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硫酸生产转化系统的管壳式换热器数值模拟及优化设计

摘要

在各种工业流程和能源转换过程中，换热器是一种常见的设备，用于实现热能的传

递和转换。本文以提升硫酸生产转化系统中的换热器性能为目标，在研究过程中，以计

ComputationalFluidDynamicsCFD

算流体力学（，）软件为基础，对其进行换热分析并

结合分析结果对其进行优化设计。论文取得的主要研究成果如下：

（1）首先，利用三维建模软件构建了管壳式换热器的模型，并对部分结构进行简

化以提高仿真速度、节省计算成本。在模型建立过程中，为了更准确地模拟管内外实际

对流换热情况，以换热系数和压力降作为评价指标，对网格进行无关性检验，并将最佳

网格划分方案基于基准工况的仿真结果与实际数据进行比对，以验证误差范围，确保模

拟结果的准确性和可靠性。

（2）其次，采用数值模拟的方法，分析烟气流速和折流板缺口高度对管壳式换热

器换热效果的影响。该换热器一般运行工况的壳程流速在7~11m/s之间，研究结果显示，

随着烟气流速的增加，换热器的平均表面换热系数呈现出不断上升的趋势，但是烟气流

速的提升也增加了流动阻力，这在一定程度上影响了系统的整体效率；另外，折流板缺

口高度选取范围为0.2~0.5D，发现随着折流板缺口高度的增加，对流换热效果逐渐减弱，

且压力损失相应减小，这表明折流板缺口高度的变化也会对换热器性能产生影响。这些

发现为实际应用中提高管壳式换热器的性能提供了重要参考。

（3）最后，利用神经元遗传算法对换热器进行多目标优化，并结合Jacob’sFactor

JFK/Δp

（）因子和作为评价指标进行分析。结果显示，换热器综合效率存在波动变化，

研究发现管程流速也会对换热器综合性能产生影响，因此存在最佳烟气组合方案，使换

热器综合性能最佳。通过不同组合方案对比发现，当换热器折流板缺口高度设为0.4D，

管程的烟气流速设定为10m/s，壳程的烟气流速为7.5m/s时，换热器能够展现出最佳

的综合性能。

论文以企业产品的研发优化为背景，分析不同因素对其产生的影响，在控制成本的

基础上，通过对管壳式换热器的结构进行优化设计，为其提供了一种新的工况方案，以

提高其传热效率，减少能源消耗和节约能源成本，从而提高工业生产效率。

关键词：管壳式换热器；折流板；传热效率；遗传算法；优化设计

硫酸生产转化系统的管壳式换热器数值模拟及优化设计

Abstract

Invariousindustrialprocessesandenergyconversionsystems,heatexchangersare

commonlyemployedtofacilitatethetransferandtransformationofthermalenergy.This

paperfocusesontheheatexchangerswithinthesulfuricacidproductionconversionsystemof

anenterprise.Throughtheuseofcomputationalfluiddynamics(CFD)software,aheat

transferanalysiswasconducted,followedbyoptimizationoftheheatexchangerdesignbased

ontheanalysisresults.Themainresearchfindingsofthestudyareasfollows:

（1）Initially,athree-dimensionalmodelofashell-and-tubeheatexchangerwas

constructedusingmodelingsoftware,withcertainstructuralsimplificationsmadetoenhance

simulationspeedandreducecomputationalcosts