ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СМЕСИТЕЛЯ

Техническое решение относится к конструкции механических мешалок для одновременного макро- и микроперемешивания высоковязких, неньютоновских и структурированных жидкостей, суспензий и эмульсий и может найти применение в химической, нефтехимической, лакокрасочной, фармокологической, пищевой и других отраслях промышленности.
Известен аппарат АР2-4, состоящий из емкости с перемешивающим устройством (тихоходной мешалки) и эллиптическим днищем, рубашки для охлаждения или обогрева обрабатываемого продукта, роторного перемешивающего устройства типа ГАРТ гидроакустического смесителя роторного типа и электродвигателя. Роторная головка имеет вихревую камеру, образованную вращающимся ротором и неподвижным статором. При вращении ротора жидкость с большой скоростью проходит между зубьями ротора и статора. При этом происходит эффективное перемешивание, диспергирование, гомогенизация частиц, обрабатываемых твердых и жидким материалов с одновременным перемешиванием тихоходной мешалкой (А.С. Тимонин. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования. Справочник. Издание 2-е, переработанное и дополненное, т. 2 - Калуга: издательство Н. Бочкаревой, 2002, с. 906, 907).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная эффективность перемешивания, из-за того что макроперемешивание жидкости тихоходной мешалкой и микроперемешивание в роторном перемешивающем устройстве происходит в разных местах объема емкости, что уменьшает скорость смешения, особенно при перемешивании высоковязких, неньютоновских и структурированных жидкостей, так как структура разрушается и снижается эффективная вязкость в центральной зоне, где расположена тихоходная мешалка, а в периферийной зоне работы роторного перемешивающего устройства структура жидкости и высокая неньютоновская эффективная вязкость сохраняются, что препятствует микросмешению.
Известна конструкция роторного аппарата гидроударного действия, содержащего корпус, внутри которого концентрически установлены статор и ротор со щелями, выполненными на боковых стенках в виде каналов по форме дозвуковых сопл с сужением, примыкающим к расширяющимся полостям, имеющим вогнутые поверхности, при этом ротор разделен на две части: внешнюю и внутреннюю кольцеобразным углублением, в котором размещен статор, при этом щели в форме дозвуковых сопл выполнены в статоре, а щели в форме расширяющих полостей - на внешней части ротора, причем на внутренней части ротора размещены лопатки, создающие центробежные силы в обрабатываемом потоке (описание изобретения к патенту № 2114689 B01F 7/12, 1998).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная эффективность микросмешения, особенно при перемешивании высоковязких, неньютоновских и структурированных жидкостей, суспензий и эмульсий, так как в статоре сопла и щели в роторе не совершают колебаний.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип является конструкция перемешивающего устройства, включающего перфорированный диффузор и размещенную в нем пропеллерную мешалку, при этом целью интенсификации процесса перемешивания на концах лопастей пропеллера закреплен перфорированный цилиндр [описание изобретения к авторскому свидетельству СССР № 413972, B01F 7/22, 1974].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная интенсивность процесса микроперемешивания, так как на потоки перемешиваемой жидкости, особенно высоковязкой, структурированной и неньютоновской не передается вибрация, так как перфорированные цилиндр и диффузор не совершают колебаний.
Техническим результатом предлагаемой конструкции перемешивающего устройства является интенсификация процесса микроперемешивания потоков жидкостей, проходящих в радиальном направлении через отверстия перфорированного цилиндра и диффузора за счет поперечных колебаний с большой амплитудой этих потоков.
Поставленный технический результат достигается тем, что перемешивающее устройство для смесителя включает перфорированный диффузор и размещенную в нем пропеллерную мешалку, на концах лопастей которой закреплен перфорированный цилиндр, причем диффузор состоит из двух частей - верхней, жестко закрепленной на крышке смесителя, и нижней, соединенной с верхней равномерно расположенными по их окружности вертикальными струнами. При этом масса нижней части диффузора определяется выражением
н
где m - масса нижней части диффузора, кг;
π - число Архимеда;
с
3
ρ - плотность материала струи, кг/м;
н
3
ρ - плотность материала нижней части диффузора, кг/м;
ж
3
ρ - плотность перемешиваемой жидкости, кг/м;
k - число струн в перфорированном цилиндре, шт.;
n - число перфораций;
ω - угловая скорость вращения мешалки, об/с;
l - длина каждой струны, м;
d - толщина каждой струны, м,
причем с внешней стороны смежных торцов частей диффузора установлены втулки со шпильками.
Разделение диффузора на две части: верхнюю, жестко закрепленную на крышке смесителя, и нижнюю позволяет соединить их вместе равномерно по окружности струнами, колебания которых от струй перемешиваемой жидкости, образующихся в отверстиях перфорированного цилиндра, дополнительно перемешивать жидкость на микроуровне и интенсифицировать сам процесс перемешивания.
Создание массы нижней части диффузора, подчиняющейся выражению (1), позволяет перевести колебания струн в резонансный режим, когда собственная частота колебания каждой струны описывается уравнением [Элементарный учебник физики. Под редакцией Г.С. Лансберга. Издание 10-е переработанное,. т. 3. - М.: Наука, 1986, с. 127]
где f - сила натяжения каждой струны, Н;
с
ρ - плотность материала струн, кг/м;
l - длина каждой струны, м;
d - толщина каждой струны, м.
Так как сила натяжения f каждый струны равна весу нижней части диффузора за вычетом силы Архимеда в перемешиваемой жидкости
а частота гидроударов потоков жидкости, проходящих через отверстия перфорированного цилиндра, о каждую струну
то приравнивая правые части уравнений (2) и (4), обеспечивающих равенство собственной частоты колебаний струны с частотой вынуждающей силы с учетом уравнения (3), после алгебраических преобразований получаем выражение (1) для массы нижней части диффузора, обеспечивающей резонансный режим колебаний струн с большой амплитудой, интенсифицирующих процесс микроперемешивания потоков жидкости, проходящих через отверстия перфорированного цилиндра и зазор между струнами диффузора.
Установка втулок со шпильками с внешней стороны смежных торцов частей диффузора предотвращает скручивание струн вместе с нижней частью диффузора под действием вращающегося потока жидкости, что сохраняет резонансный режим колебания струн с высокой амплитудой и интенсифицирует процесс микроперемешивания.
На чертеже изображена схема смесителя с предлагаемой конструкцией перемешивающего устройства.
Смеситель, изображенный на чертеже, включает в себя корпус 1 с крышкой 2 и днищем 3, привод 4, соединенный с валом 5, на котором установлена пропеллерная мешалка 6, на лопастях которой закреплен перфорированный цилиндр 7. Осесимметрично с валом 5 и перфорированным цилиндром 7 установлен диффузор, разделенный на две части: верхнюю 8, и нижнюю 9. Верхняя 8 и нижняя 9 части диффузора соединены между собой вертикальными струнами 10, то есть нижняя часть 9 диффузора висит на струнах 10, создавая в них силу натяжения, при этом масса нижней части 9 диффузора определяется выражением (1).
Для предотвращения углового сдвига нижней части 9 диффузора и скручивания струн 10 относительно верхней части 8 диффузора с внешней стороны смежных торцов обеих частей 8 и 9 диффузора, к которым прикреплены концы струн 10, на диаметрально противоположных сторонах установлены втулки 11 со шпильками 12. Верхняя часть 8 диффузора жестко прикреплена штангами 13 к крышке 2. Вертикальное положение струн 11 регулируется гайками 14.
Перемешивающее устройство подготавливают к работе следующим образом.
На снятой с корпуса 1 крышке 2 устанавливают верхнюю часть 8 диффузора на штангах 13. Закрепляют на нижнем торце верхние концы струн 10 равномерно по окружности этого торца. Рассчитывают необходимую массу нижней части 9 диффузора по выражению (1), а также равномерно по окружности верхнего торца присоединяют к нему нижнюю часть 9 диффузора так, что он висит на струнах 10. Вставляют во втулки 11 шпильки 12 и регулируют закручиванием гаек 14 вертикальное положение струн 10, чтобы натяжение всех струн 11 было одинаковым.
Затем в крышку 2 монтируют вал 5 с мешалкой 6 и крышку 2 соединяют герметично с корпусом 1. Устанавливают на крышку 2 привод 4 и соединяют его с валом 5, заливают в корпус жидкость и включают привод 4, который передает вращение на вал 5, мешалку 6 и перфорированный цилиндр 7 с угловой скоростью вращения ω.
Перемешивающее устройство работает следующим образом. Включают привод 4, который передает вращения на вал 5 с мешалкой 6 и перфорированный цилиндр 7 с угловой скоростью вращения ω. Вращаясь, лопасти мешалки 6 отбрасывают часть потока перемешиваемой жидкости в радиальном направлении, которая проходит сквозь отверстия в перфорированном цилиндре 7, ударяя по струнам 10, закрепленным между верхней 8 и нижней 9 частями диффузора. За одну секунду каждая струна 10 получает число гидроударов, равное произведению числа отверстий n в цилиндре 7 на число оборотов ω, то есть частота вынужденных колебаний струны будет описываться уравнением
ν=n⋅ω.
Так как масса нижней части 9 диффузора, подвешенного на струнах 10, соответствует выражению (1), то есть сила натяжения каждой струны 10 такова, что собственная частота поперечных колебаний каждой струны 10 соответствует уравнению (2), то все струны (10) совершают поперечные вынужденные колебания с резонансной частотой, равной частоте гидроударов по ним радиального потока перемешиваемой жидкости.
При резонансных колебаниях амплитуда поперечных вибраций струн 10 резко возрастает, что обеспечивает сильное микроперемешивание слоев жидкости и способствует интенсификации работы перемешивающего устройства предлагаемой конструкции.
Пример.
ж
н
м
3
3
-4
3
Необходимо перемешивать жидкость в корпусе 1, имеющую плотность ρ=1000 кг/м. Число оборотов лопастей мешалки 6 ω=5 об/с. Число щелевых продольных перфораций в перфорированном цилиндре 7 n=30. Нижняя часть 9 диффузора выполнена из стального листа плотностью ρ=8000 кг/м. Струны 10 также стальные, их длина l=0,15 м, толщина d=5⋅10 м, число k=30, а плотность материала стальных струн 10 составляет ρ=8000 кг/м.
Тогда согласно выражению (1) масса нижней части 9 диффузора должна равняться
На каждую из 30 струн 10 будет приходиться сила натяжения
,
где последний сомножитель учитывает уменьшение силы натяжения за счет силы Архимеда.
Тогда собственная частота поперечных колебаний каждой струны 10 согласно уравнению (2) составит
,
а частота вынужденных колебаний согласно уравнению (3) составит
ν=n⋅ω=150 Гц,
то есть при массе нижней части 9 диффузора, рассчитанной по выражению (1), собственная частота поперечных колебаний струн 10 совпадает с частотой вынужденных колебаний ударов радиальных струй жидкости, выходящих из отверстий перфорированного цилиндра 7.
Таким образом, выполнение диффузора 7 из двух частей: верхней 8 и нижней 9 и соединение их между собой струнами 10 с массой нижней части 9 диффузора, определяемой выражением (1), позволяет за счет резонансных поперечных колебаний струн 10 с высокой амплитудой, когда собственная частота колебаний этих струн совпадает с частотой гидроударов радиальных потоков перемешиваемой жидкости, направляемых лопастями мешалки 6 через отверстия перфорированного цилиндра 7 на струны 10, обеспечить микросмешение жидкости и интенсифицировать процесс перемешивания как на макро-, так и на микроуровнях.