水產品解凍冷能回收利用污水換熱器的研究

蔡勇， 沈瑩杰， 方輝， 周艷， 楊俊威

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

0 引 言

在水產加工行業現有工藝是采用自來水直接沖洗解凍水產凍品，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，相當于節電107.5 kW·h。若將這些能量回收利用于加工車間制冷，污水換熱器是關鍵設備。國內外學者主要在換熱器結構、腐蝕污垢特性、結垢機理等方面進行了換熱器的研究［1-5］，如天津大學趙鎮南教授［6］對板式換熱器的速度場，以及幾個主要參數對換熱性能的影響進行了研究；許惠淑等［7］對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］對板式換熱器的流動阻力、換熱效率和結構優化等方面做過研究。本文研究的水產品解凍水中富含蛋白質、鹽類等物質，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，需要設計專用的污水換熱器。目前國內外還沒有對此類應用的換熱器研究報道。為此本文將從污水換熱器的結構型式、結構參數優選等方面進行研究，設計出一款換熱效率高，且能抑制污垢的形成，耐腐蝕性強的換熱器，滿足實際工程需要。

1 污水換熱器結構設計

考慮各種換熱設備的優缺點、應用場合、換熱效率及性價比，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、活動壓緊板、下導桿、上導桿、夾緊螺栓、支柱。其設計壓力是1MPa，溫度是100℃，板片材料為304不銹鋼。

圖1 板式換熱器結構

將介于主要換熱區域和角孔之間的結構設計成巧克力分布方式，有如下優點：流體均勻流過整個板片；圖2板片中A、B處的壓力降相同；該巧克力區域的壓力損失最??；允許平行流；避免了遠處的死角。

2 換熱性能與流動阻力

努塞爾數Nu是表征流體傳熱強度的無量綱，壓降Δp是表征流體流動阻力的無量綱。換熱器的波紋傾角β，波紋高度h以及波紋間距λ對努塞爾數Nu和壓降Δp的影響，計算物理量如下［9］：

努塞爾數Nu的定義式：

式中：λ是導熱系數；h是換熱系數；l是特征長度。

平均努塞爾數Nu的定義：

式中：q為熱通量；Tw為壁面溫度；Tf為流體溫度；de為當量直徑。

摩擦因數f計算公式為

式中：L是流道長度；ρ是流體密度；u是流體速度。

圖2 板片結構

3 數值計算

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

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；當波紋傾角β大于 60°時，Nu 數開始降低；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Nu隨著波紋高度h的增大逐漸增大，幾乎呈線性關系；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=5 mm，波紋間距λ=10 mm或者λ=11 mm時，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 流體仿真計算

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

邊界條件設定為：采用速度入口與壓力出口，可避免回流區域的影響，其進口速度大小為0.43 m/s，進口溫度為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 計算區域圖形

圖11 進出口以及中間截面的溫度漸變圖

圖12 進出口以及中間截面的壓力漸變圖

圖13 流體流動方向局部放大速度矢量圖

5 結語

本文首先研究了用于水產品解凍冷能回收利用的污水換熱器，其結構為人字形板式換熱器。其次對影響換熱器流動阻力與傳熱性能的重要參數進行了分析與數值計算，得出最佳的換熱器組合參數。最后進行了換熱器的流體仿真計算，驗證了換熱器換熱效果良好，滿足實際工程應用的需要。

［1］ 楊崇麟.板式換熱器國內外情況及對我國發展板式換熱器的建議［R］.全國石油設備技術發展專題報告，1985.

［2］ 周明連.板式熱交換器流動分布的理論分析與實驗研究［J］.北方交通大學學報，2001，25（1）：67-71.

［3］ 杜祥云.BRO.015F型板式換熱器結垢特性的實驗研究［D］.吉林：東北電力大學，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］ 趙鎮南.板式換熱器人字波紋傾角對傳熱及阻力性能影響［J］.石油化工設備，2001（5）：2-3.

［7］ 許淑惠，周明連.板式換熱器進出12流道內的壓力分布、流阻及流型顯示的試驗研究［J］.節能，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驗研究［J］.工程熱物理學報，1987，8（3）：264-267.

［9］ 張冠敏.復合波紋板式換熱器強化傳熱機理及傳熱特性研究［D］.濟南：山東大學，2006.