雙槳葉新型凸槽攪拌釜內傳熱強化研究

徐曉光張　林蘇朝龍賈文藝胡美容吳學紅

(1. 河南中煙工業有限責任公司許昌卷煙廠，河南 許昌　461000；2. 鄭州輕工業學院能源與動力工程學院，河南 鄭州　450002；3. 鄭州格蘭高環境工程有限公司，河南 鄭州　450000)

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雙槳葉新型凸槽攪拌釜內傳熱強化研究

徐曉光1,2張林2蘇朝龍3賈文藝3胡美容3吳學紅2

(1. 河南中煙工業有限責任公司許昌卷煙廠，河南 許昌461000；2. 鄭州輕工業學院能源與動力工程學院，河南 鄭州450002；3. 鄭州格蘭高環境工程有限公司，河南 鄭州450000)

在傳統蒸汽加熱攪拌釜的基礎上，提出一種新型低溫凸槽攪拌釜。采用分離渦模型對其內部傳熱及流動特性進行分析。結果顯示：靠近轉子區域的流體速度較大，在靜子區域流體速度較為均勻。由于上、下兩組槳葉的相互作用很小，攪拌槽內存在4個循環即每組槳葉各自產生上下兩個相互平行的渦環。當攪拌槳的轉速N=96 r/min，壁面溫度為358 K時，對初始溫度為293 K的糖水混合物進行攪拌加熱，經過10 min，糖水溫度可達到337～340 K，能夠滿足生產工藝的要求。

凸槽；攪拌釜；雙槳葉；強化傳熱

攪拌混合是食品、化學制藥、廢水處理及生物工程中必不可少的過程。由于機械式攪拌槽具有結構簡單、操作方便的特點，被廣泛應用。攪拌槽內流體的流動對攪拌槽內的混合、傳熱過程都有重要的影響。傳統的平滑壁面攪拌槽在加熱過程中，由于接觸換熱面積較小，導致加熱速度較慢，為提高生產效率，研究人員[1-6]在平滑的攪拌槽內壁加裝擋板，以提高混合及加熱均勻度。房關考等[7]采用數值模擬法對比了不同擋板系數下的攪拌功率。結果顯示，攪拌功率隨著擋板系數的增加而增加，當擋板系數增到一定程度時，攪拌功率不再增大。郭聰聰等[8]采用數值模擬法研究了不同結構的擋板對攪拌功率的影響。結果顯示，傾斜擋板可有效減少功率消耗，同時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準擋板攪拌槽內的流體力學特性，結果顯示擋板布置方式僅能改變槳葉射流的方向，對攪拌槽內的流場結構影響較小；完全非對稱布置時的流場最均勻，攪拌功率隨擋板非對稱程度的增大略有提高。張翠勛等[10]提出波紋內壁的攪拌槽，并采用數值模擬法進行研究。結果表明，雖然波紋內壁不能明顯增強流體湍流強度，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]設計了新型的攪拌器，對其內部的流動特性進行數研究。張少坤等[13-14]對雙層攪拌槽內流動特性進行數值研究，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，該環節是在一個攪拌槽內對配制好的料液用180 ℃高溫蒸汽加熱，需要在10 min之內將來流料液升溫20 ℃左右，然后噴曬到煙絲上進行調香調味等。在該工藝過程，由于高溫蒸汽的作用，壁面易產生結垢和焦糊[15-16]。同時在攪拌槽內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流動的死區。因此本研究擬在攪拌槽內壁增設螺旋向下的凸槽，以高溫水代替高溫蒸汽加熱，避免在壁面高溫糖焦化產生。

1　物理模型及計算方法

1.1物理模型

攪拌釜結構尺寸見圖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；為強化換熱，本設計在攪拌釜內壁增設螺旋向下的凸槽，其半徑為50 mm，螺距為150 mm。

圖1　攪拌釜結構尺寸圖

1.2數學描述

糖化鍋內的攪伴過程是一個復雜的流動與傳熱過程，為了簡化計算，采用、二維、非穩態、湍流不可壓縮模型。應用到的控制方程：

①連續性方程：

(1)

②動量方程：

(2)

其中：

(3)

③能量方程：

(4)

④k方程：

(5)

⑤ε方程：

(6)

其中：

(7)

式中：

u——流動速度，m/s；

τ——時間，s；

ρ——密度，kg/m3；

P——壓力，Pa；

Pr——普朗特數；

T——初始溫度，K；

K——湍流動能，m2/s3；

ε——湍流耗散率，m2/s2；

C1、C2——常系數。

1.3邊界條件

槽壁為壁面，轉子與靜子區域的交界面為內部面。轉子與靜子區域均為流體，其中轉子區的轉速為給定，靜子區保持靜止。

2　計算方法和網格劃分

對于攪拌釜內復雜的流體流動特征，采用滑移網格法。滑移網格法是一種非定常算法，它將計算區域分為轉子和靜子兩部分。滑移網格法在計算時只有一個靜止坐標系，轉子區域的網格隨攪拌槳一起轉動，靜子區域的網格保持靜止，這兩部分網格之間通過滑移界面進行插值處理。

選取整個攪拌器進行建模，并對轉子區域和靜子區域分別進行網格劃分。轉子區域的網格劃分見圖2。轉子區與靜子區采用非結構化網格，其網格大小分別為5 mm和10 mm。

時間步長對計算結果有很大的影響，時間步長較大可以加快求解速度，但會導致解的發散。通常采用庫朗數來計算時間步長，其表達式為：

(8)

(9)

式中：

圖2　轉子區域的網格劃分

Nc——庫朗數 ；

N——轉速，r/min；

Δt——時間步長，s。

Δθ——每個時間步內槳葉轉過的弧度數，rad；

n——時間步數。

這里n=1，庫朗數為1，則對于轉速N=96 r/min，時間步長不能超過0.625 s。為提高計算的精度，并保證合適的求解速度，本文中時間步長取值為Δt=0.5 s。

3　模擬結果與討論

3.1 攪拌釜內的速度場

截取攪拌釜的中心界面，對其在不同時刻(t=10 min)下的速度進行對比，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，每個葉片的周圍流體不斷被拉伸和折疊，因此，容器內產生的渦環并不在攪拌器軸向中心線上，由于攪拌桶內設有螺旋向下的凸槽，在流動穩定之后凸槽附近存在穩定的螺旋向下流動。

同時可以觀察到靠近轉子區域的流體速度較大，大多在1.2～1.6 m/s。在靜子區域中，大部分流體速度較為均勻。在攪拌穩定后，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，槳葉的相互作用很小，攪拌器內存在四個循環即每組槳葉各自產生上下兩個相互平行的渦環。

3.2攪拌釜內的溫度場

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。隨著加熱的進行，當加熱時間達到10 min時，流體中心的溫度為337 K，靠近壁面的溫度可達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生的結垢和焦糊問題。

3.3監測直線上的溫度分布

選取兩個攪拌器中平行于中心線的三條直線(見圖5)為監測對象，并對其溫度分布進行對比，從而更好地判斷不同攪拌器內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刻(6，10 min)下，上述三條監測直線上的綜合溫度曲線。各監測直線上的溫度變化趨勢基本一致。由此說明攪拌器內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起始點的高度約為Z=100 mm，同時由于line3靠近凸槽壁面，該線相對于其他兩條線的溫度較高。當Z>800 mm時，這種現象更加明顯。這與圖3～4中出現的渦環基本吻合，且隨著加熱的進行，line3與其它兩條直線之間的溫差從4 K逐步減小，直至攪拌穩定后，該溫差值保持著約2 K不再發生變化。

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　三條監測直線上的綜合溫度曲線

圖7　三條監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，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，可近似認為是重合的，即攪拌器橫截面上流體溫度均勻性較好。縱向比較可以看出，在壁面加熱流體達到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，表明其內部的溫度比交均勻。

4　結論

傳統的加熱攪拌釜在用高溫蒸汽加熱糖槳時易產生結垢或焦糊現象，提出一種新型強化凸槽攪拌釜，并對其強化傳熱特性進研究，得出以下結論：

(1) 新型雙槳葉凸槽強化攪拌釜，當該攪拌槳的轉速N=96 r/min，恒溫壁面為358 K時，對初始溫度為293K的糖水混合物進行攪拌加熱，經過10 min，糖水溫度可達到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，靠近轉子區域的流體速度較大，大多在1.2～1.6 m/s。在靜子區域中，大部分流體速度較為均勻。選取的三個代表性的位置對其局部溫度場分析，可得其新型攪拌釜內的溫度場也比較均勻。

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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

國家自然科學基金項目(編號：51476148)；河南省杰出青年基金項目(編號：154100510014)；河南省高校科技創新團隊支持計劃項目(編號：17IRTSTHN029)

徐曉光，男，河南中煙工業有限責任公司工程師，鄭州輕工業學院在讀碩士研究生。

吳學紅(1979—)，男，鄭州輕工業學院副教授，博士。Email:wuxh1212@163.com

2016—06—07

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.08.017