关于整体夹套导流圈设置原则的探讨

陈庭清

（上海远跃制药机械有限公司，上海 201716）

0 引言

在制药装备领域，夹套容器经常被用于工艺介质的热传递过程，而整体夹套由于结构简单，所以应用相对较广。一般而言，为了获得更好的传热效果，整体夹套需要设置螺旋导流圈，但导流圈的设置并没有一个统一规范的方法，本文通过讨论夹套内热流体的压力降情况来提出一种设置准则，以期使设计工作规范化。

1 基本假设

典型的带螺旋导流圈的整体夹套如图1所示，b为导流圈的节距，s为夹套的宽度，流体的流动通道为b×s，显然这是一个四边形的截面，且这个截面将是螺旋向下延伸的，这种情况使其比普通管输送流体的模型更加难以分析。

图1 典型的带螺旋导流圈的整体夹套

假设夹套内的加热介质为0.20 MPa的饱和水蒸气，气体流速取15m/s，由此开始讨论其在流动时摩擦阻力所引起的压头损失情况。

2 计算流程

2.1 基本公式的推导

（1）圆截面直管计算压力降的基本方程：

式中 ΔP——压力降，kPa；

f——范宁摩擦因子；

L——流体运动的长度，m；

D——圆管直径，m；

u——夹套内流体的速度，取15m/s；

ρ——夹套内流体的密度，取1.15 kg/m3；

λ——无因次摩擦因子；

n——螺旋导流圈的圈数；

Di——圆筒的内直径，m；

De′——当量直径，m；

b——螺旋导流圈的节距，m。

显然，上述模型与该方程是有一定的出入的，首先模型通道截面为四边形，其次模型中的流体流动轨迹并不是直线，所以需要将该方程进行修正。

（2）当量直径的确定：

当四边形的长径比过大时，水力半径为1/2通道宽度，则De′=4×0.5×0.5=0.1m。

（3）流体雷诺数的确定：

（4）摩擦因子λ的确定：

当Re≥2 000时，摩擦因子与Re及管壁粗糙度ε均有关系，湍流λ可分成3个区域：水力光滑管区、过渡区及水力平方区。

查阅文献［1］，取ε＝0.02～0.1 mm，前文已述De′=0.1m，则∈（0.2e-3～1e-3）。

经过简单的判断，λ会位于过渡区，则会有：

式中 λ——无因次摩擦因子；

ε——当量粗糙度，mm；

Re——雷诺数；

De′——当量直径，m；

D——圆管直径，m。

（5）螺旋通道的特殊考虑。流体在螺旋形路径中流动时，流体会在垂直于流动方向（流动截面上）产生二次流，从而使螺旋管的阻力大于等长度的直管，查阅文献［2］，需以螺旋管的摩擦因子λ代入式（4）。

2.2 计算管路压降

前面已述，饱和水蒸气在夹套内的流动为湍流，则：

式中 λ——无因次摩擦因子；

Re——雷诺数；

r——螺旋管的当量半径，m；

R——螺旋管的曲率半径，m；

De′——当量直径，m；

Di——圆筒的内直径，m。

由以上内容可以得知，在工艺流体已经固定的情况下，压力降只与节距b或者圆筒上设置的螺旋导流圈圈数n及圆筒直径Di有关，即：

式中 ΔP——压力降，kPa；

n——螺旋导流圈的圈数；

Di——圆筒的内直径，m。

3 案例分析

选取几个比较常见的圆筒规格500mm、600mm、70 mm、800 mm、1 000 mm、1 200 mm、1 500 mm、1 600mm作案例，容器的高径比取2:1，圈数设置为1.5、2、3、4、5圈进行方析，可以得到分析结果（图2）。

从图2不难看出，当导流圈数增加时，压力降呈直线上升，而当容器直径达到1 200mm时，即使设置较少的导流圈，过高的压力降仍不能避免。

4 结语

在整体夹套容器设置导流圈时应考虑圈数与直径的影响，在不需要导流圈参与筒体外压降时，圈数可以尽量少，可以以筒体直径作为导流圈的节距进行设置，而直径1 200 mm或以上的容器则不宜再使用整体夹套，而应根据操作工况考虑选择其他型式的夹套。

图2 案例分析结果

［1］时均，汪家鼎，于国琮，等.化学工程手册［M］.化学工业出版社，1996

［2］气体加工和供应者协会.气体加工工程数据手册［M］.石油工业出版社，1984

［3］HG/T20569—1994 机械搅拌设备［S］