水产品解冻冷能回收利用污水换热器的研究

蔡勇， 沈莹杰， 方辉， 周艳， 杨俊威

（1.浙江大学舟山海洋研究中心，浙江 舟山316021;2.浙江金鹰食品机械有限公司，浙江 舟山316100；3.浙江大学 化学工程与生物工程学系，杭州310000）

0 引 言

在水产加工行业现有工艺是采用自来水直接冲洗解冻水产冻品，有大量能量的解冻水以污水形式排放，能量无法回收利用。例如，每吨冻品解冻由-18℃上升到5℃，释放的能量约3.87×105kJ，若按100%效率回收利用，相当于节电107.5 kW·h。若将这些能量回收利用于加工车间制冷，污水换热器是关键设备。国内外学者主要在换热器结构、腐蚀污垢特性、结垢机理等方面进行了换热器的研究［1-5］，如天津大学赵镇南教授［6］对板式换热器的速度场，以及几个主要参数对换热性能的影响进行了研究；许惠淑等［7］对板式换热器的阻力特征以及压力分布开展了研究；罗棣庵等［8］对板式换热器的流动阻力、换热效率和结构优化等方面做过研究。本文研究的水产品解冻水中富含蛋白质、盐类等物质，若将这些能量回收利用，需要解决生物蛋白，防微生物附着、防水混串等问题，需要设计专用的污水换热器。目前国内外还没有对此类应用的换热器研究报道。为此本文将从污水换热器的结构型式、结构参数优选等方面进行研究，设计出一款换热效率高，且能抑制污垢的形成，耐腐蚀性强的换热器，满足实际工程需要。

1 污水换热器结构设计

考虑各种换热设备的优缺点、应用场合、换热效率及性价比，本文选用人字形板式换热器（如图1），主要包括固定压紧板、连接口、垫片、板片、活动压紧板、下导杆、上导杆、夹紧螺栓、支柱。其设计压力是1MPa，温度是100℃，板片材料为304不锈钢。

图1 板式换热器结构

将介于主要换热区域和角孔之间的结构设计成巧克力分布方式，有如下优点：流体均匀流过整个板片；图2板片中A、B处的压力降相同；该巧克力区域的压力损失最小；允许平行流；避免了远处的死角。

2 换热性能与流动阻力

努塞尔数Nu是表征流体传热强度的无量纲，压降Δp是表征流体流动阻力的无量纲。换热器的波纹倾角β，波纹高度h以及波纹间距λ对努塞尔数Nu和压降Δp的影响，计算物理量如下［9］：

努塞尔数Nu的定义式：

式中：λ是导热系数；h是换热系数；l是特征长度。

平均努塞尔数Nu的定义：

式中：q为热通量；Tw为壁面温度；Tf为流体温度；de为当量直径。

摩擦因数f计算公式为

式中：L是流道长度；ρ是流体密度；u是流体速度。

图2 板片结构

3 数值计算

利用式（2）、式（4），分别计算出波纹倾角β、波纹高度h、波纹间距λ与努塞尔数Nu和压降Δp的关系。

由图3、图4可知，代表换热器换热性能的Nu随着波纹倾角β增大，先增后减；当波纹倾角β大于 60°时，Nu 数开始降低；阻力压降Δp也是先随波纹倾角β的增加而变大，70°后开始下降。

图3 Nu随波纹倾角β的变化曲线

由图5、图6可知，努塞尔数Nu随着波纹高度h的增大逐渐增大，几乎呈线性关系；阻力压降Δp随着波纹高度h的增加逐渐变小，Δp趋于缓和。

由图7、图8可知，努塞尔数Nu和阻力压降Δp都随着波纹间距λ的增加而变小，其中努塞尔数Nu下降的梯度较小，而阻力压降Δp下降的梯度则较大。

综上所述，换热器的波纹倾角β在55°～60°之间，波纹高度h=4 mm或者h=5 mm，波纹间距λ=10 mm或者λ=11 mm时，换热器的换热效果最佳。

图4 Δp随波纹倾角β的变化曲线

图5 Nu随波纹高度h的变化曲线

图6 Δp随波纹高度h的变化曲线

4 流体仿真计算

本文选用如图9、图10所示的计算模型进行分析。模型中波纹倾角β=55°，波纹高度h=4 mm，波纹间距λ=10mm。

边界条件设定为：采用速度入口与压力出口，可避免回流区域的影响，其进口速度大小为0.43 m/s，进口温度为273.15 K，出口压力大小为0.101 33 MPa。上下壁面采用的是恒温壁面，温度为298.15 K，边界条件一为无滑移速度且恒温，边界条件二为无滑移速度且绝热。

通过仿真计算，温度渐变情况如图11所示，压力渐变情况如图12所示，流体流动方向局部放大速度矢量图如图13所示。

图11中，入口温度为273.1 K，出口温度介于280～285 K之间，中间截面温度介于275～280 K之间。图12中，进口压力在800～1200 Pa之间，出口压力为0，中间截面压力在200～600 Pa之间。图13中，流体分布中间偏多，两边少。从图11、图12、图13中可看出，板式换热器拥有良好的换热效果。

图7 Nu数随波纹间距λ的变化曲线

图8 Δp随波纹间距λ的变化曲线

图9 完整的几何图形

图10 计算区域图形

图11 进出口以及中间截面的温度渐变图

图12 进出口以及中间截面的压力渐变图

图13 流体流动方向局部放大速度矢量图

5 结语

本文首先研究了用于水产品解冻冷能回收利用的污水换热器，其结构为人字形板式换热器。其次对影响换热器流动阻力与传热性能的重要参数进行了分析与数值计算，得出最佳的换热器组合参数。最后进行了换热器的流体仿真计算，验证了换热器换热效果良好，满足实际工程应用的需要。

［1］ 杨崇麟.板式换热器国内外情况及对我国发展板式换热器的建议［R］.全国石油设备技术发展专题报告，1985.

［2］ 周明连.板式热交换器流动分布的理论分析与实验研究［J］.北方交通大学学报，2001，25（1）：67-71.

［3］ 杜祥云.BRO.015F型板式换热器结垢特性的实验研究［D］.吉林：东北电力大学，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］ 赵镇南.板式换热器人字波纹倾角对传热及阻力性能影响［J］.石油化工设备，2001（5）：2-3.

［7］ 许淑惠，周明连.板式换热器进出12流道内的压力分布、流阻及流型显示的试验研究［J］.节能，1996（8）：12-15.

［8］ 罗棣庵，焦芝林，顾传宝.超低流阻板式换热器的实验研究［J］.工程热物理学报，1987，8（3）：264-267.

［9］ 张冠敏.复合波纹板式换热器强化传热机理及传热特性研究［D］.济南：山东大学，2006.