徐曉光張　林蘇朝龍賈文藝胡美容吳學(xué)紅

(1. 河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司許昌卷煙廠，河南 許昌　461000；2. 鄭州輕工業(yè)學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 鄭州　450002；3. 鄭州格蘭高環(huán)境工程有限公司，河南 鄭州　450000)

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雙槳葉新型凸槽攪拌釜內(nèi)傳熱強(qiáng)化研究

徐曉光1,2張林2蘇朝龍3賈文藝3胡美容3吳學(xué)紅2

(1. 河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司許昌卷煙廠，河南 許昌461000；2. 鄭州輕工業(yè)學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 鄭州450002；3. 鄭州格蘭高環(huán)境工程有限公司，河南 鄭州450000)

在傳統(tǒng)蒸汽加熱攪拌釜的基礎(chǔ)上，提出一種新型低溫凸槽攪拌釜。采用分離渦模型對其內(nèi)部傳熱及流動(dòng)特性進(jìn)行分析。結(jié)果顯示：靠近轉(zhuǎn)子區(qū)域的流體速度較大，在靜子區(qū)域流體速度較為均勻。由于上、下兩組槳葉的相互作用很小，攪拌槽內(nèi)存在4個(gè)循環(huán)即每組槳葉各自產(chǎn)生上下兩個(gè)相互平行的渦環(huán)。當(dāng)攪拌槳的轉(zhuǎn)速N=96 r/min，壁面溫度為358 K時(shí)，對初始溫度為293 K的糖水混合物進(jìn)行攪拌加熱，經(jīng)過10 min，糖水溫度可達(dá)到337～340 K，能夠滿足生產(chǎn)工藝的要求。

凸槽；攪拌釜；雙槳葉；強(qiáng)化傳熱

攪拌混合是食品、化學(xué)制藥、廢水處理及生物工程中必不可少的過程。由于機(jī)械式攪拌槽具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。攪拌槽內(nèi)流體的流動(dòng)對攪拌槽內(nèi)的混合、傳熱過程都有重要的影響。傳統(tǒng)的平滑壁面攪拌槽在加熱過程中，由于接觸換熱面積較小，導(dǎo)致加熱速度較慢，為提高生產(chǎn)效率，研究人員[1-6]在平滑的攪拌槽內(nèi)壁加裝擋板，以提高混合及加熱均勻度。房關(guān)考等[7]采用數(shù)值模擬法對比了不同擋板系數(shù)下的攪拌功率。結(jié)果顯示，攪拌功率隨著擋板系數(shù)的增加而增加，當(dāng)擋板系數(shù)增到一定程度時(shí)，攪拌功率不再增大。郭聰聰?shù)萚8]采用數(shù)值模擬法研究了不同結(jié)構(gòu)的擋板對攪拌功率的影響。結(jié)果顯示，傾斜擋板可有效減少功率消耗，同時(shí)物料在擋板處不易形成死角。楊鋒苓等[9]采用分離渦模型研究了非標(biāo)準(zhǔn)擋板攪拌槽內(nèi)的流體力學(xué)特性，結(jié)果顯示擋板布置方式僅能改變槳葉射流的方向，對攪拌槽內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)影響較小；完全非對稱布置時(shí)的流場最均勻，攪拌功率隨擋板非對稱程度的增大略有提高。張翠勛等[10]提出波紋內(nèi)壁的攪拌槽，并采用數(shù)值模擬法進(jìn)行研究。結(jié)果表明，雖然波紋內(nèi)壁不能明顯增強(qiáng)流體湍流強(qiáng)度，但能提高流速的均勻度，且功率并無明顯變化。吳玉國等[11-12]設(shè)計(jì)了新型的攪拌器，對其內(nèi)部的流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)研究。張少坤等[13-14]對雙層攪拌槽內(nèi)流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值研究，主要流場分布及功率消耗。

在煙葉制作的工藝流程中，需要對煙葉加香、加糖等，該環(huán)節(jié)是在一個(gè)攪拌槽內(nèi)對配制好的料液用180 ℃高溫蒸汽加熱，需要在10 min之內(nèi)將來流料液升溫20 ℃左右，然后噴曬到煙絲上進(jìn)行調(diào)香調(diào)味等。在該工藝過程，由于高溫蒸汽的作用，壁面易產(chǎn)生結(jié)垢和焦糊[15-16]。同時(shí)在攪拌槽內(nèi)增加擋板能夠提高混合及加熱的均勻度，但在擋板附近容易出現(xiàn)流動(dòng)的死區(qū)。因此本研究擬在攪拌槽內(nèi)壁增設(shè)螺旋向下的凸槽，以高溫水代替高溫蒸汽加熱，避免在壁面高溫糖焦化產(chǎn)生。

1　物理模型及計(jì)算方法

1.1物理模型

攪拌釜結(jié)構(gòu)尺寸見圖1，其底為半橢球形底、圓柱形容器，其直徑為800 mm，高為950 mm；攪拌軸位于攪拌釜直徑的2/3處，共有上、下兩組攪拌槳，每組分別有兩個(gè)葉片，兩組攪拌槳軸向間隔400 mm；攪拌槳直徑為300 mm的直槳；下組攪拌槳葉片距離容器底部200 mm；為強(qiáng)化換熱，本設(shè)計(jì)在攪拌釜內(nèi)壁增設(shè)螺旋向下的凸槽，其半徑為50 mm，螺距為150 mm。

圖1　攪拌釜結(jié)構(gòu)尺寸圖

1.2數(shù)學(xué)描述

糖化鍋內(nèi)的攪伴過程是一個(gè)復(fù)雜的流動(dòng)與傳熱過程，為了簡化計(jì)算，采用、二維、非穩(wěn)態(tài)、湍流不可壓縮模型。應(yīng)用到的控制方程：

①連續(xù)性方程：

(1)

②動(dòng)量方程：

(2)

其中：

(3)

③能量方程：

(4)

④k方程：

(5)

⑤ε方程：

(6)

其中：

(7)

式中：

u——流動(dòng)速度，m/s；

τ——時(shí)間，s；

ρ——密度，kg/m3；

P——壓力，Pa；

Pr——普朗特?cái)?shù)；

T——初始溫度，K；

K——湍流動(dòng)能，m2/s3；

ε——湍流耗散率，m2/s2；

C1、C2——常系數(shù)。

1.3邊界條件

槽壁為壁面，轉(zhuǎn)子與靜子區(qū)域的交界面為內(nèi)部面。轉(zhuǎn)子與靜子區(qū)域均為流體，其中轉(zhuǎn)子區(qū)的轉(zhuǎn)速為給定，靜子區(qū)保持靜止。

2　計(jì)算方法和網(wǎng)格劃分

對于攪拌釜內(nèi)復(fù)雜的流體流動(dòng)特征，采用滑移網(wǎng)格法?；凭W(wǎng)格法是一種非定常算法，它將計(jì)算區(qū)域分為轉(zhuǎn)子和靜子兩部分?；凭W(wǎng)格法在計(jì)算時(shí)只有一個(gè)靜止坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)子區(qū)域的網(wǎng)格隨攪拌槳一起轉(zhuǎn)動(dòng)，靜子區(qū)域的網(wǎng)格保持靜止，這兩部分網(wǎng)格之間通過滑移界面進(jìn)行插值處理。

選取整個(gè)攪拌器進(jìn)行建模，并對轉(zhuǎn)子區(qū)域和靜子區(qū)域分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分。轉(zhuǎn)子區(qū)域的網(wǎng)格劃分見圖2。轉(zhuǎn)子區(qū)與靜子區(qū)采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其網(wǎng)格大小分別為5 mm和10 mm。

時(shí)間步長對計(jì)算結(jié)果有很大的影響，時(shí)間步長較大可以加快求解速度，但會(huì)導(dǎo)致解的發(fā)散。通常采用庫朗數(shù)來計(jì)算時(shí)間步長，其表達(dá)式為：

(8)

(9)

式中：

圖2　轉(zhuǎn)子區(qū)域的網(wǎng)格劃分

Nc——庫朗數(shù) ；

N——轉(zhuǎn)速，r/min；

Δt——時(shí)間步長，s。

Δθ——每個(gè)時(shí)間步內(nèi)槳葉轉(zhuǎn)過的弧度數(shù)，rad；

n——時(shí)間步數(shù)。

這里n=1，庫朗數(shù)為1，則對于轉(zhuǎn)速N=96 r/min，時(shí)間步長不能超過0.625 s。為提高計(jì)算的精度，并保證合適的求解速度，本文中時(shí)間步長取值為Δt=0.5 s。

3　模擬結(jié)果與討論

3.1 攪拌釜內(nèi)的速度場

截取攪拌釜的中心界面，對其在不同時(shí)刻(t=10 min)下的速度進(jìn)行對比，見圖3。

圖3　攪拌釜中心截面速度矢量圖

由圖3可知：在偏心攪拌的情況下，攪拌槳的槳葉與容器壁面的距離是不斷變化的。隨著槳葉的旋轉(zhuǎn)，每個(gè)葉片的周圍流體不斷被拉伸和折疊，因此，容器內(nèi)產(chǎn)生的渦環(huán)并不在攪拌器軸向中心線上，由于攪拌桶內(nèi)設(shè)有螺旋向下的凸槽，在流動(dòng)穩(wěn)定之后凸槽附近存在穩(wěn)定的螺旋向下流動(dòng)。

同時(shí)可以觀察到靠近轉(zhuǎn)子區(qū)域的流體速度較大，大多在1.2～1.6 m/s。在靜子區(qū)域中，大部分流體速度較為均勻。在攪拌穩(wěn)定后，流體速度保持在0.69～0.85 m/s，不再變化。由于上、下兩組攪拌槳相隔較遠(yuǎn)，槳葉的相互作用很小，攪拌器內(nèi)存在四個(gè)循環(huán)即每組槳葉各自產(chǎn)生上下兩個(gè)相互平行的渦環(huán)。

3.2攪拌釜內(nèi)的溫度場

攪拌釜的中心截面的溫度見圖4。由圖4可知，靠近凸槽壁面處流體的溫度較高，并在凸槽附近形成一層高溫層，容器中心處流體溫度較低，溫度分布較均勻。隨著加熱的進(jìn)行，當(dāng)加熱時(shí)間達(dá)到10 min時(shí)，流體中心的溫度為337 K，靠近壁面的溫度可達(dá)340 K，大約每分鐘可以升溫4.4～4.7 K，能滿足加糖工藝的要求，且高溫水加熱克服了用高溫蒸汽加熱產(chǎn)生的結(jié)垢和焦糊問題。

3.3監(jiān)測直線上的溫度分布

選取兩個(gè)攪拌器中平行于中心線的三條直線(見圖5)為監(jiān)測對象，并對其溫度分布進(jìn)行對比，從而更好地判斷不同攪拌器內(nèi)流體溫度的大小及其均勻性。

圖6～7反映的分別是在不同時(shí)刻(6，10 min)下，上述三條監(jiān)測直線上的綜合溫度曲線。各監(jiān)測直線上的溫度變化趨勢基本一致。由此說明攪拌器內(nèi)所有流體溫度變化趨勢基本相同。從曲線變化河以看出：沿著z軸向上，流體溫度曲線上存在兩個(gè)波谷或間斷位置，這是攪拌槳槳葉造成的。由于攪拌釜的底部為U型，故line3起始點(diǎn)的高度約為Z=100 mm，同時(shí)由于line3靠近凸槽壁面，該線相對于其他兩條線的溫度較高。當(dāng)Z>800 mm時(shí)，這種現(xiàn)象更加明顯。這與圖3～4中出現(xiàn)的渦環(huán)基本吻合，且隨著加熱的進(jìn)行，line3與其它兩條直線之間的溫差從4 K逐步減小，直至攪拌穩(wěn)定后，該溫差值保持著約2 K不再發(fā)生變化。

圖4　攪拌釜中心截面溫度分布圖

line1. x=-120 mm　line2. x=-30 mm　line3. x=-180 mm

圖6　三條監(jiān)測直線上的綜合溫度曲線

圖7　三條監(jiān)測直線上的綜合溫度曲線

攪拌器底部的流體由于額外受到底部恒溫加熱壁面的影響而在所有流體中溫度最高。橫向比較時(shí)，除了line3(貼近凸槽壁面)之外，其余兩條直線上同一高度位置上的溫度差值在1 K之內(nèi)，可近似認(rèn)為是重合的，即攪拌器橫截面上流體溫度均勻性較好?？v向比較可以看出，在壁面加熱流體達(dá)到10 min后，除凸槽壁面附近外，其它流體最低溫度337 K，最高溫度340 K，即流體溫差在3 K之內(nèi)，表明其內(nèi)部的溫度比交均勻。

4　結(jié)論

傳統(tǒng)的加熱攪拌釜在用高溫蒸汽加熱糖槳時(shí)易產(chǎn)生結(jié)垢或焦糊現(xiàn)象，提出一種新型強(qiáng)化凸槽攪拌釜，并對其強(qiáng)化傳熱特性進(jìn)研究，得出以下結(jié)論：

(1) 新型雙槳葉凸槽強(qiáng)化攪拌釜，當(dāng)該攪拌槳的轉(zhuǎn)速N=96 r/min，恒溫壁面為358 K時(shí)，對初始溫度為293K的糖水混合物進(jìn)行攪拌加熱，經(jīng)過10 min，糖水溫度可達(dá)到337～340 K，每分鐘可以升溫4.4～4.7 K，該條件可以滿足工藝設(shè)備加熱需求。

(2) 通過對其流場和溫度場分析，可以看出，靠近轉(zhuǎn)子區(qū)域的流體速度較大，大多在1.2～1.6 m/s。在靜子區(qū)域中，大部分流體速度較為均勻。選取的三個(gè)代表性的位置對其局部溫度場分析，可得其新型攪拌釜內(nèi)的溫度場也比較均勻。

[1] LIU Xing-hong, BAO Yu-yun, LI Zhi-peng, et al. Particle image velocimetry study of turbulence characteristics in a vessel agitated by a dual rushton impeller[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2008, 16(5): 700-708.

[2] KARRAY S, DRISS Z, KCHAOU H, et al. Numerical simulation of fluid-structure interaction in a stirred vessel equipped with an anchor impeller[J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2011, 25(7): 1 749-1 760.

[3] TYAGI M, ROY S, HARVEY A D, et al. Simulation of laminar and turbulent impeller stirred tanks using immersed boundary method and large eddy simulation technique in multi-block curvilinear geometries[J]. Chemical Engineering Science, 2007, 62(5): 1 351-1 363.

[4] 來永斌, 楊敏官, 高波. 板式螺旋槳攪拌槽內(nèi)的流場及其流動(dòng)特性[J]. 合成纖維工業(yè), 2010, 33(2): 60-63.

[5] 許卓, 趙恒文, 鄭建坤. 立式攪拌槽中擋板結(jié)構(gòu)對攪拌能耗影響的數(shù)值模擬[J]. 水電能源科學(xué), 2013, 31(5): 162-165.

[6] 施陽和, 趙進(jìn). 兩種不同擋板的雙層槳攪拌槽三維流場數(shù)值模擬[J]. 化工機(jī)械, 2014, 41(2): 211-214.

[7] 房關(guān)考, 王克用. 基于sctetra的攪拌槽擋板數(shù)目優(yōu)化[J]. 上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 28(4): 302-307.

[8] 郭聰聰, 趙恒文, 許卓, 等. 攪拌槽內(nèi)擋板對攪拌效果的數(shù)值模擬[J]. 給水排水, 2011(S1): 199-202

[9] 楊鋒苓, 周慎杰, 王貴超, 等. 非標(biāo)準(zhǔn)擋板攪拌槽內(nèi)湍流流場的數(shù)值模擬[J]. 高校化學(xué)工程學(xué)報(bào), 2012, 26(6): 952-958.

[10] 張翠勛, 楊鋒苓, 連繼詠. “波紋”內(nèi)壁攪拌槽內(nèi)的湍流流動(dòng)特性[J]. 化工進(jìn)展, 2015, 34(4): 941-946.

[11] 吳勝, 吳玉國, 許正華, 等. 運(yùn)動(dòng)分離偏心型食品攪拌機(jī)軌跡優(yōu)化及運(yùn)動(dòng)仿真[J]. 食品與機(jī)械, 2013, 29(6): 102-105.

[12] 吳玉國, 吳勝, 遲開紅, 等. 攪拌器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元模擬[J]. 食品與機(jī)械, 2013, 29(2): 130-132, 189.

[13] 樊梨明, 李慶生. 雙層槳攪拌槽內(nèi)流動(dòng)特性的CFD研究[J]. 食品與機(jī)械, 2016, 32(1): 84-86.

[14] 張少坤, 尹俠. 雙層槳攪拌槽內(nèi)流場的數(shù)值模擬[J]. 食品與機(jī)械, 2011, 27(1): 71-73.

[15] 史斌, 趙曉瑋, 敖樂根, 等. 啤酒糖化過程糊化鍋的控制[J]. 微計(jì)算機(jī)信息, 2006(34): 46-48.

[16] 王念春. 啤酒廠糖化車間糊化鍋的控制[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置, 2001(1): 43-46.

Study on the performance of heat transfer enhancement of new convex groove stirred tank with two impellers

XU Xiao-guang1,2ZHANGLin2SUZhao-long3JIAWen-yi3HUMei-rong3WUXue-hong2

(1.XuchangTobaccoFactory,ChinaTobaccoHenanindustrialCo.,Ltd,Xuchang,Henan461000,China;2.ZhengzhouUniversityofLightIndustry,Zhengzhou,Henan450002,China;3.ZhengzhouGelangaoEnvironmentalEngineeringLimitedCo.,Ltd,Zhengzhou,Henan450000,China)

In this paper, based on the traditional steam heating stirred tank, a new type tank is presented with low wall temperature and convex groove. The performance of heat transfer and fluid flow is studied using detached eddy model. The results show that the velocity near the rotor area is large. The velocity in static area is uniform. Due to the small interaction between the upper and down blades, there have four cycle vortex in the tank, which are two parallel vortexes near each blade. When the speed of impellerN=96 r/min, the wall temperature is 358 K to heating 293 K sugar water, the sugar water temperature could reach 337-340 K in 10 min, and it satisfies the need of techniques.

convex groove; stirred tank; two impellers; enhance heat transfer

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51476148)；河南省杰出青年基金項(xiàng)目(編號(hào)：154100510014)；河南省高校科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：17IRTSTHN029)

徐曉光，男，河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司工程師，鄭州輕工業(yè)學(xué)院在讀碩士研究生。

吳學(xué)紅(1979—)，男，鄭州輕工業(yè)學(xué)院副教授，博士。Email:wuxh1212@163.com

2016—06—07

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.08.017