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管壳式换热器的数值模拟与优化设计

王明军  
【摘要】:换热器性能的好坏对于能量的合理利用至关重要。近年来,企业节能要求和节能意识的不断提高,使得换热器综合性能逐渐受到关注和重视。本文以某厂制酸系统烟气转化工段的管壳式换热器为研究对象,采用数值模拟的方法对其性能进行了研究,并对其操作参数及结构参数进行了优化。 主要研究内容和结论如下: (1)以计算流体动力学软件FLUENT为平台,建立了管壳式换热器的计算模型。为避免恒热流或恒壁温管壁边界条件造成与实际管内外对流换热情况的差异,本文在建模时,将管内烟气对流换热与管外烟气对流换热进行了耦合计算。 (2)采用数值模拟的方法,对烟气流速对换热器的换热效果的影响进行了分析和研究。研究表明:随着烟气流速的提高,换热器的平均表面换热系数不断增大;流速提高的同时也增加了流动阻力,影响了系统的整体效率。 (3)以k/Δp为评价指标,对换热器管侧和壳侧烟气流速组合进行了优化。研究表明:当换热器管程的烟气流速为10.5m/s,壳程烟气流速为7.5 m/s时,换热器能够达到较高的综合性能。 (4)以JF因子为评价指标,对换热器折流板缺口高度进行了优化。研究表明:随着折流板缺口高度的增大,对流换热的效果逐渐减弱,压力损失减小,当缺口高度增加到0.4D时,继续增大缺口高度对换热系数和压力损失的影响已经非常小;对于折流板数为3的管壳式换热器,当折流板的缺口高度为0.4D时,换热器的综合性能最佳。


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