刮板换热器传热特性相关研究进展

2020-07-16 09:08:37 李仕成 497


    在食品加工、制药和化学行业,使用刮板式换热器对黏稠或含颗粒料液(热敏性)的快速加热、瞬间冷却是目前最理想的解决方案,刮板式换热器最大优点是可以不断地去除交换器内壁附近的物料,防止产生焦化膜,并可以显著增加传热效率。刮板的运动可以防止物料沉积,还可以产生湍流,使热量传递更加均匀。

    自刮板式换热器诞生以来,很多的学者围绕刮板式换热器加工各种产品和工艺条件的传热机制进行探索,显然,理解刮板式换热器中传热的基本原理将可以使它得到更好的设计和应用。Huggins[40]报道了刮擦对黏性液体传热系数的强烈影响,发现刮板增加了各种黏性流体的加热和冷却过程中的热传递速率;Houlton[41]研究了Votator形式的刮板式换热器中水的传热系数,发现总传热系数在2839~6530W/(m2·K),夹套侧的膜传热系数从8517~23281W/(m2·K)Bolanowski[42]使用刮板式换热器测量了人造黄油、淀粉、鸡蛋、豌豆、苹果酱、牛奶等的总传热系数; Harriot系统地研究了刮板式换热器中的总的传热系数,运用渗透理论对传热过程进行定量的分析[43],并于提出了修正算法[44]Lee[45]详细总结了刮板式换热器中关于传热特性的数学模型

3.1  渗透理论及其修正

    渗透理论是用于描述刮板式换热器中传热的最广泛模型之一,在渗透理论应用过程中,忽略液体的对流,并且假设物料在传热壁处的滞留膜在刮板刮过之后立即完全与其他物料混合。Skelland [46]将渗透理论应用于刮板式换热器的传热系数研究中,并得出了努塞尔数(Nu)的经验关系,然而他没有考虑流体流过刮板式换热器的流速以及黏度对传热系数的影响。在实际应用中,渗透理论的另一个局限性是假定黏性液体完全混合,对于水或中等黏度的流体,该理论估算值有较好的精度,然而由于从壁面刮取的流体与环形空间中的高黏度流体不可能完全混合,因此高黏性流体的实际传热系数将小于渗透理论预测的值。

    由于20世纪中期,大多数的研究都表明了刮板式换热器中的传热系数存在从层流到湍流的过渡区域性,从而使得对其传热系数的研究变得更加复杂。例如,对于层流到湍流过渡区域的传热机制与渗透理论的假设不一致,因为渗透理论忽略了轴向流动效应、入口效应和周边流体速度。Skelland[47]利用维度分析来推导刮板式换热器的传热系数的规律,他们考虑到旋转效应、刮板数量以及流体物理特性等参数,并在湍流和层流过渡区域进行了试验与分析,提出黏性液体的冷却过程的传热系数计算式。

   刮板式换热器,Votator,人造奶油设备,Contherm                                

                Trommelen[25]认为,在两次刮擦之间的时间内热量的渗透之后是一段温度均衡过程,导致壁上的温度梯度更高。他们在研究泰勒涡流模型时,考虑到了从边界层到大部分液体的对流径向热传递过程,并乘以小于1的系数,以补偿边界层中的不完全温度均衡,径向混合的影响以及轴向分散性对温度的影响。他们的努塞尔数由通过经验确定的校正因子并修正渗透理论表示:

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    随后Cuevas[48]开展了刮板式换热器中水和大豆提取物的传热系数试验研究,并将试验得到的传热系数与按照Harriot[43]Trommelen[25]提出的渗透理论计算公式得出的传热系数做比较,得出试验确定的湍流状态下的传热系数高于渗透理论公式确定的传热系数。之后他们利用Wilson威尔逊图解法来确定传热系数,对于水,其传热系数计算公式为:

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    在该传热系数的模型下,处理流体中固体颗粒的存在影响了传热系数,高旋转速度和轴向速度对传热系数具有显著影响,然而后来有学者[37]研究得出,在超过一定旋转速度后,旋转速度对传热系数的影响并不显著,在笔者的试验研究中,也观察到类似的现象。Boxtel[49]发现水的总传热系数是旋转速度的平方根的线性函数,然而对于黏性假塑性食品,传热系数与转速呈线性比例;Miyashita[50]发现高普朗特数流体的传热系数比Harriot提出的公式计算的值低,却比Trommelen提出的公式计算的值高。

3.2  传热特性的试验及数值研究

    流体进入刮板式换热器的速度、主轴转速、刮板的数量及形状以及向刮板式换热器施加的流量(固定或可变)都是影响换热器传热性能的因素。Sun[51]采用有限元方法对二维稳态条件下的非牛顿幂律流体进行了流体力学和传热特性进行数值模拟,发现对于恒黏度流体,高剪切力产生高黏性加热,最大温度和热通量接近刮板尖端。对于剪切稀化流体,在高剪切区降低了黏度,从而降低了局部黏性加热和局部热通量。热递减在高温区起到降低黏性的作用,从而降低黏性加热和壁面热通量,最大温度的位置取决于工艺参数的组合。

                Lakhdar[52]对水乙醇混合液和蔗糖水溶液冷冻的刮板式换热器进行了试验,研究了产品类型和组成、流量、刮板转速、刮板与壁面距离等参数对传热强度的影响,发现不同参数对水溶液冻结用刮板式换热器内的传热有影响且刮板转速和溶质浓度对换热器内的传热影响较为显著。秦贯丰等[53]测定了实验室刮板式换热器用于冷冻糖溶液时的传热系数,结果表明,有相变(结冰)的换热系数是无相变的换热系数的35倍。由于黏性摩擦产生的热量导致高剪切带局部温度升高,黏度随之降低,从而可能显著改变温度和速度分布,为此Yataghene[54]从试验和数值两方面分析了牛顿流体和非牛顿流体由于黏性耗散而引起的温度升高,利用Fluent软件求解动量和能量方程,进行了包括黏性耗散在内的传热模拟,研究了幂律流变行为对剪切稀化液指数和稠度行为对黏性耗散的影响。另外,还对流体流动和传热耦合进行了数值模拟,对无相变冷却过程的热性能进行了详细的研究,得出在有黏性加热情况下,旋转速度的增加显著降低了冷却过程的速度,在针对非牛顿流体的情况下,旋转速度的增加提高了刮板式换热器的热效率。研究还表明,混合时间也对传热过程有较大的影响。Smith[55]研究了具有温度依赖性的牛顿流体在刮板式换热器中的稳态非等温流动,建立该种情况下的数学模型,得到流体的温度和流动的精确解析解。

    由于每种处理产品的特殊物理特性,因此很难将文献中的数据迁移应用到其他刮板式换热器当中。为了解决这个问题,Rainieri[56]利用参数估计方法成功和稳健的估计了产品侧努塞尔数和外部侧传热系数的传热相关性。Bayareh[57]研究了传热筒边界条件以及刮板几何形状对换热效率的影响,采用有限体积法(FVM)模拟了倾斜和垂直两种刮板的绕流情况。提出了一种新型的刮板,以便提高湍流强度,获得更大的传热速率和更高的效率。D’Addio[58]利用Gambit预处理软件对一种用于高黏性非牛顿流体(榛子糊)加热和冷却的新型刮板结构的刮板式换热器进行了几何建模和网格生成,并利用Fluent软件动参考系模型对其进行CFD数值模拟,估算了不同工艺参数(刮板转速、流速和壁温)的整体传热系数,发现冷却时的传热系数比加热时稍高,刮板转速对换热系数的影响远大于流量对换热系数的影响。

    之前学者的工作大都集中在对刮板式换热器的总传热系数的研究上,然而对于具有低轴向流速的流动状态下,热的轴向分散是显著的,这种现象也称为刮板式换热器中的温度异质性,换热器壁中各个部位的传热系数是不同的,热传导的轴向变化影响了刮板式换热器中的温度分布。Maigonnat[58]声称,通过对试验参数的经验相关性分析来表征传热系数是不充分的,因为轴向热扩散对交换器性能产生不利影响。Dumont[23]观察到层流的温度不均匀性,但高速度旋转时入口到出口的温度逐渐均匀化。

    为了减小温度异质性的影响,通常采用提高流速来最小化入口和出口之间的温差,从而使温度的轴向梯度最小化,热流的轴向分散减小。流速的提高使得刮板式换热器的大多数工况下的流体是处于湍流状态的,1990年以前的大多数早期研究的基本传热特性是在层流或过渡流动状态下进行的,Goede[60]将渗透理论模型扩展到湍流状态。他们声称,对于高旋转速度,渗透理论可用于解释湍流状态下的传热。秦贯丰等[61]报道了具有相变的刮板式换热器中的传热,发现热传递发生在对应于冷却、成核和结晶的3个阶段。对于具有结晶的阶段,观察到传热系数增加。认为,虽然冷却表面上的晶体形成被认为不利于传热,但是在冷却表面上释放结晶潜热实际上增加了热传递,在其试验中,随着相变的开始,观察到传热的逐步增加。还观察到,通过在刮擦循环的时间间隔内平均传热,可以将冷却和成核阶段中的非稳态传热减少到准稳态传热。

    经过学者们多年来的研究,发现用于解释刮板式换热器中的传热现象的基于渗透理论的模型是有一定的局限的,并且需要根据不同的系统和特定的加工条件不断修正。然而,对于非牛顿产品且含有大颗粒的产品,通过经验方法确定总传热系数是有必要的。未来,对于刮板式换热器传热特性的研究将进一步拓展到多相流传热,多阶流体的传热,考虑相变的传热,考虑热降解传热以及具有较强温度依赖性黏度物料传热过程。


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