燃磷塔膜式水冷壁翅片温度的数值模拟.pdf

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1、第37卷第5期化工机械60l燃磷塔膜式水冷壁翅片温度的数值模拟卢婷婷4阚绪恒王政伟(常州大学)摘要使用CFD软件，通过求解能量方程，对不同宽度的翅片表面及内部的温度场进行数值模拟，确定翅片内壁面中心的最高温度，从而得出翅片的最大允许宽度，可有效避免特种燃磷塔翅片的腐蚀问题。关键词燃磷塔翅片腐蚀温度场数值模拟中图分类号TQ051．5文献标识码A文章编号0254．6094(20lO)05毋601—04特种燃磷塔可高效回收热法磷酸生产过程中磷燃烧产生的热量，其特点是将磷燃烧塔与余热回收装置进行整体设计，其中余热回收装置采用膜式换热器的结构。在燃磷塔的运行过程中，黄磷与

2、空气燃烧后产生的P：0，气体与空气带来的水蒸气结合成聚磷酸化合物，并凝结固化在温度较低的金属壁面上，起到保护金属壁面不受高温P：O，气体的强腐，当金属的表面温度越低，保护层越厚，起到的保护作用越强。经测试保护层聚磷酸化合物是一种复杂的化合物，没有固定的熔点，根据静态测试其主要成分的熔点为490℃，590℃开始挥发，633℃完全挥发⋯。在实际生产过程中，为了减轻较高温工艺气体的对壁面腐蚀，关键是通过有效控制塔内壁面的温度，温度太高则不易形成具有防腐作用的结膜物，且降低了热回收效率。燃磷塔内部的高温烟气主要是以辐射换热的方式把热量传给膜式壁面，上升管内的汽水混合物与

3、管内壁对流换热吸收热量而使管壁温度降低，因而膜式壁面的最高温度区域位于两根上升管之间的翅片的中心处。在一定的燃磷塔内，当燃磷量增加时，且翅片离水冷壁管的距离越远，翅片的温度就越高。计算流体动力学(cFD)的发展为工程方案优化设计提供了有力的工具，使用计算机进行模拟分析和优化设计具有时间短、成本低、灵活性好以及可操作性强等优点旧1。通过nuent软件，对不同宽度的翅片表面及内部的温度场进行数值模拟，确定翅片内壁面中心的最高温度，得出翅片的最大允许宽度，为燃磷塔水冷壁的设计提供可靠的参考数据，从而可有效避免特种燃磷塔翅片的腐蚀问题。1几何模型由于腐蚀问题发生在膜式壁

4、面的温度最高处，没有必要将整个燃烧塔的水冷壁建模，只需将上升管之间的翅片(图1)建模。图1特种燃磷塔的膜式水冷壁上升管均匀布置，所有翅片宽度相同且翅片很长，故将翅片截取一段并用前处理软件Gambit·卢婷婷，女，1983年8月生，硕士研究生。江苏省常州市，213016。602化工机械2010年建模(图2)。翅片材料采用316L钢，其密度为7930kg／m3，平均定压比热容为502．48J／(kg·K)，导热系数为16．27w／(m·K)。图2翅片宽度为30mm的几何模型2网格生成几何模型较简单，故采用结构化网格技术，网格形状为正六面体，运用Gambit生成网格。

5、笔者对不同宽度的翅片做了6次模拟，选择其中两次具有代表性的数据，宽度为27、33mm的翅片对应的网格数分别为43200、52800，网格划分如图3所示。图3宽度为30mm的翅片网格3边界条件该计算模型的边界条件设定如下：a．内壁面为加热面，主要受到燃烧塔内高温烟气的辐射换热和对流换热，但对流换热占整个热流量的比例很小，通常忽略不计，故假设只有辐射换热，辐射温度为燃磷塔内火焰平均温度，由塔内辐射换热算出，在这里为1540K，黑度为0．688旧’。b．外壁面与环境空气对流换热，环境温度为300K，对流换热系数取经验数据为50W，／(m2·K)。c．左右两侧与上升管相

6、连的面为传热面，上升管内的汽水混合物吸收大量的热量，使上升管的温度下降，从而降低翅片温度。根据计算和经验，工质在一定压力下的饱和温度加上管内壁对流传热温差(一般20℃左右)，再加上管壁厚度的十倍数值，即为管壁和翅片的交界面温度，取值为553K。d．上下两侧为绝热面，Fluent会自动默认为waU，将会作绝热处理。4计算控制H1采用隐式、稳定和非耦合的求解方法计算能量方程，求解时给定边界条件进行迭代计算，计算结果为迭代150次。能量方程为：pc，(H警+t，舅+埘警)=击(K。。芸)+刍卜舅)+去卜期求解的方式有两种：分离求解和耦合求解，后者是对于分析两种不同的方

7、程之间的相互影响，如流固耦合等，本研究只涉及传热，而不牵扯耦合等问题，故在本文中采用分离式求解器。初始化时，保持面板中的缺省值不变。因为固体热传导，对流换热以边界条件方式处理，故菇、)，、z方向的速度为0。本模拟计算中，残差准则为收敛，且在实验过程中能量收敛可信残差值定为10～。5计算结果宽度分别为27、33mm的翅片表面及内部的温度场如图4、5所示。图4宽度为27mm的翅片表面及内部温度分布图5宽度为33mm的翅片表面及内部温度分布由图4，5可知，翅片的温度由内到外、由中间第37卷第5期化工机械603到两边都是逐渐降低的，其中中间为深色区域，温度很高；向外逐渐

8、变成两块浅色区域，温度较