液化醪流变特性及其在板式换热器设计中的应用

陈洪涛(渭南师范学院化学与材料学院，陕西 渭南 714000)

1 相关理论概述

1.1 液化醪概述

液化醪是利用乙醇液体发酵而产生的一种非牛顿流体。现阶段，随着中国社会工业领域及化工领域的发展，中国液化醪发酵技术越来越成熟，同时，我国社会的发展对能源的需求越来越大，但由于传统经济发展并未注重环境保护问题，致使中国能源接近枯竭。据笔者调查研究显示，中国相关领域研究人员已响应中国能源政策方向，研究能够代替石油使用性能的新能源，经研究表明，液化醪这种由植物提取出来的非牛顿液体不仅能够代替石油成为新能源物质，且具备环保的特性，故而近年来相关领域研究学者对液化醪的研究越来越深入，其中，最为重要的便是液化醪的流变特性[1]。

据笔者调查研究显示，液化醪的流变特性具有复杂、多变的特征，若未能够对其流变特性进行合理的研究便直接使用，不仅会导致液化醪无法发挥其真正的功能与价值，同时也会导致设备无法正常运转，甚至会损坏设备，故在使用液化醪前必须对其流体特性进行分析[2]。

1.2 板式换热器概述

换热器是一种将热能从一种介质传递到另一种介质的装置，就目前情况而言，随着中国科学技术的发展，中国的换热器设计不断得到升级与优化，现阶段，在中国石油化工领域、食品加工领域等均会使用到换热器，其主要功能为将低温流体加热或将高温流体冷却。板式换热器是一种金属材质的换热器，其属于间壁式换热器，是现阶段换热器常见的一种类型，主要应用于液体-液体之间的换热，其在中国工业领域占据着十分重要的地位。但板式换热器存在换热效率低、使用成本高及占地面积大的劣势，故而需要对其设计进行重新思考[3]。

2 将液化醪应用于板式换热器设计中的重要意义

总体而言，板式换热器主要分为三种，分别为人字形波纹板、水平平直波纹板及瘤形板，但由于人字形波纹板、水平平直波纹板结构会导致通道内流体流动的阻力增加，进而会导致流体无法发挥其良好的换热功能，从而导致板式换热器的换热效率较差。但由干窝状或柱状波纹板组成的宽通道焊接板式换热器结构紧凑，其使用性能良好，且流体的流通通道较宽，不易发生堵塞，同时便于流体流动，这也就说明流体的传热性能较好，而在该通道内使用液化醪，能够实现对主设备的良好降温，保证主设备的正常运转，同时也能够确保主设备的运行安全。

但由于液化醪的流体特性很容易导致液化醪用宽通道焊接板式换热器的传热效率受到影响，故而在进行液化醪用宽通道焊接板式换热器的设计时，必须对液化醪流体特征进行分析，实现精确设计液化醪用宽通道焊接板式换热器，从而提升液化醪用宽通道焊接板式换热器的使用价值[4]。

3 液化醪流变特性研究

3.1 实验装置

液化醪流变特性研究实验的实验装置主要包括离心泵、醪液槽、电磁流量计、差压传送器、实验管及电加热装置。首先，醪液经过离心泵进入装置系统当中，并经由醪液槽顺着实验管流经电磁流量计及测试管路，差压传动器的主要功能为调节测试管路内部醪液的压强，从而确保实验结果的真实性，电加热装置是为了实现对温度的精准控制，最大程度上减少温度对液化醪流体特征的影响。

3.2 真实流变性的确定方法

由于在传统液化醪流体特性的研究过程中，相关研究学者忽视了液化醪实验过程中，试验管会对液化醪产生壁面滑移，故而在本实验的过程中，需要综合考虑试验管壁面对液化醪流体产生的滑移，利用Mooney理论综合分析滑移速度，从而促使对液化醪流体特性的研究更为准确。根据相关规定要求，液化醪在管内稳定层流状态下的滑移流动方程如公式(1)所示：

式中：8V5/D为壁面滑移引起的表观剪切速率，即试验管内壁对液化醪流体移动速度产生的作用力；为无壁面滑移的表观剪切速率，即试验管内壁并未对液化醪流体的流动产生影响；8V/D为液化醪在管内稳定层流状态下的总滑移流动，也可称之为总流量的表观剪切速率，而液化醪在管内总流量的表观剪切速率主要由以上两部分作用力共同组成。上述公式为理论状态下的液化醪在管内稳定层流状态下的滑移流动计算方程，但实际上，液化醪为非牛顿液体，故而需要利用Mooney对其进行校正与修改，修改后的滑移速度为Vc。液化醪流体在试验管内真实的壁面剪切速率计算公式应如公式(2)所示：

式中：γw为真实壁面剪切速率。

根据相关规定要求，n的计算公式如公式(3)所示：

式中：L为测试段试验管长度；D为试验管内径；ΔP为测试段压降。

3.3 液化醪真实流变特性分析

为了验证试验管壁面对液化醪流体特性是否会产生影响，故本实验选取50 mm、40 mm、32 mm和19 mm 4个不同内径的试验管，利用电加热装置将试验管内温度控制在92 ℃，利用电磁流量计检测不同管径下，液化醪在管内稳定层流状态下的总滑移流动速率，管径与液化醪在管内稳定层流状态下的总滑移流动速率之间的关系。不同管径下，液化醪在管内稳定层流状态下的总滑移流动速率也不相同，由此可见，试验管内壁将会对液化醪的流体特性产生影响，通常是管径越高，管内稳定层流状态下的总滑移流动速率也就越大。

4 液化醪流变特性及其在板式换热器设计中的应用分析

4.1 板间距设计

通过研究发现，板式换热器中的板间距对换热器换热性能有着直接的影响，通常情况下，板间距越小，液体在内部流通的速度越快，故其换热性能也就越佳，同时，当液体在内部流通速度较快时，产生的压力损失也就越大，故而在进行换热器的设计时，需要综合考虑压力损失与热量传递性能，以确保板式换热器的实际使用性能。通常情况下，板间距设置为20 mm时为最佳，故在本文研究的液化醪用宽通道焊接板式换热器中将板间距设置为20 mm。

4.2 长轴设计

长轴是板式换热器的重要组成部分，且据笔者调查研究显示，长轴越小的换热器通道越多，而此时换热量越大，故其换热性能也就越好，但如果长轴距离过小，则会到导致压力损失增加，故而也需要对换热器的长轴进行合理的设计。通常情况下，均会将长轴设置为300 mm，而此时通道数量为8个。

4.3 短轴设计

据笔者调查研究显示，板式换热器的短轴越小，换热性能越佳且压力损失越小，故而在实际进行短轴设计的过程中，需要综合考虑短轴材料的使用性能及短轴的制造成本，合理的对短轴进行设计。

4.4 烟气流速分析

随着烟气流速的增大，换热量增大，压力损失同时增加。计算综合性能指标发现，烟气流速越大，换热器综合性能越好。但过大的烟气流速可能会导致换热时间不足，烟气不能充分冷却，排烟温度过高，因此，选取烟气进口流速为6 m/s。

4.5 液化醪用宽通道焊接板结构设计

总体而言，板式换热器主要由两部分组成，分别为框架结构和金属板片。框架结构的主要作用是支撑整个换热器的重量，确保换热器能够稳定的运行，而金属板片的作用为传热，液化醪通过金属半片进行热量传递。而在液化醪用宽通道焊接板式换热器当中有两个金属板片，两个金属板片束成一个大的金属板片，且在两个板片之间需要留有一定的间距形成冷却水流道。

5 结语

综上所述，液化醪在板式换热器中具有十分重要的应用价值，而若想液化醪能够良好地应用于板式换热器中，就必须加强对液化醪流体特性的研究，综合考虑管体内壁壁面对液化醪流体产生的滑移速度，从而降低研究结果的误差。同时，在进行板式换热器的设计时，需要合理的设置板间距、短轴、长轴以及烟气流速，以保证板式换热器的使用性能。