液化醪流變特性及其在板式換熱器設計中的應用

陳洪濤(渭南師范學院化學與材料學院，陜西 渭南 714000)

1 相關理論概述

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)領域及化工領域的發(fā)展，中國液化醪發(fā)酵技術越來越成熟，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)濟發(fā)展并未注重環(huán)境保護問題，致使中國能源接近枯竭。據(jù)筆者調(diào)查研究顯示，中國相關領域研究人員已響應中國能源政策方向，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，故而近年來相關領域研究學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雜、多變的特征，若未能夠?qū)ζ淞髯兲匦赃M行合理的研究便直接使用，不僅會導致液化醪無法發(fā)揮其真正的功能與價值，同時也會導致設備無法正常運轉(zhuǎn)，甚至會損壞設備，故在使用液化醪前必須對其流體特性進行分析[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，隨著中國科學技術的發(fā)展，中國的換熱器設計不斷得到升級與優(yōu)化，現(xiàn)階段，在中國石油化工領域、食品加工領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，主要應用于液體-液體之間的換熱，其在中國工業(yè)領域占據(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，故而需要對其設計進行重新思考[3]。

2 將液化醪應用于板式換熱器設計中的重要意義

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、水平平直波紋板結構會導致通道內(nèi)流體流動的阻力增加，進而會導致流體無法發(fā)揮其良好的換熱功能，從而導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構緊湊，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)對主設備的良好降溫，保證主設備的正常運轉(zhuǎn)，同時也能夠確保主設備的運行安全。

但由于液化醪的流體特性很容易導致液化醪用寬通道焊接板式換熱器的傳熱效率受到影響，故而在進行液化醪用寬通道焊接板式換熱器的設計時，必須對液化醪流體特征進行分析，實現(xiàn)精確設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 實驗裝置

液化醪流變特性研究實驗的實驗裝置主要包括離心泵、醪液槽、電磁流量計、差壓傳送器、實驗管及電加熱裝置。首先，醪液經(jīng)過離心泵進入裝置系統(tǒng)當中，并經(jīng)由醪液槽順著實驗管流經(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，從而確保實驗結果的真實性，電加熱裝置是為了實現(xiàn)對溫度的精準控制，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，相關研究學者忽視了液化醪實驗過程中，試驗管會對液化醪產(chǎn)生壁面滑移，故而在本實驗的過程中，需要綜合考慮試驗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確。根據(jù)相關規(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，但實際上，液化醪為非牛頓液體，故而需要利用Mooney對其進行校正與修改，修改后的滑移速度為Vc。液化醪流體在試驗管內(nèi)真實的壁面剪切速率計算公式應如公式(2)所示：

式中：γw為真實壁面剪切速率。

根據(jù)相關規(guī)定要求，n的計算公式如公式(3)所示：

式中：L為測試段試驗管長度；D為試驗管內(nèi)徑；ΔP為測試段壓降。

3.3 液化醪真實流變特性分析

為了驗證試驗管壁面對液化醪流體特性是否會產(chǎn)生影響，故本實驗選取50 mm、40 mm、32 mm和19 mm 4個不同內(nèi)徑的試驗管，利用電加熱裝置將試驗管內(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計中的應用分析

4.1 板間距設計

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，故而在進行換熱器的設計時，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際使用性能。通常情況下，板間距設置為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置為20 mm。

4.2 長軸設計

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，則會到導致壓力損失增加，故而也需要對換熱器的長軸進行合理的設計。通常情況下，均會將長軸設置為300 mm，而此時通道數(shù)量為8個。

4.3 短軸設計

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，故而在實際進行短軸設計的過程中，需要綜合考慮短軸材料的使用性能及短軸的制造成本，合理的對短軸進行設計。

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，選取煙氣進口流速為6 m/s。

4.5 液化醪用寬通道焊接板結構設計

總體而言，板式換熱器主要由兩部分組成，分別為框架結構和金屬板片。框架結構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)定的運行，而金屬板片的作用為傳熱，液化醪通過金屬半片進行熱量傳遞。而在液化醪用寬通道焊接板式換熱器當中有兩個金屬板片，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 結語

綜上所述，液化醪在板式換熱器中具有十分重要的應用價值，而若想液化醪能夠良好地應用于板式換熱器中，就必須加強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，從而降低研究結果的誤差。同時，在進行板式換熱器的設計時，需要合理的設置板間距、短軸、長軸以及煙氣流速，以保證板式換熱器的使用性能。