УСТРОЙСТВО ДЛЯ СМЕШИВАНИЯ ЖИДКОСТЕЙ И ПОРОШКОВ С ЖИДКОСТЬЮ
DEVICE FOR MIXING LIQUIDS AND POWDERS WITH LIQUID

Изобретение относится к металлургии, строительной, лакокрасочной и другим отраслям промышленности.
Известен гидродинамический смеситель [1]. Он содержит проточную камеру с установленным в ней кавитатором в виде усеченного конуса, обращенного большим основанием в сторону входной части камеры. Кавитатор имеет прорези пирамидальной формы, расположенные под острым углом к его оси и направленные вершиной по ходу потока. Жидкость, попадая в прорези, закручивается и за счет сужения увеличивает скорость потока до образования кавитационного режима течения.
Известно устройство для смешивания частиц вещества с жидкостью, которое содержит контейнер, входное отверстие для помещения частиц вещества в контейнер, средство для распыления жидкости над частицами вещества в контейнере, мешалку, расположенную в контейнере, и выходное отверстие для выпуска вещества, смешанного с жидкостью, из контейнера [2]. Внутри контейнера расположен в наклонном положении вал с набором дисков, имеющих эллиптическую форму и наклоненных к валу под углом (45÷80) градусов. Устройство сложно в изготовлении и недостаточно эффективно в работе.
Известен смеситель наночастиц с жидкостями [3]. Он содержит цилиндрический корпус, патрубок подвода жидкости, подлежащий смешиванию с наночастицами, на другой стороне корпуса завихритель, выполненный в виде радиальных лопаток, установленных внутри корпуса под углом к его оси на этой же стороне корпуса. Внутри корпуса на его оси напротив завихрителя жидкости установлена пневматическая или механическая форсунка, подача наночастиц и улиткообразный патрубок вывода смеси жидкости с наночастицами из смесителя.
Известно устройство для обработки, в частности для очистки или дегазации, расплавленного металла, которое содержит элемент, открытый воздействию обрабатываемого расплавленного металла и средства, придающего металлу вращательное движение вокруг практически вертикальной оси, чтобы отделить примеси центробежной или гравитационной силой [4].
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является выбранная в качестве прототипа мешалка, которая содержит стержень и закрепленный на одном его конце в опорах рабочий орган, образованный изогнутыми лопастями [5]. Рабочий орган состоит из двух частей, лопасти каждой части образуют купол с отбортовкой по максимальному диаметру, дополнительно изогнуты в продольном направлении и повернуты относительно своих продольных осей, при этом купола отбортовками соединены между собой. Лопасти одного купола могут быть смещены в радиальном направлении относительно лопастей другого на угол 90° включительно, а в частном случае на угол 20°. Оба купола могут быть одинаковыми. Недостатком прототипа является сложность конструкции.
Техническим результатом настоящего изобретения является наиболее полное смешивание разных жидкостей, замешивание твердых микрочастиц в жидкость для получения однородного состава и равномерного по объему распределения твердых частиц.
Технический результат изобретения достигается тем, что разработано устройство для смешивания жидкостей и порошков с жидкостью в резервуаре, содержащее стержень с закрепленным на одном конце рабочим органом с возможностью его вращения и продольного колебательного перемещения. Рабочий орган выполнен в виде трех дисков, жестко закрепленных на стержне на одинаковом расстоянии друг от друга. По периферии поверхностей крайних дисков соосно установлено n цилиндрических штифтов, направленных свободными концами в сторону центрального диска и смещенных относительно друг друга по поверхности диска на одинаковый угол α=360°/n. На каждой из поверхностей центрального диска установлено соосно n цилиндрических штифтов, смещенных относительно штифтов крайних дисков на угол α/2. На каждом из дисков выполнены сквозные отверстия, равномерно расположенные по их поверхности. Скорость вращения стержня составляет (500÷2700) об/мин, частота его продольных колебаний составляет (5÷30) Гц, а амплитуда колебаний составляет не менее 0.8 см. Расстояние между дисками, высота и диаметр штифтов, суммарная площадь отверстий в диске и их диаметр определяются соотношениями
H=(0.3÷0.4)D,
1
h=(0.8÷0.9)H,
2
h=(0.45÷0.55)H,
d=(0.07÷0.08)D,
отв
2
S=(0.2÷0.3)πD/4,
отв
d=(0.1÷0.2)D,
1
2
отв
отв
где Н - расстояние между дисками; D - диаметр дисков; h - высота штифтов, установленных на крайних дисках; h - высота штифтов, установленных на центральном диске; d - диаметр штифтов; S - суммарная площадь отверстий в диске; d - диаметр отверстий.
Стержень с рабочим органом выполнен с возможностью перемещения в резервуаре в горизонтальном и вертикальном направлениях.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
Фиг. 1 - общий вид рабочего органа.
Фиг. 2 - схема рабочего органа.
Фиг. 3 - общий вид устройства.
Фиг. 4 - видеокадры процесса распространения стеклянных шариков в резервуаре.
Фиг. 5 - структура образца сплава, полученного без использования устройства (Фиг. 5а) и с использованием устройства (Фиг. 5б).
Положительный эффект изобретения обусловлен следующими факторами.
1. Рабочий орган, выполненный в виде трех перфорированных дисков с размещенными на них штифтами, обеспечивает эффективное смешивание жидкостей и порошков с жидкостью за счет образования объемного вихревого потока в резервуаре при вращении и продольном колебательном перемещении рабочего органа. Объемный вихревой поток жидкости создает «воронку», нижним концом которой является рабочий орган устройства. Закрученный поток жидкости способствует равномерному смешиванию жидкостей или порошков с жидкостью.
2. Выбор скорости вращения (500÷2700) об/мин, частоты (5÷30) Гц и амплитуды не менее 0.8 см продольных колебаний стержня с рабочим органом проведен на основании экспериментов. При указанных параметрах образуются две зоны с интенсивным перемешиванием между дисками рабочего органа. За счет разрыва жидкости на микроструйки, которые с большими скоростями соударяются, взаимно проникая друг в друга, происходит интенсификация процесса смешивания микроструек с захваченными частицами порошка. Возможен также кавитационный механизм, при котором в потоке жидкости образуются каверны. При схлопывании каверн формируются микропузырьки, что также способствует интенсивности перемешивания жидкости.
3. Угловое смещение штифтов крайних дисков на угол α/2 α=360°/n определено экспериментально из условия интенсивного вихреобразования в резервуаре и равномерного перемешивания жидкостей и порошков с жидкостью.
4. Соотношения для выбора геометрических характеристик устройства
H=(0.3÷0.4)D,
1
h=(0.8÷0.9)H,
2
h=(0.45÷0.55)H,
d=(0.07÷0.08)D,
отв
2
S=(0.2÷0.3)πD/4,
отв
d=(0.1÷0.2)D
определены экспериментально из условия обеспечения наилучшего перемешивания жидкостей и порошков с жидкостью.
5. Выполнение стержня с рабочим органом с возможностью перемещения в резервуаре в горизонтальном и вертикальном направлениях обеспечивает равномерное перемешивание жидкостей или порошков с жидкостью в резервуаре большого объема.
Пример реализации изобретения
Предлагаемое устройство (Фиг. 2, Фиг. 3) состоит из трех перфорированных дисков 2-4, изготовленных из нержавеющей стали толщиной 3 мм, закрепленных с помощью сварки на стержень 1 по центрам дисков. Расстояние между дисками 30 мм, от нижнего конца стержня до нижнего диска 30 мм. В каждом диске выполнены отверстия диаметром 10 мм. По периферии дисков через угол 90° приварены четыре штифта диаметром 6 мм и высотой 25 мм. Центральный диск такой же конструкции укреплен на стержне со смещением штифтов на угол 45°. Верхний диск подобной конструкции закреплен на стержне 4 со смещением на угол 45° штифтов относительно центрального диска. Длина стержня устройства (500÷600) мм. В качестве источника вращения и продольных колебаний стержня использовался перфоратор марки ДУ-750 ЭР.
Для выбора конструктивных и режимных характеристик устройства была проведена серия экспериментов по перемешиванию стеклянных шариков диаметром 1 мм в резервуаре с водой емкостью 5 л с использованием заявляемого устройства. При оптимальном выборе характеристик достигалось равномерное перемешивание шариков в резервуаре в течение времени не более 10 с (Фиг. 4).
Аналогичные эксперименты были проведены для наночастиц нитрида алюминия диаметром 50 нм, введенных в раствор электролита. При оптимальных характеристиках устройства полное перемешивание достигалось в течение времени не более 35 с.
Эффективность заявляемого устройства подтверждена проведением экспериментов по перемешиванию наночастиц нитрида алюминия в расплаве магниевого сплава МЛ 12 в разливочном резервуаре (ковше) объемом 10 л. Металлографический анализ полученного композиционного материала показал равномерное распределение упрочняющих частиц по всему объему металла матрицы (Фиг. 5).
Таким образом, из приведенного примера следует, что предлагаемое устройство обеспечивает достижение технического результата изобретения - наиболее полное смешивание разных жидкостей и порошков в жидкости для получения однородного состава и равномерного по объему распределения твердых частиц.
Источники информации
1. Патент №1349057 РФ, МПК B01F 5/00. Гидродинамический смеситель / Пищенко Л.И., опубл. 10.10.1997.
2. Патент №2137535 РФ, МПК B01F 3/12, B01F 13/02. Устройство для смешивания частиц вещества с жидкостью / Охман С., Брингфорс Н., Йоханссон Л.; опубл. 20.09.1999.
3. Патент №2342984 РФ, МПК B01F 3/12, В82В 3/00. Смеситель наночастиц с жидкостями / Шелудяков Е.П.; опубл. 10.01.2009.
4. Патент №2247289 РФ, МПК F27D 23/04, F27D 1/16, С22В 9/05, С21С 1/00, С21С 7/00, С21С 5/46. Способ защиты от эрозии, окисления и коррозии поверхности, устройство для обработки расплавленного металла, вращающаяся мешалка устройства для очистки расплавленного металла и способ обработки расплавленного металла / Хольц К. Жаклин, Дюрю Жан-Жак; опубл. 27.02.2005.
5. Патент №2288029 РФ, МПК B01F 7/18, A47J 43/04. Мешалка / Бабаев А.К., Терентьев С.А.; опубл. 27.11.2006.