螺紋管對糖蜜酒精廢液傳熱過程強化的實驗與數值模擬研究*

閆顯輝，陳 礪，李志斌，邱舜國，嚴宗誠，林 海，鐘 平

(1 華南理工大學化學與化工學院，廣東 廣州 510640；2 湛江粵海機器有限公司，廣東 湛江 524500)

甘蔗是一種在我國南方大面積種植的重要經濟作物，是生產蔗糖的主要原料。在甘蔗制糖過程中，糖液經濃縮析出結晶糖后，會產生一種黏稠、黑褐色、呈半流動的殘留液，這種殘留液被稱為廢糖蜜，是甘蔗糖業中最大的副產物[1]。將廢糖蜜用于生產酒精，既可以解決廢糖蜜的處理問題，又為酒精的生產提供了優質原料，是可再生生物質資源循環利用的成功范例[2]。以廢糖蜜為原料生產酒精的過程會產生大量高COD、高色度、高黏度、高Brix廢液，其處理難度大，已成為限制該工藝生存與發展的關鍵因素。

針對糖蜜酒精廢液處理的難題，國內外的研究者經過不斷的探索，總結出農田灌溉法、生化處理法、濃縮法、催化氧化法等處理方法。其中，濃縮焚燒法采用多效蒸發技術對廢液進行濃縮，當其熱值達到某一數值后送入專用的焚燒爐焚燒，所產生的熱能可供蒸發濃縮過程使用，灰分可用作肥料[3]。與其他方法相比，濃縮焚燒法能夠有效地處理糖蜜酒精廢液，實現廢液的近零排放，是業界比較推崇的治理方法。但是，糖蜜酒精廢液的高黏度物性直接影響其在換熱元件表面的流體力學和傳熱性能，導致蒸發濃縮過程較大的傳熱阻力和較低的傳熱效率，形成制約該技術大范圍應用的瓶頸[4]。

本文針對糖蜜酒精廢液的特性，提出采用螺紋管作為換熱元件對過程進行強化。通過單管傳熱強化實驗平臺，以傳統的光滑管作為參照物，在近似生產工況下對不同管參數的螺紋管的強化傳熱性能進行對比研究。通過CFD軟件群的Fluent軟件對糖蜜酒精廢液在螺紋管表面的流動和傳熱狀況進行數值模擬，分析其溫度及流速分布情況，探索螺紋管用于糖蜜酒精廢液蒸發濃縮的強化傳熱機理。

1 實驗與模擬

1.1 實驗用糖蜜酒精廢液

本實驗使用的糖蜜酒精廢液為廣東省某糖廠酒精車間經沉淀的初餾塔塔底排出廢液。其物性如表1所示。

表1 實驗用糖蜜酒精廢液物性參數

1.2 實驗用螺紋管

綜合考慮不同管型的傳熱強化特性及效果，本文采用螺紋管作為傳熱強化管型。實驗用螺紋管是由機床軋制而成的具有外表面螺紋凹槽、內表面螺紋凸肋的碳素鋼異形管。考慮到不同管參數對流動阻力和傳熱強化效果的響應，本文選用15 mm、25 mm和35 mm三種螺紋間距。換熱管參數及示意圖如表2和圖1所示。

表2 換熱管參數

圖1 換熱管示意圖

1.3 單管傳熱強化實驗平臺

單管傳熱強化實驗平臺如圖2所示。

圖2 單管傳熱強化實驗平臺示意圖

廢液貯存于儲液罐a1中，經螺桿泵a2推動、橢圓齒輪流量計a3計量流量，流經預熱器a4，在換熱管a5中與加熱套管a6中的蒸汽進行換熱，完成換熱后的廢液流入敞口的排氣管a7中進行蒸發，經冷卻器a8冷卻后回到儲液罐a1。實驗采用電熱鍋爐b1產生蒸汽作為熱載體，由附帶測溫熱電偶的渦街流量計b2測量蒸汽的溫度和流量。換熱段外殼覆蓋有保溫棉，其溫度數據采集由系統c負責。該系統使用經過二級標準水銀溫度計標定的銅-康銅熱電偶，熱電偶的電動勢信號采用高精度的毫伏電壓表(0.001 mV)采集并由計算機實時記錄和處理。

1.4 CFD數值模擬

基于“CFD計算機軟件群”概念的Fluent軟件，能夠針對流體的物理問題，選用合適的數學解法進行高效可靠的求解[5]。CFD軟件群包括不同領域流動計算的軟件，可以計算解決流場、傳熱和化學反應等領域中的問題，具有非常好的通用性[6]。本文選用Fluent軟件對過程進行模擬計算，以求獲得糖蜜酒精廢液在螺紋管中的流動及傳熱狀況，據此分析強化傳熱機理，為工業化廢水處理工藝和蒸發裝置的優化設計提供參考。Fluent軟件的模擬流程如圖3所示[7]。

圖3 Fluent軟件模擬流程示意圖

2 結果與討論

2.1 實驗平臺的可靠性檢驗

在利用單管傳熱強化實驗平臺進行不同螺紋管的傳熱強化實驗之前，首先驗證平臺的可靠性。空白實驗以水為工質、光滑管為換熱元件，將實驗數據與成熟經驗公式的計算結果相比較，檢驗平臺的可靠性。

空白實驗所采用的光滑管基本數據與螺紋管保持一致，其外徑為42 mm，壁厚為3 mm，加熱段長度為1 m，內外表面光滑。采用經典的流體力學與傳熱學Dittus-Boelter公式計算結果作為參照，如式(1)所示。

Nu=0.023Re0.8Pr0.4

(1)

式中：Nu——努賽爾數

di——換熱管內徑，m

u——管內流體的流速，m·s-1

ρ——流體的密度，kg·m-3

μ——流體的黏度，Pa·s

Cp——流體的比熱容，J·kg-1·K-1

λ——流體的熱導率，W·m-1·K-1

將Dittus-Boelter式的計算結果與實驗值比較，結果如圖4所示。由圖可以看出，實驗值與計算值的相對誤差在8%以內，屬于工程允許誤差范圍，證明實驗平臺和實驗方法可靠，實驗結果可信。

圖4 水在光滑管中傳熱實驗Nu值與Dittus-Boelter經驗公式Nu值

2.2 糖蜜酒精廢液在光滑管和螺紋管中的傳熱實驗

本實驗以光滑管作為換熱元件、Brix=25的糖蜜酒精廢液為工質，模擬工業蒸發器的操作參數進行傳熱實驗研究。分別以三種不同管參數的螺紋管替換光滑管，在相同條件下進行傳熱實驗，與光滑管的實驗結果進行對比，并考察不同螺紋間距對傳熱強化效果的影響。

努賽爾數Nu是評價傳熱狀況的特征無因次數群。對于高黏度的糖蜜酒精廢液，其強制對流傳熱努賽爾數如式(2)所示。

(2)

式中：Nu——努賽爾數

ai——管內對流傳熱系數，W·m-2·K-1

di——換熱管內徑，m

λ——流體的熱導率，W·m-1·K-1。

光滑管和不同螺紋間距的螺紋管的Nu值如圖5所示。

圖5 糖蜜酒精廢液在光滑管和不同螺紋間距的螺紋管中傳熱得到的Nu值

在Re=198～456的范圍內，糖蜜酒精廢液屬于層流流型。由圖5可以看出，努賽爾數Nu隨著雷諾數Re的增加而增大。說明隨著流速的增加，糖蜜酒精廢液在換熱管內壁的擾動增加，熱阻減小，導致管內對流傳熱系數增大。

由圖5可知，相對于光滑管，螺紋間距最大(35 mm)的螺紋管的努賽爾數Nu提高了20%，說明螺紋管管型對高黏度的糖蜜酒精廢液有明顯的傳熱強化效果。這是因為當廢液流體在管內流動時，受螺紋管內表面螺紋凸肋的引導，靠近壁面的部分流體質點產生流向、流速變化，甚至出現渦漩等擾動，有利于減小熱阻。同時，沿螺紋旋轉的流股與沿軸向流動的流體主體間產生剪切作用，加快了壁面區域流體與主流體的質量與熱量交換。同時，螺紋管管外為水蒸汽放熱冷凝，螺旋狀凹槽成為了排除冷凝液的通道，從而減薄了冷凝液膜的厚度，提高了冷凝換熱系數。因此，管內管外的傳熱同時得到了強化，使得總傳熱系統有較大提高。

從圖5還可以看出，對比螺紋間距分別為15 mm、25 mm和35 mm的螺紋管，努賽爾數Nu隨著螺紋間距的減小而增大，傳熱效果增強。這是因為隨著螺紋間距的減小，管壁面上的螺紋數量增加，加強了對管內流體的擾動，增強了傳熱強化效果。

2.3 糖蜜酒精廢液傳熱的數值模擬

本文利用Fluent軟件對糖蜜酒精廢液在螺紋管中的傳熱過程進行數值模擬，以深入研究其流動狀況及傳熱機理。

2.3.1 網格的生成

為了解決復雜區域內的各種求解問題，將區域劃分為網格是計算的一個關鍵步驟，網格生成的質量的好壞直接影響計算過程的效率以及結果的精度[8-9]。本文采用非結構化網格生成技術中的平面三角形自動生成網格技術對單管換熱模型進行網格生成，生成網格如圖6所示。

由圖6可知，模型各個界面被網格均勻劃分，且在不同界面的連接處以及一些特殊界面例如螺紋管表面的凹槽處，都生成了密集的網格以確保結果的精度。

圖6 螺紋管單管換熱模型網格示意圖

2.3.2 模型的可靠性驗證

為了確保所建立的模型的可靠性，使其準確地重現螺紋管內所發生的物理現象，將Nu的模擬計算值與實驗值進行比較，結果如圖7所示。可以看出，兩者間的相對誤差小于10%，說明模型可靠、可用。

圖7 模型計算得到的和實驗所得到的Nu值

2.3.3 流體的溫度場分布

Fluent模擬殼程蒸汽加熱管內流體的換熱器時，由于蒸汽在換熱管管外冷凝相變的情形較為復雜，模擬過程難以收斂[10]。綜合考慮各方面因素，本文假設殼程蒸汽具有恒定溫度，據此進行建模和運算。糖蜜酒精廢液流經換熱管時的溫度分布云圖如圖8所示。

圖8 換熱器溫度分布云圖

由圖8可以看出，糖蜜酒精廢液在流經換熱管時，靠近管壁的液層先被加熱，熱流逐漸向中心擴散，直至管內流體被均勻加熱。其中，在換熱器有效換熱段出口處，溫度分布云圖如圖9所示。由圖9可知，在螺紋管的管內凸肋處，管內廢液的傳熱邊界層變薄，熱阻減小，起到了強化傳熱的效果。

圖9 管內流體溫度分布云圖

2.3.4 流體的速度場分布

在換熱段，流體的速度分布矢量圖如圖10所示。

圖10 流體的速度分布矢量圖

圖10顯示糖蜜酒精廢液受換熱管內表面凸肋的引導，流體質點運動的速度和方向在凸肋附近區域有較大變化，甚至出現接近徑向的脈動。這種現象增強了管壁內表面流體擾動，有利于將熱量由管壁向流體主流傳導。模擬結果直觀地顯示出螺紋管對高黏度流體在低雷諾數Re下流動和傳熱過程的影響，科學地解釋了螺紋管的強化傳熱機理，印證了實驗結果。

3 結 論

通過實驗研究和數值模擬，本文得到以下結論。

(1)通過對糖蜜酒精廢液在光滑管與螺紋管傳熱實驗中得到的Nu值進行對比，可以看出，螺紋間距為35 mm的螺紋管相對于光滑管，其Nu提升了20%。螺紋管型可有效地強化高黏度流體在低雷諾數Re下流動的傳熱過程，效果顯著。

(2)對螺紋間距分別為15 mm、25 mm和35 mm的螺紋管分別進行傳熱實驗，結果證明，隨著螺紋間距的減小，其Nu增大，傳熱強化效果增強。

(3)采用Fluent軟件對實驗過程進行數值模擬。結果顯示，在螺紋管內表面，流體質點在凸肋及附近區域流向及流速發生較大變化，對層流流動形態產生了較強的擾動，有利于將壁面處的熱量向流體中心區域傳導。同時，螺紋管外管壁上的凹槽促進了水蒸汽冷凝液膜的減薄及排除，強化了管外傳熱過程。數值模擬結果直觀地重現了螺紋管對高黏度流體在低雷諾數Re下流動和傳熱的影響，印證了實驗結果，合理地解釋了傳熱強化機理。