蔡勇， 沈瑩杰， 方輝， 周艷， 楊俊威

（1.浙江大學(xué)舟山海洋研究中心，浙江 舟山316021;2.浙江金鷹食品機(jī)械有限公司，浙江 舟山316100；3.浙江大學(xué) 化學(xué)工程與生物工程學(xué)系，杭州310000）

0 引 言

在水產(chǎn)加工行業(yè)現(xiàn)有工藝是采用自來水直接沖洗解凍水產(chǎn)凍品，有大量能量的解凍水以污水形式排放，能量無法回收利用。例如，每噸凍品解凍由-18℃上升到5℃，釋放的能量約3.87×105kJ，若按100%效率回收利用，相當(dāng)于節(jié)電107.5 kW·h。若將這些能量回收利用于加工車間制冷，污水換熱器是關(guān)鍵設(shè)備。國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要在換熱器結(jié)構(gòu)、腐蝕污垢特性、結(jié)垢機(jī)理等方面進(jìn)行了換熱器的研究［1-5］，如天津大學(xué)趙鎮(zhèn)南教授［6］對(duì)板式換熱器的速度場(chǎng)，以及幾個(gè)主要參數(shù)對(duì)換熱性能的影響進(jìn)行了研究；許惠淑等［7］對(duì)板式換熱器的阻力特征以及壓力分布開展了研究；羅棣庵等［8］對(duì)板式換熱器的流動(dòng)阻力、換熱效率和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面做過研究。本文研究的水產(chǎn)品解凍水中富含蛋白質(zhì)、鹽類等物質(zhì)，若將這些能量回收利用，需要解決生物蛋白，防微生物附著、防水混串等問題，需要設(shè)計(jì)專用的污水換熱器。目前國(guó)內(nèi)外還沒有對(duì)此類應(yīng)用的換熱器研究報(bào)道。為此本文將從污水換熱器的結(jié)構(gòu)型式、結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選等方面進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出一款換熱效率高，且能抑制污垢的形成，耐腐蝕性強(qiáng)的換熱器，滿足實(shí)際工程需要。

1 污水換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮各種換熱設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)合、換熱效率及性價(jià)比，本文選用人字形板式換熱器（如圖1），主要包括固定壓緊板、連接口、墊片、板片、活動(dòng)壓緊板、下導(dǎo)桿、上導(dǎo)桿、夾緊螺栓、支柱。其設(shè)計(jì)壓力是1MPa，溫度是100℃，板片材料為304不銹鋼。

圖1 板式換熱器結(jié)構(gòu)

將介于主要換熱區(qū)域和角孔之間的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成巧克力分布方式，有如下優(yōu)點(diǎn)：流體均勻流過整個(gè)板片；圖2板片中A、B處的壓力降相同；該巧克力區(qū)域的壓力損失最小；允許平行流；避免了遠(yuǎn)處的死角。

2 換熱性能與流動(dòng)阻力

努塞爾數(shù)Nu是表征流體傳熱強(qiáng)度的無量綱，壓降Δp是表征流體流動(dòng)阻力的無量綱。換熱器的波紋傾角β，波紋高度h以及波紋間距λ對(duì)努塞爾數(shù)Nu和壓降Δp的影響，計(jì)算物理量如下［9］：

努塞爾數(shù)Nu的定義式：

式中：λ是導(dǎo)熱系數(shù)；h是換熱系數(shù)；l是特征長(zhǎng)度。

平均努塞爾數(shù)Nu的定義：

式中：q為熱通量；Tw為壁面溫度；Tf為流體溫度；de為當(dāng)量直徑。

摩擦因數(shù)f計(jì)算公式為

式中：L是流道長(zhǎng)度；ρ是流體密度；u是流體速度。

圖2 板片結(jié)構(gòu)

3 數(shù)值計(jì)算

利用式（2）、式（4），分別計(jì)算出波紋傾角β、波紋高度h、波紋間距λ與努塞爾數(shù)Nu和壓降Δp的關(guān)系。

由圖3、圖4可知，代表換熱器換熱性能的Nu隨著波紋傾角β增大，先增后減；當(dāng)波紋傾角β大于 60°時(shí)，Nu 數(shù)開始降低；阻力壓降Δp也是先隨波紋傾角β的增加而變大，70°后開始下降。

圖3 Nu隨波紋傾角β的變化曲線

由圖5、圖6可知，努塞爾數(shù)Nu隨著波紋高度h的增大逐漸增大，幾乎呈線性關(guān)系；阻力壓降Δp隨著波紋高度h的增加逐漸變小，Δp趨于緩和。

由圖7、圖8可知，努塞爾數(shù)Nu和阻力壓降Δp都隨著波紋間距λ的增加而變小，其中努塞爾數(shù)Nu下降的梯度較小，而阻力壓降Δp下降的梯度則較大。

綜上所述，換熱器的波紋傾角β在55°～60°之間，波紋高度h=4 mm或者h(yuǎn)=5 mm，波紋間距λ=10 mm或者λ=11 mm時(shí)，換熱器的換熱效果最佳。

圖4 Δp隨波紋傾角β的變化曲線

圖5 Nu隨波紋高度h的變化曲線

圖6 Δp隨波紋高度h的變化曲線

4 流體仿真計(jì)算

本文選用如圖9、圖10所示的計(jì)算模型進(jìn)行分析。模型中波紋傾角β=55°，波紋高度h=4 mm，波紋間距λ=10mm。

邊界條件設(shè)定為：采用速度入口與壓力出口，可避免回流區(qū)域的影響，其進(jìn)口速度大小為0.43 m/s，進(jìn)口溫度為273.15 K，出口壓力大小為0.101 33 MPa。上下壁面采用的是恒溫壁面，溫度為298.15 K，邊界條件一為無滑移速度且恒溫，邊界條件二為無滑移速度且絕熱。

通過仿真計(jì)算，溫度漸變情況如圖11所示，壓力漸變情況如圖12所示，流體流動(dòng)方向局部放大速度矢量圖如圖13所示。

圖11中，入口溫度為273.1 K，出口溫度介于280～285 K之間，中間截面溫度介于275～280 K之間。圖12中，進(jìn)口壓力在800～1200 Pa之間，出口壓力為0，中間截面壓力在200～600 Pa之間。圖13中，流體分布中間偏多，兩邊少。從圖11、圖12、圖13中可看出，板式換熱器擁有良好的換熱效果。

圖7 Nu數(shù)隨波紋間距λ的變化曲線

圖8 Δp隨波紋間距λ的變化曲線

圖9 完整的幾何圖形

圖10 計(jì)算區(qū)域圖形

圖11 進(jìn)出口以及中間截面的溫度漸變圖

圖12 進(jìn)出口以及中間截面的壓力漸變圖

圖13 流體流動(dòng)方向局部放大速度矢量圖

5 結(jié)語

本文首先研究了用于水產(chǎn)品解凍冷能回收利用的污水換熱器，其結(jié)構(gòu)為人字形板式換熱器。其次對(duì)影響換熱器流動(dòng)阻力與傳熱性能的重要參數(shù)進(jìn)行了分析與數(shù)值計(jì)算，得出最佳的換熱器組合參數(shù)。最后進(jìn)行了換熱器的流體仿真計(jì)算，驗(yàn)證了換熱器換熱效果良好，滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需要。

［1］ 楊崇麟.板式換熱器國(guó)內(nèi)外情況及對(duì)我國(guó)發(fā)展板式換熱器的建議［R］.全國(guó)石油設(shè)備技術(shù)發(fā)展專題報(bào)告，1985.

［2］ 周明連.板式熱交換器流動(dòng)分布的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究［J］.北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，25（1）：67-71.

［3］ 杜祥云.BRO.015F型板式換熱器結(jié)垢特性的實(shí)驗(yàn)研究［D］.吉林：東北電力大學(xué)，2013.

［4］ WATKINSON A P，WILSON D I.Chemical reaction fouling：A review ［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，1997，14（4）：361-374.

［5］ WARNAKULASURIYA F S K，WOREK W M.Heat transfer and pressure drop properties of high viscous solutions in plate heat exchangers［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2008，51（1）：52-67.

［6］ 趙鎮(zhèn)南.板式換熱器人字波紋傾角對(duì)傳熱及阻力性能影響［J］.石油化工設(shè)備，2001（5）：2-3.

［7］ 許淑惠，周明連.板式換熱器進(jìn)出12流道內(nèi)的壓力分布、流阻及流型顯示的試驗(yàn)研究［J］.節(jié)能，1996（8）：12-15.

［8］ 羅棣庵，焦芝林，顧傳寶.超低流阻板式換熱器的實(shí)驗(yàn)研究［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，1987，8（3）：264-267.

［9］ 張冠敏.復(fù)合波紋板式換熱器強(qiáng)化傳熱機(jī)理及傳熱特性研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2006.