華南理工大學化工與能源學院
傳熱強化與過程節能教育部重點實驗室
鄧先和
作者在該文中介紹了近年換熱器傳熱強化的研究進展及硫酸轉化氣體換熱器朝大型化發展中換熱器結構形式所發生的一些變化，該文的內容可為設計部門及硫酸生產單位提供一些參考信息。
一、前言v換熱器的傳熱強化理論近年來有了新的發展，一種稱為傳熱場協同的理論對流體的對流傳熱強化的原因與規律有了進一步的揭示。該理論從流場與溫度場的相互作用規律上說明了兩場矢量夾角的變化對流體對流傳熱的影響。該理論將流體流向與溫度場的溫度梯度方向的相互關係分三種情況作了分析：1)當兩場的矢量方向相互垂直，即矢量夾角為90度時，在傳熱中流體的對流傳熱貢獻為零，僅為流體的分子導熱；2)當兩場的矢量方向趨向相近，即矢量夾角小於90度時，在傳熱中流體的對流傳熱大於零，對流傳熱起到增強傳熱的作用，且兩場矢量的夾角越小，對流傳熱的強化傳熱作用越強；3)當兩場的矢量方向趨向相反，即矢量夾角大於90度時，在傳熱中流體的對流傳熱會對傳熱起到弱化的作用，上述理論是在流體層流條件下得出的研究結果。作者針對湍流條件下的對流傳熱強化問題，也做了相關的研究分析，發現在湍流條件下也存在上述的對流傳熱規律，其區別僅在於上述層流流體的分析是針對宏觀的主流體，而作者所做的湍流流體分析是針對近壁處的微觀傳熱滯流底層流體。雖然在湍流流體中主流區的湍流度很高，對流傳熱很強，傳熱熱阻很小，但湍流傳熱有90％以上的傳熱熱阻是集中於近壁處的傳熱滯流底層之中，故研究在此微觀流層中流體的對流傳熱影響對如何控制與優化對流傳熱強化極為重要。
二、新型強化傳熱管型的發展
在傳統的光滑傳熱管中，流體的流向與溫度場的溫度梯度方向是互相垂直的，在湍流流體近壁處的傳熱滯流底層上，流場與溫度場兩矢量方向的夾角為90度，在傳熱中對流傳熱沒有貢獻，僅靠流體的分子導熱傳遞熱量，故傳熱差，流體的對流傳熱膜係數小。上世紀七十年代由前蘇聯引進的縮放型傳熱管，利用其管內外雙面對稱的凹凸肋面可以對管內外沿軸向流動的流體同時強化傳熱，故在近十幾年廣泛應用於硫酸行業的殼程軸流型換熱器——空心環管殼式換熱器之中。該種管的凹凸肋面可使近壁流體在60％的傳熱管段滿足兩場矢量夾角小於90度的強化對流傳熱條件，故流體的對流傳熱膜係數比光滑管有較大幅度的提高。該種管型由於其凹凸肋面較光滑與平坦，不易積灰結垢，故在硫酸轉化氣體換熱器中經十幾年的考驗一直使用情況良好，受到廣大用戶的好評。近年，採用傳熱場協同這一新的強化傳熱理論作進一步研究分析，作者已研製開發出改進型的縮放傳熱管——急擴加速流縮放管，並獲國家專利(專利號為：ZL03273853.6)。該種管的特點是對原縮放管的凹凸肋面作了改進，使其能滿足兩場矢量夾角小於90度強化對流換熱條件的傳熱管段比例由原先的60％提升到90％，從而有效地加強了近壁處傳熱滯流底層的對流傳熱作用，故比原縮放管可獲得更高的流體對流傳熱膜係數。
三、換熱器殼程結構的發展
隨著硫酸工業裝置的大型化，轉化氣體換熱器的單檯面積與直徑也越來越大，作者為某企業年產530kt冶鍊煙氣制酸設計的轉化氣體換熱器直徑已達6～7m。這表明換熱器的長徑比隨工業生產規模的增大而會變得越來越小，尤其是系統中的熱熱交換器，這對形成殼程軸流型的管殼式換熱器會有一定的困難。在傳熱條件許可的情況下，作者已對一些較大型硫酸生產系統採用了橫向沖刷錯流換熱型的換熱器，其傳熱性能與空心環管殼式換熱器相近，面積相當，整體結構比較簡單，且重量較輕。我們在新設計的該種換熱器中均採用急擴加速流新型縮放管，可以獲得較高的傳熱強化性能。
空心環網板管間支承物的最大優點就是縱向流道的空隙率很大，可高達80％，這對殼程軸向流動的流體造成的形體阻力非常小，極有利於將殼程的大部份壓降作用於強化傳熱管的粗糙肋面上，增強傳熱面上的對流傳熱，從而獲得低阻高效的傳熱強化效果。但由於空心環網板本身對流體的流動沒有造成顯著的改變，直接強化對流傳熱的作用是較弱的，這也是空心環網板支承管束的美中不足之處。作者已在近年的傳熱強化研究之中發現，流體自旋流是一種可以用來強化對流傳熱的有效手段，當流體通過一段較短的扭帶時，流體會產生旋流，而當流體離開扭帶之後，其旋流狀態仍可持續向下游發展，形成流體自旋流，其持續的旋流長度可達數10倍的流道當量直徑，這種流體自旋流有四個技術特徵可用於傳熱強化：1)旋流使一部分高溫流體旋遷入主流中心區，而冷流體旋遷向邊緣區，這使得近壁處的溫度梯度的模增大，傳熱場協同的作用增強；2)旋流使流道橫截面上的流速分佈發生了改變，主流區中心流速變緩，而邊緣流速增大，使近壁處流速矢量的模增大，同樣增強了傳熱的場協同作用；3)旋流形成殼程縱向流道中邊緣區域流體的切向沖刷速度，對正方形排列的傳熱管束縱向管隙間四周凸起的傳熱圓管壁面有正向沖刷的效果，流體的速度矢量與傳熱溫度梯度矢量間的夾角在較大部分傳熱界面上小於90度，這也增強了傳熱場協同作用；4)由於自旋流僅產生摩擦阻力，而沒有形體阻力，阻力損失很小，又有良好的對流強化傳熱的作用，故不失為一種節能高效的傳熱強化新方法。作者採用扭帶旋流片取代空心環，不僅可在殼程軸向流道的空隙率上保持原空心環的大空隙率優點，而且可使經過支承物的流體形成自旋流的流動狀態，從而可以發揮管間支承物的對流強化傳熱作用，以彌補空心環網板的不足之處。由於短扭帶旋流片在軸向的投影是一完整的圓，故對管束也可以起到良好的機械支承作用。作者已對該技術申請了國家發明專利，專利申請號為：04100516.7。
四、年產20萬噸硫酸轉化系統換熱器的設計比較
表1：轉化換熱器的配置方案比較
換熱器編號 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 總計
管程溫度(℃) 591.7～450 507～440 458～284.7 444.2～174
殼程溫度(℃) 281.5～430 344.4～430 100～283.5 80～346.4
換熱量(Kcal/h) 3.53×106 1.69×106 4.15×106 5.11×106
光滑管束換熱器 傳熱面積(m2) 1600 1400 1650 2×1900 8450
光滑管束換熱器 總重(噸) 87 80 88 2×98 451
急擴加速流換熱 器傳熱面積(m2) 1135 1035 987 2410 5567
急擴加速流換熱 器總重(噸) 51.4 47.5 52 99 249.9
註：光滑管束換熱器面積與重量為設備招標書所列參數。
作者以今年安徽省某企業新建年產20萬噸硫酸轉化系統氣體換熱器的配置方案作一比較。該轉化流程為二轉二吸3+1流程，換熱器為III I-IV
II配置，主風機來的SO2氣濃為8.5％，煙氣量為68109.4Nm3/h，各換的進出口溫度與熱負荷見表1所示。光滑管換熱器是採用了目前國內較先進的雙圓缺不布管的殼程結構，急擴加速流縮放管換熱器在I、II換是採用橫向沖刷的錯流型換熱器，III、IV換是採用旋流網板支承的殼程軸流式換熱器。
從上述換熱器的配置方案比較結果可看出，與目前國內較先進的光滑管換熱器相比，急擴急速流縮放管換熱器可節省傳熱面積約35％，降低設備總重量約45％，之所以急擴加速流縮放管換熱器較光滑管換熱器降低的設備重量比節省的傳熱面積還多，是因為雙圓缺不布管結構的換熱器傳熱管不是滿布的，空間利用率較低，殼體較大所致，而急擴加速流縮放管換熱器，無論是橫向沖刷的錯流型結構或是殼程軸流型結構，換熱器內傳熱管束都是滿布的，其空間的利用率較高，殼體較小。光滑管換熱器共需5台換熱器，其總壓降約9000Pa，而急擴加速流縮放管換熱器僅需4台，其總壓降僅6200Pa，比光滑管換熱器低約30％。由此比較結果可以看出急擴加速流縮放管換熱器比光滑管換熱器具有顯著的節能與降耗的優點。
[1].過增元，對流換熱的物理機制及控制：速度場與熱流場的協同，科學通報，2000，45(19)：2118～2122.
[2].陳穎，鄧先和，王楊君，粗糙肋面上湍流熱量傳遞中場協同關係的數值分析，化工學報，2003，54(8)：1055～1058.
鄧先和：教授，1982.7
畢業於廣州華南理工大學化學工程專業，1990.8獲華南理工大學化學工程博士學位。1982.8至今在華南理工大學化工與能源學院化工研究所工作，主要從事化工流體力學與傳熱強化技術的研究，以及超重力氣液傳質反應器的研究。1987年任講師，1990年任副教授，1993年任教授。
