生物柴油搅拌装置的设计

高志超，杨陆强，朱加繁，高彦玉，赵玉清，张汝坤

(云南农业大学 机电工程学院，昆明 650201)

生物柴油搅拌装置的设计

高志超，杨陆强，朱加繁，高彦玉，赵玉清，张汝坤

(云南农业大学 机电工程学院，昆明 650201)

生物柴油制备器械很多，但制备过程中油料预混合及配套加热器械却很少。为了进一步完善现今这一领域的不足，设计了一种适用于生物柴油的油料搅拌装置。为此，阐述了该装置的主要结构、工作原理和主要技术参数，并以200r/min的转速为标准，运用gambit进行图形绘制和网格划分，采用fluent软件对该机内部流场进行仿真分析，验证了其转速的合理性。基于STC89C51单片机和DS18B20的温度传感技术，设计了一种温度控制装置，可在生物柴油制备过程中使油料更好地进行预混合和加热，从而提高了生物柴油的制备效率和质量，减少了操作时间。

生物柴油；搅拌机；流场仿真；温度控制

0 引言

生物柴油属于新能源，在生物柴油制备生产过程中，需要将不同的油料进行有效混合，不同的油料比例所产生的效果不同，且对于加热温度需要精确的控制，在不同的温度和反应时间下，制备生物柴油时所产生的化学反应不同，制备出的生物柴油可在农机装备上使用。因此，设计一种高性能的生物柴油制备加热搅拌机装置具有重要的现实意义[1]。

从20世纪70年代起，国外许多公司(如瑞士海斯特股份有限公司和ABS公司等)对搅拌机进行了大量的研究，设计了轴流式和径流式搅拌器等，并进行了流场和数值的模拟分析，如Harvey等采用了MRF法对其进行了模拟[2]。与国外许多国家在搅拌器方面的研究开发相比，国内对于搅拌器的研发起步较晚。近年来，国内的浙江大学和华东理工大学等科研院所都进行了搅拌机的设计，并通过CFD等软件，对搅拌器在搅拌设备中的流体进行数值模拟及后处理分析，取得了很多成果。例如，拴弟、张政[3]等利用fluent，采用MRF模型和K-S湍流模型成功模拟了六直叶圆盘涡轮式揽拌器在揽拌槽内的＂双循环＂流动形式等，但关于生物柴油制备方面的专用搅拌装置很少。因此，本文研究设计了一种生物柴油制备的油料混合设备，以期为生物柴油制备的搅拌装置的设计提供借鉴。

1 结构与工作原理

1.1 主要结构设计

该生物柴油制备加热搅拌器由搅拌器机体、搅拌装置、传动机构和控制箱等部分组成，如图1所示。其中，搅拌壳体包括外壳和内壳，两层中间有真空层及加热圈等。搅拌装置由叶片组和中心转轴组成，叶片组分3层设置于搅拌器内部。其中，上层设置6叶直叶式搅拌叶片，中层设置3叶推进式搅拌叶片，下层设置3叶斜桨式搅拌叶片，中层和下层叶片组均倾斜40°角[4]，3组叶片均焊接固定连接于中心转轴上。传动机构包括电机、齿轮和中心转轴等；控制箱包括STC89C51单片机、LCD1602显示模块、DS18B20温度传感器和控制开关等部件。

1.2 搅拌原理及工作过程

油料搅拌器的工作原理：将油料装入搅拌器内，通过搅拌轴转动带动叶片组对油料实施搅拌，下层叶片组对油料进行剪切、上抛，并具有一定的防沉淀作用，中层叶片组对油料进行剪切和上抛，上层叶片组对油料实施高度剪切，使得搅拌器内的油料能有效、充分地混合；同时，对油料的加热温度进行不同级别地控制，以使生物柴油制备过程中的化学反应能更好的进行。

搅拌器工作时，将需要混合的油料由进料口倒入，将控制箱接通电源并启动；之后，电机开始工作，电机通过齿轮减速带动中心转轴转动，叶片组开始对油料进行搅拌；加热圈和温度传感器也开始工作，当搅拌机内油料温度被加热圈加热上升时，温度传感器实时检测搅拌机内部温度的变化；当温度达到所设置的温度阈值时，由STC89C51单片机通过程序设计的指令，来控制加热圈的供电开关，实现搅拌机内部温度的智能控制；温度信号通过温度传感器显示在LCD1602显示模块上[5]。

1.电机 2.电机支撑架 3.进料口Ⅰ 4.外壳 5.真空层 6.内壳 7.加热圈 8.视管 9.出料口 10.机体支撑脚 11.DS18B20温度传感器 12.斜桨式搅拌器 13.中心转轴 14.推进式搅拌器 15.STC89C51单片机 16.直叶式搅拌器 17.LCD1602显示模块 18.进料口Ⅱ 19.上盖 20.齿轮图1 生物柴油制备搅拌器整体结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the overall structure of the mixer for biodiesel production

2 主要工作部件的设计

2.1 搅拌器机体设计

搅拌器机体是搅拌器主体部件，起着非常重要的作用，主要由罩壳、机体支撑脚和加热圈组成。

2.1.1 罩壳

罩壳分为内壳和外壳，中间充有真空层，防止温度的传失。罩壳在搅拌器中的作用主要是为搅拌器工作过程提供一个相对密闭的空间，且内外壳之间也是密封的，具有一定的安全性。罩壳材料的选择应具有质量轻、耐高温和不易生锈的特点，本文根据搅拌器的工作性质及设计要求，选择轻质铝合金作为罩壳的制作材料。罩壳尺寸如下：外壳直径220mm，厚2mm，高360mm；内壳直径215mm，厚3mm，高360mm；真空层厚5mm。

2.1.2 机体支撑脚

机体支撑脚是整个搅拌器质量的重要支承部件，受力情况很复杂，主要承受来自罩壳和传动机构等部件的重力作用，在搅拌过程中还受到机体的强烈冲击和振动。因此，机体支撑脚的设计应该满足一定的强度和刚度等性能要求，避免工作过程中产生不同程度的变形甚至损坏，甚至带来安全隐患。所以，该支撑架采用钢材质，尺寸设计不能过高或者过细，本设计选择3个支撑脚，尺寸设置为整机的1/5，高60mm，长45mm，宽45mm。

2.1.3 机体支撑脚

加热圈加热圈是对油料加热的主要部件，在搅拌过程中会受到油料的撞击和腐蚀，还有加热装置产生的高温，对此需要运用抵抗其不利因素的材料。本设计加热圈采用铸铝电加热器，固定于内壳壁上，螺旋线间隔60mm，直径1mm，如图2所示。

1.内壳 2.加热圈图2 加热圈和内壳结构示意图Fig.2 Schematic diagram of heating ring and inner shell structure

2.2 搅拌装置

2.2.1 搅拌叶片组设计

搅拌叶片组是搅拌器的核心部件，包括3组叶片，由上层直叶式搅拌叶、中层推进式搅拌叶和下层斜桨式搅拌叶与3个轮毂装配而成。叶片通过焊接与轮毂固定，轮毂具有一定的厚度，通过螺栓与中心转轴紧固，保证轮毂与中心转轴的有效连接，其厚度为2mm，最大回转半径为95mm。为了在工作过程中将底部油料剪切的同时能够上抛进行混合和剪切，设置下层叶片组和中层叶片组倾斜40°角，且3层叶片组之间的距离为85mm。叶片组安装具有较高的要求，叶片工作位置的最低点刚好与内壳的内壁相切，这样才能将内壳底部和内壳近壁处的油料有效的剪切和上抛使之更好地混合。搅拌叶片组的结构形式如图3所示。

1.斜桨式搅拌器 2.推进式搅拌器 3.中心转轴 4.直叶式搅拌器图3 叶片组结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the blade group structure

2.2.2 中心转轴的设计

1)叶片边缘线速度为

(1)

链传动的机械效率取0.96，则中心转轴的功率为

p=3×0.96=2.88kW

(2)

叶片所受油料阻力为

(3)

2)中心转轴的直径和所受的扭矩。叶片在工作过程中会受到来自油料的反作用力，该作用力会以扭矩的形式作用在中心转轴上。依据叶片的旋转半径和叶片所受阻力的大小，可计算其扭矩为

T=F·R=137.96N·m

(4)

(5)

查表得，A0=126，则

(6)

为了安全起见，将轴径放大5%，所以中心转轴的直径设计为32mm[6]。

3 搅拌器模型流场分析

本设计模型设置转速为200r/min进行模拟分析，通过Gambit进行建模。该建模能有效减小误差，再加上其独有的网格划分技术，可以智能化地将一个几何区域划分最合适的网格。采用Tgrid方式对搅拌器进行网格划分[7]，壳体静区域大小划分为4，内动区域大小划分为3，总共产生298 147个网格，生成后网格如图4所示。

图4 搅拌器网格划分示意图Fig.4 Schematic diagram of the mesh of agitator

将模型通过Gambit以MSH格式导入Fluent，经Fluent计算，在迭代次数为3 000～4 000之间达到收敛精度。在本次模拟中，以mm为单位，定义流体介质为液体，搅拌器中的液体可看成不可压缩的流体，工作环境的加速度为-9.81m/s2[8]。运用不可压缩流体的N-S方程求解时，采用SIMPLEC算法解决速度与压力的耦合问题，搅拌器槽内以k-ε模型模拟，搅拌器内的流态为湍流,设置完边界后，设置的各项收敛残差为10-4，然后对搅拌器的工作状态进行模拟[9]。

图5～图7为转速为200r/min时的流场模拟仿真分析，因在此前做过100、200、300r/min的对比分析，而200r/min的模拟效果最好。所以，在本文中设置转速为200r/min。由图5的速度矢量图可以看出：中层和下层叶片组处出现了小部分的矢量点积攒，是由于倾斜的叶片对液体的剪切和上抛作用产生的效应，虽然颜色偏深，但符合之前的估计。图6和图7属于横截面和纵截面的流体分析图，速度大的为高亮度区域，高亮度区域的面积越大，表示速度云图的分布范围越广，即说明搅动范围大、效果好。叶片附近流速相对较大，说明叶片周围的搅拌效果较好，而轴附近的流速相对较小，但不影响搅拌效果，符合预期的效果[10]。

图5 速度矢量示意图Fig.5 Sketch map of the velocity vector

图6 速度云图示意图Fig.6 Sketch map of the velocity contour

图7 速度云图示意图Fig.7 Sketch map of the velocity contour

4 控制箱

4.1 控制箱电路设计

本装置电气自动化系统的设计是以普中科技技术有限公司生产的C52开发板为试验平台。利用5V有源电磁式蜂鸣器和5mmLED灯作为温度声光报警元件。控制箱是搅拌器的电力控制装置的核心部分，其组成部件为STC89C51单片机、DS18B20温度传感器、继电器和电源控制开关。该控制系统包括温度控制模块和温度显示模块，通过在搅拌机中装入DS18B20温度传感器，实时检测油桶内油料的温度，并将采集的数据传送至STC89C51单片机中，实现加热装置的电机启动关闭控制和液晶显示功能[11]。控制箱的系统电路图如图8所示。

图8 系统控制电路示意图Fig.8 Schematic diagram of the system control circuit

4.2 DS18B20温度传感器控制温度程序的设计

基于C语言对搅拌器温度检测控制系统的程序进行设计编写，程序包括DS18B20芯片的驱动程序部分、LED显示程序部分及控制开关程序部分。STC89C52对DS18B20温度传感器的部分驱动程序设计如下：

int Ds18b20ReadTemp()

{

int temp = 0;

uchar tmh, tml;

Ds18b20ChangTemp();

Ds18b20ReadTempCom();

tml = Ds18b20ReadByte();

tmh = Ds18b20ReadByte();

temp = tmh;

temp <<= 8;

temp |= tml;

return temp;

}

温度控制系统的程序运行逻辑图如图9所示。

图9 温度控制系统程序运行逻辑图Fig.9 Operation logic diagram of the temperature control system

5 结论

根据生物柴油制备加热搅拌器的基本尺寸、结构和应用需求特点，设计了一种小型生物柴油制备加热装置。阐述了该机的基本工作原理、总体配置及主要部件的结构设计，并采用gambit和fluent对搅拌器进行流场的动态分析和模拟。本设计以200r/min为准，

对搅拌机内部流场进行了仿真分析，结果表明：搅拌的范围大、效果好。同时，运用单片机及DS18B20芯片的温度传感器模块，实现了对加热温度的控制。该研究为生物柴油制备领域增添了新的装备，提高了搅拌效率，减少了操作时间。

[1] 王玉荣,师文静,韩伟,等.产油微藻的筛选与培养研究进展[J].安徽农业科学,2013(27):11105-11108.

[2] 田 飞.污水处理搅拌机的数值模拟与实验研究[D].镇江：江苏大学,2010.

[3] 侯拴弟,张 政,王英琛,等.涡轮桨搅拌槽流动场数值模拟[J].化工学报,2001(3):241-246.

[4] 赵利军,冯忠绪,姚运仕,等.搅拌机叶片安装角的确定方法[J].长安大学学报：自然科学版,2006(5):99-102.

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[6] 朱加繁,张汝坤,杨陆强,等.自走式温室育苗槽基质蒸汽消毒机的设计[J].农机化研究,2017,39(4):78-82，87.

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[10] 毕学工,岳 锐,周进东,等.基于Fluent的搅拌流场模拟研究[J].武汉科技大学学报,2012,35(5):321-32.

[11] 王云飞.DS18B20温度传感器的应用设计[J].电子世界,2014(12):355.

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

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2011CB100 406)

高志超(1989-),男，山东菏泽人，硕士研究生，(E-mail) 578115190@qq.com。

张汝坤(1960-)，男，云南大理人，教授，硕士生导师，(E-mail)zhangrukun8918@aliyun.com。

S210.7

A

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