ПЕРЕМЕШИВАТЕЛЬ ЖИДКОСТЕЙ

Полезная модель относится к устройствам для эффективного управления перемешиванием компонентов смесей и может быть применена в различных отраслях промышленности (химической, фармацевтической, пищевой, строительной и др.), где необходимо получить продукты с однородным распределением физических свойств.
В настоящее время наиболее распространенным способом перемешивания жидкостей является использование аппаратов с механическими мешалками. Так, известной является конструкция многосекционного роторного смесителя (RU 2257257), представляющего собой емкость с ротором, на валу которого располагается система зубьев. Корпус разделен на несколько отсеков двумя проницаемыми перегородками, одна из которых крепится к основанию ротора, а вторая - к средней части корпуса. При последовательном прохождении смеси через элементы аппарата происходит гомогенизация ее компонентов. Известной является конструкция центробежного смесителя (RU 2505349) в виде цилиндрического корпуса, вблизи основания которого расположена система вращающихся криволинейных лопастей. Пара отражательных лопастей обращена выпуклой поверхностью по направлению вращения вала, в то время как пара подрезающих лопастей образует своей выпуклой поверхностью острый угол с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса смесителя. При этом ближняя к оси вращения кромка подрезающей лопасти и дальняя от оси вращения кромка отражательной лопасти совершает свое движение вокруг оси вращения по окружности с одинаковым радиусом.
Недостатками таких технических решений является сложность конструкции вращающихся элементов. Кроме того, зачастую перемешивание в таких системах происходит неравномерно, при этом некоторые липкие вещества могут прилипать к лопастям смесителя и дефлекторам, что является серьезной технологической проблемой.
Известен способ быстротранспортного перемешивания жидкостей в коаксиальном слое цилиндрической или сферической формы, границы которого совершают встречное вращение с изменяющимися по гармоническому закону угловыми скоростями, значения которых соответствуют турбулентному режиму течения (RU 2488433). Для исключения возникновения среднего азимутального течения и, тем самым, увеличения равномерности перемешивания жидкостей в (RU 2589485) реализовано аналогичное техническое устройство, отличающееся нулевыми средними значениями скоростей вращения внешнего и внутреннего сосудов. Другими словами, границы коаксиального слоя совершают вращательные вибрации в противофазах. Перемешивание жидкостей достигается благодаря кинетической энергии турбулентного течения во встречных сдвиговых потоках. Основным недостатком такой конструкции являются энергетические затраты, связанные с обеспечением одновременного вращения границ слоя двумя двигателями.
Вращательные вибрации полости используются для управления массопереносом в биологическом реакторе (RU 157532), для чего на границах реактора в форме длинной цилиндрической полости устанавливаются продольные активаторы, которые при вращательных колебаниях полости генерируют осредненные вытянутые по длине реактора вихревые структуры. Основным недостатком такого устройства является достаточно сложная форма внутренней поверхности реактора.
Решение задачи управляемого перемешивания жидкостей в коаксиальных зазорах, которые могут выступать в роли химических реакторов проточного типа, достигается за счет равномерного дифференциального вращения границ полости, приводящего к генерации тороидальных вихревых структур в результате развития неустойчивости Релея-Тейлора (Laminar Co., Ltd; http://www.laminarm.com/taylor-flow/). Недостатками подобного рода устройств является сильная радиальная стратификация компонентов смеси по плотности, вследствие чего используются коаксиальные зазоры малой величины, что существенно снижает энергоэффективность.
Наиболее близким аналогом заявленного устройства является роторный смеситель жидких сред (RU 2186615), в котором коаксиальный зазор образован волнообразными осесимметричными поверхностями. Такая конструкция обеспечивает сохранение стационарного положения вихрей Тейлора при прокачке компонентов смеси через реактор, что в несколько раз увеличивает эффективность перемешивания по сравнению с классическими проточными реакторами Тейлора-Куэтта. Недостатками данной конструкции, с одной стороны, является достаточно ограниченная конфигурация вихревых потоков, определяемых исключительно рельефом коаксиального зазора, а, с другой стороны, осаждение тяжелых частиц в «карманах» на внешнем цилиндре.
Преимуществом заявленного устройства является его предельная геометрическая простота (это цилиндрическая полость кругового сечения или круглая труба), а также возможность управляемого перемешивания жидкости в определенной области резервуара, например, в пристеночной области. Кроме того, конструкция отличается отсутствием движения различных элементов реактора друг относительно друга, что существенно упрощает устройство.
Задача, на решение которой направлено заявленное устройство, заключается в достижении технического результата, а именно в управлении перемешиванием жидкости во вращающемся реакторе за счет инерционных волн, транспортирующих механическую энергию в заданную область контейнера.
Решение задачи достигается за счет того, что перемешиватель жидкости представляет собой длинный цилиндрический канал кругового сечения, угловая скорость вращения которого модулируется по времени, благодаря чему в жидкости возникают инерционные волны, доставляющие механическую энергию от торцов в заданную область, где создаются интенсивные осредненные вихревые потоки, перемешивающие жидкость. Периодические изменения скорости вращения контейнера происходят по гармоническому закону
Ω + Δϕωsin(ωt),
-1
где Ω - средняя угловая скорость вращения, с;
-1
ω - угловая частота модуляции скорости, с;
Δϕ - амплитуда вращательных колебаний, рад.
Если угловая частота модуляции скорости соответствует одной из собственных частот вращающейся жидкости, в канале возникает система крупномасштабных осциллирующих вихрей, направление циркуляции в которых меняется на противоположное в течение периода колебаний. Следствием интенсивного пульсационного движения жидкости является создание во вращающейся системе отсчета вдоль боковой стенки полости системы интенсивных стационарных вихревых потоков, обеспечивающих перемешивание жидкостей. Управление интенсивностью циркуляции осуществляется путем вариации частоты и амплитуды модуляции скорости.
Заявленное техническое решение осуществляется следующим образом. Цилиндрический контейнер кругового поперечного сечения радиусом R и длиной L, заполненный жидкостью, приводится во вращение со средней угловой скоростью Ω при помощи двигателя. Для активизации процесса осредненной циркуляции жидкости средняя угловая скорость вращения полости модулируется со временем по гармоническому закону с угловой частотой ω, в результате чего в углах (местах соединения торцевых и боковой стенки полости) возникает мгновенная завихренность, распространяющаяся в объем жидкости в виде инерционных волн. Последние представляют собой интенсивные сдвиговые колебания жидкости в тонких слоях, имеющих вид конусообразных характеристических поверхностей, и переносящие энергию возмущений на большие (по сравнению с радиусом полости) расстояния, что достигается за счет многократных отражений волны от боковой стенки полости.
Наибольшая мгновенная завихренность возникает при совпадении угловой частоты модуляции скорости ω с одной из собственных частот вращающейся жидкости и может быть рассчитана для контейнера с произвольным аспектным соотношением L/R
где n, m и k - осевое, радиальное и азимутальное волновое число; L/R - аспектное соотношение (Гринспен X. Теория вращающихся жидкостей. Л: Гидрометеоиздат, 1975. 304 с.). Параметр  является m-ым положительным решением трансцендентного уравнения
где  - функция Бесселя первого рода |k|-го порядка. Осесимметричной моде колебаний, возбуждаемой в осесимметричных контейнерах и обеспечивающей максимальную интенсивность осцилляций, соответствуют m=0 и k=0.
Вращающаяся жидкость откликается на колебания контейнера в виде крупномасштабных осциллирующих тороидальных вихрей так, что жидкость совершает осциллирующее движение в меридиональной плоскости во всем объеме контейнера, при этом направление циркуляции жидкости в осциллирующих вихрях меняется на противоположное в течение периода колебаний. Количество вихревых структур n (осевое волновое число) зависит от угловой частоты модуляции скорости вращения и возрастает с увеличением ω.
Осредненное вихревое течение жидкости возникает за счет нелинейного отклика на пульсационное движение жидкости в вязких пограничных слоях на боковой стенке цилиндрического контейнера. Экспериментальные исследования показывают, что вдоль боковой границы полости возникает интенсивная осредненная по периоду колебаний циркуляция: жидкость в среднем движется вдоль боковой стенки, после чего разворачивается в радиальном направлении и движется обратно вдоль оси вращения. Дополнительное перемешивание жидкости во вращающейся полости обеспечивается за счет генерации осредненной циркуляции в азимутальном направлении, при этом кинетическая энергия азимутального течения сопоставима по величине с кинетической энергией меридионального течения. Таким образом, во вращающейся полости устанавливается радиальное распределение по интенсивности течения: в центральной части полости жидкость движется практически твердотельно, в то время как вблизи боковой стенки возникает интенсивная осредненная меридиональная циркуляция. На границе «медленного» внутреннего и «быстрого» пристеночного потоков возникает диффузионная зона, которая выступает областью доставки компонентов, равномерно перемешанных в осредненных вихрях вблизи боковой границы. Описанный эффект позволяет управлять процессом получения смесей с однородным распределением физических свойств, кроме того, достижение поставленной цели без использования роторных мешалок является более предпочтительным для перемешивания чувствительных к механическому воздействию сред.
Управление количеством осредненных вихревых структур по длине полости осуществляется путем изменения угловой частоты модуляции скорости вращения, вариация которой приводит к изменению собственной частоты собственных колебаний жидкости и, соответственно, осевого волнового числа п. Отметим, что для возбуждения и распространения инерционных волн в полости ω должна удовлетворять условию ω < 2Ω. При этом, при повышении ω волновое число n возрастает (продольный размер вихрей уменьшается). Повышение интенсивности перемешивания жидкости в диффузионной зоне осуществляется путем интенсификации меридиональной циркуляции за счет увеличения амплитуды модуляции скорости Δϕω. При достаточно высокой интенсивности инерционных волн, генерируемые по длине канала осредненные тороидальные вихревые структуры расширяются на все поперечное сечение полости.
Пример технической реализации полезной модели.
-6
2
Рассматривается прозрачный цилиндрический контейнер кругового сечения радиусом R = 0.026 м и длиной L = 0.102 м, заполненный смешивающимися жидкостями со средней кинематической вязкостью ν = (1-50)⋅10 м/с. Контейнер закреплен с двух сторон в шарикоподшипниках опор и вращается со средней угловой скоростью Ω при помощи шагового двигателя. Вал двигателя соединен с осью кюветы при помощи муфты, которая с высокой степенью точности передает вращение кювете. Скорость вращения модулируется по гармоническому закону с угловой частотой ω и амплитудой Δϕω. Некоторые значения угловой частоты модуляции скорости вращения, при которых проводятся эксперименты, в полости с аспектным соотношением L/R = 3.92 приведены в таблице (фиг. 1). Наблюдения за структурой течения осуществляется за счет освещения контейнера вдоль оси вращения лазерным ножом.
-1
-1
-1
В качестве примера рассмотрим модуляцию средней скорости вращения Ω = 31.4 с угловой частотой ω = 24.2 с и амплитудой Δϕ = 0.094 рад. В этом случае вблизи боковой стенки контейнера формируется пара осредненных осесимметричных тороидальных вихрей, жидкость в которых движется от центра к торцам. Вблизи углов жидкость разворачивается в меридиональной плоскости и движется обратно вдоль оси вращения. Во втором случае при неизменной средней скорости вращения Ω и амплитуде Δϕ значение угловой частоты модуляции скорости увеличивается до ω = 40.2 с, при этом количество осредненных вихрей увеличивается на два.
Таким образом, инерционные волны во вращающихся контейнерах являются удобным инструментом для управления процессом перемешивания жидкостей посредством передачи механической энергии возмущений, вносимых у торцов полости, по всей длине полости, которая может выступать в роли химического реактора загрузочного или проточного типа. Генерируемое осредненное течение приводит к возникновению меридиональной циркуляции, способствующей перемешиванию жидкостей на большом расстоянии от оси вращения.