糖化設備攪拌器的實驗選型與數值模擬林興華，陳志平，胡錫文，周睿（浙江大學，浙江 杭州 310027）摘 要：6種攪拌器在直徑為300mm、375mm和575mm的攪拌槽內進行了實驗研究，從攪拌器的功率、混合特性二個方面來評判各攪拌器的性能。經放大實驗后，選擇了功耗低、混合性能好的大雙斜葉槳應用于生產。對實際應用的直徑為4200mm糖化設備進行了數值模擬，結果表明與生產實際相吻合，攪拌器能滿足糖化的工藝要求。關鍵詞：糖化設備 攪拌器 數值模擬中圖分類號：TQ 027.2 文獻標識碼：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糖化設備是啤酒生產的關鍵設備之一。糖化是一個復雜的生化反應過程，在糖化設備中，通過加熱和攪拌，調節酶的最適宜的溫度和PH值，使很多不溶性物質在酶的作用下轉變為可溶性物質而溶解出來，制成符合要求的麥芽汁，提高糖化浸出物的收得率。糖化設備的攪拌要求低轉速、低剪切、低吸氧，使鍋內醪液混合均勻，又要把夾套內蒸汽熱量傳導給醪液，使筒體內的溫度分布均勻，從衛生角度又不希望筒體內設置擋板。隨著糖化設備的大型化，對提高生產效率，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。本文從實驗研究、理論分析以及數值模擬等方面對糖化設備的攪拌器進行研究、選用。 根據糖化設備對攪拌的要求，以及糖化設備內不設置擋板，蒸氣從夾套的上部進入，冷凝水由夾套底部出的結構特點，糖化設備的最佳攪拌流型應為圖1所示。攪拌器的旋轉作用，使糖化設備內中心部分的流體在內槳葉的作用下，在旋轉的同時向下流動，而在外槳葉作用下流體沿糖化設備內壁向上流動，造成筒體內物料的大循環流動，與夾套成逆流換熱，加快內外壁流體的換熱，增強傳熱效果，有利于把夾套的熱量均勻傳遞到整個糖化設備。圖1 糖化設備的最佳攪拌流型Fig.1 The best mill model of mash equipment1糖化設備攪拌器的選型與實驗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種軸向流攪拌器進行比較實驗研究。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與主槳傾斜90的小斜葉，經攪拌軸的旋轉，在槽內形成中心液流向下，周邊液流向上的軸向循環流。1.1實驗介紹實驗用攪拌槽直徑為300mm、375mm和575mm的橢圓底有機玻璃槽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，經動態電阻應變儀進行測量；轉速通過光電傳感器拾取信號，經整形電路輸入A/D采集卡；溫度通過溫度傳感器（攪拌槽內設置三個信號采集點）輸出的電信號，由溫度變送器經A/D采集卡，再輸入計算機處理，進行實時測量、顯示和存儲數據。1.2選用的攪拌器結構攪拌器的直徑、葉片的寬度以及外葉片的形狀等不同，其結構形狀如圖2所示。實驗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 攪拌器的結構Fig.2 Structure of agitator 1.3 測試傳感器與測試內容轉速測量；光電式轉速傳感器。功率測量；應變式扭矩傳感器。混合時間測量：采用溫差法測定混合時間。實驗時，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溫度的變化，判斷混合進行的程度。各點溫度隨時間的變化是一條拖尾曲線。在攪拌槽內設置三個溫度傳感器a、b、c，三點溫度感溫探頭分別位于槽底、液面高的一半及液面下50mm處。實驗時，以a、b、c三點溫度計之間的溫度差為3時，作為達到攪拌要求時的混合時間。2 實驗結果與分析實驗分別以清水、糖化醪液為介質，測量其不同轉速下的扭矩、混合時間及混合特性等，得到大量的實驗數據，從攪拌器的功耗和混合特性二個方面來評判攪拌器的性能。2.1 攪拌器的功率準數攪拌功率準數Np是衡量槽內流體攪拌程度和流動狀態的重要指標，同時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、介質密度、轉速n和攪拌器直徑d都可以從實驗求得，根據不同的轉速可作出功率準數Np的曲線。各攪拌器在湍流時的功率準數如圖3。圖3 6種攪拌器的功率準數Fig.3 Power standard of 6 kind agitator從圖3可以看出，在相同的攪拌雷諾數下，大雙斜葉槳的功率準數最小為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間是反映攪拌槽內液體混合效果的重要參數。混合時間M是指物料通過攪拌使之達到規定混合程度所需的時間。為便于比較，本實驗測量的M數值是在相同的測試條件下進行的，M與n的關系如圖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，在相同的轉速下，大雙斜葉槳的混合時間最少，最大的是45度斜葉槳。在評價攪拌器的混合性能時，常常采用混合效率數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, 攪拌器所需的單位體積混合能，Ce越小，混合效率越高。其表達式為: （2）圖5 攪拌槳在不同轉速下的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HUM斜葉槳和大雙斜葉槳在未開孔與開孔情況下進行了實驗研究。未開孔時大雙斜葉槳的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。可見，開孔后槳葉的功率準數都有所降低。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 數值模擬 攪拌設備內存在著復雜的流動現象，對攪拌設備的設計和放大目前仍主要依賴于經驗；測量攪拌設備內流場的實驗裝置一般都很昂貴，而且流場測量是相當費時的工作；有時受到實驗條件的限制，對某些攪拌設備的流場是無法用實驗方法測得。CFD方法通過建立各種條件下的基本守恒方程，加上數值計算理論，從而實現預測各種真實過程場的分布。3.1流體力學模型 （3）層流域的動量守恒方程（即NS方程）： （4） 對于湍流域，動量守恒方程為： （5）湍流比層流的方程多一項是雷諾應力張量，處理這一項的湍流數學模型有標準湍流模型，這樣使方程組封閉可解。標準湍流模型的湍流動能和湍流動能耗散率的傳遞方程為： （6） （7） （8） （9）模型參數值：， ， ， ， 3.2求解區域、邊界條件及網格劃分計算所采用的結構和實際糖化設備基本一致。設備為帶碟形封頭的圓筒體，無擋板，大雙斜45度攪拌器。計算中攪拌轉速為20 r/min。為了方便建模和設定邊界條件，計算域選取整個流體區域。計算坐標系選用單旋轉坐標系。考慮到液體的流動，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，應用-epsilon粘性模型在近壁區采用標準壁面函數；攪拌器、攪拌軸設置相應的轉速條件。采用軟件Gambit 2.0對糖化鍋劃分網格，碟形封頭采用非結構網格劃分單元。對糖化設備筒體及攪拌軸均采用四面體單元劃分網格，并確保所用網格能正確反映攪拌槽內流場。模擬計算應用軟件FLUENT6.1。對流項采用“二階迎風格式”，連續性方程與動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為0.7和0.8。糖化設備的直徑為4200mm，封頭為碟形封頭，攪拌器采用大雙斜葉槳。網格模型總節點數為91341，總單元數為495014，如圖6所示。圖6 4200糖化鍋模型網格圖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為了分析糖化設備內各截面的流場分布規律，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）、糖化設備中間液高平面（平面3）和設備液面頂部平面（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個平面進行流線顯示，其平面位置見圖7。4個橫截面的流場見圖8，2個縱截面的流場見圖9所示。平面1平面2平面3平面4圖8 糖化鍋內橫截面流場分布圖Fig.8 Fiow field distribution of cross section in mash equipment 平面a 平面b圖9 糖化鍋內縱截面流場分布圖Fig.9 Fiow field distribution of vertical section in mash equipmen3.3 攪拌流型分析橫截面流場：平面1和平面2的流場都是通過槳葉的，可以明顯看出，槳葉附近的流線較為密集，特別是經過葉片上開孔的區域，在局部區域產生漩渦；在槳葉的端部流線最為密集，湍流程度較明顯。由圖8流場可知，在糖化設備的中部，流場比較平穩，中心區域流線較密集，同時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槳葉的作用下，在旋轉的同時向下流動，而壁面處在攪拌器外槳葉作用下，流體向上流動的結果。筒體上部液面處的平面4其流場就更加平穩，流線除了在中心產生較為密集外，其它區域的流線都較為稀疏。縱截面流場：通過縱截面流場分布圖9可以看出，整個筒體內物料的湍流程度較為激烈，鍋內多處產生大的漩渦，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。該結果與實驗研究的相一致。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在外葉片的端部，中間出現兩個峰值是由于開孔導致的，壁面位置速度為0；最大徑向速度則出現在內葉片中間位置，由于內葉片的作用，速度不斷增大，達到最大值后變小，然后又由于外葉片作用變大，達到最大值后速度變小；切向速度最大值出現在外葉片的端部，由于內葉片的作用，在內葉片端部也產生了一個較大的切向速度。3.5 攪拌流型特點從圖8和圖9 的橫、縱截面流場分布圖可以看出，筒體內頂部液面流線較疏，流場平穩，沒有激烈的湍動和凹陷，可以有效地減少與氧的接觸氧化。而在物料內部，流線較密集且有大小漩渦，有利于物料的充分混合。由于轉速較低（20r/min）,攪拌產生的剪切力也小，有利于糖化質量。物料在筒體內的循環流動，在近壁面的流線都較為密集，可以及時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。物料的循環流動方向與夾套的蒸氣流動方向成逆流，有利于糖化醪液溫度的均勻。由于該攪拌器的轉速低，從而使攪拌器的功率消耗較小。4 結論通過實驗研究，選取了功耗、混合特性二個方面性能具佳的大雙斜葉攪拌器，經放大實驗后應用于生產。對實際應用的直徑為4200mm糖化設備進行了數值模擬，對設備內的物料在攪拌器作用下的流場和速度場分