基于CFX的內(nèi)嵌雙螺桿擠出機(jī)流場(chǎng)特性分析

金子云，郭樹國，左曉甜

（沈陽化工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142）

0 引言

螺桿擠出機(jī)在食品加工產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用較為廣泛。通過擠出機(jī)改性食品營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，研究玉米、小麥、豆粕等農(nóng)產(chǎn)品在擠出過程中的變化，減少抗?fàn)I養(yǎng)因子從而促進(jìn)動(dòng)物營養(yǎng)吸收等多方面的問題是目前國內(nèi)飼料行業(yè)的熱點(diǎn)之一。雙螺桿擠出機(jī)以良好的自潔性、混合性和正向輸送特性，加上物料在機(jī)筒內(nèi)適應(yīng)性好、停留分布較均，被廣泛應(yīng)用于飼料加工領(lǐng)域[1-2]。

一直以來，眾多學(xué)者主要針對(duì)如何提高擠出機(jī)混合性能進(jìn)行相關(guān)研究，對(duì)于增加擠出產(chǎn)量以及減少耗能的研究較少。如：湯霖森等[3]設(shè)計(jì)了同軸變速雙螺桿，通過行星輪引起的中段螺紋減速并反轉(zhuǎn)來產(chǎn)生回流，從而延長物料的擠出時(shí)間。徐文海等[4]通過在雙螺桿擠出機(jī)上加入混煉元件從而破壞建壓能力，使建壓分散，從而降低物料的輸送效率，提高對(duì)物料的分散混合。滕健等[5]設(shè)計(jì)了一種偏心雙螺桿，通過粒子可視化發(fā)現(xiàn)隨著偏心距增大，物料的混合效率更好。針對(duì)前人研究不足之處，本文設(shè)計(jì)了一種新型雙螺桿擠出機(jī)，擬以內(nèi)嵌雙螺桿擠出機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，引入黏性流體力學(xué)理論，利用ANSYS/CFX 有限元仿真模塊來可視化物料在流道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況并與傳統(tǒng)雙螺桿進(jìn)行對(duì)比[6-7]，通過規(guī)定時(shí)間下的擠出質(zhì)量流速率和規(guī)定產(chǎn)量下的擠出時(shí)間來證實(shí)模擬結(jié)果的精確性，旨在豐富雙螺桿擠出機(jī)的設(shè)計(jì)方法。伴隨著國內(nèi)食品行業(yè)的龐大需求，探究如何在保證質(zhì)量的同時(shí)提高產(chǎn)量，對(duì)雙螺桿擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新研究具有重要意義。

1 模型與參數(shù)

1.1 Pro/E三維模型及流場(chǎng)CFX模型

圖1 為內(nèi)嵌雙螺桿擠出機(jī)的Pro/E 模型，螺桿全長150 mm。內(nèi)螺桿外徑40 mm，根徑24 mm，導(dǎo)程為20 mm，外螺桿外徑60 mm，根徑44 mm，導(dǎo)程為20 mm，雙螺桿中心距58 mm，內(nèi)外螺紋旋向?yàn)橛倚?，兩邊保持一致，同向嚙合?/p>

圖1 內(nèi)嵌雙螺桿擠出機(jī)Pro/E 模型

通過workbench Geometry 對(duì)機(jī)筒進(jìn)行填充，并將填充體進(jìn)行布爾操作，得到新型雙螺桿外流道與內(nèi)流道的流場(chǎng)模型，這里對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分如圖2 所示。網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為108 622，單元數(shù)為444 637。

圖2 劃分后的網(wǎng)格流場(chǎng)模型

1.2 基礎(chǔ)狀態(tài)假設(shè)

選擇豆粕作為試驗(yàn)分析的物料，當(dāng)豆粕被擠出時(shí)，會(huì)隨著內(nèi)熱與機(jī)筒的加熱致水分蒸發(fā)而變黏，因此可被當(dāng)作冪律流體中的膨脹體來進(jìn)行試驗(yàn)；而試驗(yàn)分析的內(nèi)外流道與嚙合區(qū)亦可視作恒溫的穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)[8]。豆粕試驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。

表1 豆粕試驗(yàn)參數(shù)

1.3 數(shù)學(xué)分析模型

根據(jù)擠出機(jī)的實(shí)際工況，這里對(duì)新型雙螺桿擠出機(jī)的邊界條件進(jìn)行如下定義：

1）內(nèi)外螺桿連接軸通過三爪卡盤連接，轉(zhuǎn)速保持一致，轉(zhuǎn)速n=120 r/min。

2）為保證雷諾數(shù)不超過求解器湍流模型預(yù)期，防止進(jìn)口流量過大（小于等于螺桿導(dǎo)程速度），使計(jì)算收斂更穩(wěn)健，經(jīng)模擬驗(yàn)證，設(shè)定物料的進(jìn)口速度為0.02 m/s，出口壓力為1 Mpa[9]。

3）假設(shè)外螺桿表面兩兩之間均無滑移，內(nèi)外螺桿間也無滑移，機(jī)筒內(nèi)壁相對(duì)于外螺桿也不產(chǎn)生滑移，且機(jī)筒無轉(zhuǎn)速[10]。

對(duì)于流道內(nèi)不可壓縮且恒溫、穩(wěn)態(tài)的膨脹體，假設(shè)不考慮其體積力，則連續(xù)性方程可簡(jiǎn)化為[11]：

式中：

——x軸上的速度分量，m/s；

——y軸上的速度分量，m/s；

——z軸上的速度分量，m/s；

n——冪律指數(shù)；

τij——剪切應(yīng)力矢量，（i、j為直角坐標(biāo)系上的x、y、z）；

γ——剪切速率，s-1；

μ——物料黏度，Pa·s；

p——靜壓力，Pa；

聯(lián)立式（1）～（5）方程后可以求出內(nèi)外流場(chǎng)的壓力分布和速度分布。

2 模擬結(jié)果計(jì)算與分析

2.1 宏觀壓力場(chǎng)

流場(chǎng)壓力梯度可以表征螺桿的壓力布置與建壓好壞[11]，如圖3 所示。傳統(tǒng)雙螺桿和新型雙螺桿的流場(chǎng)壓力均逐漸遞增，且雙方建壓分明。其中傳統(tǒng)雙螺桿擠出機(jī)外流道壓力梯度的遞進(jìn)速率明顯大于新型雙螺桿擠出機(jī)外流道遞進(jìn)速率，且流道表面皆存在不對(duì)稱分布的差速線條。前者是因?yàn)樾滦碗p螺桿擠出機(jī)由于內(nèi)流道的存在，外螺桿在受到內(nèi)摩擦而引起轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定導(dǎo)致外流道建壓分散，使物料的輸送變慢；后者是因?yàn)殡p螺桿的同向嚙合使得物料流速疊加，其在外流道的進(jìn)度始終保持：右螺桿大于左螺桿，引起差速流從而使嚙合區(qū)產(chǎn)生不對(duì)稱混合。因此，在保證初始條件一致的情況下，新型雙螺桿擠出機(jī)外流道建壓能力較弱，延長了物料不對(duì)稱混合時(shí)間，使外流道混合效果更佳，但進(jìn)口到出口的整體壓差為9.551 Mpa，高于傳統(tǒng)雙螺桿擠出機(jī)的整體壓差3.716 Mpa，故內(nèi)流道的出現(xiàn)導(dǎo)致額外產(chǎn)生了新的建壓，擴(kuò)大了建壓范圍，提高了運(yùn)輸量。

圖3 流場(chǎng)壓力梯度

2.2 宏觀速度場(chǎng)

從圖4 可以看出，傳統(tǒng)雙螺桿擠出機(jī)與新型雙螺桿擠出機(jī)外流道速度布置均勻，流場(chǎng)均無明顯變化。其中新型雙螺桿擠出機(jī)外流道整體速度小于傳統(tǒng)雙螺桿擠出機(jī)，這是因?yàn)閮?nèi)嵌雙螺桿新增2 條額外流道，并且內(nèi)外螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致，由于內(nèi)螺桿螺棱速度小于外螺桿螺棱速度，導(dǎo)致內(nèi)流道沿徑向的拖曳流相對(duì)外螺桿呈相反趨勢(shì)，從而阻礙了外螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，引起轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定而致正向梯度流流速降低。倘若流道中僅存在外流道，不存在內(nèi)流道，則外流道正向流就不會(huì)發(fā)生變化，物料也就無法被長時(shí)間的剪切與擠壓。

圖4 流場(chǎng)速度矢量

2.2.1 軸向速度模擬

從圖5 可以看出，在速度曲線上：傳統(tǒng)雙螺桿外流道大于新型雙螺桿外流道大于新型雙螺桿內(nèi)流道。說明物料在傳統(tǒng)雙螺桿擠出機(jī)中流速較快，因物料無法在軸向進(jìn)行充分的分布性混合，導(dǎo)致混合均勻度不佳；而在新型雙螺桿擠出機(jī)中內(nèi)外流道速度相對(duì)較低，其內(nèi)流道流速因徑向尺寸限制而致線速度更低，故物料在新型擠出機(jī)中停留時(shí)間更長，混合效果更好。其中新型雙螺桿擠出機(jī)外流道在0.05～0.11 m 時(shí)產(chǎn)生一定程度的速度波動(dòng)，進(jìn)一步驗(yàn)證了外螺桿與內(nèi)流道之間產(chǎn)生內(nèi)摩擦的定性結(jié)論。

圖5 軸向速度數(shù)據(jù)

2.2.2 速度跡線對(duì)比

在圖6（a）的速度跡線中，傳統(tǒng)雙螺桿的流場(chǎng)線條連續(xù)有序，從進(jìn)口到出口處未產(chǎn)生大的波動(dòng)，較為均勻，這樣導(dǎo)致物料的混合較為一般，分布系數(shù)與分散系數(shù)都相對(duì)較小，擠出豆粕組織蛋白離散度低，口感質(zhì)地差；其流場(chǎng)流線分布因存在局限性，導(dǎo)致豆粕擠出量也不夠理想。在圖6（b）的速度跡線中，由于內(nèi)流道流線的影響，新型雙螺桿外流道流場(chǎng)流線速度降低，流線能在嚙合區(qū)進(jìn)行充分的交織，延長整個(gè)流線的運(yùn)輸時(shí)間從而使豆粕在嚙合區(qū)進(jìn)行充分的分散混合，達(dá)到提高擠出質(zhì)量的目的；其次內(nèi)流道又相當(dāng)于2 個(gè)獨(dú)立的單螺桿擠出機(jī)，在不改變螺桿體積的情況下，極大地提高了豆粕擠出量。

3 擠出機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)方法

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性，本次進(jìn)行2 次試驗(yàn)。試驗(yàn)采取一機(jī)雙用，通過將外螺桿連接軸做成套筒式從而在內(nèi)部新增連接軸并嵌入內(nèi)螺桿，兩軸通過三爪卡盤連接，為了方便內(nèi)外螺桿同時(shí)吃料，主電機(jī)放置在出料口方向進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

試驗(yàn)1：通過秒表來記錄試驗(yàn)擠出機(jī)螺桿在轉(zhuǎn)速為120、140、160、180、200、220 r .min-1的情況下，物料從外流道進(jìn)料口到出料口的擠出時(shí)間以及物料從內(nèi)流道進(jìn)料口到出料口的擠出時(shí)間，并與同轉(zhuǎn)速下傳統(tǒng)雙螺桿進(jìn)行比較，因?yàn)橘R存政等[12]發(fā)現(xiàn)擠出時(shí)間與離散度成反比，而離散度越低混合均勻度也就越高，因此通過對(duì)比物料擠出時(shí)間來反映其擠出質(zhì)量。

擠出機(jī)理論容量：

式中：

Q——流道容量，kg；

D1——螺桿外徑，m；

D2——螺桿內(nèi)徑，m；

L——計(jì)量段長度，m；

n——螺桿轉(zhuǎn)速，r/min；

ρ——物料密度，kg/m3；

η——輸送效率。

在試驗(yàn)時(shí)，由于流經(jīng)內(nèi)外流道物料占比不一致，為避免內(nèi)流道因產(chǎn)量設(shè)計(jì)不合理而導(dǎo)致的試驗(yàn)誤差，故根據(jù)式（6）來合理規(guī)定內(nèi)外流道試驗(yàn)產(chǎn)量，外流道產(chǎn)量規(guī)定為200 g，內(nèi)流道產(chǎn)量規(guī)定為120 g。

試驗(yàn)2：通過秒表來記錄試驗(yàn)擠出機(jī)螺桿在轉(zhuǎn)速為120、140、160、180、200、220 r .min-1的情況下，物料從進(jìn)料口到出料口產(chǎn)量，并與同轉(zhuǎn)速下傳統(tǒng)雙螺桿進(jìn)行比較，因?yàn)橥躅椓氐萚13]發(fā)現(xiàn)質(zhì)量流速率是反映擠出效率的關(guān)鍵因素，因此通過對(duì)比物料擠出質(zhì)量流速率來反映其產(chǎn)能。在試驗(yàn)時(shí)，規(guī)定試驗(yàn)時(shí)間為5 min。

為避免其他因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，需要將擠出機(jī)的其他參數(shù)設(shè)為定值：加熱腔加熱至恒溫80 ℃，進(jìn)料速度為15 kg/h（防止速度過低導(dǎo)致物料在膨化腔的填充度下降），擠出機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)如圖7所示。

圖7 擠出機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.2 設(shè)備及材料

試驗(yàn)設(shè)備：山東賽百諾機(jī)械有限公司生產(chǎn)的SYSLG30-IV 試驗(yàn)型雙螺桿擠出機(jī)。稱量儀器：山東德州市高通實(shí)驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的TD10K-1 型電子天平。試驗(yàn)材料：沈陽歐亞泰高飼料有限公司生產(chǎn)的非轉(zhuǎn)基因低溫豆粕。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)1 分析：豆粕組織蛋白擠出時(shí)間如表2 所示。為了更直觀看出擠出時(shí)間走勢(shì)，將表2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為曲線圖，如圖8 所示。從圖8 可以看出，擠出時(shí)間與螺桿轉(zhuǎn)速成反比，說明轉(zhuǎn)速越低，物料的擠出時(shí)間越長，因此螺桿轉(zhuǎn)速是擠出時(shí)間的一個(gè)重要因素。在同等轉(zhuǎn)速下，新型雙螺桿擠出機(jī)內(nèi)外流道擠出時(shí)間均高于傳統(tǒng)雙螺桿擠出機(jī)外流道擠出時(shí)間，且內(nèi)流道擠出時(shí)間更長。故試驗(yàn)1 驗(yàn)證了新型雙螺桿擠出機(jī)能有效改善混合性能。

表2 雙螺桿擠出機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的擠出時(shí)間

圖8 擠出時(shí)間對(duì)比

試驗(yàn)2 分析：整體豆粕組織蛋白擠出質(zhì)量流速率曲線如圖9 所示。從圖9 可以看出，擠出質(zhì)量流速率與螺桿轉(zhuǎn)速成正比，說明轉(zhuǎn)速越大，物料的運(yùn)輸速度越快，因此螺桿轉(zhuǎn)速也是質(zhì)量流速率的一個(gè)重要因素。在相同轉(zhuǎn)速下，新型雙螺桿擠出機(jī)質(zhì)量流速率總是大于傳統(tǒng)雙螺桿擠出機(jī)，經(jīng)計(jì)算，質(zhì)量流速率提高了約55.5%，相較理論值偏小，這是因?yàn)閮?nèi)流道單螺桿不存在自潔性，實(shí)際擠出量偏低。故試驗(yàn)2 驗(yàn)證了內(nèi)流道的出現(xiàn)可以有效增加擠出產(chǎn)量。

圖9 擠出質(zhì)量流速率對(duì)比

4 討論

創(chuàng)新螺桿結(jié)構(gòu)是改變物料加工的第一步，也是提高產(chǎn)量的基礎(chǔ)。本文通過在傳統(tǒng)雙螺桿內(nèi)嵌入2根螺桿來產(chǎn)生內(nèi)流道，在提高豆粕組織蛋白產(chǎn)量的同時(shí)又適當(dāng)增加了混合性能。

王天書等[14]通過polyflow 來模擬聚合物熔融混合，通過壓力云圖與流道監(jiān)測(cè)線速度發(fā)現(xiàn)延長停留時(shí)間有利于物料的充分混合；劉楊等[15]對(duì)流場(chǎng)出口粒子切片來計(jì)算粒子擠出時(shí)間，闡述了物料擠出時(shí)間越長則分布混合越佳，兩者與本文研究結(jié)果一致。賀存政等[12]通過自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備來記錄粒子的混合時(shí)間與均勻度的變化曲線，但因設(shè)備較為簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)受溫度不夠而致塑料顆粒狀態(tài)固定以及添料和取料的間隔時(shí)間過短等影響仍存在計(jì)算誤差。本文的試驗(yàn)采用螺桿喂料，機(jī)筒通過電機(jī)持續(xù)加熱而減少溫度波動(dòng)，物料在高溫下水分蒸發(fā)從而變黏，極大保證了物料的試驗(yàn)狀態(tài)，對(duì)比賀存政等[12]數(shù)據(jù)誤差要更小。李成宇等[16]通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)來提高物料的平均流速，從而提高擠出效率，此方法存在一定局限性。本文通過改變螺桿結(jié)構(gòu)形態(tài)來增加新流道，提高了螺桿的吃料上限，對(duì)比李成宇等[16]的設(shè)計(jì)方法更好。田東等[17]通過設(shè)計(jì)漸加速單螺桿，擠出效率提高了約24%。本文試驗(yàn)的擠出效率提高了約55.5%，高于田東等[17]的結(jié)論。

本文設(shè)計(jì)的內(nèi)嵌雙螺桿，通過可視化模擬得到了物料的內(nèi)外流場(chǎng)，在不改變擠出機(jī)體積以及保證質(zhì)量的情況下，極大提高了擠出機(jī)產(chǎn)量，但對(duì)于內(nèi)嵌螺桿是否能應(yīng)用于多種螺桿擠出機(jī)還需進(jìn)一步探討。

5 結(jié)語

利用Pro/E 建模，運(yùn)用CFX 方法對(duì)具有內(nèi)外流道的內(nèi)嵌雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行三維流場(chǎng)分析以及試驗(yàn)驗(yàn)證，準(zhǔn)確模擬了豆粕在新型雙螺桿擠出機(jī)中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過對(duì)比傳統(tǒng)雙螺桿擠出機(jī)發(fā)現(xiàn)，新型雙螺桿擠出機(jī)通過在內(nèi)部分別嵌入2 根螺桿，增加了雙螺桿擠出機(jī)的吃料上限，在不改變其體積的情況下，豆粕產(chǎn)量變?yōu)樵瓉淼?.4～1.7 倍；其外螺桿在內(nèi)流道摩擦力的作用下產(chǎn)生速度波動(dòng)，削弱了豆粕的軸向運(yùn)輸，且內(nèi)螺桿在尺寸的局限下豆粕運(yùn)輸更慢，故兩者均延長了豆粕的擠出時(shí)間，進(jìn)而保證了擠出質(zhì)量。