刮板式换热器的功率消耗研究

2019-08-08 09:13:31 李仕成 477

   与其他大多数换热器不同的是刮板式换热器需要电机带动主轴旋转完成热交换过程,因此应用刮板式换热器将会产生额外的功率消耗,为了达到节能和经济性的目的,使刮板式换热器具有较好的能效比,功率消耗也成为刮板式换热器的一个研究对象。刮板式换热器的功耗主要来源于以下4种主要部分:① 由刮板作用和流体泵送产生的剪切应力;② 刮板的刮擦动作;③ 轴承摩擦;④ 物料层当中流体质量的旋转。

    传统上,由液体产生的剪切应力产生的因素已被用于表征功耗。由于无法区分各个非流体相关因素,因此尚未用其来表征功率数。有学者[11]使用甘油/水混合物研究了刮板式换热器中的经验功率数、雷诺数和刮板数量方面的关系,表明确定经验功率数的重要因素是主轴转速、刮板数、流体密度、流体的体积黏度以及与管壁相邻的流体黏度,而轴直径的变化对经验功率数的影响不大。然而,Trommelen[74]的研究则表明经验功率数和雷诺数之间没有特别的关系,经验功率数随着体积黏度的增加而降低。该研究的经验功率数表达式源于简化的刮板式换热器模型,模型的功率消耗主要来源于环形空间中的摩擦和沿着表面刮擦刮板而产生,而且刮擦动作消耗了大量的能量,刮擦也会导致刮板边缘和壁之间的薄膜流体的加热,从而降低物料的黏度。Altiokka[75]分析了刮板式换热器中的功耗,认为液体对功耗的贡献与Trommelen[74]先前报道的研究相似,摩擦力的贡献与轴的旋转速度成比例,没有间隙的刮板式换热器的功耗比标准间隙的大约高30%。Bolanowski[41]研究了具有主轴偏心设置和同心设置的刮板式换热器中花生酱冷却过程中的功耗。与同心设置相比,偏心设置的刮板式换热器功耗平均降低了41%,偏心设计的刮板在每次旋转期间改变角度并挤压产品,导致均匀的热传递和更低的功耗。Abichandani[76]在牛奶和奶油的加工过程中研究了刮板式换热器中的功率变化,在蒸发牛奶期间的功率需求主要用于将产品加速到转子速度(惯性力)、克服黏性和表面张力,刮削加热表面上形成的膜,以及搅拌产品。随着流量的增加,功率没有显著增加,但转子速度和刮板数量的增加导致功率需求增加。秦贯丰等[53]测定了使用实验室刮板式换热器冷冻糖溶液时的相变过程的功耗,并对电耗的变化规律进行了分析,结果表明,电耗的变化与冰浆中的冰含量有很大的关系,然而,结冰开始时的初始功耗与冷却表面温度无关。

    刮板式换热器的功耗取决于具体的加工的产品和过程。目前,理论模型仍不足以表征和量化功耗,但多年来由各种研究人员开发的经验模型对于所使用的加工和产品条件非常具体。刮板式换热器功率数特性的预测对于分析刮板式换热器的生产能效是十分重要的,然而,近年针对刮板式换热器的功率消耗方面的研究却很少,因此未来需要更多测量和研究功耗的工作。


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