Перемешивающее устройство
MIXING DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к химическому машиностроению и может быть использовано в пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности, где требуется интенсивное перемешивание во всем объеме аппарата и высокая чистота продукта.
Известно перемешивающее устройство, содержащее корпус, вал с перемешивающим средством на свободном конце, шарнирно соединенный с вращающимся приводным валом, ограничитель углового отклонения вала, состоящий из двух взаимодействующих между собой элементов, один из которых выполнен в форме тора и установлен концентрично валу на стенке корпуса, а другой элемент выполнен в виде упругих прутков, закрепленных на конце вала и взаимодействующих с тором (1).
Такое выполнение аппарата позволяет резко интенсифицировать процесс перемешивания, так как мешалка с шарнирным креплением вала вращается не только вокруг своей оси, но и совершает конусообразное прецессионное движение, обеспечивая равномерное интенсивное перемешивание реакционной среды во всем объеме аппарата. Это является необходимым условием увеличения производительности аппарата.
Однако, известному устройству присущи следующие недостатки. Во-первых, конструкция используемого привода затрудняет герметизацию реакционного объема от окружающей среды, приводит к загрязнению получаемого продукта. Отрицательно влияет на чистоту продукта наличие пары трения (шарнир), так как при ее работе выделяются продукты износа, попадающие в зону реакции. Во-вторых, эффективность известного перемешивающего устройства падает с повышением вязкости среды. Чем больше вязкость, тем на меньший угол отклоняется вал.
Известно перемешивающее устройство, обеспечивающее чистоту продукта, получаемого за счет устранения трущихся деталей в жидкости и изоляции внутреннего объема от окружающей среды. Это устройство содержит емкость с крышкой, магнитный привод, образованный постоянным магнитом, установленным с возможностью вращения под дном емкости, мешалку, выполненную в виде шарообразного поплавка с вмонтированным внутри него в нижней части стержнем из ферромагнитного материала и стержня с лопастями и коническим опорным хвостовиком в верхней части, упирающимся в крышку (2). Этому перемешивающему устройству присуща низкая надежность, обусловленная тем, что при отклонении оси мешалки от вертикали подъемная сила поплавка может вывернуть опорный хвостовик из опоры в крышке и мешалка выйдет из строя.
Наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности и достигаемому результату является перемешивающее устройство, содержащее сосуд, внутри которого установлена с возможностью свободного вращения мешалка из магнитного материала, а снаружи пары магнитов с сердечниками, продольные оси которых размещены в плоскости вращения мешалки, причем сами сердечники замкнуты магнитным ярмом и соединены с радиально расположенными полюсными наконечниками (3).
Установка магнитов снаружи сосуда и радиальное расположение сердечников в плоскости вращения мешалки приводит к резкому увеличению габаритов перемешивающего устройства. Кроме этого, в прототипе для повышения эффективности перемешивания увеличены размеры лопастей мешалки, которые практически перекрывают по своей высоте сечение сосуда. Большие размеры лопастей обуславливают большое сопротивление вращения, особенно в начальный момент перемешивания, что делает необходимым использование мощных электромагнитов, приводящих к увеличению габаритов устройства.
Целью изобретения является уменьшение габаритов.
Поставленная цель достигается тем, что в известном перемешивающем устройстве, содержащем сосуд, мешалку, включающую постоянный магнит и лопасти, образованный электромагнитами привод, согласно изобретению электромагниты привода вмонтированы в днище сосуда по концентрическим окружностям, мешалка снабжена дополнительными лопастями, а сами лопасти расположены в несколько соединенных между собой гибкой связью ярусов и закреплены на валу, соединенном посредством гибкой связи с закрывающей сосуд и имеющей возможность вращения крышкой.
Предложено также гибкие связи выполнять из пар, установленных крест-накрест пружин, а пружины смежных пар сориентировать взаимоперпендикулярно.
Кроме того, согласно изобретению между крышкой и торцевой стенкой сосуда помещен подшипник качения.
Отличительные от прототипа признаки являются существенными, так как каждый из них необходим, а все вместе с ограничительными достаточны для достижения поставленной цели. Так установка электромагнитов в днище сосуда исключает рассеивание электромагнитной энергии в окружающее пространство. Благодаря этому отпадает необходимость в ярме и металлической оболочке, которые существенно увеличивают габариты перемешивающего устройства.
Установка электромагнитов по концентрическим окружностям позволяет снизить мощность электромагнитов а, как следствие, уменьшить их габариты. Действительно, в прототипе в начальный момент вращения необходимо прикладывать большие усилия, чем в заявляемом перемешивающем устройстве. Это обусловлено следующим. В прототипе из-за больших размеров лопастей мешалки, практически перекрывающих по своей высоте поперечное сечение сосуда, в начальных момент вращения необходимо сдвигать с места сразу значительную массу перемешиваемой среды, что требует больших усилий. В заявляемом же решении сначала приходят в движение только те слои перемешиваемой среды, которые непосредственно примыкают к лопастям. Объемы и масса перемешиваемой среды в этих слоях невелики, так как в первый момент вращения работают электромагниты центрального самого маленького кольца, и мешалка вращается вокруг своей оси. По мере увеличения скорости мешалки последовательно включаются в работу электромагниты колец больших диаметров. Вращение мешалки переходит в конусообразное прецессионное движение, обеспечивающее интенсивное перемешивание. Введение дополнительных лопастей и расположение их в несколько ярусов направлено на повышение интенсивности перемешивания. Дополнительные лопасти увеличивают суммарную площадь лопастей. Однако, усилие, необходимое для вращения мешалки, возрастает не пропорционально увеличению суммарной площади лопастей, а в меньшей степени. Это обусловлено тем, что, как уже отмечалось, максимальное усилие, прикладываемое к мешалке, определяется усилием сдвига ее с места. А в заявляемом решении благодаря гибкой связи между ярусами лопасти приходят в движение поочередно, начиная с нижнего яруса, соединенного с постоянным магнитом, следовательно, усилия сдвига лопастей ярусов не суммируются, так как они распределены повремени.
Гибкая связь вала с крышкой и установка крышки на подшипнике вращения обеспечивают возможность прецессионного вращения мешалки, чем достигается повышение интенсивности перемешивания без увеличения суммарной площади лопастей мешалки.
Из отличительных от прототипа признаков известными являются введение дополнительных лопастей и установка лопастей в несколько ярусов (а.с. СССР №175039).
Остальные же отличительные признаки в исследованных аналогах не обнаружены, следовательно, заявляемое перемешивающее устройство отвечает критерию «существенные отличия».
На чертеже изображен продольный разрез заявляемого устройства.
Перемешивающее устройство содержит металлический сосуд 1, закрываемый крышкой 2, которая установлена на подшипнике вращения 3. Крышка 2 выполнена с крепежным выступом 4, к которому посредством гибкой связи, образованной двумя парами установленных крест-накрест пружин 5 и промежуточным крепежным элементом 6, присоединен вал 7 мешалки. Пружины 5 разных пар сориентированы взаимоперпендикулярно. На нижнем конце вала 7 установлены расположенные в три яруса лопасти 8 мешалки. Верхний ярус лопастей 8 жестко закреплен на валу 7. Нижние два яруса лопастей 8 связаны с валом 7 гибкой связью, образованной двумя парами установленных крест-накрест пружин 9 и промежуточным элементом 10. Причем пружины 9 верхней пары сориентированы перпендикулярно к пружинам нижней пары. Нижний ярус лопастей 8 жестко связан с постоянным магнитом 11. В днище 12 корпуса 1 проточены концентрические канавки, в которых установлены электромагниты 13, покрытые неметаллическим изолирующим материалом. Днище 12 изготовлено из металла. Электромагниты электрически подключены к управляющему устройству (на чертеже не показано).
Работает перемешивающее устройство следующим образом.
Сначала управляющее устройство попеременно включает электромагниты 13 центральной канавки днища 12, создавая в ней направленное вращение магнитного поля. Причем частота вращения направленного магнитного поля должна быть заведомо меньше частоты срыва вращения мешалки. Вместе с магнитным полем электромагнитов 13 вращается постоянный магнит 11. При этом, в первую очередь, вместе в магнитом 11 в движение приходят лопасти 8 нижнего яруса. Затем начинают двигаться лопасти 8 среднего яруса и, в последнюю очередь, лопасти верхнего яруса вместе с валом 7. Время задержки вращения лопастей 8 среднего и верхнего ярусов определяется временем деформации пружин 9, соединяющих ярусы лопастей между собой. После набора мешалкой скорости устройство управления автоматически включает электромагниты 13 канавки, имеющей больший диаметр, и одновременно отмечает электромагниты, стоящие в центральной канавке. Постоянный магнит 11 переходит на ту канавку, электромагниты 13 которой включены, и начинает двигаться вдоль этой канавки вслед за изменяющимся магнитным полем. При этом вал 7 отклоняется от вертикальной оси и начинает совершать прецессионные движения. Угол прецессии регулируют подключением электромагнитов 13 необходимой канавки. Отклонение вала 7 от вертикали обеспечивается деформированием пружин 5 верхней гибкой связи.
Благодаря исключению из конструкции ярма и металлической оболочки и благодаря снижению мощности электромагнитов заявляемое решение по сравнению с прототипом имеет, примерно в два раза меньшие габариты. При одинаковых объемах перемешиваемой среды.
Возможность регулирования угла прецессии повышает универсальность перемешивающего устройства за счет использования его для перемешивания сред с различной вязкостью. Кроме того, предлагаемое решение по сравнению с прототипом обеспечивает более стерильные условия перемешивания, так как в отличие от прототипа не имеет пар трения, помещенных в перемешиваемую среду.
Источники информации:
1. А.с. СССР №1327948, М. кл. B01F 13/04, 1986 г.
2. А.с. СССР №175039, М. кл. B01F 13/04, 1964 г.
3. А.с. СССР №1389831, М. кл. B01F 13/04, 1986 г.