旋流网板换热器强化传热机理分析.pdf

研 究开发硫酸工业,一玲记介“味何旋流几网板换热器强化传热机理分析周水洪,邓先和,李志武华南理工大学 化工与能源学院传热强化与过程节能教育部重点实验室,广东 广州一右劝蒸崛藻荃蒸翼薰澡嚣鳍 徽薰鲜环。旋流片产生的自旋流具有高效低阻的优势,其强化传热综合性能优于空心环。关键词转化系统换热器旋流片数值模拟中图分类号文献标识码文章编号一一一以一气体换热器是硫酸生产转化系统的关键设备,通过温度较高的,气体和温度较低的气体之间的换热以维持转化系统的热平衡、促进转化。随着经济的发展和能源日趋紧张,耗材少、运行费用低、效率高的气体换热器是当今的发展方向。华南理工大学邓先和教授研制开发的空心环管壳式换热器已成功应用于许多硫酸生产装置中仁一。采用空心环网板管间支撑结构的最大优点是纵向流道的空隙率大可达,因此对轴向冲刷流体的形体阻力小,有利于将绝大部分壳程流体的压降作用 于传热管的壁面上,强化换热。但是空心环本身对流场的影响不是很大,没有直接起到强化对流传热作用。流体自旋流是一种强化对流传热的有效手段川,当流体流过一段较短 的扭带旋流片时,流体受迫做螺旋运动,当流体离开旋流片时,形成的自旋流可在下游区域持续很长的距离因此以间隔布置的旋流片作为管间支撑结构将起到较好的强化传热作用。旋流片在茹性较大的液体介质中产生的自旋流在较短的距离就会衰减,而在豁性较小的气体中,自旋流可维持很一长的距离可达数十倍 当量直径阁,可更充分利用自旋流高效低阻的传热强化优势,因此旋流片特别适用于硫酸转化系统气体换热器的强化传热。几另外,由于旋流片在轴向的投影是一个完整的圆,可对管束起到良好的支撑作用,因此可对原有空心环换热器进行更新改造。年初,该技术已经开始应用于国内制酸系统,取代原有的空心环支撑技术。有实验研究了娜来用旋流片与空心环作为管间支撑结柯的换热器壳程流体阻力与传热的总体性能对比卿,发现旋流片可以获得比空心环更好的传热与流体阻力综合胜能强化传热性能高出个百分点。本文利用数值模拟方法对旋流片强化传热的内在机理进行了研究。模型及数值模拟方法即为实验和数值模拟所用支撑结构的照龄默探聪黔赢黔晕过一定的角度加丰而成。在气体捧热器的壳体内换热管布管区域占壳体的绝大部分,壳程流体的流馨翌雾霍 纂是翠肆纂 粽军落禅元流道”。另外换热器中大部分戏奸流覃缪馨霭纂耀课纂槛收稿日期一一。一器溉学问题呱周水洪等旋流网板换热器强化传热机理分析周期性单元流道模型如图所示。图支撑结构照片和周期性单元流道模型以“周期性单元流道”为计算区域,单相不可压缩流体的稳态流动控制方程如下。质量守恒方程丛气,助动量守恒方程拜肠尸卦刹,能量守恒方程日、川孙、不二二人丁二万丁欠一戈口 汤又山人云,式中拜、竹速度矢量沿,、,、方向的分量尸流体的压力、戈方向矢量卜一一流体的温度流体的密度。流体的运动戮度几流体的定压比热容人流体的导热系数。网格划分采用分体网格,采用重整化一君双方程湍流模型、算法进行压力和速度的祸合,壁 面处理采用强化壁面函数法呷。边界条件管壁及支撑物壁面满足无滑移边界条件实验过程中保证了加热管壁的恒壁温条件,因此管壁为恒壁温边界条件,单元流道的管间平面为对称边界。流道内被加热流体为空气,进出口采用周期性边界。网格系统经过网格独立性的检查。采用实验结果和模拟值进行对比验证,模拟值和实验值非常接近,变化趋势一致。阻力系数力的最大误差不超过,数的最大误差不超过。结果及分析流动性能空心环和旋流片在单元流道内的流线分布如图所示。流体经过空心环时,发生扰流现象,在空心环的壁面和下游区域的流体运动方向发生改变,一定程度上增强 了流体的湍流度,但是空心环的扰流作用并不十分强烈,所以在下游区域的持续距离比较短。而当流经旋流片时,流体在螺旋型流道内受迫作三维螺旋流动,由原来一股流体分裂成两个对称的螺旋流。由于流道面积减小及曲面变化,流体得到充分扰动,提高了湍流度,并且产生明显的周向和径向流动,有效地冲刷壁面,减薄了边界层。当流体离开旋流片后,流体依然维持旋转流动,进人自旋流阶段,随着距离的延长,两个螺旋流逐渐合并成一个大的纵向涡,且持续的距离很长。在自旋流阶段,仅有摩擦阻力,而没有形体阻力,所以压力损失就很小。图空心环和旋流 片的流线分布硫酸工业年第期哪卜咔困汉嗽幕半传热特性一图为空心环区及下游壁面数等值线分布,由于空心环的扰流作用不如旋流片强烈,强化传热作用相对比较弱,数分布也比较均匀。图显示了旋流片区及下游 自旋流区壁面 的瓜数等值线分布,数分布极不均匀,且出现最大值。离开旋流片以后,流体进人自旋流阶段,自旋流仍能有效地起到扰流和冲刷壁面的作用,随着 自旋流作用逐渐衰减,数减小,但仍然维持在较高水平。从图中可以看出旋流片的数要比空心环的高,因此旋流片具有很好的强化传热作用。片的综合性能要优于空心环,旋流片使流体产生罩鳝黔豁黔罩失较小。空心环尹 尹、砂该沪如尹尹诌沪俨图天。综合性能比较图空心环和旋流片壁面数等值 线分布综合性能综合考虑传热强化和运行功耗,流体能耗相同条件下 的传热强化因子刀为八 乞 八 公护而护一,式中一无支撑时的数无支撑时的阻力系数加人支撑物时的数了一一加人支撑物时的阻力系数。以无支撑为参照基准,可表示综合传热性能较无支撑时得到改善,刀越大,则说明其综合传热性能越好。图斗比较了旋流片和空心环在不 同数时支撑缩放管管束的综合换热性能。随着数的增大,旋流片的综合性能增大空 心环的综合性能缓慢增大,增大速度不如旋流片。旋流结论空心环和旋流片都能起到扰流作用,增强了传热。但是旋流片能迫使流体做强烈的兰维螺旋运动,增强流动湍流度,同时使流体冲刷壁面,减薄边界层,所以换热效果优于空心环。旋流片产生的自旋流具有高效低阻的优势,所以其综合换热性能优于空心环。自旋流在戮性较小的气体中可维持很长的距离,更充分利用自旋流低阻高效的强化传热优势,因此旋流片特别适用于气体换热器的强化传热。参考文献邓先和,陈详明空心环管壳式换热器工业化应用回顾 硫酸工业,一汪卫东,赵景波空心环缩放管式换热器在金隆铜业公司的应用硫酸工业,印,一周开敏,蔡褂才空心环管壳式换热器在“硫酸系统中的应用工 硫酸工业,碎,一,压吕出丑七巧五批,酬舰丽一厂,料一王杨君管壳式换热器 中自旋流 的强化传热研究侧广州华南理工大学,陶文锉数值传热学丁第版西安西安交通大学出版社,生产实践硫酸工业,一如一工艺在酸性气体中的应用及问题探讨俞志兴上海焦化有限公司,上海摘要主要介绍了工艺处理硫化氢含量高的酸性气体的技术原理、流程、主要设备及特点等,运行正常后,对装置进行了工艺鉴定和经济性分析,不但每年有运行效益万元,而且尾气可达标排放。对运行中出现的问题进行了探讨并提出了一些解决问题的方法。关键词工艺应用酸性气体处理中图分类号厂文献标识码文章编号一一一。目前世界上利用最多的石油、煤、天然气等资源中都含有硫,在利用过程中,部分硫最终转化为硫磺或硫酸,而大部分硫则被氧化生成二氧化硫,排人大气的二氧化硫形成了大面积酸雨,严重污染了环境。近年来,随着对环境保护的重视,人们越来越关注含硫排放物的处理,相关企业也在积极寻找既能达到环保要求又较经济适用的硫回收技术。上海焦化有限公司用德士古煤气生产甲醇过程中,煤气净化时产生切一巧的酸性气体 其余大部分是二氧化碳,为了减少环境污染、变废为宝,从丹麦托普索公司引进了湿法制酸工艺。该装置于年月正式投产,一年多的运行证实该装置在工艺技术和经济方面都处于较高的水平。公司每年生产硫酸,可减少二氧化硫排放,生成的硫酸用于焦炉煤气收稿日期一一巧。作者简介俞志兴,男,上海焦化有 限公司工程师,生产部技术主管。电话一。城由诫诚一,留,罗,一盯,一拌即一钾,一,卿即即,