釀酒生產(chǎn)攤晾控溫裝備的研究

鄭昌寧，張宿義，，黃治國，聶增遠(yuǎn)，岳良浩，秦 輝

（1.四川輕化工大學(xué)生物工程學(xué)院，四川宜賓 644000；2.瀘州老窖股份有限公司，四川瀘州 646000）

當(dāng)今白酒行業(yè)各方面都發(fā)展非常迅速，自動化生產(chǎn)發(fā)展程度更是日新月異，傳統(tǒng)生產(chǎn)操作已無法滿足市場需求，尤其是對生產(chǎn)安全和食品安全要求越來越高的今天，采用高新技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的新型白酒生產(chǎn)模式，已是大勢所趨。近年來，白酒生產(chǎn)逐步向機(jī)械化、智能化、信息化的方向發(fā)展，釀酒生產(chǎn)自動化程度相對有很大提高。

攤晾技術(shù)是白酒釀制工藝中的重要工藝環(huán)節(jié)之一，攤晾工藝主要是為了使出甑高溫酒糟（85～95 ℃）降至適宜入窖發(fā)酵的溫度（18～22 ℃）[2]?，F(xiàn)各大小酒廠都基本引入攤晾加曲設(shè)備以提高攤晾效率，降低勞動力成本。攤晾設(shè)備大多由篩孔攤晾鏈板、軸流風(fēng)機(jī)、翻糟齒、加曲機(jī)、傳感器等組成，正是因其制作工藝簡單、設(shè)備成本低、使用方法簡單，所以被廣泛運(yùn)用于釀酒攤晾工藝。但是正是這些因素使得攤晾機(jī)技術(shù)發(fā)展停滯不前，也造成攤晾出的糟醅出現(xiàn)諸多問題，例如打散不均勻、攤晾酒糟收溫不均勻、下曲不均勻、易感染雜菌和設(shè)備難以清洗等。因此近些年業(yè)內(nèi)又掀起了攤晾機(jī)升級更新的風(fēng)暴，攤晾機(jī)的功能完善和智能化成為其發(fā)展的必然趨勢[3]。

在現(xiàn)有攤晾設(shè)備的原理基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)一款能夠自動同時(shí)完成攤晾、加曲、拌和的攤晾設(shè)備。本設(shè)計(jì)采用帶有內(nèi)螺旋葉片的圓筒式攤晾設(shè)備，工作時(shí)酒糟顆粒由于受到與筒體摩擦力、自身重力和螺旋葉片的推力的影響，使得輸送物料不與螺旋葉片一起旋轉(zhuǎn)，在螺旋葉片的推進(jìn)下，物料沿螺旋軸軸向進(jìn)行輸送。在輸送的過程中，往布滿孔洞的筒體注入氣流以降低酒糟溫度，實(shí)現(xiàn)糟醅冷卻。在筒體尾部安裝有加曲、拌和結(jié)構(gòu)，自動完成攤晾、加曲、拌和過程。盡可能使糟醅冷卻均勻，保證糟醅入窖的溫度、酸度、水分含量、淀粉含量均滿足瀘型酒生產(chǎn)工藝要求。提高攤晾效率，降低勞動成本，節(jié)約能源，提高資源綜合利用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、清潔生產(chǎn)。

1 攤晾控溫裝備結(jié)構(gòu)的構(gòu)成

攤晾控溫裝備裝配圖見圖1—圖2，包括輸送系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)，支撐系統(tǒng)，整個(gè)設(shè)備均使用SUS304食品級不銹鋼制作。

圖1 攤晾控溫裝備裝配圖前視圖

圖2 攤晾控溫裝備裝配圖后視圖

輸送系統(tǒng)由螺帶、篩孔滾筒、驅(qū)動電機(jī)、減速箱、傳動桿、齒輪、進(jìn)糟口、出糟口等組成，用于連續(xù)輸送糟醅。篩孔滾筒、螺帶和從動齒輪三者固定，從動齒輪與傳動齒輪嚙合，傳動電機(jī)的高轉(zhuǎn)速通過減速箱減為適合的轉(zhuǎn)速，帶動從動齒輪旋轉(zhuǎn)，使得篩孔滾筒和螺帶旋轉(zhuǎn)，糟醅在螺帶旋轉(zhuǎn)推力、重力、摩擦力的合力作用下做翻轉(zhuǎn)平移運(yùn)動。冷卻系統(tǒng)由離心風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)、篩孔滾筒、風(fēng)罩、入風(fēng)道等組成，用于連續(xù)冷卻糟醅。糟醅做翻轉(zhuǎn)平移運(yùn)動時(shí)，離心風(fēng)機(jī)鼓入室溫空氣，空氣通過糟醅內(nèi)部，帶走多余熱量并形成水蒸氣，同時(shí)軸流風(fēng)機(jī)吸出水蒸氣。支撐系統(tǒng)由滑軌、端蓋、密封圈、支撐套、座架、固定板、軸承、支撐板、滑輪、支架等組成。四對滑輪用以限制篩孔滾筒自由度，讓其只能做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。支撐板用以固定風(fēng)罩。側(cè)面風(fēng)罩可以打開，方便對內(nèi)部進(jìn)行清理。

2 糟醅物理性質(zhì)的測定

明確出甑糟醅的物理性質(zhì)，是設(shè)計(jì)攤晾設(shè)備的基礎(chǔ)[4]，需要測定出甑糟醅的水分含量、疏松糟醅密度（后續(xù)稱為糟醅密度）、糟醅真實(shí)密度、堆積角、甑糟比熱容。

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

樣品：糟醅，取自瀘州老窖股份有限公司黃艤釀酒生態(tài)園出甑糟醅和攤晾完成但還未加曲的糟醅。

2.2 儀器設(shè)備

量筒，稱量瓶，0.1 mg 電子天平，電熱干燥箱，干燥器（變色硅膠做干燥劑），燒杯，漏斗，紗布，正方體木盒（容積為1000 mL，無上底），圓筒容器（直徑100 mm，長度200 mm，無上下底）。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

糟醅密封保存，測量時(shí)不能對其有擠壓或者疏松，保持糟醅原有物理形態(tài)。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)做3次，取平均值。

2.3.1 糟醅水分含量的測量

攤晾前糟醅水分含量（Hh2o）的測量方法：稱量質(zhì)量為m1的糟醅放入稱量瓶中，將稱量瓶置于100～105 ℃恒溫干燥箱烘干2 h（烘干時(shí)打開稱量瓶蓋），取出稱量瓶并蓋上，放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫，再烘1 h，冷卻稱重，至恒重為止[2]，稱量干燥后糟醅質(zhì)量m2。用同樣的方法測量攤晾后加曲前糟醅水分含量（Hh2o），如公式1：

由實(shí)驗(yàn)得：出甑后攤晾前糟醅含水量Hh2o=58.26%，攤晾完成但還未加曲的糟醅含水量hh2o=56.32%。

2.3.2 糟醅松散密度的測量

糟醅密度（ρ）的測量方法：稱量正方形木盒質(zhì)量為m，將糟醅輕輕放滿到木盒中，裝滿但不冒尖，稱量木盒和糟醅總質(zhì)量為m3，糟醅密度ρ如公式2：

由實(shí)驗(yàn)得：出甑后攤晾前糟醅密度ρ=0.498 g/mL=498 kg/m3。

2.3.3 糟醅真實(shí)密度的測量

真實(shí)密度（ρt）的測量方法：將一定量的乙醇加入1000 mL 量筒中（體積v1），稱量（質(zhì)量m4）適量糟醅放入裝有乙醇的量筒內(nèi)，糟醅完全浸入乙醇，立刻讀取總體積v2，糟醅真實(shí)密度ρt公式如3：

由實(shí)驗(yàn)得：糟醅真實(shí)密度ρt=1.076 g/mL=1076 kg/m3。

2.3.4 糟醅堆積角的測量

堆積角：物料自然堆積時(shí)料堆的坡度，即料堆與水平面的夾角。

堆積角（α）的測量方法：將糟醅放入圓筒容器中，慢慢提升圓筒直至糟醅完全滑出，糟醅會在平面上形成一個(gè)錐體，測量錐體高度和直徑即可求得糟醅堆積角，計(jì)算如公式4。

式中：h——錐體高度；d——錐體直徑。

有研究者[5]曾用此方法測量過松樹種子堆積角。

由實(shí)驗(yàn)可得：出甑糟醅堆積角α=43.4°。

2.3.5 糟醅比熱容的測量

瀘型酒糟醅的主要原料有糠殼、高粱、水，分別測量各物質(zhì)的含量，可以間接計(jì)算出糟醅比熱容[6]。

糟醅比熱容（C）測量方法：已知糟醅水分含量?？窔じ芍販y量方式：稱量質(zhì)量為m5的糟醅，用高于85 ℃的水對酒糟進(jìn)行多次清洗、紗布過濾，對過濾后的殘?jiān)M(jìn)行初步烘干，之后篩選出殘?jiān)锏目窔ぴ俅魏娓芍梁阒?，稱量糠殼質(zhì)量為m6，糠殼含量H如公式5：

由實(shí)驗(yàn)可得：出甑糟糠殼含量H=11.40%

綜上所述，糟醅中高粱含量H1如公式6：

得：高粱含量H1=30.34%。

混合物質(zhì)比熱容計(jì)算，公式如7：

式中：C混——混合物比熱容；mi——不同組分的含量；ci——不同組分的比熱容。

曾有學(xué)者測定過糠殼和高粱比熱容[7]，如表1。

表1 水、高粱、糠殼比熱容

根據(jù)公式7計(jì)算糟醅比熱容C：

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

此攤晾設(shè)備輸送結(jié)構(gòu)不同于螺旋輸送機(jī)。螺旋輸送機(jī)工作原理：當(dāng)螺旋軸轉(zhuǎn)動時(shí)，由于物料的重力及其與筒體壁所產(chǎn)生的摩擦力，使物料只能在葉片的推送下沿著輸送機(jī)的槽底向前移動，物料在中間軸向運(yùn)移，則是依靠后面前進(jìn)著的物料的推力，所以，物料在輸送機(jī)中的運(yùn)送，完全是一種滑移運(yùn)動[8]。用螺旋輸送機(jī)對糟醅進(jìn)行輸送，會對酒糟產(chǎn)生擠壓，使得糟醅物性發(fā)生變化，導(dǎo)致不良影響。故此次設(shè)計(jì)采用筒體加螺帶結(jié)構(gòu)作為輸送，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于，既能滿足生產(chǎn)所需的輸送量，又不會對糟醅產(chǎn)生擠壓。筒體旋轉(zhuǎn)時(shí)，固定在筒體上的螺帶跟著一并旋轉(zhuǎn)，酒糟沿葉片的螺旋方向運(yùn)動，在不斷的提升和翻動過程中，糟醅既做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動又做上下運(yùn)動，從而使得糟醅均勻攪拌，糟醅冷卻也會更加均勻。為匹配生產(chǎn)節(jié)拍，設(shè)計(jì)糟醅輸送量Q=8 m3/h。

3.1.1 篩孔滾筒及螺帶尺寸的設(shè)計(jì)

篩孔滾筒尺寸主要考慮直徑和長度，根據(jù)糟醅在滾筒內(nèi)的運(yùn)動情況確定有效攤晾面積，攤晾面積越大，產(chǎn)出較高，攤晾面積減小，窖池產(chǎn)出也隨之減少[9]。螺帶主要確定步距S 和螺帶高度H。為了確定糟醅的運(yùn)動情況，制作了一個(gè)滾筒螺帶模型，直徑D=0.8 m，長度L=1.2 m，螺帶步距S=0.28 m，螺帶高度H=0.2 m，經(jīng)試驗(yàn)得，此模型輸送糟醅，糟醅運(yùn)動堆積形態(tài)如圖3所示。

圖3 糟醅運(yùn)動堆積形態(tài)圖

由此實(shí)驗(yàn)可得，糟醅有效攤晾面積與旋轉(zhuǎn)一圈可以輸送糟醅和滾筒直徑、螺帶高度有關(guān)，也和糟醅的堆積角度有關(guān)，當(dāng)∠A 超過糟醅最大堆積角度α，以糟醅堆積角度計(jì)算。糟醅在滾筒內(nèi)做提升運(yùn)動時(shí)，糟醅與水平夾角會逐漸變大，當(dāng)達(dá)到最大堆積角且繼續(xù)運(yùn)動，糟醅會出現(xiàn)崩塌從而做翻轉(zhuǎn)運(yùn)動。如果螺帶高度過低，糟醅會從一個(gè)步距跨越到另外一個(gè)步距，從而影響輸送效果，故為了達(dá)到理想的輸送效果，應(yīng)當(dāng)∠A≥堆積角度α。

為了和瀘州某酒廠自動化生產(chǎn)線攤晾場地相匹配，篩孔滾筒直徑取D=1.5 m、長度L=5.5 m。

（1）步距的確定：

式中：k1——螺旋螺距與直徑的比例系數(shù)，與物料的性質(zhì)有關(guān)，物料摩擦系數(shù)越高，k1取值越小，此結(jié)構(gòu)一般S≤0.5D。曾有學(xué)者利用運(yùn)動仿真分析可得[10]：經(jīng)優(yōu)化后的螺旋輸送機(jī)螺距明顯減小，機(jī)械效率也有了較大幅度的提升，此時(shí)k1=0.33。

經(jīng)公式8計(jì)算得：S=0.495 m，取整S=0.5 m。

（2）螺帶高度的確定：

螺帶高度是影響單位時(shí)間糟醅輸送量的一個(gè)重要參數(shù)，但是又受到糟醅堆積角的制約，為了達(dá)到理想輸送量又不能浪費(fèi)材料，則需要知道糟醅在筒體內(nèi)部的最適填充系數(shù)φ。糟醅物性：黏性，屬于含糖、淀粉質(zhì)的團(tuán)，故填充系數(shù)φ取值0.125～0.20 之間。考慮到糟醅不易結(jié)塊，松散度較高，填充系數(shù)φ取值0.17。結(jié)合圖3 糟醅運(yùn)動堆積形態(tài)圖計(jì)算出螺帶高度H=35 cm。

3.1.2 篩孔滾筒轉(zhuǎn)速的確定

篩孔滾筒轉(zhuǎn)速直接影響其輸送率，每旋轉(zhuǎn)一圈，糟醅就前進(jìn)一個(gè)步距。設(shè)計(jì)輸送量為8 m3/h，此時(shí)糟醅應(yīng)全部脫離篩孔滾筒，所以，1 h 內(nèi)，糟醅不僅要進(jìn)入滾筒內(nèi)部，并且還需全部輸送出來。螺旋輸送能力和很多因素相關(guān)[11]，如螺旋直徑、螺帶步距、轉(zhuǎn)速等，可按照公式9進(jìn)行計(jì)算。

式中：Q——輸送量（m3/h）；D——螺旋筒內(nèi)直徑（m），取1.5 m；S——螺帶步距（m）；n——轉(zhuǎn)速（r/min）；φ——填充系數(shù)，取0.2；c——傾斜輸送系數(shù)，見表2。

表2 螺旋輸送機(jī)傾斜校正系數(shù) c

攤晾機(jī)水平放置，故傾斜輸送系數(shù)取1。

由公式9計(jì)算得：篩孔滾筒轉(zhuǎn)速n=0.89 r/min。

3.2 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

攤晾是利用空氣與糟醅之間進(jìn)行熱量交換，排出高溫蒸汽，使得糟醅快速降溫以滿足入窖溫度。攤晾又分為自然風(fēng)冷和強(qiáng)迫風(fēng)冷，此攤晾過程屬于強(qiáng)迫風(fēng)冷[12]。離心風(fēng)機(jī)通入空氣，將糟醅多余熱量帶走。

3.2.1 糟醅總散熱量

攤晾1 h，糟醅溫度由92 ℃降低到22 ℃釋放的熱量，按照熱力學(xué)方程10計(jì)算：

式中：Q——糟醅釋放的總熱量（kJ）；c——糟醅平均比熱容[kj/（kg·℃）]；ρ——糟醅密度（kg/m3）；V——攤晾1 h糟醅體積（m3）；△t——攤晾前后溫差（℃）。

由公式10計(jì)算得：Q=845564.16 kJ。

3.2.2 糟醅在攤晾過程中水分散失帶走的熱量計(jì)算

糟醅在攤晾過程中，隨著空氣的通入，糟醅中的部分水分會跟隨空氣揮發(fā)，形成明顯的水蒸氣，水從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，會帶走一部分熱量Q1，這部分熱量可以根據(jù)糟醅攤晾前后含水量的變化結(jié)合揮發(fā)1 kg水需要的熱量c1計(jì)算得出，計(jì)算公式如11：

式中：Q1——糟醅中水分散失帶走的熱量（kJ）；c1——低于100 ℃時(shí)揮發(fā)1 kg水需要的熱量（2.267 kJ）；Hh2o——攤晾前糟醅含水量（%）；hh2o——攤晾后糟醅含水量（%）；ρ——糟醅密度（kg/m3）；V——攤晾1 h糟醅體積（8 m3）。

由公式11計(jì)算得：Q1=175.22 kJ。

此部分熱量約占攤晾全過程糟醅散發(fā)熱量的0.02%，攤晾1 h水分散失約有77 kg。

3.2.3 攤晾設(shè)備所需風(fēng)量計(jì)算

糟醅攤晾過程是利用室溫空氣通過糟醅內(nèi)部進(jìn)行降溫，空氣溫度在一段時(shí)間內(nèi)可以看作恒定不變，糟醅溫度由高到低變化[13]?？諝馀c糟醅換熱效率受較多因素影響，如糟醅溫度、空氣溫度、空氣流量等，換熱效率直接影響傳熱系數(shù)，導(dǎo)致傳熱系數(shù)K 一直變化，利用熱交換器的熱計(jì)算基本方程式：Q=K△tmF 難以計(jì)算。故此次計(jì)算采用“比熱法”進(jìn)行計(jì)算。

在已知糟醅總發(fā)熱量（Q=845564.16 kJ）的情況下，假設(shè)發(fā)熱量全部由空氣帶走，計(jì)算公式如12：

式中：q——冷卻空氣流量（m3）；Q——物體發(fā)熱量（kJ）；ρp——空氣密度（1.29 kg/m3）；cp——空氣定壓比熱容[1.003 kJ/kg·℃]；△T——空氣的平均溫升（℃）。

空氣平均溫升（△T）的計(jì)算是參考現(xiàn)有鏈板式攤晾機(jī)出風(fēng)口風(fēng)溫，經(jīng)計(jì)算△T約為20 ℃。

由公式12計(jì)算得：攤晾1 h所需風(fēng)量q=32676 m3。

3.2.4 風(fēng)機(jī)的選型

風(fēng)機(jī)是組成攤晾設(shè)備必不可少的設(shè)備，用于糟醅攤晾的風(fēng)機(jī)主要有離心風(fēng)機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)兩種。離心風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)：風(fēng)量相對較小、全壓大、噪音大、能耗高；軸流風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)：風(fēng)量相對較大，全壓小，噪音小。風(fēng)機(jī)的選擇，考慮因素主要有風(fēng)量和風(fēng)壓。兩款風(fēng)機(jī)均能滿足合適的風(fēng)量，但由于篩孔滾筒內(nèi)部糟醅較厚，軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)壓較小，糟醅可能“吹不透”導(dǎo)致冷卻效果不佳，故此設(shè)計(jì)采用離心風(fēng)機(jī)作為冷卻風(fēng)機(jī)，離心風(fēng)機(jī)參數(shù)如表3。

表3 離心風(fēng)機(jī)參數(shù)

風(fēng)機(jī)參數(shù)在使用中存在誤差，利用風(fēng)速測量儀（AS-H3）、直尺便能測量此風(fēng)機(jī)的實(shí)際使用風(fēng)量。測量風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速vt（m/s）和出風(fēng)口面積st（m3），計(jì)算實(shí)際風(fēng)量qt（m3/h）如公式13：

由實(shí)驗(yàn)得，風(fēng)機(jī)實(shí)際風(fēng)量qt=（6700～7100）m3/h。

五臺離心風(fēng)機(jī)總風(fēng)量q總=（33500～35500）m3/h，滿足此攤晾設(shè)備對風(fēng)量的要求。攤晾設(shè)備頂部兩臺離心風(fēng)機(jī)的總風(fēng)量略大于q總即可。

4 總結(jié)

糟醅攤晾是白酒生產(chǎn)工序中的關(guān)鍵工序，是控制糧糟入窖水分和溫度的重要操作步驟。由傳統(tǒng)的石晾堂、攤晾床發(fā)展到現(xiàn)代的自動化晾糟機(jī)，可謂是發(fā)展迅速，但也存在諸多問題。如漏料、不易清洗和能源浪費(fèi)等。此次研究將螺旋輸送和風(fēng)冷結(jié)合，也是兩個(gè)學(xué)科的結(jié)合。能在連續(xù)性生產(chǎn)的同時(shí)通過冷凝設(shè)備對攤晾時(shí)產(chǎn)生的水蒸氣進(jìn)行回收利用，為攤晾設(shè)備的發(fā)展提供了一個(gè)設(shè)計(jì)方向。隨著科技的進(jìn)步，會有更多的學(xué)科與白酒生產(chǎn)行業(yè)進(jìn)行融合，逐步取代傳統(tǒng)釀酒生產(chǎn)模式，向機(jī)械化、自動能、智能化、信息化發(fā)展，定會有更多更先進(jìn)更完善的機(jī)械設(shè)備應(yīng)用到釀酒生產(chǎn)中。