液化醪流變特性研究及其在板式換熱器設(shè)計中的應(yīng)用

王新燕，張志凌，任立波，馬 銳

(1.上海板換機械設(shè)備有限公司，上海 201508；2.國投生物能源(大慶)有限公司，黑龍江 大慶 163000)

隨著國內(nèi)石油需求的進一步提高，以乙醇等替代能源為代表的能源供應(yīng)多元化戰(zhàn)略已成為中國能源政策的重要方向。國內(nèi)燃料乙醇的生產(chǎn)多采用發(fā)酵法，其中，生產(chǎn)過程中的醪液是一種典型的非牛頓流體，其流變特性復雜多變，組成、溫度和測量條件等因素均會對測量結(jié)果產(chǎn)生重要影響。醪液流變特性的研究已有報道，但這些研究均是在旋轉(zhuǎn)粘度計或毛細管粘度計上測量完成的[1-3]，通常未考慮壁面滑移因素的影響，實驗結(jié)果對醪液用工業(yè)設(shè)備的設(shè)計缺少指導意義。

由若干窩狀或柱狀波紋板片組成寬通道焊接板式換熱器，具有結(jié)構(gòu)緊湊，不易堵塞、傳熱效率高等優(yōu)點，是燃料乙醇生產(chǎn)過程中液化醪的主要溫降設(shè)備。但醪液復雜的流變特性對其輸運和傳熱過程產(chǎn)生了很大影響，使得人們至今難以精確設(shè)計醪液用寬通道焊接板式換熱器。

本文將以國投生物能源有限公司某液化醪用寬通道焊接板式換熱器為研究對象，首先采用流量-壓力降實驗確定玉米原料液化醪的真實流變特性；然后提出醪液用板式換熱器設(shè)計中流變特性數(shù)據(jù)的計算方法，并對該換熱器的設(shè)計數(shù)據(jù)與運行數(shù)據(jù)進行比對。

1 液化醪流變特性測試實驗及其本構(gòu)方程

1.1 實驗裝置

液化醪流變特性測試系統(tǒng)見圖1。實驗過程中，醪液由離心泵送入循環(huán)回路，經(jīng)電磁流量計、測試管路再送回醪液罐循環(huán)使用。在醪液罐中設(shè)有電加熱裝置，實驗過程中通過管路上的熱電阻進行控制反饋,實現(xiàn)對溫度的精準控制。流量改變通過調(diào)節(jié)離心泵的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。

1-離心泵；2-醪液槽；3-電磁流量計；4-差壓傳送器；5-實驗管；6-電加熱裝置

圖1 實驗裝置示意圖

1.2 實驗物料

實驗物料為由國投生物能源有限公司提供的液化醪，原料為玉米。

1.3 真實流變性的確定方法

假設(shè)液化醪在圓管內(nèi)穩(wěn)定層流狀態(tài)下的滑移流動方程如式(1)所示。

式中，左側(cè)的8V/D為總流量的表觀剪切速率；右側(cè)第一項為壁面滑移引起的表觀剪切速率；右側(cè)最后一項為無壁面滑移的表觀剪切速率，僅為壁面剪切力的函數(shù)。

根據(jù)非牛頓流體壁面滑移速度修正的Mooney理論，滑移速度Vs可由壁面剪切力通過Bagley標繪法[4]獲得，進而獲得Vc。然后將考慮壁面滑移影響后的各參數(shù)代入式(2)和式(3)，得到真實的壁面剪切速率γw。最后，通過τw和γw即可確定液化醪的真實本構(gòu)方程。

式中，L為測試段長度，D為管內(nèi)徑，ΔP為測試段壓降。

1.4 液化醪真實流變特性

92℃時不同管徑下的τw～8V/D關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可知，不同管徑的液化醪流動曲線并不重合，這是由壁面滑移在不同管徑下所引起的附加流動程度不同造成的。因此，各管徑下的流動曲線均不能代表液化醪的真實流變特性。

圖2 管徑對τw～8V/D關(guān)系曲線的影響

采用1.3中所述的方法即可確定液化醪的本構(gòu)方程，用Herschel-Bulkley模型描述：

2 醪液流變特性在寬通道焊接板式換熱器設(shè)計中的應(yīng)用

下邊箭頭為醪液流向，上邊箭頭為冷卻水走向

液化醪用寬通道焊接板式換熱器結(jié)構(gòu)如圖3所示。在該換熱器中，兩板片形成一板束，板片之間形成冷卻水流道，而板束周邊通過焊接密封形成醪液通道。因為板束間間距可調(diào)，所以非常適用于燃料乙醇、制糖、造紙、冶金、酒精、石油、化工等行業(yè)生產(chǎn)工藝中含有大量固體顆粒、纖維懸浮物，以及粘稠狀或高溫流體的加熱或冷卻。由于熱交換板片結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計，使傳熱效率及壓力損失優(yōu)于同工況條件下其它形式的熱交換設(shè)備，寬間隙流道內(nèi)流體流動順暢、無滯留、無死區(qū)，可有效防止流道堵塞現(xiàn)象發(fā)生。

將1.4中獲得的液化醪真實本構(gòu)方程轉(zhuǎn)化成計算機語言，采用計算流體力學數(shù)值模擬技術(shù)(Computational Fluid Dynamics, CFD)獲得寬通道焊接板式換熱器窩狀板波紋流道中液化醪的剪切速率和粘度分布云圖，分別如圖4所示。由圖4可知，不同于牛頓流體，液化醪在流動過程中的剪切速率和粘度并非處處相同。

圖4 窩狀板流道中液化醪的剪切速率和粘度分布云圖剖面圖(平均流速0.48m/s，92℃)

基于計算流體力學數(shù)值模擬技術(shù)，獲得平均流速與平均剪切速率之間的一一對應(yīng)關(guān)系。由醪液平均流速和平均溫度，通過醪液本構(gòu)方程，即可獲得設(shè)計條件下的表觀粘度，然后將該粘度用于醪液用寬通道焊接板式換熱器的熱工設(shè)計中。

3 工業(yè)運行實例

表1 液化醪用寬通道焊接板式換熱器的工藝參數(shù)

國投生物能源有限公司某液化醪用寬通道焊接板式換熱器的工藝運行參數(shù)如表1所示。液化醪側(cè)的平均剪切速率為137 s-1、平均溫度為74.85℃，此時，液化醪的表觀粘度為99.2 cP。采用該粘度數(shù)據(jù)設(shè)計的醪液壓降為29.8 kPa、所需傳熱面積為314 m2。由表1可知，醪液側(cè)壓降誤差和傳熱面積富裕量分別為+10.37%和-0.63%，設(shè)計數(shù)據(jù)與運行數(shù)據(jù)吻合良好。

4 總結(jié)

介紹了醪液的真實流變特性的測試實驗裝置和確定方法，獲得了玉米原料液化醪的真實流變特性，提出了醪液用換熱器設(shè)計中的流變數(shù)據(jù)的計算方法。將液化醪流變特性的修正數(shù)據(jù)用于寬通道焊接板式換熱器熱工設(shè)計中，設(shè)計數(shù)據(jù)與運行數(shù)據(jù)吻合良好，驗證了非牛頓流體理念在醪液用換熱器熱工設(shè)計中的適用性。