王新燕，张志凌，任立波，马 锐

(1.上海板换机械设备有限公司，上海 201508；2.国投生物能源(大庆)有限公司，黑龙江 大庆 163000)

随着国内石油需求的进一步提高，以乙醇等替代能源为代表的能源供应多元化战略已成为中国能源政策的重要方向。国内燃料乙醇的生产多采用发酵法，其中，生产过程中的醪液是一种典型的非牛顿流体，其流变特性复杂多变，组成、温度和测量条件等因素均会对测量结果产生重要影响。醪液流变特性的研究已有报道，但这些研究均是在旋转粘度计或毛细管粘度计上测量完成的[1-3]，通常未考虑壁面滑移因素的影响，实验结果对醪液用工业设备的设计缺少指导意义。

由若干窝状或柱状波纹板片组成宽通道焊接板式换热器，具有结构紧凑，不易堵塞、传热效率高等优点，是燃料乙醇生产过程中液化醪的主要温降设备。但醪液复杂的流变特性对其输运和传热过程产生了很大影响，使得人们至今难以精确设计醪液用宽通道焊接板式换热器。

本文将以国投生物能源有限公司某液化醪用宽通道焊接板式换热器为研究对象，首先采用流量-压力降实验确定玉米原料液化醪的真实流变特性；然后提出醪液用板式换热器设计中流变特性数据的计算方法，并对该换热器的设计数据与运行数据进行比对。

1 液化醪流变特性测试实验及其本构方程

1.1 实验装置

液化醪流变特性测试系统见图1。实验过程中，醪液由离心泵送入循环回路，经电磁流量计、测试管路再送回醪液罐循环使用。在醪液罐中设有电加热装置，实验过程中通过管路上的热电阻进行控制反馈,实现对温度的精准控制。流量改变通过调节离心泵的转速来实现。

1-离心泵；2-醪液槽；3-电磁流量计；4-差压传送器；5-实验管；6-电加热装置

图1 实验装置示意图

1.2 实验物料

实验物料为由国投生物能源有限公司提供的液化醪，原料为玉米。

1.3 真实流变性的确定方法

假设液化醪在圆管内稳定层流状态下的滑移流动方程如式(1)所示。

式中，左侧的8V/D为总流量的表观剪切速率；右侧第一项为壁面滑移引起的表观剪切速率；右侧最后一项为无壁面滑移的表观剪切速率，仅为壁面剪切力的函数。

根据非牛顿流体壁面滑移速度修正的Mooney理论，滑移速度Vs可由壁面剪切力通过Bagley标绘法[4]获得，进而获得Vc。然后将考虑壁面滑移影响后的各参数代入式(2)和式(3)，得到真实的壁面剪切速率γw。最后，通过τw和γw即可确定液化醪的真实本构方程。

式中，L为测试段长度，D为管内径，ΔP为测试段压降。

1.4 液化醪真实流变特性

92℃时不同管径下的τw～8V/D关系曲线如图2所示。由图2可知，不同管径的液化醪流动曲线并不重合，这是由壁面滑移在不同管径下所引起的附加流动程度不同造成的。因此，各管径下的流动曲线均不能代表液化醪的真实流变特性。

图2 管径对τw～8V/D关系曲线的影响

采用1.3中所述的方法即可确定液化醪的本构方程，用Herschel-Bulkley模型描述：

2 醪液流变特性在宽通道焊接板式换热器设计中的应用

下边箭头为醪液流向，上边箭头为冷却水走向

液化醪用宽通道焊接板式换热器结构如图3所示。在该换热器中，两板片形成一板束，板片之间形成冷却水流道，而板束周边通过焊接密封形成醪液通道。因为板束间间距可调，所以非常适用于燃料乙醇、制糖、造纸、冶金、酒精、石油、化工等行业生产工艺中含有大量固体颗粒、纤维悬浮物，以及粘稠状或高温流体的加热或冷却。由于热交换板片结构的特殊设计，使传热效率及压力损失优于同工况条件下其它形式的热交换设备，宽间隙流道内流体流动顺畅、无滞留、无死区，可有效防止流道堵塞现象发生。

将1.4中获得的液化醪真实本构方程转化成计算机语言，采用计算流体力学数值模拟技术(Computational Fluid Dynamics, CFD)获得宽通道焊接板式换热器窝状板波纹流道中液化醪的剪切速率和粘度分布云图，分别如图4所示。由图4可知，不同于牛顿流体，液化醪在流动过程中的剪切速率和粘度并非处处相同。

图4 窝状板流道中液化醪的剪切速率和粘度分布云图剖面图(平均流速0.48m/s，92℃)

基于计算流体力学数值模拟技术，获得平均流速与平均剪切速率之间的一一对应关系。由醪液平均流速和平均温度，通过醪液本构方程，即可获得设计条件下的表观粘度，然后将该粘度用于醪液用宽通道焊接板式换热器的热工设计中。

3 工业运行实例

表1 液化醪用宽通道焊接板式换热器的工艺参数

国投生物能源有限公司某液化醪用宽通道焊接板式换热器的工艺运行参数如表1所示。液化醪侧的平均剪切速率为137 s-1、平均温度为74.85℃，此时，液化醪的表观粘度为99.2 cP。采用该粘度数据设计的醪液压降为29.8 kPa、所需传热面积为314 m2。由表1可知，醪液侧压降误差和传热面积富裕量分别为+10.37%和-0.63%，设计数据与运行数据吻合良好。

4 总结

介绍了醪液的真实流变特性的测试实验装置和确定方法，获得了玉米原料液化醪的真实流变特性，提出了醪液用换热器设计中的流变数据的计算方法。将液化醪流变特性的修正数据用于宽通道焊接板式换热器热工设计中，设计数据与运行数据吻合良好，验证了非牛顿流体理念在醪液用换热器热工设计中的适用性。