螺纹管对糖蜜酒精废液传热过程强化的实验与数值模拟研究*

闫显辉，陈 砺，李志斌，邱舜国，严宗诚，林 海，钟 平

(1 华南理工大学化学与化工学院，广东 广州 510640；2 湛江粤海机器有限公司，广东 湛江 524500)

甘蔗是一种在我国南方大面积种植的重要经济作物，是生产蔗糖的主要原料。在甘蔗制糖过程中，糖液经浓缩析出结晶糖后，会产生一种黏稠、黑褐色、呈半流动的残留液，这种残留液被称为废糖蜜，是甘蔗糖业中最大的副产物[1]。将废糖蜜用于生产酒精，既可以解决废糖蜜的处理问题，又为酒精的生产提供了优质原料，是可再生生物质资源循环利用的成功范例[2]。以废糖蜜为原料生产酒精的过程会产生大量高COD、高色度、高黏度、高Brix废液，其处理难度大，已成为限制该工艺生存与发展的关键因素。

针对糖蜜酒精废液处理的难题，国内外的研究者经过不断的探索，总结出农田灌溉法、生化处理法、浓缩法、催化氧化法等处理方法。其中，浓缩焚烧法采用多效蒸发技术对废液进行浓缩，当其热值达到某一数值后送入专用的焚烧炉焚烧，所产生的热能可供蒸发浓缩过程使用，灰分可用作肥料[3]。与其他方法相比，浓缩焚烧法能够有效地处理糖蜜酒精废液，实现废液的近零排放，是业界比较推崇的治理方法。但是，糖蜜酒精废液的高黏度物性直接影响其在换热元件表面的流体力学和传热性能，导致蒸发浓缩过程较大的传热阻力和较低的传热效率，形成制约该技术大范围应用的瓶颈[4]。

本文针对糖蜜酒精废液的特性，提出采用螺纹管作为换热元件对过程进行强化。通过单管传热强化实验平台，以传统的光滑管作为参照物，在近似生产工况下对不同管参数的螺纹管的强化传热性能进行对比研究。通过CFD软件群的Fluent软件对糖蜜酒精废液在螺纹管表面的流动和传热状况进行数值模拟，分析其温度及流速分布情况，探索螺纹管用于糖蜜酒精废液蒸发浓缩的强化传热机理。

1 实验与模拟

1.1 实验用糖蜜酒精废液

本实验使用的糖蜜酒精废液为广东省某糖厂酒精车间经沉淀的初馏塔塔底排出废液。其物性如表1所示。

表1 实验用糖蜜酒精废液物性参数

1.2 实验用螺纹管

综合考虑不同管型的传热强化特性及效果，本文采用螺纹管作为传热强化管型。实验用螺纹管是由机床轧制而成的具有外表面螺纹凹槽、内表面螺纹凸肋的碳素钢异形管。考虑到不同管参数对流动阻力和传热强化效果的响应，本文选用15 mm、25 mm和35 mm三种螺纹间距。换热管参数及示意图如表2和图1所示。

表2 换热管参数

图1 换热管示意图

1.3 单管传热强化实验平台

单管传热强化实验平台如图2所示。

图2 单管传热强化实验平台示意图

废液贮存于储液罐a1中，经螺杆泵a2推动、椭圆齿轮流量计a3计量流量，流经预热器a4，在换热管a5中与加热套管a6中的蒸汽进行换热，完成换热后的废液流入敞口的排气管a7中进行蒸发，经冷却器a8冷却后回到储液罐a1。实验采用电热锅炉b1产生蒸汽作为热载体，由附带测温热电偶的涡街流量计b2测量蒸汽的温度和流量。换热段外壳覆盖有保温棉，其温度数据采集由系统c负责。该系统使用经过二级标准水银温度计标定的铜-康铜热电偶，热电偶的电动势信号采用高精度的毫伏电压表(0.001 mV)采集并由计算机实时记录和处理。

1.4 CFD数值模拟

基于“CFD计算机软件群”概念的Fluent软件，能够针对流体的物理问题，选用合适的数学解法进行高效可靠的求解[5]。CFD软件群包括不同领域流动计算的软件，可以计算解决流场、传热和化学反应等领域中的问题，具有非常好的通用性[6]。本文选用Fluent软件对过程进行模拟计算，以求获得糖蜜酒精废液在螺纹管中的流动及传热状况，据此分析强化传热机理，为工业化废水处理工艺和蒸发装置的优化设计提供参考。Fluent软件的模拟流程如图3所示[7]。

图3 Fluent软件模拟流程示意图

2 结果与讨论

2.1 实验平台的可靠性检验

在利用单管传热强化实验平台进行不同螺纹管的传热强化实验之前，首先验证平台的可靠性。空白实验以水为工质、光滑管为换热元件，将实验数据与成熟经验公式的计算结果相比较，检验平台的可靠性。

空白实验所采用的光滑管基本数据与螺纹管保持一致，其外径为42 mm，壁厚为3 mm，加热段长度为1 m，内外表面光滑。采用经典的流体力学与传热学Dittus-Boelter公式计算结果作为参照，如式(1)所示。

Nu=0.023Re0.8Pr0.4

(1)

式中：Nu——努赛尔数

di——换热管内径，m

u——管内流体的流速，m·s-1

ρ——流体的密度，kg·m-3

μ——流体的黏度，Pa·s

Cp——流体的比热容，J·kg-1·K-1

λ——流体的热导率，W·m-1·K-1

将Dittus-Boelter式的计算结果与实验值比较，结果如图4所示。由图可以看出，实验值与计算值的相对误差在8%以内，属于工程允许误差范围，证明实验平台和实验方法可靠，实验结果可信。

图4 水在光滑管中传热实验Nu值与Dittus-Boelter经验公式Nu值

2.2 糖蜜酒精废液在光滑管和螺纹管中的传热实验

本实验以光滑管作为换热元件、Brix=25的糖蜜酒精废液为工质，模拟工业蒸发器的操作参数进行传热实验研究。分别以三种不同管参数的螺纹管替换光滑管，在相同条件下进行传热实验，与光滑管的实验结果进行对比，并考察不同螺纹间距对传热强化效果的影响。

努赛尔数Nu是评价传热状况的特征无因次数群。对于高黏度的糖蜜酒精废液，其强制对流传热努赛尔数如式(2)所示。

(2)

式中：Nu——努赛尔数

ai——管内对流传热系数，W·m-2·K-1

di——换热管内径，m

λ——流体的热导率，W·m-1·K-1。

光滑管和不同螺纹间距的螺纹管的Nu值如图5所示。

图5 糖蜜酒精废液在光滑管和不同螺纹间距的螺纹管中传热得到的Nu值

在Re=198～456的范围内，糖蜜酒精废液属于层流流型。由图5可以看出，努赛尔数Nu随着雷诺数Re的增加而增大。说明随着流速的增加，糖蜜酒精废液在换热管内壁的扰动增加，热阻减小，导致管内对流传热系数增大。

由图5可知，相对于光滑管，螺纹间距最大(35 mm)的螺纹管的努赛尔数Nu提高了20%，说明螺纹管管型对高黏度的糖蜜酒精废液有明显的传热强化效果。这是因为当废液流体在管内流动时，受螺纹管内表面螺纹凸肋的引导，靠近壁面的部分流体质点产生流向、流速变化，甚至出现涡漩等扰动，有利于减小热阻。同时，沿螺纹旋转的流股与沿轴向流动的流体主体间产生剪切作用，加快了壁面区域流体与主流体的质量与热量交换。同时，螺纹管管外为水蒸汽放热冷凝，螺旋状凹槽成为了排除冷凝液的通道，从而减薄了冷凝液膜的厚度，提高了冷凝换热系数。因此，管内管外的传热同时得到了强化，使得总传热系统有较大提高。

从图5还可以看出，对比螺纹间距分别为15 mm、25 mm和35 mm的螺纹管，努赛尔数Nu随着螺纹间距的减小而增大，传热效果增强。这是因为随着螺纹间距的减小，管壁面上的螺纹数量增加，加强了对管内流体的扰动，增强了传热强化效果。

2.3 糖蜜酒精废液传热的数值模拟

本文利用Fluent软件对糖蜜酒精废液在螺纹管中的传热过程进行数值模拟，以深入研究其流动状况及传热机理。

2.3.1 网格的生成

为了解决复杂区域内的各种求解问题，将区域划分为网格是计算的一个关键步骤，网格生成的质量的好坏直接影响计算过程的效率以及结果的精度[8-9]。本文采用非结构化网格生成技术中的平面三角形自动生成网格技术对单管换热模型进行网格生成，生成网格如图6所示。

由图6可知，模型各个界面被网格均匀划分，且在不同界面的连接处以及一些特殊界面例如螺纹管表面的凹槽处，都生成了密集的网格以确保结果的精度。

图6 螺纹管单管换热模型网格示意图

2.3.2 模型的可靠性验证

为了确保所建立的模型的可靠性，使其准确地重现螺纹管内所发生的物理现象，将Nu的模拟计算值与实验值进行比较，结果如图7所示。可以看出，两者间的相对误差小于10%，说明模型可靠、可用。

图7 模型计算得到的和实验所得到的Nu值

2.3.3 流体的温度场分布

Fluent模拟壳程蒸汽加热管内流体的换热器时，由于蒸汽在换热管管外冷凝相变的情形较为复杂，模拟过程难以收敛[10]。综合考虑各方面因素，本文假设壳程蒸汽具有恒定温度，据此进行建模和运算。糖蜜酒精废液流经换热管时的温度分布云图如图8所示。

图8 换热器温度分布云图

由图8可以看出，糖蜜酒精废液在流经换热管时，靠近管壁的液层先被加热，热流逐渐向中心扩散，直至管内流体被均匀加热。其中，在换热器有效换热段出口处，温度分布云图如图9所示。由图9可知，在螺纹管的管内凸肋处，管内废液的传热边界层变薄，热阻减小，起到了强化传热的效果。

图9 管内流体温度分布云图

2.3.4 流体的速度场分布

在换热段，流体的速度分布矢量图如图10所示。

图10 流体的速度分布矢量图

图10显示糖蜜酒精废液受换热管内表面凸肋的引导，流体质点运动的速度和方向在凸肋附近区域有较大变化，甚至出现接近径向的脉动。这种现象增强了管壁内表面流体扰动，有利于将热量由管壁向流体主流传导。模拟结果直观地显示出螺纹管对高黏度流体在低雷诺数Re下流动和传热过程的影响，科学地解释了螺纹管的强化传热机理，印证了实验结果。

3 结 论

通过实验研究和数值模拟，本文得到以下结论。

(1)通过对糖蜜酒精废液在光滑管与螺纹管传热实验中得到的Nu值进行对比，可以看出，螺纹间距为35 mm的螺纹管相对于光滑管，其Nu提升了20%。螺纹管型可有效地强化高黏度流体在低雷诺数Re下流动的传热过程，效果显著。

(2)对螺纹间距分别为15 mm、25 mm和35 mm的螺纹管分别进行传热实验，结果证明，随着螺纹间距的减小，其Nu增大，传热强化效果增强。

(3)采用Fluent软件对实验过程进行数值模拟。结果显示，在螺纹管内表面，流体质点在凸肋及附近区域流向及流速发生较大变化，对层流流动形态产生了较强的扰动，有利于将壁面处的热量向流体中心区域传导。同时，螺纹管外管壁上的凹槽促进了水蒸汽冷凝液膜的减薄及排除，强化了管外传热过程。数值模拟结果直观地重现了螺纹管对高黏度流体在低雷诺数Re下流动和传热的影响，印证了实验结果，合理地解释了传热强化机理。