夾套式反應(yīng)釜，在化工行業(yè)應(yīng)用廣泛， 在一些小型工廠或沒(méi)有公用加熱設(shè)備配備的設(shè)備車間，為節(jié)約成本往往把電加熱器直接裝設(shè)在釜的夾套上，使用水或?qū)嵊偷茸鳛閭鳠崦浇檫M(jìn)行加熱，對(duì)于釜壁屬于有限空間的液體自然對(duì)流傳熱，傳熱系數(shù)及傳熱速率的計(jì)算以及電加熱器加熱向釜內(nèi)傳熱的過(guò)程，鮮有文獻(xiàn)資料的介紹。本文通過(guò)整理，給出了計(jì)算方法及分析了電加熱器加熱向釜內(nèi)的傳熱過(guò)程，以供相關(guān)行業(yè)設(shè)備選型及設(shè)計(jì)參考。

一、釜壁外側(cè)液體自然對(duì)流傳熱膜系數(shù)用當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的一種計(jì)算方法

以上圖電加熱同心雙軸攪拌分散釜為例，由于加熱過(guò)程主要開(kāi)啟低速度部分，且攪拌熱較小此部分暫不考慮。

Q=KA△T

夾套為有限空間，有限空間液體的自由運(yùn)動(dòng)，是冷表面吸熱與熱表面放熱的綜合結(jié)果。本例加熱器的加熱可以認(rèn)為電能直接轉(zhuǎn)換成熱能傳遞給夾套液體，但夾套液體傳熱給釜內(nèi)物料時(shí)釜壁處液膜熱阻是較大的阻力，又由于夾套外側(cè)有保溫層，防止熱量散失，故外側(cè)溫度高，則總體上可相當(dāng)于外熱表面向冷表面?zhèn)鳠帷?/span>工程上確定一過(guò)程換熱量的方法是把這種復(fù)雜的換熱過(guò)程簡(jiǎn)化為平壁或圓筒壁。引入當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)?e ，當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式如下：

由此夾層液體的自然對(duì)流傳熱膜系數(shù)等價(jià)式：

α2=d 夾/le

由此將α2 代入傳熱系數(shù)計(jì)算式計(jì)算出 K 值， 再將 K 代入傳熱方程即可計(jì)算出釜壁的傳熱速率。

此計(jì)算方法，避免了《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》第五版 694 頁(yè)中介紹的夾套傳熱介質(zhì)側(cè) 對(duì)流傳熱膜系數(shù)修正式中，需要知道液體流速計(jì)算的困難。本例夾套側(cè)液體因并無(wú)強(qiáng)制循環(huán)，液體完全處于自然對(duì)流下的各種流態(tài)， 故《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》的計(jì)算公式事實(shí)上并不適用本例，但本方法仍未考慮電加熱器表面核沸騰及變溫條件對(duì)傳熱的影響，如果需更精確的數(shù)據(jù)還需對(duì)此進(jìn)行研究加以修正。

二、電加熱器加熱向釜內(nèi)傳熱過(guò)程存在固定溫差傳熱過(guò)程解析

已知要求：電加熱同心雙軸攪拌分散釜中用戶物料溫度需要從 20℃加熱到60℃, 夾套中使用的是水，水可從 20℃加熱到90℃。同時(shí)要求物料以最快速度升溫，縮短加到60℃的時(shí)間，物料溫度可反沖到最后熱平衡為止。

設(shè)物料的質(zhì)量為m_物，比熱為C_物，物料極短時(shí)間溫升記為dT_物/dτ; 夾套水的質(zhì)量為m_水比熱C_水，水極短時(shí)間溫升記為dT_水/dτ ,釜壁傳熱速率記為Q，電加熱總功率為P_總。

夾套電加熱開(kāi)啟后，夾套電加熱器的電能直接轉(zhuǎn)化為熱能使水升溫，夾套水溫與物 料溫差△T 逐漸增大，由傳熱方程 Q=KA△T 可知（為簡(jiǎn)化分析，暫不計(jì)釜體金屬的吸 熱及熱損失）：在傳熱系數(shù)K，換熱面A，不變的情況下，換熱面的傳熱速率 Q 隨著 溫差△T（夾套水溫與物料溫差）的增大， 而逐漸增大。因?yàn)榭偟妮斎牍β蕿殡娂訜峁?率一定，總功率可分兩部分，一部分傳給了物料，一部分傳給夾套中的水。如此在溫升過(guò)程會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)階段：

1.物料和夾套水溫共同由起始溫度升至固定溫差起始點(diǎn)階段

加熱剛開(kāi)始的溫升過(guò)程中，夾套水受電 加熱直接加熱影響，其溫升速率dT _水/dτ大于物料溫升速率dT_物/dτ , 內(nèi)外溫差逐漸增大，由傳熱過(guò)程熱量守衡，在上述條件滿足的情況下，總功率在固定溫起始點(diǎn)物料和夾套中水的分配比例為質(zhì)量與比熱的乘積成反比。假定在此點(diǎn)后，內(nèi)外非固定溫差傳熱，水溫與物料溫差有變大傾向，則 Q 物吸變大，夾套水 向物料傳熱加快，則溫度變化率 dT 物/dτ變大，△T 將變大；這時(shí)由于 Q 物吸+Q 水凈吸=P總為定值，則 Q 水凈吸將減小，將促使夾套水的 溫升變慢，則 dT 水/dτ 變小，這樣一來(lái)，將促使內(nèi)外溫差△T 變小，將產(chǎn)生矛盾，故而內(nèi)外只能維持固定溫差傳熱，從而內(nèi)外溫差至終將不變。

固定溫差起始點(diǎn)的內(nèi)外溫度差可由下式導(dǎo)出：

2. 固定溫差起始點(diǎn)后固定溫差傳熱階段

固定溫差點(diǎn)后，物料和夾套水，升溫速率將一致，將維持固定溫差共同升溫。又因一般電加熱在達(dá)到最大溫度時(shí)（本例 為 90℃) 受控，故此后將有兩種情況出現(xiàn)， 一是當(dāng)夾套水溫到達(dá)最高點(diǎn)本例是90℃ , 如果物料還沒(méi)有到達(dá)60℃ , 則夾套水溫由于電加熱自動(dòng)控制，將停止加熱，物料繼續(xù)升溫后，則內(nèi)外溫差將減小，這時(shí)釜壁的傳熱速率將減小。二是物料先到達(dá)規(guī)定溫度60℃ , 夾套水溫尚未到達(dá)90℃加熱亦停止，并完成加熱并結(jié)束過(guò)程。

總之，這兩個(gè)階段的溫升將受總功率大小及物料和夾套介質(zhì)質(zhì)量和比熱的影響，確定總功率后，即可通過(guò)試算確定固定溫差點(diǎn)及加熱所需要的時(shí)間。