储罐半圆管加热夹套的设计

储罐半圆管加热夹套的设计

作者：冯青天 卢立祥 罗佳琦 来源：《工业设计》2016年第10期

摘 要：介绍了储罐半圆管加热夹套的传热计算方法。 关键词：储罐；半圆管加热夹套；传热系数

半圆管夹套是一种高效的传热元件。与其他形式的夹套相比，传热效率高；与内盘管相比，不存在盘管泄露后与罐内介质混合的风险，故常用于对介质纯度要求比较高的场合。 以往的研究，主要集中在带半圆管夹套的搅拌反应釜内介质的加热和冷却。与反应釜相比，储罐的容积和直径较大，没有搅拌器强化传热，其热阻主要集中在罐内介质的传热，与反应釜有很大的区别。本文在此基础上主要讨论半圆管夹套加热的储罐传热系数和传热面积的计算方法，以期为储罐半圆管夹套的设计提供一定的指导。 1外盘管设计

标准半盘管管径为2”，3”和4”。

半盘管中心角包括120°，150°和180°三种。 盘管间距为3/4”或1”。

传热面积：John Garvin认为有效传热面积应取半管区域（包括半管下面积和半管间面积）的93%～96%，Bondy等认为有效传热面积为盘管下面积加盘管间面积的60%。 2储罐散热计算

储罐散热包括罐壁、罐顶、罐底散热三部分，应分别计算散热量。 2.1罐壁散热

罐壁传热系数包括三部分：油品至罐壁的内部传热系数h1tw，罐壁保温层的放热系数h2tw和罐壁至大气的放热系数h3tw。h1tw和h3tw计算时，主要考虑大空间自然对流的导致的热量传递。 2.2罐顶散热

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罐顶传热系数包括四部分：油品至混合气体空间的内部传热系数h1tr，罐顶混合气体空间的放热系数h2tr，罐顶保温层的放热系数h3tr和罐顶至大气的放热系数h4tr。一般采用经验公式计算。 2.3罐底散热

罐底传热系数包括三部分：油品至罐底的内部传热系数h1tb，罐底板的放热系数h2tb和罐底至土壤的放热系数h3tb。一般采用经验公式计算。 在设计时，可以按以下传热系数经验值估算。

罐壁不设保温层时其传热系数变化范围较大（4.65～8.14W/（m2·℃），建议分别计算h1tw，h2tw和h3tw。

罐壁设有聚氨酯泡沫保温层（厚40mm）的传热系数：0.93～1.05W/（m2·℃）（设有保护层时采用低值，未设保护层时采用高值） （2）罐顶传热系数

（3）罐底传热系数：0.23～0.47W/（m2·℃） 3外盘管传热计算 3.1盘管内的给热系数hi

半盘管可以简化为非圆形的弯曲管道，其强制湍流给热系数可以用公式（1）计算： 此公式适用范围为：Re>10000； 0.760

式中R为盘管的曲率半径，定性尺寸di为盘管的当量直径。定性温度为加热介质的平均温度ti。

3.2罐壁对罐内油品的放热系数h0

式中定性尺寸L为盘管内径，系数C和指数n取值如下：

定性温度tav为油品温度to和储罐内侧壁温tw的平均值（to+tw）/2。由于壁温未知，计算时需要首先假定一个壁温，采用试差的方法来确定。壁温校核时应满足下式： Tw=to + （ti-to）·K/ho

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3.3总传热系数K

式中Ri和Ro分别为盘管侧和罐侧的污垢热阻，b和λ分别为罐壁的厚度和导热系数。 4计算实例

某重油罐，规格为φ5400xH8700，体积200m3，装填系数0.9，进出料温度为40℃，环境温度为5℃。热源为80℃的导热油。采用半圆管夹套加热。试计算盘管的面积。 4.1散热量计算

根据储罐尺寸，罐底面积为：22.9m2；罐壁面积为：132.8m2；罐顶面积为：38.75m2。 根据第2节中散热量计算方法，储罐的总散热量为7.02kW。 4.2传热系数计算 4.2.1盘管内传热系数hi

拟采用半盘管直径为DN80，内径为77.7mm，中心角为180℃，则当量内径为47.5mm；导热油流量为10t/h，比热为2090 J/kg/℃，热油定性温度为79.4℃，在此温度下导热油的密度为0.837t/m3，粘度为5.7mPa·s，热导率为0.123 W/m/℃。 管内流速为：u=V/S=1.88m/s =13056 =97.4

根据公式（1） =607W/m2/℃

4.2.2罐内对流传热系数ho

假定罐壁内侧温度为75.3℃，则定性温度为（75.3+40）/2=57.6℃

已知：在定性温度下油品的密度为0.831t/m3，粘度为0.18Pa·s，比热为2066 J/kg/℃，热导率为0.1138W/m/℃，体积膨胀系数为0.000831，定性尺寸为77.7mm。 =3274

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=1429 根据公式（3）

=0.54x0.1138/0.0777x（1429x3274） 0.25=36.8 W/m-/℃ 4.2.3总传热系数K

罐壁厚度为10mm，导热系数为45W/m/℃，盘管内污垢热阻为0.000172（m2·K）/W，罐内污垢热阻为0.000344（m2·K）/W。 根据公式（5） K=32.91 W/m2/℃ 将K和ho代入公式（4） tw=to + （ti-to）·K/ho=75.3℃

与假定壁温75.3℃一致，所以该假定成立。 4.2.4传热面积

A=Q/K/ΔT=7020/32.91/（79.4-40）=5.4m2 4.2.5盘管长度

按3.5圈盘管，长度为59.4m，盘管下面积为59.4x0.0777=4.61m2，盘管间面积为1.48m2，采用Bondy等对有效传热面积的计算方法，总有效传热面积为4.61+1.48x0.6=5.5m2。 可以满足换热面积要求。 5结论

从计算结果可以看出，传热热阻主要集中在罐内壁至流体之间，是传热的控制因素。在设计时可以考虑通过回流或其他方式增加罐内介质的湍动，来强化传热。

另外，半管夹套所在区域，罐壁温度高于罐内油品温度，实际上不存油品通过罐壁向外的散热。对于盘管圈数较多的储罐，在散热计算时，建议扣除这部分散热量。

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参考文献：

[1]John Garvin. Understand the Thermal Design of Jecketed Vessels. Chemical Engineering Process. june， 1999.

[2]F. Bondy， S. Lippa. Heat Transfer in Agitated Vessels. Chemical Engineering， p62-71， 1983.

[3]李征西等.油品储运设计手册.石油工业出版社. [4]王世广等.化工原理.高等教育出版社.