關于整體夾套導流圈設置原則的探討

陳庭清

（上海遠躍制藥機械有限公司，上海 201716）

0 引言

在制藥裝備領域，夾套容器經常被用于工藝介質的熱傳遞過程，而整體夾套由于結構簡單，所以應用相對較廣。一般而言，為了獲得更好的傳熱效果，整體夾套需要設置螺旋導流圈，但導流圈的設置并沒有一個統一規范的方法，本文通過討論夾套內熱流體的壓力降情況來提出一種設置準則，以期使設計工作規范化。

1 基本假設

典型的帶螺旋導流圈的整體夾套如圖1所示，b為導流圈的節距，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 典型的帶螺旋導流圈的整體夾套

假設夾套內的加熱介質為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

（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——流體運動的長度，m；

D——圓管直徑，m；

u——夾套內流體的速度，取15m/s；

ρ——夾套內流體的密度，取1.15 kg/m3；

λ——無因次摩擦因子；

n——螺旋導流圈的圈數；

Di——圓筒的內直徑，m；

De′——當量直徑，m；

b——螺旋導流圈的節距，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行修正。

（2）當量直徑的確定：

當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）流體雷諾數的確定：

（4）摩擦因子λ的確定：

當Re≥2 000時，摩擦因子與Re及管壁粗糙度ε均有關系，湍流λ可分成3個區域：水力光滑管區、過渡區及水力平方區。

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

經過簡單的判斷，λ會位于過渡區，則會有：

式中 λ——無因次摩擦因子；

ε——當量粗糙度，mm；

Re——雷諾數；

De′——當量直徑，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［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的流動為湍流，則：

式中 λ——無因次摩擦因子；

Re——雷諾數；

r——螺旋管的當量半徑，m；

R——螺旋管的曲率半徑，m；

De′——當量直徑，m；

Di——圓筒的內直徑，m。

由以上內容可以得知，在工藝流體已經固定的情況下，壓力降只與節距b或者圓筒上設置的螺旋導流圈圈數n及圓筒直徑Di有關，即：

式中 ΔP——壓力降，kPa；

n——螺旋導流圈的圈數；

Di——圓筒的內直徑，m。

3 案例分析

選取幾個比較常見的圓筒規格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，圈數設置為1.5、2、3、4、5圈進行方析，可以得到分析結果（圖2）。

從圖2不難看出，當導流圈數增加時，壓力降呈直線上升，而當容器直徑達到1 200mm時，即使設置較少的導流圈，過高的壓力降仍不能避免。

4 結語

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

圖2 案例分析結果

［1］時均，汪家鼎，于國琮，等.化學工程手冊［M］.化學工業出版社，1996

［2］氣體加工和供應者協會.氣體加工工程數據手冊［M］.石油工業出版社，1984

［3］HG/T20569—1994 機械攪拌設備［S］