CFD數值試驗在發酵釜攪拌案例中的應用

發酵罐攪拌槳技術方案

1 方案說明

本產品針對發酵罐中的高粘度攪拌器進行設計、分析，其主要條件為：

·        全容積V=5000L,罐徑D=1800mm；

·        轉速n=54r/min，順時針旋轉，原電機功率 P=2.2kW；

·        介質酸奶，粘度μ=20000cp，密度ρ=1045kg/m3。

2 設計方案

考慮到本次設計所使用的介質屬于高粘度流體，兼顧攪拌效果和清洗能力，采用折頁槳型式，并通過計算流體力學仿真優化結構設計，形成一個較優的結果。基本槳葉型式采用折葉槳，布置如下圖所示：

圖 1攪拌槳布置方式

圖 2 攪拌槳結構示意圖

2.1 方案一

方案一采用三層二折頁，其基本參數如下表所示：

表 1方案一槳葉設計參數

2.1.1 粘度20000cp，轉速54rpm

計算得到罐內流場如下圖所示，從圖中可以看出，所設計槳葉基本實現了罐內流體的軸向運動，但是由于介質粘度過大，在罐體外圍速度較小，速度小于0.23m/s，還需進一步改進。方案一計算功率為2.6kW。

圖 3 方案一流場分布

2.1.2 粘度6000cp，轉速54rpm

為了考察粘度對攪拌效果的影響，計算了該槳葉在介質粘度為6000cp下的攪拌效果（攪拌槳計算功率為1.6kW），如下圖所示。可以看出，在粘度降低的情況下，其內部運動更加劇烈，速度大于0.26m/s的區域有所擴大。但是，在第一層槳葉上部仍存在大片的低速區。因此，需要考慮增大轉速、槳葉尺寸或者增加槳葉數量。

圖 4 方案一流場分布（粘度6000cp）

2.1.3 粘度20000cp，轉速108rpm

  在粘度20000cp的介質下，設置攪拌轉速為108rpm，計算得到流場如下圖所示。該轉速下攪拌功率為7kW，從計算結果可以看出，轉速提高后罐內高速區域明顯增加，但是其最大線速度達到5m/s，對罐內發酵過程會有一些影響。因此，后續分析不再考慮高轉速方案。

圖 5 方案一攪拌流場分布（轉速108rpm）

2.2 方案二

方案二在方案一的基礎上適當增大了槳葉直徑，設計參數如下表所示。

表 2 方案二槳葉設計參數

   介質粘度20000cp，攪拌轉速54rpm，計算得到攪拌功率為4.8kW。由計算結果可以看出，罐體周圍區域仍具有大面積低速區域。

圖 6 方案二攪拌流場分布

2.3 方案三

方案三在方案二的基礎上適當增大了槳葉寬度，設計參數如下表所示。

表 3方案三槳葉設計參數

   介質粘度20000cp，攪拌轉速54rpm，計算得到攪拌功率為4.4kW。由計算結果可以看出，寬度增加后幾層槳葉間軸向運動加劇，但罐體周圍區域仍具有大面積低速區域。

圖 7 方案三攪拌流場分布

2.4 方案四

為減少罐體頂部低速區域，采用四層槳葉設計，并減小各槳葉寬度，其槳葉參數如下表所示。

表 4方案四槳葉設計參數

介質粘度20000cp，攪拌轉速54rpm，計算得到攪拌功率為5kW。由計算結果可以看出，槳葉層數增加后，罐內低速區域明顯縮小，各層槳葉間軸向運動也較為充分。

圖 8 方案四攪拌流場分布

3 對比分析

圖 9為各方案在粘度20000cp，轉速54rpm時的流線圖，圖 10為各方案相應的流速云圖分布，可以看出，方案四的攪拌效果最好，方案三次之。

圖 9 各方案罐內流線圖

圖 10 各方案罐內流速云圖

表5為各方案攪拌功率比較，可以看出，增大槳葉尺寸與增加槳葉數量并減小槳葉尺寸，攪拌功率均比較接近。減小槳葉寬度有利于槳葉清洗，考慮到設備改造方便，方案五為優選方案，

表 6 各方案攪拌功率

4 最終設計方案

在方案四的基礎上，利用原攪拌罐兩只槳葉，作為本方案的第一層和第三層槳葉。增加DLZY50-980N和DLZY50-1100N作為第二層和第四層槳葉，該槳葉在方案四的基礎上適當減小槳葉寬度，以改善清洗效果。

其槳葉參數如下表所示。

表 5最終設計方案槳葉設計參數

分別計算了槳葉順時針和逆時針旋轉的結果，如下圖所示：

順時針旋轉                          逆時針旋轉

圖 11 最終設計方案速度流線圖

順時針旋轉                          逆時針旋轉

圖 12 最終設計方案速度云圖

順時針旋轉和逆時針旋轉，其攪拌功率均為2kW，從速度云圖上，二者相差不大。但是從速度流線圖可以看出，順時針攪拌時，上面兩層槳葉與下面兩層槳葉中間易形成分層現象，不利于快速攪勻。因此，建議攪拌槳轉動方向為電機方向看逆時針旋轉。