黃原膠是以玉米淀粉為主要原料經微生物發 酵進行生產的一種多糖產品.因為高粘流體黃原膠具有優 良的性能，而在食品、醫藥、化工、印染及石油等行 業獲得了廣泛的應用.在黃原膠的生產過程中，發 酵后的發酵液中含有黃原膠24 ~ 3%，經預處理 濃縮后，濃度達54 ~ 7%，然后進行噴霧干燥，含 量達到404，進入乙醇槽沉淀.

在對黃原膠發酵液進行后續處理的過程中， 遇到高粘流體的傳熱問題.如使用普通管殼式換 熱器來加熱發酵液，采用熱流體如蒸汽走殼程，發 酵液走管程的方式，由于黃原膠發酵液屬于高粘 流體[1，2]，流體在換熱管內的流動為層流狀態，雷 諾數小，管內傳熱膜系數低，造成傳熱困難.對此， 可考慮采用管內強化傳熱的技術，來改善管內流 體的流動狀態，從而提高換熱器的傳熱系數[3~6]. 目前，關于高粘流體強化傳熱有一些研究成果[7]， 但對利用黃原膠溶液進行換熱管內裝元件強化傳 熱的研究還未見報道，本文進行了這方面的工作. 以黃原膠溶液為實驗介質，進行了強化傳熱的實 驗研究，并與普通的光滑管換熱器進行了對比.實 驗中采用的強化管形式有：螺紋管、SMK管和GK 管[8]，其中后兩種強化管內分別裝Kenics型和GK型靜態混合元件.

1實驗原理

傳熱實驗中，實驗介質的傳熱速率、傳熱膜系 數和努塞爾數分別為：

Q = WCp( %2 - %1)

! =

Nu = aDe/X

式中，Q為傳熱速率為質量流量；Cp為比熱； %2為出口溫度；i為進口溫度；a為傳熱膜系數； '為換熱面積；（為換熱管壁溫；m為介質主體 溫度，計算中可按介質進出口的平均溫度計算; Nu為努塞爾數；De為換熱管當量直徑；"為介質 的導熱系數.

對于實驗介質的傳熱速率Q，還可用收集的 蒸汽冷凝水量進行校核.

雷諾數的計算式:

Re = D-up/ $a

式中，De為換熱管當量直徑；$為流速;(〇為流體 密度;$為流體的表觀粘度，在實驗條件下，介質 粘度的測定主要使用NDJ — 1型旋轉式粘度計.

換熱管當量直徑De:對于光滑管和螺紋管， De為管內徑；對于GK管和SMK管，De的計算 式:

e + 2 2 + 2 2

式中，1為換熱管內徑；2為靜態混合元件的寬 度^為靜態混合元件的厚度.流體力學分析中用 到的阻力系數計算式：

""PDe

式中，/為阻力系數;AP為實驗介質進出口的壓 降;#為介質密度；$為管內流體流速；&為換熱 管長度.

2實驗部分

2.1實驗設備與儀器

實驗裝置如圖1所示.主要實驗設備為管殼 式換熱器2,此換熱器由7根換熱管組成，換熱管 為可拆結構.殼程走飽和蒸汽，管程走實驗介質. 另外還用到的設備有循環泵和貯槽.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.

實驗中換熱管的結構形式有4種:光滑管、螺 紋管、GK管、SMK管.其中，SMK管中裝入的是 Kenics型靜態混合元件，GK管中裝入的是GK型 靜態混合元件，這兩種元件的寬度均為18 _，長 徑比均為：'=(/* = 3.實驗中采用的4種結構形 式換熱管的長度、直徑及壁厚均相同，有效換熱管 長為3 000 _，換熱管的規格為！25 x 2，尺寸單 位為_*材料均為不銹鋼，按內徑計算換熱器的 換熱面積為1.32 m2.

3結果與分析

3.1傳熱實驗結果

利用實驗介質，分別在4種不同結構形式的 換熱管中進行了傳熱實驗，在+e =0.4 = 25實驗 范圍內，得到的實驗結果如圖2所示，其中，+e中 的粘度是實驗介質的表觀粘度.

1.2 流體力學實驗結果

3.3分析與討論 3 . 3 . 1 傳熱結果分析

由圖2可知，光滑管、螺紋管、GK管和SMK 管的系數,-/#.0.333均隨&的增大而增大.強化 管的強化傳熱效果可用傳熱強化因子/來反映， /= $/,-?，其中分別為強化管與光滑 管的努塞爾數.由實驗結果可知，在實驗范圍內， 螺紋管、GK管和SMK管的傳熱強化因子Z分別 約為：.4、.4 和 4.0.

在+e = 0.4 = 25實驗范圍內，通過對流體流 過換熱管進出口的壓降的測定與分析，得到的流 體力學實驗結果如圖3所示，其中&的粘度" 是實驗介質的表觀粘度.

3.3.2流體力學結果分析

由圖3可知，4種結構的換熱管阻力系數/ 與在對數坐標系中均成直線關系，阻力系數/ 均隨著Re的增大而減小.在實驗范圍內，螺紋 管、GK管和SMK管阻力系數與光滑管阻力系數 的比值分別約為：1.6、10和13.4.

3.3.3雷諾數的討論

由實驗結果可知，雷諾數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，雷諾數變大，傳熱 系數提高，但同時流動阻力也隨之增大.

3.3.4強化元件結構形式的影響

實驗中采用的強化換熱元件有兩種形式，即 Kenics型及其改進型GK型靜態混合元件，在具有 相同長徑比的情況下，得到的GK管和SMK管傳 熱強化因子$分別約為3.4和4.0,而SMK管的 阻力系數約為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，可使用專用設備進行批量生產，因此利用管 內裝GK型元件進行高粘流體的強化傳熱，是較 好的一種方式.

4結論

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，分別在光滑管、螺紋 管、GK管和SMK管中進行的傳熱和流體力學實驗得到，在實驗范圍內，螺紋管、GK管和SMK管的傳熱強化因子$分別約為：1.4、3.4和4.0;相應的螺紋管、GK管和SMK管的阻力系數與光滑管阻力系數的比值分別約為：1.6、10和13.4.由此可知，采用GK型元件進行高粘流體的管內強化傳熱是一種較好的方式.