利用計算流體力學模擬提升膨化設備出料均勻性的討論

◆作者：周春景 高一桐

◆單位：1.江蘇牧羊控股有限公司，國家飼料加工裝備工程技術研究中心，揚州225000

隨著中國經濟的飛速發展以及國民生活水平的不斷提高，中國寵物行業迎來了一個快速的時期。寵物的行業，形成了一條完整的產業鏈，包括食品、用品、活動、美容、保健等等一些列產品與服務。根據中商產業研究院的報告顯示 [1]，2012至2017年中國寵物行業規模年均復合增長達到34.26%。2017年中國寵物行業市場規模達到1470億元，同比增長20.5%。其中，寵物食品在寵物行業中占比份額最高，達到33.8%。

面對如此迅猛增長的寵物食品市場，對于寵物食品的生產者來說，產品的品質成為所關注的重中之重。通常寵物主糧的生產，是通過膨化的工藝進行規模化加工。一般對于膨化寵物食品的常規物理指標有容重、膨脹程度、顆粒硬度、含粉量等。但是隨著寵物食品市場的快速發展，產品的外觀也同樣成為吸引消費者的重要關注點。因此，生產者對于膨化寵物食品的顆粒均勻度通常都有一定的要求，而這種要求的實現，往往必須通過對膨化機的設備本身最初某些調整才可以達到顆粒均勻性的提升。

使用膨化機生產的產品，出現顆粒均勻性不佳的情況通常有以下幾種類型：軸向方向上的長短不一，徑向方向的膨脹程度大小不均勻導致產品形狀不對稱，顆粒表面不平整導致的“鯊魚皮”，以及顆粒彎曲。對于膨化顆粒不均勻的情況，很多的研究都給出了相應的成因和解決方法。當使用膨化機生產時，出現顆粒料長短不一的情況，如圖1，要檢查螺桿與襯套的磨損。因為當螺桿與襯套的磨損間隙達到了出廠間隙的1～1.5倍時，就需要更換易損件。如果不及時更換螺桿與襯套，則會導致膨化機出料端的充滿度與以前出現差異，從而導致產品的長短不一現象出現。

當生產過程中，出現膨脹程度不均勻的情況時，如圖2，模板的設計和磨損程度要得到一定的關注。

因為當模板的開孔方式、數量以及孔型設計出現不對稱，或模板出現不同程度的磨損時，這會導致膨化機出料的壓力分布出現差異，從而直接導致產品的膨脹程度大小不一，并且模板的設計也會導致顆粒表面毛糙，甚至出現“鯊魚皮”表面的現象，如圖3。同時膨化機機筒的溫度如果控制不穩定，也會造成不均勻料的出現。此外，調質效果的好壞以及調質器中物料的混合均勻度也會極大程度地影響最終膨化顆粒的成品品質。而對于不同配方和產品的調質溫度以及調質時間，很大程度上決定了調質效果的好壞，也進而決定了膨化產品的顆粒均勻性。

圖1 膨化顆粒長短不一

圖2 顆粒膨脹程度不均勻

圖3 顆粒粗糙出現“鯊魚皮”表面

牧羊有限公司在解決膨化寵物食品的顆粒均勻性過程中，通過幫助客戶更換易損件，檢查調質效果以及模板等問題后，通常都能夠順利解決該均勻性的問題。但是，在牧羊有限公司服務客戶的過程中，越來越多的膨化顆粒不均勻現象發生在新設備中，調質效果以及易損件都沒有任何問題。而面對這樣的情況，膨化寵物食品的顆粒不均勻現象依然有所發生，并且在產能提升后，不均勻的顆粒現象會異常明顯。在時產7000kg的新膨化設備上，不合格的顆粒占比可達到將近30%，而這是無法達到客戶的品質管控要求的。牧羊有限公司通過對該現象產生的分析和研究后，發現膨化設備出料段的螺桿設計對于物料的均勻程度起著至關重要的作用。因此，對于膨化設備中出料段螺桿的設計與其導致的物料速度場與質量流分布的均勻程度，有必要進行系統性的研究和實驗。

1 常規膨化設備出料系統設計

目前市場上用于寵物食品生產膨化設備的出料段如圖4，其中帶有“∞”孔的出料部件，被稱為出料文丘里。文丘里安裝在出料段的螺桿處，隨后物料通過螺桿的擠壓和推動后，進入模板后進行成型和切割。物料在通過出料段的過程中，速度和壓力的分布決定改了流出每個模孔質量流的差異程度。如果出料段的螺桿設計能夠保證物料粒的速度分布更加均勻，則通過模板孔的物料質量流就會均勻，從而保證了膨化產品顆粒較好的均勻性。

圖4 膨化設備出料段示意圖

2 通過計算流體力學（CFD）對出料系統的模擬

牧羊有限公司在提出出料段螺桿設計對物料均勻性的影響假設后，進行了對出料段的優化更改設計，隨后利用CFD技術，對膨化設備的出料段進行對比模擬，如圖5所示。

圖5 膨化設備出料系統模擬模型

對比使用常規設計以及優化設計后的出料段螺桿，文丘里以及常規的模板作為模型進行模擬，其中模板使用數量為300個φ3.0的圓孔模板。物料粘度模型使用溫度不相關冪律流體。模型模擬條件見表1。

其中，μ為物料粘度；K為稠度系數；n為流動特性指數；αu/αy為剪切速率。

運算結果中顯示等速線圖，如圖6所示。其中可以明顯看出，常規的膨化設備出料段螺桿所導致物料在出料文丘里處的速度分布上存在較明顯差異。而這種物料速度的差異，正是導致最終膨化顆粒出現料型不均勻的原因。

表1 膨化設備出料系統模擬參數

圖6 常規膨化設備出料段等速線圖

牧羊有限公司通過優化的結構設計，對膨化設備的出料段螺桿進行全新設計。同時進行CFD模擬結果對比。在出料段相同位置處，取橫截面上一條直線上所有點的速度分布進行比較，結果如圖7。通過對兩種螺桿結構所產生的速度結果進行統計對比分析，常規的出料段螺桿產生速度分布的方差為牧羊有限優化設計結構的1.11倍，這也說明了常規設計的出料段螺桿所產生的速度分布差異性更大，至此造成最終膨化顆粒的均勻程度更差。

其中，Sv2常規出料段為常規出料螺桿所產生的速度分布方差；

Sv2優化出料段為優化出料螺桿所產生的速度分布方差。

在計算結果中，將300個模孔處的質量流統計出來，進行對比，如圖8。對比兩種出料系統的質量流方差，得到常規出料系統的質量流方差為優化出料系統的1.29倍。這說明了常規設計的出料系統，在相同模板的使用中，其模孔中質量流的分布差異性更大，至此造成最終膨化產品的均勻程度更差。

其中，Sm2常規出料段為常規出料段螺桿所產生的質量流分布方差；

Sm2優化出料段為優化出料段螺桿所產生的質量流分布方差

圖7 常規與牧羊有限公司優化設計的出料段螺桿產生的速度分布對比

圖8 常規出料系統和優化設計出料系統的模孔出料質量流對比

2 牧羊有限公司優化設計出料系統在客戶現場的使用情況

牧羊有限公司通過以上的分析和CFD模擬后，得到的計算結果為，使用全新優化設計的出料系統，可以明顯提升出料時物料速度和質量流的分布均勻性，以此提升膨化成品的均勻程度。至此，牧羊有限公司將全新優化設計的出料系統在山東某客戶處進行現場實際使用，進行分析計算結果驗證。

該客戶之前使用的為常規出料系統，其生產產品為普通的成犬糧。膨化設備的目標產能為9500～10000kg/hr，要求膨化顆粒尺寸不合格率≤5%。現場的生產情況為，當產能開至≥7000kg/hr時，客戶的品質管控人員隨機抽樣108顆物料，實測其膨化顆粒尺寸不合格數量為18顆，不合格率達16.7%，無法滿足要求，故此客戶無法再繼續提升至目標產能，如圖9，圖10。

圖9 客戶處使用常規膨化機出料系統產生膨脹程度不均勻的成犬顆粒料

圖10 客戶品質管控人員隨機抽樣不合格率達16.7%（左邊所示為不滿足尺寸要求的物料）

牧羊有限公司將優化設計的出料系統更換后，生產產品以及生產條件完全與客戶之前操作的一樣。當產能達到至7000kg/h時，客戶品質管控人員實測，發現幾乎沒有出現不合格物料，故繼續提升產能至目標產能9500kg/h。客戶品質管控人員進行現場隨機抽樣統計，取樣50顆物料，發現不合格物料2顆，不合格率僅為4%，如圖11。至此，牧羊有限公司將客戶處出現的物料均勻性問題以及產能無法達到目標值的問題成功解決，得到了客戶的充分認可。

圖11 使用牧羊有限公司優化設計出料系統物料不合格率為4%（左邊所示為不滿足尺寸要求的物料）

4 結論

本文通過總結以往對于膨化機生產出現顆粒不均勻現象的成因和解決方法，對于使用膨化設備生產寵物食品以及水產飼料等過程中，出現顆粒料型不均勻的現象進行了總結。同時，牧羊有限公司在實際生產過程中，發現了出料段螺桿的設計對于改善物料均勻性的重要性，并且運用計算流體力學(CFD)技術對優化結構和常規結構進行對比分析，隨后進行客戶現場實測，結論如下：

①CFD計算結果對比常規出料系統和優化出料系統的速度分布方差。發現常規出料系統的速度分布方差為優化設計系統的約1.11倍。說明常規出料系統的物料速度分布差異性更大；

②CFD計算結果對比常規出料系統和優化出料系統的模孔質量流分布方差。發現常規出料系統的質量流方差為優化設計系統的約1.29倍。說明在同樣的模板下，常規出料系統的物料質量流分布差異性更大；

③牧羊有限公司在山東某客戶現場進行常規和優化設計的出料系統對比。發現常規出料系統生產的物料不合格率高達16.7%，無法滿足客戶要求，同時也限制了其產能的繼續提升；使用牧羊有限公司優化設計的出料系統，物料不合格率降至4%，較以前有很大程度的提升。故此也可以繼續提升其產能，從以前的7000kg/h提升至客戶目標產能9500kg/h。

牧羊有限公司通過現場分析，計算機模擬以及客戶現場實際測試，對于膨化設備的出料系統進行優化改進。不僅極大地提升了物料的均勻性，同時也將產能大幅度提升，得到了市場和客戶的一致認可。

參考文獻：（略）