾套由于結(jié)構(gòu)簡單,所以應(yīng)用相對較廣。一般而言,為了獲得更好的傳熱效果,整體夾套需要設(shè)置螺旋導(dǎo)流圈,但導(dǎo)流圈的設(shè)置并沒有一個統(tǒng)一規(guī)范的方法,本文通過討論夾套內(nèi)熱流體的壓力降情況來提出一種設(shè)置準(zhǔn)則,以期使設(shè)計工作規(guī)范化。

        1 基本假設(shè)

        典型的帶螺旋導(dǎo)流圈的整體夾套如圖1所示,b為導(dǎo)流圈的節(jié)距,s為夾套的寬度,流體的流動通道為b×s,顯然這是一個四邊形的截面,且這個截面將是螺旋向下延伸的,這種情況使其比普通管輸送流體的模型更加難以分析。

        圖1 典型的帶螺旋導(dǎo)流圈的整體夾套

        假設(shè)夾套內(nèi)的加熱介質(zhì)為0.20 MPa的飽和水蒸氣,氣體流速取15m/s,由此開始討論其在流動時摩擦阻力所引起的壓頭損失情況。

        2 計算流程

        2.1 基本公式的推導(dǎo)

        (1)圓截面直管計算壓力降的基本方程:

        式中 ΔP——壓力降,kPa;

        f——范寧摩擦因子;

        L——流體運(yùn)動的長度,m;

        D——圓管直徑,m;

        u——夾套內(nèi)流體的速度,取15m/s;

        ρ——夾套內(nèi)流體的密度,取1.15 kg/m3;

        λ——無因次摩擦因子;

        n——螺旋導(dǎo)流圈的圈數(shù);

        Di——圓筒的內(nèi)直徑,m;

        De′——當(dāng)量直徑,m;

        b——螺旋導(dǎo)流圈的節(jié)距,m。

        顯然,上述模型與該方程是有一定的出入的,首先模型通道截面為四邊形,其次模型中的流體流動軌跡并不是直線,所以需要將該方程進(jìn)行修正。

        (2)當(dāng)量直徑的確定:

        當(dāng)四邊形的長徑比過大時,水力半徑為1/2通道寬度,則De′=4×0.5×0.5=0.1m。

        (3)流體雷諾數(shù)的確定:

        (4)摩擦因子λ的確定:

        當(dāng)Re≥2 000時,摩擦因子與Re及管壁粗糙度ε均有關(guān)系,湍流λ可分成3個區(qū)域:水力光滑管區(qū)、過渡區(qū)及水力平方區(qū)。

        查閱文獻(xiàn)[1],取ε=0.02~0.1 mm,前文已述De′=0.1m,則∈(0.2e-3~1e-3)。

        經(jīng)過簡單的判斷,λ會位于過渡區(qū),則會有:

        式中 λ——無因次摩擦因子;

        ε——當(dāng)量粗糙度,mm;

        Re——雷諾數(shù);

        De′——當(dāng)量直徑,m;

        D——圓管直徑,m。

        (5)螺旋通道的特殊考慮。流體在螺旋形路徑中流動時,流體會在垂直于流動方向(流動截面上)產(chǎn)生二次流,從而使螺旋管的阻力大于等長度的直管,查閱文獻(xiàn)[2],需以螺旋管的摩擦因子λ代入式(4)。

        2.2 計算管路壓降

        前面已述,飽和水蒸氣在夾套內(nèi)的流動為湍流,則:

        式中 λ——無因次摩擦因子;

        Re——雷諾數(shù);

        r——螺旋管的當(dāng)量半徑,m;

        R——螺旋管的曲率半徑,m;

        De′——當(dāng)量直徑,m;

        Di——圓筒的內(nèi)直徑,m。

        由以上內(nèi)容可以得知,在工藝流體已經(jīng)固定的情況下,壓力降只與節(jié)距b或者圓筒上設(shè)置的螺旋導(dǎo)流圈圈數(shù)n及圓筒直徑Di有關(guān),即:

        式中 ΔP——壓力降,kPa;

        n——螺旋導(dǎo)流圈的圈數(shù);

        Di——圓筒的內(nèi)直徑,m。

        3 案例分析

        選取幾個比較常見的圓筒規(guī)格500mm、600mm、70 mm、800 mm、1 000 mm、1 200 mm、1 500 mm、1 600mm作案例,容器的高徑比取2:1,圈數(shù)設(shè)置為1.5、2、3、4、5圈進(jìn)行方析,可以得到分析結(jié)果(圖2)。

        從圖2不難看出,當(dāng)導(dǎo)流圈數(shù)增加時,壓力降呈直線上升,而當(dāng)容器直徑達(dá)到1 200mm時,即使設(shè)置較少的導(dǎo)流圈,過高的壓力降仍不能避免。

        4 結(jié)語

        在整體夾套容器設(shè)置導(dǎo)流圈時應(yīng)考慮圈數(shù)與直徑的影響,在不需要導(dǎo)流圈參與筒體外壓降時,圈數(shù)可以盡量少,可以以筒體直徑作為導(dǎo)流圈的節(jié)距進(jìn)行設(shè)置,而直徑1 200 mm或以上的容器則不宜再使用整體夾套,而應(yīng)根據(jù)操作工況考慮選擇其他型式的夾套。

        圖2 案例分析結(jié)果

        [1]時均,汪家鼎,于國琮,等.化學(xué)工程手冊[M].化學(xué)工業(yè)出版社,1996

        [2]氣體加工和供應(yīng)者協(xié)會.氣體加工工程數(shù)據(jù)手冊[M].石油工業(yè)出版社,1984

        [3]HG/T20569—1994 機(jī)械攪拌設(shè)備[S]

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