黃原膠是以玉米淀粉為主要原料經(jīng)微生物發(fā) 酵進(jìn)行生產(chǎn)的一種多糖產(chǎn)品.因為高粘流體黃原膠具有優(yōu) 良的性能，而在食品、醫(yī)藥、化工、印染及石油等行 業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用.在黃原膠的生產(chǎn)過程中，發(fā) 酵后的發(fā)酵液中含有黃原膠24 ~ 3%，經(jīng)預(yù)處理 濃縮后，濃度達(dá)54 ~ 7%，然后進(jìn)行噴霧干燥，含 量達(dá)到404，進(jìn)入乙醇槽沉淀.
在對黃原膠發(fā)酵液進(jìn)行后續(xù)處理的過程中， 遇到高粘流體的傳熱問題.如使用普通管殼式換 熱器來加熱發(fā)酵液，采用熱流體如蒸汽走殼程，發(fā) 酵液走管程的方式，由于黃原膠發(fā)酵液屬于高粘 流體[1，2]，流體在換熱管內(nèi)的流動為層流狀態(tài)，雷 諾數(shù)小，管內(nèi)傳熱膜系數(shù)低，造成傳熱困難.對此， 可考慮采用管內(nèi)強(qiáng)化傳熱的技術(shù)，來改善管內(nèi)流 體的流動狀態(tài)，從而提高換熱器的傳熱系數(shù)[3~6]. 目前，關(guān)于高粘流體強(qiáng)化傳熱有一些研究成果[7]， 但對利用黃原膠溶液進(jìn)行換熱管內(nèi)裝元件強(qiáng)化傳 熱的研究還未見報道，本文進(jìn)行了這方面的工作. 以黃原膠溶液為實驗介質(zhì)，進(jìn)行了強(qiáng)化傳熱的實 驗研究，并與普通的光滑管換熱器進(jìn)行了對比.實 驗中采用的強(qiáng)化管形式有：螺紋管、SMK管和GK 管[8]，其中后兩種強(qiáng)化管內(nèi)分別裝Kenics型和GK型靜態(tài)混合元件.
1實驗原理
傳熱實驗中，實驗介質(zhì)的傳熱速率、傳熱膜系 數(shù)和努塞爾數(shù)分別為：
Q = WCp( %2 - %1)
! =
Nu = aDe/X
式中，Q為傳熱速率為質(zhì)量流量；Cp為比熱； %2為出口溫度；i為進(jìn)口溫度；a為傳熱膜系數(shù)； '為換熱面積；（為換熱管壁溫；m為介質(zhì)主體 溫度，計算中可按介質(zhì)進(jìn)出口的平均溫度計算; Nu為努塞爾數(shù)；De為換熱管當(dāng)量直徑；"為介質(zhì) 的導(dǎo)熱系數(shù).
對于實驗介質(zhì)的傳熱速率Q，還可用收集的 蒸汽冷凝水量進(jìn)行校核.
雷諾數(shù)的計算式:
Re = D-up/ $a
式中，De為換熱管當(dāng)量直徑；$為流速;(〇為流體 密度;$為流體的表觀粘度，在實驗條件下，介質(zhì) 粘度的測定主要使用NDJ — 1型旋轉(zhuǎn)式粘度計.
換熱管當(dāng)量直徑De:對于光滑管和螺紋管， De為管內(nèi)徑；對于GK管和SMK管，De的計算 式:
e + 2 2 + 2 2
式中，1為換熱管內(nèi)徑；2為靜態(tài)混合元件的寬 度^為靜態(tài)混合元件的厚度.流體力學(xué)分析中用 到的阻力系數(shù)計算式：
""PDe
式中，/為阻力系數(shù);AP為實驗介質(zhì)進(jìn)出口的壓 降;#為介質(zhì)密度；$為管內(nèi)流體流速；&為換熱 管長度.
2實驗部分
2.1實驗設(shè)備與儀器
實驗裝置如圖1所示.主要實驗設(shè)備為管殼 式換熱器2,此換熱器由7根換熱管組成，換熱管 為可拆結(jié)構(gòu).殼程走飽和蒸汽，管程走實驗介質(zhì). 另外還用到的設(shè)備有循環(huán)泵和貯槽.實驗中使用 的儀器儀表有:熱電偶、壓力表、流量計、溫度記錄 儀等.
實驗中換熱管的結(jié)構(gòu)形式有4種:光滑管、螺 紋管、GK管、SMK管.其中，SMK管中裝入的是 Kenics型靜態(tài)混合元件，GK管中裝入的是GK型 靜態(tài)混合元件，這兩種元件的寬度均為18 _，長 徑比均為：'=(/* = 3.實驗中采用的4種結(jié)構(gòu)形 式換熱管的長度、直徑及壁厚均相同，有效換熱管 長為3 000 _，換熱管的規(guī)格為！25 x 2，尺寸單 位為_*材料均為不銹鋼，按內(nèi)徑計算換熱器的 換熱面積為1.32 m2.
3結(jié)果與分析
3.1傳熱實驗結(jié)果
利用實驗介質(zhì)，分別在4種不同結(jié)構(gòu)形式的 換熱管中進(jìn)行了傳熱實驗，在+e =0.4 = 25實驗 范圍內(nèi)，得到的實驗結(jié)果如圖2所示，其中，+e中 的粘度是實驗介質(zhì)的表觀粘度.
1.2 流體力學(xué)實驗結(jié)果
3.3分析與討論 3 . 3 . 1 傳熱結(jié)果分析
由圖2可知，光滑管、螺紋管、GK管和SMK 管的系數(shù),-/#.0.333均隨&的增大而增大.強(qiáng)化 管的強(qiáng)化傳熱效果可用傳熱強(qiáng)化因子/來反映， /= $/,-?，其中分別為強(qiáng)化管與光滑 管的努塞爾數(shù).由實驗結(jié)果可知，在實驗范圍內(nèi)， 螺紋管、GK管和SMK管的傳熱強(qiáng)化因子Z分別 約為：.4、.4 和 4.0.
在+e = 0.4 = 25實驗范圍內(nèi)，通過對流體流 過換熱管進(jìn)出口的壓降的測定與分析，得到的流 體力學(xué)實驗結(jié)果如圖3所示，其中&的粘度" 是實驗介質(zhì)的表觀粘度.
3.3.2流體力學(xué)結(jié)果分析
由圖3可知，4種結(jié)構(gòu)的換熱管阻力系數(shù)/ 與在對數(shù)坐標(biāo)系中均成直線關(guān)系，阻力系數(shù)/ 均隨著Re的增大而減小.在實驗范圍內(nèi)，螺紋 管、GK管和SMK管阻力系數(shù)與光滑管阻力系數(shù) 的比值分別約為：1.6、10和13.4.
3.3.3雷諾數(shù)的討論
由實驗結(jié)果可知，雷諾數(shù)Re是影響傳熱和 流體阻力的主要因素，而在溶液濃度一定時，流速 又是影響雷諾數(shù)的主要因素.由于黃原膠溶液具 有假塑性，并且在很低濃度時，就有很大的粘度， 屬于高粘流體，其雷諾數(shù)隨著粘度的增大而減小， 增加流速，可降低溶液的粘度，雷諾數(shù)變大，傳熱 系數(shù)提高，但同時流動阻力也隨之增大.
3.3.4強(qiáng)化元件結(jié)構(gòu)形式的影響
實驗中采用的強(qiáng)化換熱元件有兩種形式，即 Kenics型及其改進(jìn)型GK型靜態(tài)混合元件，在具有 相同長徑比的情況下，得到的GK管和SMK管傳 熱強(qiáng)化因子$分別約為3.4和4.0,而SMK管的 阻力系數(shù)約為GK管的1.34倍.由此可知，在能 滿足傳熱要求的情況下，GK管的流動阻力沒有特 別大的增加，并且由于此種元件加工方便，制造成 本低，可使用專用設(shè)備進(jìn)行批量生產(chǎn)，因此利用管 內(nèi)裝GK型元件進(jìn)行高粘流體的強(qiáng)化傳熱，是較 好的一種方式.
4結(jié)論
黃原膠溶液的傳熱屬于高粘流體傳熱，通過 以黃原膠溶液為實驗介質(zhì)，分別在光滑管、螺紋 管、GK管和SMK管中進(jìn)行的傳熱和流體力學(xué)實驗得到，在實驗范圍內(nèi)，螺紋管、GK管和SMK管的傳熱強(qiáng)化因子$分別約為：1.4、3.4和4.0;相應(yīng)的螺紋管、GK管和SMK管的阻力系數(shù)與光滑管阻力系數(shù)的比值分別約為：1.6、10和13.4.由此可知，采用GK型元件進(jìn)行高粘流體的管內(nèi)強(qiáng)化傳熱是一種較好的方式.