СМЕШИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
MIXER

Изобретение относится к смешивающим устройствам и может быть применено для смешения потоков текучей среды, в частности газов или жидкостей, в различных отраслях промышленности и преимущественно в нефтепереработке и нефтехимии, газовой и энергетической промышленности.
Известен статический смеситель (патент РФ №2014879, МПК B01F 5/00), содержащий корпус с патрубками ввода компонентов и вывода смеси, две группы усеченных полых перфорированных конусов, обращенных большими основаниями к патрубкам ввода компонентов. По периферии корпуса, а также на оси установлены завихрители.
Указанный смеситель не может эффективно работать в силу конструктивного решения. Весь поток текучей среды перекрыт рядом элементов, представляющих большое гидравлическое сопротивление. Кроме того, элементы смесителя представлены достаточно сложными деталями, что также снижает эффективность применения устройства в целом.
Известен прямоточный вихревой смеситель (патент РФ №2414283, МПК B01F 5/00), содержащий две коаксиально расположенные цилиндрические трубы, однозаходные закручивающие устройства, установленные во внутренней трубе и межтрубном пространстве, а также штуцеры для ввода компонентов и вывода смеси. Работа устройства организована таким образом, что смешиваемые потоки (газы или жидкости) подаются по параллельным штуцерам в зону шнекового смесительного устройства, причем смесь компонентов проходит вначале через внутренний шнек, а затем, после поворота, через внешний.
К очевидным недостаткам смешивающего устройства следует отнести его высокую металлоемкость, трудность изготовления, и, вероятно, значительное гидравлическое сопротивление.
Смешивающие устройства других типов (Абрамович Г.Н. и др. Теория турбулентных струй. М., Наука, 1984, с. 715), основанные на распределенном вводе одного потока в другой, имеют недостаток, связанный с необходимостью помещения в поток элементов конструкции, что приводит к потерям полного давления. Кроме того, это бывает затруднительным в случае высокой температуры потока. Подача одного потока в другой струями из стенки канала не позволяет обеспечить высокую равномерность распределения концентрации подаваемой текучей среды в потоке.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является смешивающее устройство по международной заявке № WO 2011101038, МПК B01F 3/02, B01F 5/00, B01F 5/04, состоящее из двух или более соосных труб для подачи смешиваемых потоков во внутреннюю часть смесителя, закручивающего устройства и зоны смешения. В устройстве с целью регулируемого смешения периферийный поток закручивается с помощью лопатки и/или тангенциального подвода и образует вихрь, вращающийся вокруг центрального потока. Дополнительный достигаемый эффект заключается в том, что внутренняя поверхность трубы на некотором протяжении от зоны смешивания двух потоков защищена от внутреннего, более коррозионно-активного потока, внешним, инертным по отношению к материалу трубы.
Моделирование режимов течения для условий, приведенных в указанной заявке, показывает, что поток в зоне смешения, достаточно удаленный от внутреннего выходного патрубка, характеризуется значительной неоднородностью как по векторным полям скоростей - осевой и тангенциальной, так и по составу потока. На фиг. 1 приведено распределение концентраций двух перемешивающихся газов на расстоянии двух калибров от точки смешения струй в плоскости, перпендикулярной оси труб. Поток характеризуется значительной неоднородностью, и для выравнивания характеристик потока требуется существенное удлинение зоны смешения. Таким образом, это устройство не может рассматриваться как эффективный смеситель.
Технической задачей, которую решает предлагаемое смешивающее устройство, является повышение эффективности смешения подаваемых потоков текучей среды (газов или жидкостей, в том числе в виде аэрозолей, эмульсий и суспензий) за счет достижения согласованности между геометрическими размерами устройства и интенсивностью закручивания потока.
Указанная техническая задача решается тем, что в смешивающем устройстве для потоков текучей среды, которое содержит камеру смешения, соединенные с ней по меньшей мере две коаксиально размещенные цилиндрические трубы, по которым потоки текучей среды поступают на смешение, с установленным по меньшей мере в одной из них завихрителем, и штуцер для вывода смеси компонентов, диаметр камеры смешения превышает диаметр внешней трубы более чем в 1,7 раза, а отношение между длиной камеры смешения и ее диаметром больше или равно 1,5. При этом завихритель установлен с возможностью подвода закрученного потока на вход камеры смешения с интенсивностью закрутки, которая определяется из отношения момента количества движения потока текучей среды к осевому количеству движения потоков на входе в камеру смешения, равного или большего 0,7.
Дополнительным эффектом, достигаемым в предлагаемом устройстве, является то, что в условиях, когда один из потоков текучей среды является коррозионно-активным, эффективное перемешивание потоков текучей среды в объеме камеры смешения позволяет избежать проблем с коррозией внутренних частей смешивающего устройства за счет разбавления инертным потоком. Для этого коррозионно-активный компонент подают в центральную трубу, а инертный - в кольцевое пространство между внешней и центральной трубой.
Сущность предлагаемого устройства состоит в том, что потоки текучей среды поступают в смешивающее устройство по трубам, которые расположены соосно с камерой смешения и штуцером для вывода смеси компонентов. Диаметр камеры смешения превышает диаметр внешней входной трубы. Входящие потоки (по меньшей мере один), кроме поступательной составляющей, имеют еще и вращательную составляющую, то есть закручены относительно оси трубы. После выхода из трубы в камеру смешения поток расширяется и замедляет осевую составляющую скорости. При этом расширение потока, согласно закону сохранения момента количества движения, вызывает снижение средней угловой скорости потока, с одной стороны, а за счет действия центробежных сил вызывает перераспределение массы вращающегося потока от центра к периферии. Сочетание этих движений (действий) приводит к закручиванию расширяющегося потока в осевом направлении и образованию обратного вихря, направленного от периферии потока к его оси. Взаимодействие этого вихря с набегающими потоками текучей среды приводит к их интенсивному перемешиванию.
Проведенное исследование работы предлагаемого смешивающего устройства с использованием средств вычислительной гидродинамики показало, что данный эффект возникает в том случае, если отношение диаметра камеры смешения к диаметру внешней входной трубы составляет от 1,7 до 3,4, а соотношение между длиной камеры смешения и ее диаметром находится в диапазоне от 1,5 до 3,0. При этом верхняя граница отношений определена из конструктивных и экономических соображений.
tст
x
tст
x
Эффект перемешивания достигается, когда поток на входе в камеру смешения закручен с определенной интенсивностью. Для характеристики интенсивности закрутки потока был выбран интегральный параметр закрутки, характеризующийся отношением момента количества движения потока М к осевому количеству движения потоков К. Как следует из научной литературы (Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М., Наука, 1984), при истечении закрученной струи в области оси возникает возвратное течение, если U ≥ U, где U - тангенциальная скорость на периферии, a U - средняя осевая скорость.
Запишем это через интегральные параметры потока. Скорость потока по сечению примем постоянной и угловую скорость со всех частиц в выходном сечении - также постоянной, т.е. текучая среда вращается, как твердое тело.
Количество движения жидкости запишется как
,
где r - текущий радиус;
ρ - плотность текучей среды.
Момент количества движения запишется как
,
где ω - угловая скорость;
ст
r - радиус трубы, в которой закручивается поток.
Учитывая, что ,
tст
где U - тангенциальная скорость у стенки трубы.
Отсюда при равенстве  получаем
как условие возникновения возвратного течения.
Применение интегрального параметра наиболее удобно ввиду того, что для основных типов закручивающих устройств выведены выражения, позволяющие, исходя из характерных конструктивных размеров, определить интегральный параметр закрутки потока, получаемый на входе в камеру смешения.
ст
В нашем случае оптимальный эффект работы смешивающего устройства был достигнут, когда отношение момента количества движения потока к осевому количеству движения потоков составляло 0,5·r. При увеличении этого отношения эффект сохраняется, однако эффективность работы устройства падает, поскольку при увеличении отношения увеличивается доля энергии потока, которая растрачивается на его бесполезное закручивание.
Предлагаемое техническое решение будет лучше понятно при ознакомлении с нижеприведенным описанием устройства, схема которого показана на прилагаемой фиг. 2.
Смешивающее устройство содержит камеру смешения 1 с входными трубами 2, 3 и 4 и выходным патрубком 5. Потоки текучей среды поступают в смеситель через центральный канал 6 и кольцевые каналы 7 и 8. По меньшей мере один из потоков закручен с определенной интенсивностью посредством любого закручивающего устройства. На схеме (фиг. 2) в качестве примера приведено закручивающее устройство 9, которое выполнено в виде лопаток, установленных под углом к оси трубы.
ст
СТ
СТ
СТ
Устройство работает следующим образом. Смешиваемые потоки текучей среды поступают в камеру смешения 1 через центральный канал 6 и через концентрические каналы 7 и 8. В канале 7 установлены средства закрутки потока 9. Входные потоки предварительно закручены одним из известных способов таким образом, чтобы отношение момента количества движения потока к осевому количеству движения потоков составляло 0,5·r. Для закрутки может быть использован, например, тангенциально-лопаточный, аксиально-лопаточный или любой другой из известных способов закрутки (Аэродинамика закрученной среды. / Под ред. Р.В. Ахмедова. М., Энергия, 1977, 240 с.) Потоки текучей среды поступают в смеситель, диаметр камеры смешения которой D превышает диаметр внешнего входной трубы D по меньшей мере в 1,7 раза. При этом поток текучей среды расширяется и заполняет сечение камеры смешения. В результате сложения поступательного и вращательного движений расширяющейся струи возникает мощный обратный вихрь, который обеспечивает интенсивное смешение газов. Следствием этого является высокая степень однородности струи уже на расстоянии, равном 2,6 D от входа газа. Фиг. 3 иллюстрирует работу смесителя для смешивания двух газов, различающихся по составу. На чертеже представлено поле концентраций компонентов смешиваемых газов в сечении по оси предлагаемого устройства. Из чертежа видно, что на расстоянии менее чем 2,6 D входного канала поток практически однородный.
Г
Г
СТ
Х
X
Работа изобретения будет более понятна при рассмотрении примера выполнения технического устройства, схема которого представлена на фиг. 2. Устройство представляет собой смеситель, в котором требуется смешать потоки горячей и холодной воды. Горячая вода подается в центральный канал 4 диаметром d=0,01 м с температурой t=90°C и скоростью U=0,8 м/с. Холодная вода подается через периферийный канал 3 диаметром D=0,05 м, в котором установлены закручивающие лопатки под углом 50° к оси установки (направлению потока), с температурой t=10°C и скоростью U=1,1 м/с. Камера смешения 1 имеет диаметр D=0,076 м и длину L=0,13 м.
СТ
Соотношение размеров устройства: D/D=1,51, L=1,71D.
Такое устройство обеспечивает качественное перемешивание горячей и холодной жидкостей. Покажем это при помощи оценочного расчета.
ж
3
Плотность воды примем ρ=1000 кг/м. Массовые расходы через центральный канал и внешний соответственно составят
ц
п
m = 0,063 кг/с и m = 2,072 кг/с.
Тангенциальная скорость во внешнем канале составит
t
x
U=Utg50°=1,31 м/с.
Для оценочного расчета момента количества движения закрученного потока применим упрощенную формулу
t
п
cp
М=U·m·r,
где  - средний радиус вращения закрученного потока.
Отсюда получаем
ст
что больше 0,5·r=0,0125.
Таким образом, смеситель с указанными пропорциями конструкции, в который подаются жидкости с указанными в примере параметрами, обеспечивает эффективное смешение жидкостей так, что на выходе из камеры смешения 0,13 м от входа поток будет иметь постоянную температуру 12,4°C по всему сечению смесителя.
Г
Г
СТ
Х
Х
СТ
Рассмотрим другую конструкцию смесителя для воды со следующими характеристиками: центральный канал для горячей воды температурой t=80°C диаметром d=0,1 м и скоростью подачи горячей воды U=0,8 м/с. Холодная вода подается через периферийный канал 3 диаметром D=0,4 м. Скорость холодной воды U=1,1 м/с, температура t=5°C. В канале установлены закручивающие лопатки под углом 30° к оси установки (направлению потока). Соотношение размеров устройства: D/D=1,51, L=1,71D, так что камера смешения 1 имеет диаметр D=0,6 м и длину L=1,03 м.
ст
Расчет показывает, что для данного устройства отношение , в то время как 0,5·r=0,1. Это означает, что смеситель не обеспечивает удовлетворительного смешения потоков воды и на выходе из него эпюра температуры по сечению потока будет крайне неоднородной.
При изменении угла установки закручивающих лопаток с 30 на 45° отношение , т.е. смеситель работает эффективно так, что температура воды в каждой точке выходного сечения смесителя постоянна и равна 8,5°C.
Таким образом, за счет согласованности между геометрическими размерами устройства и интенсивностью закрученного потока достигается эффективное смешение текучих сред. Дополнительным эффектом является снижение металлоемкости смесителя и простота его изготовления.