МЕШАЛКА

Техническое решение относится к механическим перемешивающим устройствам для перемешивания высоковязких, структурированных, неньютоновских жидкостей, эффективная вязкость которых уменьшается при вибрации, и может найти применение в химической, нефтехимической, атомной, горноперерабатывающей, фармакологической, энергетической, пищевой и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки сточных вод, дождевых стоков и нефтешламов.
Известны аппараты с лопастными мешалками, состоящие из корпуса, днища и крышки с патрубками вода перемешиваемой жидкости и ее отвода после смешения, привода вращения, установленного на крышке и соединенного с валом, на котором закреплены лопасти мешалки. Лопастные мешалки состоят из ступицы (втулки), к которой под углом 90° к плоскости ее вращения приварены две плоские лопасти. В некоторых случаях число лопастей увеличивают до трех, четырех или шести. Для сохранения прочности мешалки большого диаметра (более 700 мм) имеют укрепляющие ребра. [Машины и аппараты химических производств: учебник для ВУЗов / А.С. Тимонин, Б.Г. Балдин, В.Я. Борщев, Ю.И. Гусев и др. / под общей редакцией А.С.Тимонина. - Калуга: издательство «Ноосфера», 2014. с. 717-718.]
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится низкая интенсивность перемешивания из-за жесткости поверхности лопаток, препятствующих микроперемешиванию особенно высоковязких, структурированных и неньютоновских жидкостей.
Известны вибрационные мешалки, состоящие из корпуса, крышки и днища с патрубками подвода перемешиваемой жидкости и ее отвода после смешения, привода, соединенного с валом на котором установлены в качестве рабочих элементов один или несколько перфорированных дисков.
Вал и диски совершают колебательное движение (обычно в вертикальном направлении).
[Ю.Н. Шаповалов, B.C. Шеин. Машины и аппараты общехимического назначения. Учебное пособие. Воронеж: - Издательство Воронежского университета, 1981, с. 95].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная интенсивность перемешивания, особенно высоковязких структурированных жидкостей из-за жесткости перфорированных дисков, не обеспечивающих микросмешение по всему объему аппарата.
Известно перемешивающее устройство, например для кристаллизационных колонн, содержащее вал с закрепленными на нем рамами, соединенными между собой струнами, при этом одна из рам подпружинена и снабжена ограничителем хода. [А.С. СССР №507342, B01F /18, 1976].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невысокая амплитуда колебания струн, что снижает интенсивность процесса перемешивания, особенно высоковязких, структурированных и неньютоновских жидкостей.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип, является конструкция мешалки для перемешивания неньютоновских жидкостей с различными ингредиентами, состоящая из вала с наклонно закрепленными по высоте лопастями, соединенных между собой струнами. [А.С. №354877, B01F 7/18, 1972].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная интенсивность микроперемешивания, особенно высоковязких, структурированных и неньютоновских жидкостей из-за отсутствия колебаний струн, жестко закрепленных между рамами, препятствующих колебаниям с высокой амплитудой.
Техническим результатом предлагаемой конструкции мешалки для перемешивания высоковязких, структурированных, неньютоновских жидкостей является увеличение интенсивности перемешивания за счет разрушения структуры и снижения эффективной вязкости этих жидкостей под действием колебанием струн с высокой амплитудой.
Поставленный технический результат достигается тем, что в мешалке для перемешивания неньютоновских жидкостей с различными ингредиентами, состоящей из вала с закрепленными по высоте лопастями, соединенными между собой струнами, параллельными оси вала, причем на боковых стенках смесителя, равномерно по его окружности установлены отражательные перегородки, а верхняя лопасть снабжена натяжным устройством, состоящим из подшипников скольжения, закрепленных по краям верхней лопасти, в которых установлен валик, снабженный на одном торце ребордой, имеющей шестигранное сечение под гаечный ключ, а на другом торце и резьбой с гайкой, при этом верхние концы струн закреплены на валке, и сила натяжения струн определяется выражением:
где F - сила натяжения струн, Н;
3
ρ - плотность материала струн, кг/м;
n - число струн;
k - число, отражательных перегородок;
ω - скорость вращения мешалки, об/с;
l - длина каждой струны, м;
d - диаметр каждой струны, м.
Установка отражательных перегородок на боковых стенках смесителя равномерно по его окружности позволяет создавать гидроудар перемешиваемой жидкости по струнам при каждом прохождении лопастей мешалки вблизи отражательных перегородок, что вызывает принудительную вибрацию струн и интенсифицирует процесс перемешивания высоковязких, структурированных, неньютоновских жидкостей.
Установка натяжного устройства для струн на верхней лопасти, выполненного в виде подшипников скольжения, закрепленных по краям этой лопасти, позволяет закрепить в подшипниках скольжения валик с возможностью его свободного вращения и закрепить на этом валике верхние концы всех струн равномерно по ширине лопастей мешалки, что позволит вовлечь в перемешивание весь объем жидкости, охватываемый вращающейся мешалкой и интенсифицировать смешение высоковязких, структурированных, неньютоновских жидкостей.
Установка на одном торце валика реборды шестигранного сечения под гаечный ключ позволяет с помощью динамометрического ключа регулировать общую силу натяжения всех струн, чтобы она соответствовала выражению (1), а выполнение на другом торце валика резьбы с установленной на этой резьбе гайкой позволяет после натяжения струн с необходимой силой закручивать гайку, прижимая ее к боковой поверхности подшипника скольжения, чтобы жестко зафиксировать силу натяжения струн с заданной величиной. Это препятствует ослаблению силы натяжения струн при их вибрации и позволяет обеспечить высокий уровень макро - и микро перемешивания на длительный период работы с высокими колебаниями.
Натяжение всех струн с силой F, определяемой по выражению (1), обеспечивает резонансный режим колебания каждой струны с высокой амплитудой и частотой, равной частоте гидроударов потока перемешиваемой жидкости о струны, возникающих при прохождении края мешалки вблизи отражательной перегородки, интенсифицируя тем самым процесс смешения. В этом случае эта частота гидроударов определяется по формуле:
а собственная частота колебаний струны описывается уравнением:
гдеƒ - сила натяжения одной струны, Н.
Приравнивая первые части уравнений (2) и (3) и имея в виду, что сила натяжения одной струны описывается уравнением:
после алгебраических преобразований получаем искомое выражение (1) для силы натяжения струн в струнной мешалке.
На чертеже представлен общий вид смесителя с мешалкой предлагаемой конструкции.
Смеситель представляет собой цилиндрический корпус 1 с крышкой 2 и днищем 3. Внутри корпуса 1 установлен вал 4, на котором жестко закреплены верхняя 5 и нижняя 6 лопасти, соединенные между собой струнами 7. На боковой стенке цилиндрического корпуса 1 равномерно по окружности закреплены отражательные перегородки 8. На верхней лопасти 5 установлено натяжное устройство для струн 7, состоящее из подшипников скольжения 9, закрепленных по краям верхней лопасти 5. В подшипниках скольжения 9 установлен валик 10, снабженный ребордой 11, имеющей шестигранное сечение под гаечный ключ, на одном торце и резьбой 12 с гайкой 13 на другом торце. Нижние концы струн 7 закреплены к нижней лопасти 6, а верхние закреплены на валике 10.
Сборка мешалки предлагаемой конструкции осуществляется следующим образом. На валу 4 закрепляют верхнюю 5 и нижнюю 6 лопасти. В нижней лопасти 6 мешалки равномерно по ее ширине закрепляют нижние концы струн 7, затем в верхней лопасти мешалки на валике 10 так же равномерно по ширине закрепляют верхние концы струн 7. Отвинчивают гайку 13, обеспечивая свободное вращение валика 10 в подшипниках скольжения 9, закрепленных по краям верхней лопасти 5. Динамометрическим ключом, установленным на шестигранном сечении реборды 11 валика 10, вращая валик 10, натягивают струны 7 с необходимой по выражению (1) силой F, и, удерживая с этой силой динамометрический ключ на шестигранном сечении реборды 11, затягивают гаечным ключом гайку 13 на резьбе 12 валика 10. Для предотвращения откручивания гайки 13 от вибрации струн 7 ее можно закрепить на той же резьбе 12 контргайкой. Затем устанавливают вал 4 с мешалкой в крышке 2 цилиндрического корпуса 1, закрывают цилиндрический корпус 1 крышкой 2 с установленными в ней валом 4 и мешалкой, соединяющей вал 4 с помощью муфты с приводом (на чертеже не показаны).
Работа смесителя с мешалкой предлагаемой конструкции мешалки происходит следующим образом.
Заливают перемешиваемую жидкость внутрь смесителя. Включают привод, который передает через вал 4 вращение мешалке со скоростью со. Мешалка при вращении осуществляет макроперемешивание жидкости, находящейся внутри смесителя. Кроме того, при каждом прохождении краев мешалки вблизи отражательной перегородки 8 возникает гидроудар, связанный с образованием гидроклина перемешиваемой жидкости в зазоре между краями мешалки и отражательной перегородки 8. Число таких гидроударов за один оборот вала 4 равно числу к отражательных перегородок 8, то есть частота гидроударов со струнами 7 мешалки будет определятся по уравнению (2), а так как собственная частота колебаний каждой струны 7 описывается уравнением (3), то при общей силе натяжения F всех струн 7, подчиняющейся выражению (1), частота колебаний каждой струны 7 будет равна частоте гидроударов по ним перемешиваемой жидкости, то есть наступает резонансный режим колебания струн 7 с большой амплитудой, вызывающий микроперемешивание жидкостей и способствующий повышению интенсивности смешения, особенно высоковязких, структурированных неньютоновских жидкостей, структура которых разрушается, а эффективная вязкость снижается.
Пример. На струнной мешалке при числе оборотов ω=4об/с и числом k=6 отражательных перегородок 8 на боковой стенке корпуса 1 определить силу натяжения F при числе струн n=60, диаметр каждой стальной струны 7 составляет d=1 мм, их длина l=0,5 м. Согласно выражению (1) общая сила натяжения F всех струн 7 после подстановки численных значений параметров определяется в виде:
или F=22 кг.
Таким образом, усилие динамометрического ключа должно быть 22 кг. Усилие натяжения каждой из 60 струн 7 составит:
Частота гидроударов по струнам 7 мешалки потока перемешиваемой жидкости при прохождении лопасти мешалки вблизи отражательной перегородки 8 соответствует выражению (2) и составляет: ν=6⋅4=24 Гц. Собственная частота колебания констант струны согласно уравнению (3) составляет:
Таким образом, при силе натяжения 60 струн в мешалке, равной 216 H, собственная частота колебаний каждой струны 7 будет совпадать с частотой вынужденных колебаний гидроударов по струнам 7 потока перемешиваемой жидкости, что вызывает резонансный режим колебания струны 7 с частотой 24 Гц с большой амплитудой, обеспечивающий перемешивание на микроуровне и повышающий интенсивность перемешивания, особенно при перемешивании высоковязких, структурированных и неньютоновских жидкостей, структура которых разрушается, а эффективная вязкость снижается под действием резонансных колебаний струн 7 с высокой амплитудой.