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硫酸转化气体换热器的传热强化与大型化发展点击：2095 日期：[ 2014-04-26 22:44:39 ] |
| 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 邓先和 【摘要】作者在该文中介绍了近年换热器传热强化的研究进展及硫酸转化气体换热器朝大型化发展中换热器结构形式所发生的一些变化，该文的内容可为设计部门及硫酸生产单位提供一些参考信息。 一、前言v换热器的传热强化理论近年来有了新的发展，一种称为传热场协同的理论【1】对流体的对流传热强化的原因与规律有了进一步的揭示。该理论从流场与温度场的相互作用规律上说明了两场矢量夹角的变化对流体对流传热的影响。该理论将流体流向与温度场的温度梯度方向的相互关系分三种情况作了分析：1）当两场的矢量方向相互垂直，即矢量夹角为90度时，在传热中流体的对流传热贡献为零，仅为流体的分子导热；2）当两场的矢量方向趋向相近，即矢量夹角小于90度时，在传热中流体的对流传热大于零，对流传热起到增强传热的作用，且两场矢量的夹角越小，对流传热的强化传热作用越强；3）当两场的矢量方向趋向相反，即矢量夹角大于90度时，在传热中流体的对流传热会对传热起到弱化的作用，上述理论是在流体层流条件下得出的研究结果。作者针对湍流条件下的对流传热强化问题，也做了相关的研究分析，发现在湍流条件下也存在上述的对流传热规律【2】，其区别仅在于上述层流流体的分析是针对宏观的主流体，而作者所做的湍流流体分析是针对近壁处的微观传热滞流底层流体。虽然在湍流流体中主流区的湍流度很高，对流传热很强，传热热阻很小，但湍流传热有90％以上的传热热阻是集中于近壁处的传热滞流底层之中，故研究在此微观流层中流体的对流传热影响对如何控制与优化对流传热强化极为重要。 二、新型强化传热管型的发展 在传统的光滑传热管中，流体的流向与温度场的温度梯度方向是互相垂直的，在湍流流体近壁处的传热滞流底层上，流场与温度场两矢量方向的夹角为90度，在传热中对流传热没有贡献，仅靠流体的分子导热传递热量，故传热差，流体的对流传热膜系数小。上世纪七十年代由前苏联引进的缩放型传热管，利用其管内外双面对称的凹凸肋面可以对管内外沿轴向流动的流体同时强化传热，故在近十几年广泛应用于硫酸行业的壳程轴流型换热器——空心环管壳式换热器之中。该种管的凹凸肋面可使近壁流体在60％的传热管段满足两场矢量夹角小于90度的强化对流传热条件，故流体的对流传热膜系数比光滑管有较大幅度的提高。该种管型由于其凹凸肋面较光滑与平坦，不易积灰结垢，故在硫酸转化气体换热器中经十几年的考验一直使用情况良好，受到广大用户的好评。近年，采用传热场协同这一新的强化传热理论作进一步研究分析，作者已研制开发出改进型的缩放传热管——急扩加速流缩放管，并获国家专利（专利号为：ZL03273853.6）。该种管的特点是对原缩放管的凹凸肋面作了改进，使其能满足两场矢量夹角小于90度强化对流换热条件的传热管段比例由原先的60％提升到90％，从而有效地加强了近壁处传热滞流底层的对流传热作用，故比原缩放管可获得更高的流体对流传热膜系数。 三、换热器壳程结构的发展 随着硫酸工业装置的大型化，转化气体换热器的单台面积与直径也越来越大，作者为某企业年产530kt冶炼烟气制酸设计的转化气体换热器直径已达6～7m。这表明换热器的长径比随工业生产规模的增大而会变得越来越小，尤其是系统中的热热交换器，这对形成壳程轴流型的管壳式换热器会有一定的困难。在传热条件许可的情况下，作者已对一些较大型硫酸生产系统采用了横向冲刷错流换热型的换热器，其传热性能与空心环管壳式换热器相近，面积相当，整体结构比较简单，且重量较轻。我们在新设计的该种换热器中均采用急扩加速流新型缩放管，可以获得较高的传热强化性能。 空心环网板管间支承物的最大优点就是纵向流道的空隙率很大，可高达80％，这对壳程轴向流动的流体造成的形体阻力非常小，极有利于将壳程的大部份压降作用于强化传热管的粗糙肋面上，增强传热面上的对流传热，从而获得低阻高效的传热强化效果。但由于空心环网板本身对流体的流动没有造成显著的改变，直接强化对流传热的作用是较弱的，这也是空心环网板支承管束的美中不足之处。作者已在近年的传热强化研究之中发现，流体自旋流是一种可以用来强化对流传热的有效手段，当流体通过一段较短的扭带时，流体会产生旋流，而当流体离开扭带之后，其旋流状态仍可持续向下游发展，形成流体自旋流，其持续的旋流长度可达数10倍的流道当量直径，这种流体自旋流有四个技术特征可用于传热强化：1）旋流使一部分高温流体旋迁入主流中心区，而冷流体旋迁向边缘区，这使得近壁处的温度梯度的模增大，传热场协同的作用增强；2）旋流使流道横截面上的流速分布发生了改变，主流区中心流速变缓，而边缘流速增大，使近壁处流速矢量的模增大，同样增强了传热的场协同作用；3）旋流形成壳程纵向流道中边缘区域流体的切向冲刷速度，对正方形排列的传热管束纵向管隙间四周凸起的传热圆管壁面有正向冲刷的效果，流体的速度矢量与传热温度梯度矢量间的夹角在较大部分传热界面上小于90度，这也增强了传热场协同作用；4）由于自旋流仅产生摩擦阻力，而没有形体阻力，阻力损失很小，又有良好的对流强化传热的作用，故不失为一种节能高效的传热强化新方法。作者采用扭带旋流片取代空心环，不仅可在壳程轴向流道的空隙率上保持原空心环的大空隙率优点，而且可使经过支承物的流体形成自旋流的流动状态，从而可以发挥管间支承物的对流强化传热作用，以弥补空心环网板的不足之处。由于短扭带旋流片在轴向的投影是一完整的圆，故对管束也可以起到良好的机械支承作用。作者已对该技术申请了国家发明专利，专利申请号为：04100516.7。 四、年产20万吨硫酸转化系统换热器的设计比较 表1：转化换热器的配置方案比较 换热器编号 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 总计 管程温度（℃） 591.7～450 507～440 458～284.7 444.2～174 壳程温度（℃） 281.5～430 344.4～430 100～283.5 80～346.4 换热量（Kcal/h） 3.53×106 1.69×106 4.15×106 5.11×106 光滑管束换热器 传热面积（m2） 1600 1400 1650 2×1900 8450 光滑管束换热器 总重（吨） 87 80 88 2×98 451 急扩加速流换热 器传热面积（m2） 1135 1035 987 2410 5567 急扩加速流换热 器总重（吨） 51.4 47.5 52 99 249.9 注：光滑管束换热器面积与重量为设备招标书所列参数。 作者以今年安徽省某企业新建年产20万吨硫酸转化系统气体换热器的配置方案作一比较。该转化流程为二转二吸3+1流程，换热器为III I-IV II配置，主风机来的SO2气浓为8.5％，烟气量为68109.4Nm3/h，各换的进出口温度与热负荷见表1所示。光滑管换热器是采用了目前国内较先进的双圆缺不布管的壳程结构，急扩加速流缩放管换热器在I、II换是采用横向冲刷的错流型换热器，III、IV换是采用旋流网板支承的壳程轴流式换热器。 从上述换热器的配置方案比较结果可看出，与目前国内较先进的光滑管换热器相比，急扩急速流缩放管换热器可节省传热面积约35％，降低设备总重量约45％，之所以急扩加速流缩放管换热器较光滑管换热器降低的设备重量比节省的传热面积还多，是因为双圆缺不布管结构的换热器传热管不是满布的，空间利用率较低，壳体较大所致，而急扩加速流缩放管换热器，无论是横向冲刷的错流型结构或是壳程轴流型结构，换热器内传热管束都是满布的，其空间的利用率较高，壳体较小。光滑管换热器共需5台换热器，其总压降约9000Pa，而急扩加速流缩放管换热器仅需4台，其总压降仅6200Pa，比光滑管换热器低约30％。由此比较结果可以看出急扩加速流缩放管换热器比光滑管换热器具有显著的节能与降耗的优点。 【参考文献】 [1].过增元，对流换热的物理机制及控制：速度场与热流场的协同，科学通报，2000，45（19）：2118～2122. [2].陈颖，邓先和，王杨君，粗糙肋面上湍流热量传递中场协同关系的数值分析，化工学报，2003，54（8）：1055～1058. 【作者简介】 邓先和：教授，1982.7 毕业于广州华南理工大学化学工程专业，1990.8获华南理工大学化学工程博士学位。1982.8至今在华南理工大学化工与能源学院化工研究所工作，主要从事化工流体力学与传热强化技术的研究，以及超重力气液传质反应器的研究。1987年任讲师，1990年任副教授，1993年任教授。 |
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