黄原胶是以玉米淀粉为主要原料经微生物发 酵进行生产的一种多糖产品.因为高粘流体黄原胶具有优 良的性能，而在食品、医药、化工、印染及石油等行 业获得了广泛的应用.在黄原胶的生产过程中，发 酵后的发酵液中含有黄原胶24 ~ 3%，经预处理 浓缩后，浓度达54 ~ 7%，然后进行喷雾干燥，含 量达到404，进入乙醇槽沉淀.

在对黄原胶发酵液进行后续处理的过程中， 遇到高粘流体的传热问题.如使用普通管壳式换 热器来加热发酵液，采用热流体如蒸汽走壳程，发 酵液走管程的方式，由于黄原胶发酵液属于高粘 流体[1，2]，流体在换热管内的流动为层流状态，雷 诺数小，管内传热膜系数低，造成传热困难.对此， 可考虑采用管内强化传热的技术，来改善管内流 体的流动状态，从而提高换热器的传热系数[3~6]. 目前，关于高粘流体强化传热有一些研究成果[7]， 但对利用黄原胶溶液进行换热管内装元件强化传 热的研究还未见报道，本文进行了这方面的工作. 以黄原胶溶液为实验介质，进行了强化传热的实 验研究，并与普通的光滑管换热器进行了对比.实 验中采用的强化管形式有：螺纹管、SMK管和GK 管[8]，其中后两种强化管内分别装Kenics型和GK型静态混合元件.

1实验原理

传热实验中，实验介质的传热速率、传热膜系 数和努塞尔数分别为：

Q = WCp( %2 - %1)

! =

Nu = aDe/X

式中，Q为传热速率为质量流量；Cp为比热； %2为出口温度；i为进口温度；a为传热膜系数； '为换热面积；（为换热管壁温；m为介质主体 温度，计算中可按介质进出口的平均温度计算; Nu为努塞尔数；De为换热管当量直径；"为介质 的导热系数.

对于实验介质的传热速率Q，还可用收集的 蒸汽冷凝水量进行校核.

雷诺数的计算式:

Re = D-up/ $a

式中，De为换热管当量直径；$为流速;(〇为流体 密度;$为流体的表观粘度，在实验条件下，介质 粘度的测定主要使用NDJ — 1型旋转式粘度计.

换热管当量直径De:对于光滑管和螺纹管， De为管内径；对于GK管和SMK管，De的计算 式:

e + 2 2 + 2 2

式中，1为换热管内径；2为静态混合元件的宽 度^为静态混合元件的厚度.流体力学分析中用 到的阻力系数计算式：

""PDe

式中，/为阻力系数;AP为实验介质进出口的压 降;#为介质密度；$为管内流体流速；&为换热 管长度.

2实验部分

2.1实验设备与仪器

实验装置如图1所示.主要实验设备为管壳 式换热器2,此换热器由7根换热管组成，换热管 为可拆结构.壳程走饱和蒸汽，管程走实验介质. 另外还用到的设备有循环泵和贮槽.实验中使用 的仪器仪表有:热电偶、压力表、流量计、温度记录 仪等.

实验中换热管的结构形式有4种:光滑管、螺 纹管、GK管、SMK管.其中，SMK管中装入的是 Kenics型静态混合元件，GK管中装入的是GK型 静态混合元件，这两种元件的宽度均为18 _，长 径比均为：'=(/* = 3.实验中采用的4种结构形 式换热管的长度、直径及壁厚均相同，有效换热管 长为3 000 _，换热管的规格为！25 x 2，尺寸单 位为_*材料均为不锈钢，按内径计算换热器的 换热面积为1.32 m2.

3结果与分析

3.1传热实验结果

利用实验介质，分别在4种不同结构形式的 换热管中进行了传热实验，在+e =0.4 = 25实验 范围内，得到的实验结果如图2所示，其中，+e中 的粘度是实验介质的表观粘度.

1.2 流体力学实验结果

3.3分析与讨论 3 . 3 . 1 传热结果分析

由图2可知，光滑管、螺纹管、GK管和SMK 管的系数,-/#.0.333均随&的增大而增大.强化 管的强化传热效果可用传热强化因子/来反映， /= $/,-?，其中分别为强化管与光滑 管的努塞尔数.由实验结果可知，在实验范围内， 螺纹管、GK管和SMK管的传热强化因子Z分别 约为：.4、.4 和 4.0.

在+e = 0.4 = 25实验范围内，通过对流体流 过换热管进出口的压降的测定与分析，得到的流 体力学实验结果如图3所示，其中&的粘度" 是实验介质的表观粘度.

3.3.2流体力学结果分析

由图3可知，4种结构的换热管阻力系数/ 与在对数坐标系中均成直线关系，阻力系数/ 均随着Re的增大而减小.在实验范围内，螺纹 管、GK管和SMK管阻力系数与光滑管阻力系数 的比值分别约为：1.6、10和13.4.

3.3.3雷诺数的讨论

由实验结果可知，雷诺数Re是影响传热和 流体阻力的主要因素，而在溶液浓度一定时，流速 又是影响雷诺数的主要因素.由于黄原胶溶液具 有假塑性，并且在很低浓度时，就有很大的粘度， 属于高粘流体，其雷诺数随着粘度的增大而减小， 增加流速，可降低溶液的粘度，雷诺数变大，传热 系数提高，但同时流动阻力也随之增大.

3.3.4强化元件结构形式的影响

实验中采用的强化换热元件有两种形式，即 Kenics型及其改进型GK型静态混合元件，在具有 相同长径比的情况下，得到的GK管和SMK管传 热强化因子$分别约为3.4和4.0,而SMK管的 阻力系数约为GK管的1.34倍.由此可知，在能 满足传热要求的情况下，GK管的流动阻力没有特 别大的增加，并且由于此种元件加工方便，制造成 本低，可使用专用设备进行批量生产，因此利用管 内装GK型元件进行高粘流体的强化传热，是较 好的一种方式.

4结论

黄原胶溶液的传热属于高粘流体传热，通过 以黄原胶溶液为实验介质，分别在光滑管、螺纹 管、GK管和SMK管中进行的传热和流体力学实验得到，在实验范围内，螺纹管、GK管和SMK管的传热强化因子$分别约为：1.4、3.4和4.0;相应的螺纹管、GK管和SMK管的阻力系数与光滑管阻力系数的比值分别约为：1.6、10和13.4.由此可知，采用GK型元件进行高粘流体的管内强化传热是一种较好的方式.