生物柴油攪拌裝置的設(shè)計(jì)

高志超，楊陸強(qiáng)，朱加繁，高彥玉，趙玉清，張汝坤

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650201)

生物柴油攪拌裝置的設(shè)計(jì)

高志超，楊陸強(qiáng)，朱加繁，高彥玉，趙玉清，張汝坤

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650201)

生物柴油制備器械很多，但制備過程中油料預(yù)混合及配套加熱器械卻很少。為了進(jìn)一步完善現(xiàn)今這一領(lǐng)域的不足，設(shè)計(jì)了一種適用于生物柴油的油料攪拌裝置。為此，闡述了該裝置的主要結(jié)構(gòu)、工作原理和主要技術(shù)參數(shù)，并以200r/min的轉(zhuǎn)速為標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用gambit進(jìn)行圖形繪制和網(wǎng)格劃分，采用fluent軟件對該機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了其轉(zhuǎn)速的合理性。基于STC89C51單片機(jī)和DS18B20的溫度傳感技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種溫度控制裝置，可在生物柴油制備過程中使油料更好地進(jìn)行預(yù)混合和加熱，從而提高了生物柴油的制備效率和質(zhì)量，減少了操作時間。

生物柴油；攪拌機(jī)；流場仿真；溫度控制

0 引言

生物柴油屬于新能源，在生物柴油制備生產(chǎn)過程中，需要將不同的油料進(jìn)行有效混合，不同的油料比例所產(chǎn)生的效果不同，且對于加熱溫度需要精確的控制，在不同的溫度和反應(yīng)時間下，制備生物柴油時所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)不同，制備出的生物柴油可在農(nóng)機(jī)裝備上使用。因此，設(shè)計(jì)一種高性能的生物柴油制備加熱攪拌機(jī)裝置具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

從20世紀(jì)70年代起，國外許多公司(如瑞士海斯特股份有限公司和ABS公司等)對攪拌機(jī)進(jìn)行了大量的研究，設(shè)計(jì)了軸流式和徑流式攪拌器等，并進(jìn)行了流場和數(shù)值的模擬分析，如Harvey等采用了MRF法對其進(jìn)行了模擬[2]。與國外許多國家在攪拌器方面的研究開發(fā)相比，國內(nèi)對于攪拌器的研發(fā)起步較晚。近年來，國內(nèi)的浙江大學(xué)和華東理工大學(xué)等科研院所都進(jìn)行了攪拌機(jī)的設(shè)計(jì)，并通過CFD等軟件，對攪拌器在攪拌設(shè)備中的流體進(jìn)行數(shù)值模擬及后處理分析，取得了很多成果。例如，拴弟、張政[3]等利用fluent，采用MRF模型和K-S湍流模型成功模擬了六直葉圓盤渦輪式攬拌器在攬拌槽內(nèi)的＂雙循環(huán)＂流動形式等，但關(guān)于生物柴油制備方面的專用攪拌裝置很少。因此，本文研究設(shè)計(jì)了一種生物柴油制備的油料混合設(shè)備，以期為生物柴油制備的攪拌裝置的設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該生物柴油制備加熱攪拌器由攪拌器機(jī)體、攪拌裝置、傳動機(jī)構(gòu)和控制箱等部分組成，如圖1所示。其中，攪拌殼體包括外殼和內(nèi)殼，兩層中間有真空層及加熱圈等。攪拌裝置由葉片組和中心轉(zhuǎn)軸組成，葉片組分3層設(shè)置于攪拌器內(nèi)部。其中，上層設(shè)置6葉直葉式攪拌葉片，中層設(shè)置3葉推進(jìn)式攪拌葉片，下層設(shè)置3葉斜槳式攪拌葉片，中層和下層葉片組均傾斜40°角[4]，3組葉片均焊接固定連接于中心轉(zhuǎn)軸上。傳動機(jī)構(gòu)包括電機(jī)、齒輪和中心轉(zhuǎn)軸等；控制箱包括STC89C51單片機(jī)、LCD1602顯示模塊、DS18B20溫度傳感器和控制開關(guān)等部件。

1.2 攪拌原理及工作過程

油料攪拌器的工作原理：將油料裝入攪拌器內(nèi)，通過攪拌軸轉(zhuǎn)動帶動葉片組對油料實(shí)施攪拌，下層葉片組對油料進(jìn)行剪切、上拋，并具有一定的防沉淀作用，中層葉片組對油料進(jìn)行剪切和上拋，上層葉片組對油料實(shí)施高度剪切，使得攪拌器內(nèi)的油料能有效、充分地混合；同時，對油料的加熱溫度進(jìn)行不同級別地控制，以使生物柴油制備過程中的化學(xué)反應(yīng)能更好的進(jìn)行。

攪拌器工作時，將需要混合的油料由進(jìn)料口倒入，將控制箱接通電源并啟動；之后，電機(jī)開始工作，電機(jī)通過齒輪減速帶動中心轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，葉片組開始對油料進(jìn)行攪拌；加熱圈和溫度傳感器也開始工作，當(dāng)攪拌機(jī)內(nèi)油料溫度被加熱圈加熱上升時，溫度傳感器實(shí)時檢測攪拌機(jī)內(nèi)部溫度的變化；當(dāng)溫度達(dá)到所設(shè)置的溫度閾值時，由STC89C51單片機(jī)通過程序設(shè)計(jì)的指令，來控制加熱圈的供電開關(guān)，實(shí)現(xiàn)攪拌機(jī)內(nèi)部溫度的智能控制；溫度信號通過溫度傳感器顯示在LCD1602顯示模塊上[5]。

1.電機(jī) 2.電機(jī)支撐架 3.進(jìn)料口Ⅰ 4.外殼 5.真空層 6.內(nèi)殼 7.加熱圈 8.視管 9.出料口 10.機(jī)體支撐腳 11.DS18B20溫度傳感器 12.斜槳式攪拌器 13.中心轉(zhuǎn)軸 14.推進(jìn)式攪拌器 15.STC89C51單片機(jī) 16.直葉式攪拌器 17.LCD1602顯示模塊 18.進(jìn)料口Ⅱ 19.上蓋 20.齒輪圖1 生物柴油制備攪拌器整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the overall structure of the mixer for biodiesel production

2 主要工作部件的設(shè)計(jì)

2.1 攪拌器機(jī)體設(shè)計(jì)

攪拌器機(jī)體是攪拌器主體部件，起著非常重要的作用，主要由罩殼、機(jī)體支撐腳和加熱圈組成。

2.1.1 罩殼

罩殼分為內(nèi)殼和外殼，中間充有真空層，防止溫度的傳失。罩殼在攪拌器中的作用主要是為攪拌器工作過程提供一個相對密閉的空間，且內(nèi)外殼之間也是密封的，具有一定的安全性。罩殼材料的選擇應(yīng)具有質(zhì)量輕、耐高溫和不易生銹的特點(diǎn)，本文根據(jù)攪拌器的工作性質(zhì)及設(shè)計(jì)要求，選擇輕質(zhì)鋁合金作為罩殼的制作材料。罩殼尺寸如下：外殼直徑220mm，厚2mm，高360mm；內(nèi)殼直徑215mm，厚3mm，高360mm；真空層厚5mm。

2.1.2 機(jī)體支撐腳

機(jī)體支撐腳是整個攪拌器質(zhì)量的重要支承部件，受力情況很復(fù)雜，主要承受來自罩殼和傳動機(jī)構(gòu)等部件的重力作用，在攪拌過程中還受到機(jī)體的強(qiáng)烈沖擊和振動。因此，機(jī)體支撐腳的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足一定的強(qiáng)度和剛度等性能要求，避免工作過程中產(chǎn)生不同程度的變形甚至損壞，甚至帶來安全隱患。所以，該支撐架采用鋼材質(zhì)，尺寸設(shè)計(jì)不能過高或者過細(xì)，本設(shè)計(jì)選擇3個支撐腳，尺寸設(shè)置為整機(jī)的1/5，高60mm，長45mm，寬45mm。

2.1.3 機(jī)體支撐腳

加熱圈加熱圈是對油料加熱的主要部件，在攪拌過程中會受到油料的撞擊和腐蝕，還有加熱裝置產(chǎn)生的高溫，對此需要運(yùn)用抵抗其不利因素的材料。本設(shè)計(jì)加熱圈采用鑄鋁電加熱器，固定于內(nèi)殼壁上，螺旋線間隔60mm，直徑1mm，如圖2所示。

1.內(nèi)殼 2.加熱圈圖2 加熱圈和內(nèi)殼結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of heating ring and inner shell structure

2.2 攪拌裝置

2.2.1 攪拌葉片組設(shè)計(jì)

攪拌葉片組是攪拌器的核心部件，包括3組葉片，由上層直葉式攪拌葉、中層推進(jìn)式攪拌葉和下層斜槳式攪拌葉與3個輪轂裝配而成。葉片通過焊接與輪轂固定，輪轂具有一定的厚度，通過螺栓與中心轉(zhuǎn)軸緊固，保證輪轂與中心轉(zhuǎn)軸的有效連接，其厚度為2mm，最大回轉(zhuǎn)半徑為95mm。為了在工作過程中將底部油料剪切的同時能夠上拋進(jìn)行混合和剪切，設(shè)置下層葉片組和中層葉片組傾斜40°角，且3層葉片組之間的距離為85mm。葉片組安裝具有較高的要求，葉片工作位置的最低點(diǎn)剛好與內(nèi)殼的內(nèi)壁相切，這樣才能將內(nèi)殼底部和內(nèi)殼近壁處的油料有效的剪切和上拋使之更好地混合。攪拌葉片組的結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

1.斜槳式攪拌器 2.推進(jìn)式攪拌器 3.中心轉(zhuǎn)軸 4.直葉式攪拌器圖3 葉片組結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the blade group structure

2.2.2 中心轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)

1)葉片邊緣線速度為

(1)

鏈傳動的機(jī)械效率取0.96，則中心轉(zhuǎn)軸的功率為

p=3×0.96=2.88kW

(2)

葉片所受油料阻力為

(3)

2)中心轉(zhuǎn)軸的直徑和所受的扭矩。葉片在工作過程中會受到來自油料的反作用力，該作用力會以扭矩的形式作用在中心轉(zhuǎn)軸上。依據(jù)葉片的旋轉(zhuǎn)半徑和葉片所受阻力的大小，可計(jì)算其扭矩為

T=F·R=137.96N·m

(4)

(5)

查表得，A0=126，則

(6)

為了安全起見，將軸徑放大5%，所以中心轉(zhuǎn)軸的直徑設(shè)計(jì)為32mm[6]。

3 攪拌器模型流場分析

本設(shè)計(jì)模型設(shè)置轉(zhuǎn)速為200r/min進(jìn)行模擬分析，通過Gambit進(jìn)行建模。該建模能有效減小誤差，再加上其獨(dú)有的網(wǎng)格劃分技術(shù)，可以智能化地將一個幾何區(qū)域劃分最合適的網(wǎng)格。采用Tgrid方式對攪拌器進(jìn)行網(wǎng)格劃分[7]，殼體靜區(qū)域大小劃分為4，內(nèi)動區(qū)域大小劃分為3，總共產(chǎn)生298 147個網(wǎng)格，生成后網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 攪拌器網(wǎng)格劃分示意圖Fig.4 Schematic diagram of the mesh of agitator

將模型通過Gambit以MSH格式導(dǎo)入Fluent，經(jīng)Fluent計(jì)算，在迭代次數(shù)為3 000～4 000之間達(dá)到收斂精度。在本次模擬中，以mm為單位，定義流體介質(zhì)為液體，攪拌器中的液體可看成不可壓縮的流體，工作環(huán)境的加速度為-9.81m/s2[8]。運(yùn)用不可壓縮流體的N-S方程求解時，采用SIMPLEC算法解決速度與壓力的耦合問題，攪拌器槽內(nèi)以k-ε模型模擬，攪拌器內(nèi)的流態(tài)為湍流,設(shè)置完邊界后，設(shè)置的各項(xiàng)收斂殘差為10-4，然后對攪拌器的工作狀態(tài)進(jìn)行模擬[9]。

圖5～圖7為轉(zhuǎn)速為200r/min時的流場模擬仿真分析，因在此前做過100、200、300r/min的對比分析，而200r/min的模擬效果最好。所以，在本文中設(shè)置轉(zhuǎn)速為200r/min。由圖5的速度矢量圖可以看出：中層和下層葉片組處出現(xiàn)了小部分的矢量點(diǎn)積攢，是由于傾斜的葉片對液體的剪切和上拋?zhàn)饔卯a(chǎn)生的效應(yīng)，雖然顏色偏深，但符合之前的估計(jì)。圖6和圖7屬于橫截面和縱截面的流體分析圖，速度大的為高亮度區(qū)域，高亮度區(qū)域的面積越大，表示速度云圖的分布范圍越廣，即說明攪動范圍大、效果好。葉片附近流速相對較大，說明葉片周圍的攪拌效果較好，而軸附近的流速相對較小，但不影響攪拌效果，符合預(yù)期的效果[10]。

圖5 速度矢量示意圖Fig.5 Sketch map of the velocity vector

圖6 速度云圖示意圖Fig.6 Sketch map of the velocity contour

圖7 速度云圖示意圖Fig.7 Sketch map of the velocity contour

4 控制箱

4.1 控制箱電路設(shè)計(jì)

本裝置電氣自動化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以普中科技技術(shù)有限公司生產(chǎn)的C52開發(fā)板為試驗(yàn)平臺。利用5V有源電磁式蜂鳴器和5mmLED燈作為溫度聲光報(bào)警元件。控制箱是攪拌器的電力控制裝置的核心部分，其組成部件為STC89C51單片機(jī)、DS18B20溫度傳感器、繼電器和電源控制開關(guān)。該控制系統(tǒng)包括溫度控制模塊和溫度顯示模塊，通過在攪拌機(jī)中裝入DS18B20溫度傳感器，實(shí)時檢測油桶內(nèi)油料的溫度，并將采集的數(shù)據(jù)傳送至STC89C51單片機(jī)中，實(shí)現(xiàn)加熱裝置的電機(jī)啟動關(guān)閉控制和液晶顯示功能[11]。控制箱的系統(tǒng)電路圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)控制電路示意圖Fig.8 Schematic diagram of the system control circuit

4.2 DS18B20溫度傳感器控制溫度程序的設(shè)計(jì)

基于C語言對攪拌器溫度檢測控制系統(tǒng)的程序進(jìn)行設(shè)計(jì)編寫，程序包括DS18B20芯片的驅(qū)動程序部分、LED顯示程序部分及控制開關(guān)程序部分。STC89C52對DS18B20溫度傳感器的部分驅(qū)動程序設(shè)計(jì)如下：

int Ds18b20ReadTemp()

{

int temp = 0;

uchar tmh, tml;

Ds18b20ChangTemp();

Ds18b20ReadTempCom();

tml = Ds18b20ReadByte();

tmh = Ds18b20ReadByte();

temp = tmh;

temp <<= 8;

temp |= tml;

return temp;

}

溫度控制系統(tǒng)的程序運(yùn)行邏輯圖如圖9所示。

圖9 溫度控制系統(tǒng)程序運(yùn)行邏輯圖Fig.9 Operation logic diagram of the temperature control system

5 結(jié)論

根據(jù)生物柴油制備加熱攪拌器的基本尺寸、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用需求特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種小型生物柴油制備加熱裝置。闡述了該機(jī)的基本工作原理、總體配置及主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并采用gambit和fluent對攪拌器進(jìn)行流場的動態(tài)分析和模擬。本設(shè)計(jì)以200r/min為準(zhǔn)，

對攪拌機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明：攪拌的范圍大、效果好。同時，運(yùn)用單片機(jī)及DS18B20芯片的溫度傳感器模塊，實(shí)現(xiàn)了對加熱溫度的控制。該研究為生物柴油制備領(lǐng)域增添了新的裝備，提高了攪拌效率，減少了操作時間。

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Design of a Kind of Biodiesel Mixing Devic

Gao Zhichao, Yang Luqiang, Zhu Jiafan, Gao Yanyu, Zhao Yuqing, Zhang Rukun

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201， China)

A There are many preparation equipmentsofbiodiesel, but the equipment of oil pre- mixing and heating is rare. In order to further improve the current deficiencies in this field, a kind of oil mixing plant for biodiesel was designed, and it’s main structure, working principle andmain technical parameters were expounded, graphic plotting and grid division were finished with GAMBIT, with rotation rate of 200r/min，the simulation analysis of internal flow fieldwas conducted with FLUENT, then rationality of rotation rate was verified. And based on STC89C51 singlechip and DS18B20 temperature sensing technology, a temperature control device was designed. In the preparation of bio diesel, theprocess of pre-mixing and heating would conduct better, then it’s preparation efficiency and quality would be improved, and lessoperation timewould be realized.

biodiesel; mixing beater; flow field simulation; temperature control

2016-10-11

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2011CB100 406)

高志超(1989-),男，山東菏澤人，碩士研究生，(E-mail) 578115190@qq.com。

張汝坤(1960-)，男，云南大理人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)zhangrukun8918@aliyun.com。

S210.7

A

1003-188X(2017)12-0231-05