液化醪流變特性及其在板式換熱器設(shè)計中的應(yīng)用

陳洪濤(渭南師范學(xué)院化學(xué)與材料學(xué)院，陜西 渭南 714000)

1 相關(guān)理論概述

1.1 液化醪概述

液化醪是利用乙醇液體發(fā)酵而產(chǎn)生的一種非牛頓流體?，F(xiàn)階段，隨著中國社會工業(yè)領(lǐng)域及化工領(lǐng)域的發(fā)展，中國液化醪發(fā)酵技術(shù)越來越成熟，同時，我國社會的發(fā)展對能源的需求越來越大，但由于傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展并未注重環(huán)境保護(hù)問題，致使中國能源接近枯竭。據(jù)筆者調(diào)查研究顯示，中國相關(guān)領(lǐng)域研究人員已響應(yīng)中國能源政策方向，研究能夠代替石油使用性能的新能源，經(jīng)研究表明，液化醪這種由植物提取出來的非牛頓液體不僅能夠代替石油成為新能源物質(zhì)，且具備環(huán)保的特性，故而近年來相關(guān)領(lǐng)域研究學(xué)者對液化醪的研究越來越深入，其中，最為重要的便是液化醪的流變特性[1]。

據(jù)筆者調(diào)查研究顯示，液化醪的流變特性具有復(fù)雜、多變的特征，若未能夠?qū)ζ淞髯兲匦赃M(jìn)行合理的研究便直接使用，不僅會導(dǎo)致液化醪無法發(fā)揮其真正的功能與價值，同時也會導(dǎo)致設(shè)備無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至?xí)p壞設(shè)備，故在使用液化醪前必須對其流體特性進(jìn)行分析[2]。

1.2 板式換熱器概述

換熱器是一種將熱能從一種介質(zhì)傳遞到另一種介質(zhì)的裝置，就目前情況而言，隨著中國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，中國的換熱器設(shè)計不斷得到升級與優(yōu)化，現(xiàn)階段，在中國石油化工領(lǐng)域、食品加工領(lǐng)域等均會使用到換熱器，其主要功能為將低溫流體加熱或?qū)⒏邷亓黧w冷卻。板式換熱器是一種金屬材質(zhì)的換熱器，其屬于間壁式換熱器，是現(xiàn)階段換熱器常見的一種類型，主要應(yīng)用于液體-液體之間的換熱，其在中國工業(yè)領(lǐng)域占據(jù)著十分重要的地位。但板式換熱器存在換熱效率低、使用成本高及占地面積大的劣勢，故而需要對其設(shè)計進(jìn)行重新思考[3]。

2 將液化醪應(yīng)用于板式換熱器設(shè)計中的重要意義

總體而言，板式換熱器主要分為三種，分別為人字形波紋板、水平平直波紋板及瘤形板，但由于人字形波紋板、水平平直波紋板結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致通道內(nèi)流體流動的阻力增加，進(jìn)而會導(dǎo)致流體無法發(fā)揮其良好的換熱功能，從而導(dǎo)致板式換熱器的換熱效率較差。但由干窩狀或柱狀波紋板組成的寬通道焊接板式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，其使用性能良好，且流體的流通通道較寬，不易發(fā)生堵塞，同時便于流體流動，這也就說明流體的傳熱性能較好，而在該通道內(nèi)使用液化醪，能夠?qū)崿F(xiàn)對主設(shè)備的良好降溫，保證主設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時也能夠確保主設(shè)備的運(yùn)行安全。

但由于液化醪的流體特性很容易導(dǎo)致液化醪用寬通道焊接板式換熱器的傳熱效率受到影響，故而在進(jìn)行液化醪用寬通道焊接板式換熱器的設(shè)計時，必須對液化醪流體特征進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)精確設(shè)計液化醪用寬通道焊接板式換熱器，從而提升液化醪用寬通道焊接板式換熱器的使用價值[4]。

3 液化醪流變特性研究

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

液化醪流變特性研究實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置主要包括離心泵、醪液槽、電磁流量計、差壓傳送器、實(shí)驗(yàn)管及電加熱裝置。首先，醪液經(jīng)過離心泵進(jìn)入裝置系統(tǒng)當(dāng)中，并經(jīng)由醪液槽順著實(shí)驗(yàn)管流經(jīng)電磁流量計及測試管路，差壓傳動器的主要功能為調(diào)節(jié)測試管路內(nèi)部醪液的壓強(qiáng)，從而確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性，電加熱裝置是為了實(shí)現(xiàn)對溫度的精準(zhǔn)控制，最大程度上減少溫度對液化醪流體特征的影響。

3.2 真實(shí)流變性的確定方法

由于在傳統(tǒng)液化醪流體特性的研究過程中，相關(guān)研究學(xué)者忽視了液化醪實(shí)驗(yàn)過程中，試驗(yàn)管會對液化醪產(chǎn)生壁面滑移，故而在本實(shí)驗(yàn)的過程中，需要綜合考慮試驗(yàn)管壁面對液化醪流體產(chǎn)生的滑移，利用Mooney理論綜合分析滑移速度，從而促使對液化醪流體特性的研究更為準(zhǔn)確。根據(jù)相關(guān)規(guī)定要求，液化醪在管內(nèi)穩(wěn)定層流狀態(tài)下的滑移流動方程如公式(1)所示：

式中：8V5/D為壁面滑移引起的表觀剪切速率，即試驗(yàn)管內(nèi)壁對液化醪流體移動速度產(chǎn)生的作用力；為無壁面滑移的表觀剪切速率，即試驗(yàn)管內(nèi)壁并未對液化醪流體的流動產(chǎn)生影響；8V/D為液化醪在管內(nèi)穩(wěn)定層流狀態(tài)下的總滑移流動，也可稱之為總流量的表觀剪切速率，而液化醪在管內(nèi)總流量的表觀剪切速率主要由以上兩部分作用力共同組成。上述公式為理論狀態(tài)下的液化醪在管內(nèi)穩(wěn)定層流狀態(tài)下的滑移流動計算方程，但實(shí)際上，液化醪為非牛頓液體，故而需要利用Mooney對其進(jìn)行校正與修改，修改后的滑移速度為Vc。液化醪流體在試驗(yàn)管內(nèi)真實(shí)的壁面剪切速率計算公式應(yīng)如公式(2)所示：

式中：γw為真實(shí)壁面剪切速率。

根據(jù)相關(guān)規(guī)定要求，n的計算公式如公式(3)所示：

式中：L為測試段試驗(yàn)管長度；D為試驗(yàn)管內(nèi)徑；ΔP為測試段壓降。

3.3 液化醪真實(shí)流變特性分析

為了驗(yàn)證試驗(yàn)管壁面對液化醪流體特性是否會產(chǎn)生影響，故本實(shí)驗(yàn)選取50 mm、40 mm、32 mm和19 mm 4個不同內(nèi)徑的試驗(yàn)管，利用電加熱裝置將試驗(yàn)管內(nèi)溫度控制在92 ℃，利用電磁流量計檢測不同管徑下，液化醪在管內(nèi)穩(wěn)定層流狀態(tài)下的總滑移流動速率，管徑與液化醪在管內(nèi)穩(wěn)定層流狀態(tài)下的總滑移流動速率之間的關(guān)系。不同管徑下，液化醪在管內(nèi)穩(wěn)定層流狀態(tài)下的總滑移流動速率也不相同，由此可見，試驗(yàn)管內(nèi)壁將會對液化醪的流體特性產(chǎn)生影響，通常是管徑越高，管內(nèi)穩(wěn)定層流狀態(tài)下的總滑移流動速率也就越大。

4 液化醪流變特性及其在板式換熱器設(shè)計中的應(yīng)用分析

4.1 板間距設(shè)計

通過研究發(fā)現(xiàn)，板式換熱器中的板間距對換熱器換熱性能有著直接的影響，通常情況下，板間距越小，液體在內(nèi)部流通的速度越快，故其換熱性能也就越佳，同時，當(dāng)液體在內(nèi)部流通速度較快時，產(chǎn)生的壓力損失也就越大，故而在進(jìn)行換熱器的設(shè)計時，需要綜合考慮壓力損失與熱量傳遞性能，以確保板式換熱器的實(shí)際使用性能。通常情況下，板間距設(shè)置為20 mm時為最佳，故在本文研究的液化醪用寬通道焊接板式換熱器中將板間距設(shè)置為20 mm。

4.2 長軸設(shè)計

長軸是板式換熱器的重要組成部分，且據(jù)筆者調(diào)查研究顯示，長軸越小的換熱器通道越多，而此時換熱量越大，故其換熱性能也就越好，但如果長軸距離過小，則會到導(dǎo)致壓力損失增加，故而也需要對換熱器的長軸進(jìn)行合理的設(shè)計。通常情況下，均會將長軸設(shè)置為300 mm，而此時通道數(shù)量為8個。

4.3 短軸設(shè)計

據(jù)筆者調(diào)查研究顯示，板式換熱器的短軸越小，換熱性能越佳且壓力損失越小，故而在實(shí)際進(jìn)行短軸設(shè)計的過程中，需要綜合考慮短軸材料的使用性能及短軸的制造成本，合理的對短軸進(jìn)行設(shè)計。

4.4 煙氣流速分析

隨著煙氣流速的增大，換熱量增大，壓力損失同時增加。計算綜合性能指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，煙氣流速越大，換熱器綜合性能越好。但過大的煙氣流速可能會導(dǎo)致?lián)Q熱時間不足，煙氣不能充分冷卻，排煙溫度過高，因此，選取煙氣進(jìn)口流速為6 m/s。

4.5 液化醪用寬通道焊接板結(jié)構(gòu)設(shè)計

總體而言，板式換熱器主要由兩部分組成，分別為框架結(jié)構(gòu)和金屬板片。框架結(jié)構(gòu)的主要作用是支撐整個換熱器的重量，確保換熱器能夠穩(wěn)定的運(yùn)行，而金屬板片的作用為傳熱，液化醪通過金屬半片進(jìn)行熱量傳遞。而在液化醪用寬通道焊接板式換熱器當(dāng)中有兩個金屬板片，兩個金屬板片束成一個大的金屬板片，且在兩個板片之間需要留有一定的間距形成冷卻水流道。

5 結(jié)語

綜上所述，液化醪在板式換熱器中具有十分重要的應(yīng)用價值，而若想液化醪能夠良好地應(yīng)用于板式換熱器中，就必須加強(qiáng)對液化醪流體特性的研究，綜合考慮管體內(nèi)壁壁面對液化醪流體產(chǎn)生的滑移速度，從而降低研究結(jié)果的誤差。同時，在進(jìn)行板式換熱器的設(shè)計時，需要合理的設(shè)置板間距、短軸、長軸以及煙氣流速，以保證板式換熱器的使用性能。