糖化设备搅拌器的实验选型与数值模拟.doc

糖化设备搅拌器的实验选型与数值模拟林兴华，陈志平，胡锡文，周睿（浙江大学，浙江 杭州 310027）摘 要：6种搅拌器在直径为300mm、375mm和575mm的搅拌槽内进行了实验研究，从搅拌器的功率、混合特性二个方面来评判各搅拌器的性能。经放大实验后，选择了功耗低、混合性能好的大双斜叶桨应用于生产。对实际应用的直径为4200mm糖化设备进行了数值模拟，结果表明与生产实际相吻合，搅拌器能满足糖化的工艺要求。关键词：糖化设备 搅拌器 数值模拟中图分类号：TQ 027.2 文献标识码：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糖化设备是啤酒生产的关键设备之一。糖化是一个复杂的生化反应过程，在糖化设备中，通过加热和搅拌，调节酶的最适宜的温度和PH值，使很多不溶性物质在酶的作用下转变为可溶性物质而溶解出来，制成符合要求的麦芽汁，提高糖化浸出物的收得率。糖化设备的搅拌要求低转速、低剪切、低吸氧，使锅内醪液混合均匀，又要把夹套内蒸汽热量传导给醪液，使筒体内的温度分布均匀，从卫生角度又不希望筒体内设置挡板。随着糖化设备的大型化，对提高生产效率，降低能耗等提出了更高的要求。因此选择搅拌均匀，传热效果好，功率小的搅拌器就十分重要。本文从实验研究、理论分析以及数值模拟等方面对糖化设备的搅拌器进行研究、选用。 根据糖化设备对搅拌的要求，以及糖化设备内不设置挡板，蒸气从夹套的上部进入，冷凝水由夹套底部出的结构特点，糖化设备的最佳搅拌流型应为图1所示。搅拌器的旋转作用，使糖化设备内中心部分的流体在内桨叶的作用下，在旋转的同时向下流动，而在外桨叶作用下流体沿糖化设备内壁向上流动，造成筒体内物料的大循环流动，与夹套成逆流换热，加快内外壁流体的换热，增强传热效果，有利于把夹套的热量均匀传递到整个糖化设备。图1 糖化设备的最佳搅拌流型Fig.1 The best mill model of mash equipment1糖化设备搅拌器的选型与实验研究糖化醪液是固液悬浮流体，用于固液悬浮的搅拌器有径向流型的，也有轴向流型。在此选择了45斜桨以及双斜45桨叶等6种轴向流搅拌器进行比较实验研究。其中双斜45桨叶属于斜叶桨的改型，在45斜桨的前端增加一个与主桨倾斜90的小斜叶，经搅拌轴的旋转，在槽内形成中心液流向下，周边液流向上的轴向循环流。1.1实验介绍实验用搅拌槽直径为300mm、375mm和575mm的椭圆底有机玻璃槽1 2。搅拌器由螺钉固定在搅拌轴上，方便拆换。扭矩通过扭矩传感器获得信号，经动态电阻应变仪进行测量；转速通过光电传感器拾取信号，经整形电路输入A/D采集卡；温度通过温度传感器（搅拌槽内设置三个信号采集点）输出的电信号，由温度变送器经A/D采集卡，再输入计算机处理，进行实时测量、显示和存储数据。1.2选用的搅拌器结构搅拌器的直径、叶片的宽度以及外叶片的形状等不同，其结构形状如图2所示。实验主要从各搅拌器的桨型考察其功耗、混合特性等，并比较其开孔的影响。STNC桨45度斜叶桨小双斜叶桨双斜三叶桨HU斜叶桨大双斜叶桨HUM斜叶桨（有孔）大双斜叶桨（有孔）图2 搅拌器的结构Fig.2 Structure of agitator 1.3 测试传感器与测试内容转速测量；光电式转速传感器。功率测量；应变式扭矩传感器。混合时间测量：采用温差法测定混合时间。实验时，在液面上一固定位置处瞬间加入固定量、固定温度的热水，通过槽中不同位置的温度传感器来检测温度的变化，判断混合进行的程度。各点温度随时间的变化是一条拖尾曲线。在搅拌槽内设置三个温度传感器a、b、c，三点温度感温探头分别位于槽底、液面高的一半及液面下50mm处。实验时，以a、b、c三点温度计之间的温度差为3时，作为达到搅拌要求时的混合时间。2 实验结果与分析实验分别以清水、糖化醪液为介质，测量其不同转速下的扭矩、混合时间及混合特性等，得到大量的实验数据，从搅拌器的功耗和混合特性二个方面来评判搅拌器的性能。2.1 搅拌器的功率准数搅拌功率准数Np是衡量槽内流体搅拌程度和流动状态的重要指标，同时也反映了搅拌操作所需的能量消耗。由搅拌功率方程式： （1） 式中的功率P、介质密度、转速n和搅拌器直径d都可以从实验求得，根据不同的转速可作出功率准数Np的曲线。各搅拌器在湍流时的功率准数如图3。图3 6种搅拌器的功率准数Fig.3 Power standard of 6 kind agitator从图3可以看出，在相同的搅拌雷诺数下，大双斜叶桨的功率准数最小为0.18，最大的是45度斜叶桨为0.32。2.2 搅拌器的混合特性混合时间是反映搅拌槽内液体混合效果的重要参数。混合时间M是指物料通过搅拌使之达到规定混合程度所需的时间。为便于比较，本实验测量的M数值是在相同的测试条件下进行的，M与n的关系如图4所示。图4 6种搅拌器的M与nFig.4 M and n of 6 kind agitator从图中可以看出，在相同的转速下，大双斜叶桨的混合时间最少，最大的是45度斜叶桨。在评价搅拌器的混合性能时，常常采用混合效率数Ce来比较混合效率的高低3, Ce表示流体在一定的流体粘度和混合时, 搅拌器所需的单位体积混合能，Ce越小，混合效率越高。其表达式为: （2）图5 搅拌桨在不同转速下的CeFig.5 Ce of agitator in different rotate speed2.3 开孔的影响为了比较开孔的影响，对HUM斜叶桨和大双斜叶桨在未开孔与开孔情况下进行了实验研究。未开孔时大双斜叶桨的Np值为0.18，开孔后大双斜叶桨的Np值为0.167；未开孔的HUM斜叶桨Np值为0.24，开孔后的HUM斜叶桨Np值为0.216。可见，开孔后桨叶的功率准数都有所降低。大双斜叶桨的Np值降低了7.2；HUM斜叶桨的Np值降低了10。3 数值模拟 搅拌设备内存在着复杂的流动现象，对搅拌设备的设计和放大目前仍主要依赖于经验；测量搅拌设备内流场的实验装置一般都很昂贵，而且流场测量是相当费时的工作；有时受到实验条件的限制，对某些搅拌设备的流场是无法用实验方法测得。CFD方法通过建立各种条件下的基本守恒方程，加上数值计算理论，从而实现预测各种真实过程场的分布。3.1流体力学模型 （3）层流域的动量守恒方程（即NS方程）： （4） 对于湍流域，动量守恒方程为： （5）湍流比层流的方程多一项是雷诺应力张量，处理这一项的湍流数学模型有标准湍流模型，这样使方程组封闭可解。标准湍流模型的湍流动能和湍流动能耗散率的传递方程为： （6） （7） （8） （9）模型参数值：， ， ， ， 3.2求解区域、边界条件及网格划分计算所采用的结构和实际糖化设备基本一致。设备为带碟形封头的圆筒体，无挡板，大双斜45度搅拌器。计算中搅拌转速为20 r/min。为了方便建模和设定边界条件，计算域选取整个流体区域。计算坐标系选用单旋转坐标系。考虑到液体的流动，而且搅拌过程中液面与大气接触，是自由液面；所有筒体、搅拌轴、搅拌器定义为壁面边界条件；所有固体表面与接触的所有界面上均采用无滑移边界条件，应用-epsilon粘性模型在近壁区采用标准壁面函数；搅拌器、搅拌轴设置相应的转速条件。采用软件Gambit 2.0对糖化锅划分网格，碟形封头采用非结构网格划分单元。对糖化设备筒体及搅拌轴均采用四面体单元划分网格，并确保所用网格能正确反映搅拌槽内流场。模拟计算应用软件FLUENT6.1。对流项采用“二阶迎风格式”，连续性方程与动量方程采用显示耦合的SIMPLEC算法，速度与能量方程的松弛因子分别设为0.7和0.8。糖化设备的直径为4200mm，封头为碟形封头，搅拌器采用大双斜叶桨。网格模型总节点数为91341，总单元数为495014，如图6所示。图6 4200糖化锅模型网格图Fig.6 Model gridding of mash equipment4200图7 大双斜叶桨各截面示意图Fig.7 Sketch map of each section in big double inclined oar为了分析糖化设备内各截面的流场分布规律，横截面分别取轴套中心的平面（平面1）、过桨叶开孔处平面（平面2）、糖化设备中间液高平面（平面3）和设备液面顶部平面（平面4）；纵截面分别取过桨叶中心截取出来的平面（平面a）和与其垂直方向的中心截取出来的平面（平面b），共6个平面进行流线显示，其平面位置见图7。4个横截面的流场见图8，2个纵截面的流场见图9所示。平面1平面2平面3平面4图8 糖化锅内横截面流场分布图Fig.8 Fiow field distribution of cross section in mash equipment 平面a 平面b图9 糖化锅内纵截面流场分布图Fig.9 Fiow field distribution of vertical section in mash equipmen3.3 搅拌流型分析横截面流场：平面1和平面2的流场都是通过桨叶的，可以明显看出，桨叶附近的流线较为密集，特别是经过叶片上开孔的区域，在局部区域产生漩涡；在桨叶的端部流线最为密集，湍流程度较明显。由图8流场可知，在糖化设备的中部，流场比较平稳，中心区域流线较密集，同时壁面处流线也较为密集，这是由位于中间部份的物料在搅拌器内桨叶的作用下，在旋转的同时向下流动，而壁面处在搅拌器外桨叶作用下，流体向上流动的结果。筒体上部液面处的平面4其流场就更加平稳，流线除了在中心产生较为密集外，其它区域的流线都较为稀疏。纵截面流场：通过纵截面流场分布图9可以看出，整个筒体内物料的湍流程度较为激烈，锅内多处产生大的漩涡，在桨叶的端部有小的漩涡，十分有利于搅拌与混合。流线在中心附近由上往下，在靠近锅壁附近方向由下往上。该结果与实验研究的相一致。轴相速度径向速度切向速度图10 搅拌器速度分布图Fig.10 Velocity distribution of agitator图10为大双斜叶桨的速度分布图，由图可以看出，其最大轴向速度出现在外叶片的端部，中间出现两个峰值是由于开孔导致的，壁面位置速度为0；最大径向速度则出现在内叶片中间位置，由于内叶片的作用，速度不断增大，达到最大值后变小，然后又由于外叶片作用变大，达到最大值后速度变小；切向速度最大值出现在外叶片的端部，由于内叶片的作用，在内叶片端部也产生了一个较大的切向速度。3.5 搅拌流型特点从图8和图9 的横、纵截面流场分布图可以看出，筒体内顶部液面流线较疏，流场平稳，没有激烈的湍动和凹陷，可以有效地减少与氧的接触氧化。而在物料内部，流线较密集且有大小漩涡，有利于物料的充分混合。由于转速较低（20r/min）,搅拌产生的剪切力也小，有利于糖化质量。物料在筒体内的循环流动，在近壁面的流线都较为密集，可以及时更新筒体壁面形成的层流底层，使得污垢不易沉积，有利于换热。物料的循环流动方向与夹套的蒸气流动方向成逆流，有利于糖化醪液温度的均匀。由于该搅拌器的转速低，从而使搅拌器的功率消耗较小。4 结论通过实验研究，选取了功耗、混合特性二个方面性能具佳的大双斜叶搅拌器，经放大实验后应用于生产。对实际应用的直径为4200mm糖化设备进行了数值模拟，对设备内的物料在搅拌器作用下的流场和速度场分