文 献 综 述

1.研究背景

随着对可再生能源和环境保护的需求的增加，厌氧消化产生沼气已经引起了更多的关注。新一代厌氧消化的主要目标是提高甲烷产量^[1]。据报道，通过嗜热发酵沼气生产率可提高41-144％^[2]，但这需要高反应热，占总能源利用的70-80％^[3]。对于生物产生甲烷过程，特别是那些没有任何生热作用的过程，例如热电联产过程的生物甲烷过程，难以集成其它加热系统并且常燃烧产生的沼气的热来为过程供热。因此，关键是有效地使用废热以便减少沼气燃烧的量，然后提高净原生物气产量（NRBP）。以前的研究表明，通过使用流出物浆料的废热预热进料可以回收大量的能量^[4,5]。然而，仍然不清楚从浆料到NRBP的废热回收过程的定量贡献。为了提高废热利用率，通常使用外部热交换器为厌氧消化系统进行外部加热。与内部加热（热交换盘管）相比，这种外部加热的传热效率相对较高。已经为全规模沼气厂设计了热交换器和相应的外循环装置。然而，由于传统的热交换不能满足具有特殊性能的厌氧消化淤浆的要求，热交换器的结垢，堵塞和低效率以及高的投资成本仍然是问题^[6]。与正常工作流体相比，来自厌氧消化的浆料的粘度即流变性质是非常不同的。浆料的粘度不仅取决于温度而且取决于剪切速率，并且当浆料的总固体（TS）超过7％时，在8至60℃的温度下浆料的粘是水的粘度的30-700倍^[7]。因此，为了设计或改进具有高的结垢可能性的这种特殊的复杂流变泥浆的传热系统需要做特殊的考虑。

2.刮板式换热器研究进展

刮表面换热器（SSHE）中混合是一个关键部分，因此SSHE广泛应用来处理高粘性的产品，如：洗涤剂、洗发露、冰淇淋、牙膏、奶油、焦糖、蛋黄酱、奶油干酪、花生酱和冰淇淋等。SSHE也常被用在食品、化学和制药工业中的一些应用上如冷冻、杀菌、冷却、糊化、重结晶过程和凝胶化。SSHE的特殊之处在于它热处理高粘性流体的能力，由于SSHE中旋转叶片的存在能提供高流速和统一的热交换并且能防止伴随粘性产品产生的污垢层来保证连续生产。SSHE由两个圆柱体组成：外面一层圆柱体（定子）与产品进行热交换的表面，叶片固定在内部一层圆柱体（转子）并且做周期性旋转来刮定子表面以阻止结皮形成。SSHE操作原则如下：需要冷却或加热的产品从法兰（产品进口）进入换热器，由刮板混合，接着产品由另一个法兰（流体出口）出去^[8]。在这个过程中，被处理的产品和连续不断被刮的热交换表面接触。图一为SSHE设备的示意图^[9]。为了获得最大的热效率，定子通常由具有高热传递系数的材料（例如镍）制造，为了保护其免受刮板的刮擦作用，材料表面通常涂有硬镀铬整理。叶片本身通常由不锈钢制成。然而，在一些特殊应用中常使用塑料（在这些应用中，不需要镀铬）^[10]。旋转的刮板主要有以下几个作用，通过连续地更换最接近定子的流体来改善定子和过程流体之间的热传递，确保流体被更均匀地处理，从而减少流体离开SSHE的温度不均匀性（对于诸如灭菌的过程是必需的）；也避免了由于产品沉积物积聚在传热表面上而导致的热传递效率降低的问题，这意味着SSHE可以连续运行更长的时间。

Fig.1. Schematic representation of a scraped surface heat exchanger ”SSHE”,longidtudinal and transversal cross-section

由于加热、冷却和混合过程的复杂性质，需要有几个因素以便更全面地理解流体在SSHE内的流动。首先，几何和SSHE的操作参数起主要作用，并且诸如设备尺寸，叶片设计和流速需要仔细考虑，以最大限度地提高效率并且创造热交换器内的期望条件。其次，流动是三维的（包括由转动的转子和叶片驱动的径向流以及压力驱动的轴向流），并且在某些情况下由于涡流的形成而变得更复杂^[11-13]。非等温流动的并且通常会涉及传导，对流和粘性耗散；此外，工作介质的热特性也很重要。其它必须考虑的重要因素是过程流体的流变性。

2.1 基于CFD研究SSHE

2.1.1 三维数字模拟