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...
