糖化設(shè)備攪拌器的實(shí)驗(yàn)選型與數(shù)值模擬.doc

糖化設(shè)備攪拌器的實(shí)驗(yàn)選型與數(shù)值模擬林興華，陳志平，胡錫文，周睿（浙江大學(xué)，浙江 杭州 310027）摘 要：6種攪拌器在直徑為300mm、375mm和575mm的攪拌槽內(nèi)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，從攪拌器的功率、混合特性二個(gè)方面來評(píng)判各攪拌器的性能。經(jīng)放大實(shí)驗(yàn)后，選擇了功耗低、混合性能好的大雙斜葉槳應(yīng)用于生產(chǎn)。對(duì)實(shí)際應(yīng)用的直徑為4200mm糖化設(shè)備進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明與生產(chǎn)實(shí)際相吻合，攪拌器能滿足糖化的工藝要求。關(guān)鍵詞：糖化設(shè)備 攪拌器 數(shù)值模擬中圖分類號(hào)：TQ 027.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：BThe selection of agitators in mash equipments based on experiments and numerical simulationLIN Xing-hua，HU Xi-wen，ZHOU Rui，CHEN Zhi-ping（Zhejiang University，Zhejiang Hangzhou 310027）Abstract：The study of six types of agitators has been done in three stirred tanks with 300mm, 375mm and 575mm in diameter respectively. The performance of the agitators is investigated from the perspective of power consumption and mixing characteristics. The large-double-oblique impeller has been selected based on its least power consumption and minimum mixing time number. Simulation has been carried out with double-oblique impeller on mash equipments with 4200mm in diameter. The result shows that flow field and velocity field are in conformity with real situation. The agitator can meet the technical requirement.Keywords： mash equipment; agitator; numerical simulation糖化設(shè)備是啤酒生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一。糖化是一個(gè)復(fù)雜的生化反應(yīng)過程，在糖化設(shè)備中，通過加熱和攪拌，調(diào)節(jié)酶的最適宜的溫度和PH值，使很多不溶性物質(zhì)在酶的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄晕镔|(zhì)而溶解出來，制成符合要求的麥芽汁，提高糖化浸出物的收得率。糖化設(shè)備的攪拌要求低轉(zhuǎn)速、低剪切、低吸氧，使鍋內(nèi)醪液混合均勻，又要把夾套內(nèi)蒸汽熱量傳導(dǎo)給醪液，使筒體內(nèi)的溫度分布均勻，從衛(wèi)生角度又不希望筒體內(nèi)設(shè)置擋板。隨著糖化設(shè)備的大型化，對(duì)提高生產(chǎn)效率，降低能耗等提出了更高的要求。因此選擇攪拌均勻，傳熱效果好，功率小的攪拌器就十分重要。本文從實(shí)驗(yàn)研究、理論分析以及數(shù)值模擬等方面對(duì)糖化設(shè)備的攪拌器進(jìn)行研究、選用。 根據(jù)糖化設(shè)備對(duì)攪拌的要求，以及糖化設(shè)備內(nèi)不設(shè)置擋板，蒸氣從夾套的上部進(jìn)入，冷凝水由夾套底部出的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，糖化設(shè)備的最佳攪拌流型應(yīng)為圖1所示。攪拌器的旋轉(zhuǎn)作用，使糖化設(shè)備內(nèi)中心部分的流體在內(nèi)槳葉的作用下，在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)向下流動(dòng)，而在外槳葉作用下流體沿糖化設(shè)備內(nèi)壁向上流動(dòng)，造成筒體內(nèi)物料的大循環(huán)流動(dòng)，與夾套成逆流換熱，加快內(nèi)外壁流體的換熱，增強(qiáng)傳熱效果，有利于把夾套的熱量均勻傳遞到整個(gè)糖化設(shè)備。圖1 糖化設(shè)備的最佳攪拌流型Fig.1 The best mill model of mash equipment1糖化設(shè)備攪拌器的選型與實(shí)驗(yàn)研究糖化醪液是固液懸浮流體，用于固液懸浮的攪拌器有徑向流型的，也有軸向流型。在此選擇了45斜槳以及雙斜45槳葉等6種軸向流攪拌器進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)研究。其中雙斜45槳葉屬于斜葉槳的改型，在45斜槳的前端增加一個(gè)與主槳傾斜90的小斜葉，經(jīng)攪拌軸的旋轉(zhuǎn)，在槽內(nèi)形成中心液流向下，周邊液流向上的軸向循環(huán)流。1.1實(shí)驗(yàn)介紹實(shí)驗(yàn)用攪拌槽直徑為300mm、375mm和575mm的橢圓底有機(jī)玻璃槽1 2。攪拌器由螺釘固定在攪拌軸上，方便拆換。扭矩通過扭矩傳感器獲得信號(hào)，經(jīng)動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀進(jìn)行測(cè)量；轉(zhuǎn)速通過光電傳感器拾取信號(hào)，經(jīng)整形電路輸入A/D采集卡；溫度通過溫度傳感器（攪拌槽內(nèi)設(shè)置三個(gè)信號(hào)采集點(diǎn)）輸出的電信號(hào)，由溫度變送器經(jīng)A/D采集卡，再輸入計(jì)算機(jī)處理，進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。1.2選用的攪拌器結(jié)構(gòu)攪拌器的直徑、葉片的寬度以及外葉片的形狀等不同，其結(jié)構(gòu)形狀如圖2所示。實(shí)驗(yàn)主要從各攪拌器的槳型考察其功耗、混合特性等，并比較其開孔的影響。STNC槳45度斜葉槳小雙斜葉槳雙斜三葉槳HU斜葉槳大雙斜葉槳HUM斜葉槳（有孔）大雙斜葉槳（有孔）圖2 攪拌器的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of agitator 1.3 測(cè)試傳感器與測(cè)試內(nèi)容轉(zhuǎn)速測(cè)量；光電式轉(zhuǎn)速傳感器。功率測(cè)量；應(yīng)變式扭矩傳感器?；旌蠒r(shí)間測(cè)量：采用溫差法測(cè)定混合時(shí)間。實(shí)驗(yàn)時(shí)，在液面上一固定位置處瞬間加入固定量、固定溫度的熱水，通過槽中不同位置的溫度傳感器來檢測(cè)溫度的變化，判斷混合進(jìn)行的程度。各點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化是一條拖尾曲線。在攪拌槽內(nèi)設(shè)置三個(gè)溫度傳感器a、b、c，三點(diǎn)溫度感溫探頭分別位于槽底、液面高的一半及液面下50mm處。實(shí)驗(yàn)時(shí)，以a、b、c三點(diǎn)溫度計(jì)之間的溫度差為3時(shí)，作為達(dá)到攪拌要求時(shí)的混合時(shí)間。2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析實(shí)驗(yàn)分別以清水、糖化醪液為介質(zhì)，測(cè)量其不同轉(zhuǎn)速下的扭矩、混合時(shí)間及混合特性等，得到大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從攪拌器的功耗和混合特性二個(gè)方面來評(píng)判攪拌器的性能。2.1 攪拌器的功率準(zhǔn)數(shù)攪拌功率準(zhǔn)數(shù)Np是衡量槽內(nèi)流體攪拌程度和流動(dòng)狀態(tài)的重要指標(biāo)，同時(shí)也反映了攪拌操作所需的能量消耗。由攪拌功率方程式： （1） 式中的功率P、介質(zhì)密度、轉(zhuǎn)速n和攪拌器直徑d都可以從實(shí)驗(yàn)求得，根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速可作出功率準(zhǔn)數(shù)Np的曲線。各攪拌器在湍流時(shí)的功率準(zhǔn)數(shù)如圖3。圖3 6種攪拌器的功率準(zhǔn)數(shù)Fig.3 Power standard of 6 kind agitator從圖3可以看出，在相同的攪拌雷諾數(shù)下，大雙斜葉槳的功率準(zhǔn)數(shù)最小為0.18，最大的是45度斜葉槳為0.32。2.2 攪拌器的混合特性混合時(shí)間是反映攪拌槽內(nèi)液體混合效果的重要參數(shù)?；旌蠒r(shí)間M是指物料通過攪拌使之達(dá)到規(guī)定混合程度所需的時(shí)間。為便于比較，本實(shí)驗(yàn)測(cè)量的M數(shù)值是在相同的測(cè)試條件下進(jìn)行的，M與n的關(guān)系如圖4所示。圖4 6種攪拌器的M與nFig.4 M and n of 6 kind agitator從圖中可以看出，在相同的轉(zhuǎn)速下，大雙斜葉槳的混合時(shí)間最少，最大的是45度斜葉槳。在評(píng)價(jià)攪拌器的混合性能時(shí)，常常采用混合效率數(shù)Ce來比較混合效率的高低3, Ce表示流體在一定的流體粘度和混合時(shí), 攪拌器所需的單位體積混合能，Ce越小，混合效率越高。其表達(dá)式為: （2）圖5 攪拌槳在不同轉(zhuǎn)速下的CeFig.5 Ce of agitator in different rotate speed2.3 開孔的影響為了比較開孔的影響，對(duì)HUM斜葉槳和大雙斜葉槳在未開孔與開孔情況下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。未開孔時(shí)大雙斜葉槳的Np值為0.18，開孔后大雙斜葉槳的Np值為0.167；未開孔的HUM斜葉槳Np值為0.24，開孔后的HUM斜葉槳Np值為0.216?？梢姡_孔后槳葉的功率準(zhǔn)數(shù)都有所降低。大雙斜葉槳的Np值降低了7.2；HUM斜葉槳的Np值降低了10。3 數(shù)值模擬 攪拌設(shè)備內(nèi)存在著復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)攪拌設(shè)備的設(shè)計(jì)和放大目前仍主要依賴于經(jīng)驗(yàn)；測(cè)量攪拌設(shè)備內(nèi)流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)裝置一般都很昂貴，而且流場(chǎng)測(cè)量是相當(dāng)費(fèi)時(shí)的工作；有時(shí)受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，對(duì)某些攪拌設(shè)備的流場(chǎng)是無法用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得。CFD方法通過建立各種條件下的基本守恒方程，加上數(shù)值計(jì)算理論，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)各種真實(shí)過程場(chǎng)的分布。3.1流體力學(xué)模型 （3）層流域的動(dòng)量守恒方程（即NS方程）： （4） 對(duì)于湍流域，動(dòng)量守恒方程為： （5）湍流比層流的方程多一項(xiàng)是雷諾應(yīng)力張量，處理這一項(xiàng)的湍流數(shù)學(xué)模型有標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，這樣使方程組封閉可解。標(biāo)準(zhǔn)湍流模型的湍流動(dòng)能和湍流動(dòng)能耗散率的傳遞方程為： （6） （7） （8） （9）模型參數(shù)值：， ， ， ， 3.2求解區(qū)域、邊界條件及網(wǎng)格劃分計(jì)算所采用的結(jié)構(gòu)和實(shí)際糖化設(shè)備基本一致。設(shè)備為帶碟形封頭的圓筒體，無擋板，大雙斜45度攪拌器。計(jì)算中攪拌轉(zhuǎn)速為20 r/min。為了方便建模和設(shè)定邊界條件，計(jì)算域選取整個(gè)流體區(qū)域。計(jì)算坐標(biāo)系選用單旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系?？紤]到液體的流動(dòng)，而且攪拌過程中液面與大氣接觸，是自由液面；所有筒體、攪拌軸、攪拌器定義為壁面邊界條件；所有固體表面與接觸的所有界面上均采用無滑移邊界條件，應(yīng)用-epsilon粘性模型在近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；攪拌器、攪拌軸設(shè)置相應(yīng)的轉(zhuǎn)速條件。采用軟件Gambit 2.0對(duì)糖化鍋劃分網(wǎng)格，碟形封頭采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分單元。對(duì)糖化設(shè)備筒體及攪拌軸均采用四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，并確保所用網(wǎng)格能正確反映攪拌槽內(nèi)流場(chǎng)。模擬計(jì)算應(yīng)用軟件FLUENT6.1。對(duì)流項(xiàng)采用“二階迎風(fēng)格式”，連續(xù)性方程與動(dòng)量方程采用顯示耦合的SIMPLEC算法，速度與能量方程的松弛因子分別設(shè)為0.7和0.8。糖化設(shè)備的直徑為4200mm，封頭為碟形封頭，攪拌器采用大雙斜葉槳。網(wǎng)格模型總節(jié)點(diǎn)數(shù)為91341，總單元數(shù)為495014，如圖6所示。圖6 4200糖化鍋模型網(wǎng)格圖Fig.6 Model gridding of mash equipment4200圖7 大雙斜葉槳各截面示意圖Fig.7 Sketch map of each section in big double inclined oar為了分析糖化設(shè)備內(nèi)各截面的流場(chǎng)分布規(guī)律，橫截面分別取軸套中心的平面（平面1）、過槳葉開孔處平面（平面2）、糖化設(shè)備中間液高平面（平面3）和設(shè)備液面頂部平面（平面4）；縱截面分別取過槳葉中心截取出來的平面（平面a）和與其垂直方向的中心截取出來的平面（平面b），共6個(gè)平面進(jìn)行流線顯示，其平面位置見圖7。4個(gè)橫截面的流場(chǎng)見圖8，2個(gè)縱截面的流場(chǎng)見圖9所示。平面1平面2平面3平面4圖8 糖化鍋內(nèi)橫截面流場(chǎng)分布圖Fig.8 Fiow field distribution of cross section in mash equipment 平面a 平面b圖9 糖化鍋內(nèi)縱截面流場(chǎng)分布圖Fig.9 Fiow field distribution of vertical section in mash equipmen3.3 攪拌流型分析橫截面流場(chǎng)：平面1和平面2的流場(chǎng)都是通過槳葉的，可以明顯看出，槳葉附近的流線較為密集，特別是經(jīng)過葉片上開孔的區(qū)域，在局部區(qū)域產(chǎn)生漩渦；在槳葉的端部流線最為密集，湍流程度較明顯。由圖8流場(chǎng)可知，在糖化設(shè)備的中部，流場(chǎng)比較平穩(wěn)，中心區(qū)域流線較密集，同時(shí)壁面處流線也較為密集，這是由位于中間部份的物料在攪拌器內(nèi)槳葉的作用下，在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)向下流動(dòng)，而壁面處在攪拌器外槳葉作用下，流體向上流動(dòng)的結(jié)果。筒體上部液面處的平面4其流場(chǎng)就更加平穩(wěn)，流線除了在中心產(chǎn)生較為密集外，其它區(qū)域的流線都較為稀疏?？v截面流場(chǎng)：通過縱截面流場(chǎng)分布圖9可以看出，整個(gè)筒體內(nèi)物料的湍流程度較為激烈，鍋內(nèi)多處產(chǎn)生大的漩渦，在槳葉的端部有小的漩渦，十分有利于攪拌與混合。流線在中心附近由上往下，在靠近鍋壁附近方向由下往上。該結(jié)果與實(shí)驗(yàn)研究的相一致。軸相速度徑向速度切向速度圖10 攪拌器速度分布圖Fig.10 Velocity distribution of agitator圖10為大雙斜葉槳的速度分布圖，由圖可以看出，其最大軸向速度出現(xiàn)在外葉片的端部，中間出現(xiàn)兩個(gè)峰值是由于開孔導(dǎo)致的，壁面位置速度為0；最大徑向速度則出現(xiàn)在內(nèi)葉片中間位置，由于內(nèi)葉片的作用，速度不斷增大，達(dá)到最大值后變小，然后又由于外葉片作用變大，達(dá)到最大值后速度變?。磺邢蛩俣茸畲笾党霈F(xiàn)在外葉片的端部，由于內(nèi)葉片的作用，在內(nèi)葉片端部也產(chǎn)生了一個(gè)較大的切向速度。3.5 攪拌流型特點(diǎn)從圖8和圖9 的橫、縱截面流場(chǎng)分布圖可以看出，筒體內(nèi)頂部液面流線較疏，流場(chǎng)平穩(wěn)，沒有激烈的湍動(dòng)和凹陷，可以有效地減少與氧的接觸氧化。而在物料內(nèi)部，流線較密集且有大小漩渦，有利于物料的充分混合。由于轉(zhuǎn)速較低（20r/min）,攪拌產(chǎn)生的剪切力也小，有利于糖化質(zhì)量。物料在筒體內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)，在近壁面的流線都較為密集，可以及時(shí)更新筒體壁面形成的層流底層，使得污垢不易沉積，有利于換熱。物料的循環(huán)流動(dòng)方向與夾套的蒸氣流動(dòng)方向成逆流，有利于糖化醪液溫度的均勻。由于該攪拌器的轉(zhuǎn)速低，從而使攪拌器的功率消耗較小。4 結(jié)論通過實(shí)驗(yàn)研究，選取了功耗、混合特性二個(gè)方面性能具佳的大雙斜葉攪拌器，經(jīng)放大實(shí)驗(yàn)后應(yīng)用于生產(chǎn)。對(duì)實(shí)際應(yīng)用的直徑為4200mm糖化設(shè)備進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)設(shè)備內(nèi)的物料在攪拌器作用下的流場(chǎng)和速度場(chǎng)分