СМЕСИТЕЛЬ

Техническое решение относится к конструкции механических мешалок для одновременного макро- и микроперемешивания высоковязких, неньютоновских и структурированных жидкостей, суспензий, эмульсий и может найти применение в химической, нефтехимической, лакокрасочной, фармакологической, пищевой и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах смешения жидких отходов как технологической операции их вторичной переработки.
Известен аппарат для улучшения перемешивания больших объемов жидкости и организации направленного ее течения (при большом отношении высоты к диаметру аппарата),состоящий из корпус, вала, пропеллера и диффузора. Диффузор представляет собой короткий цилиндрический или конический стакан, внутри которого помещают мешалку (Касаткин А.Г. Процесы и аппараты химической технологии, Издание 8-е, переработанное. - М.: Химия, 1971, с. 209).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата относится жесткое крепление диффузора к стенкам корпуса, что препятствует образованию микровихрей и приводит к возникновению застойных зон у боковых стенок и днища корпуса, снижает интенсивность и эффективность перемешивания вблизи неподвижных стенок и днища корпуса, а также снаружи самого неподвижного диффузора, особенно при перемешивании структурированных высоковязких и неньютоновских жидкостей и приводит к снижению производительности.
Известен аппарат перемешивающего устройства для смесителя, включающее перфорированный диффузор и размещенную в нем пропеллерную мешалку, на концах лопастей которой закреплен перфорированный цилиндр, отличающейся тем, что диффузор состоит из двух частей: верхней, жестко закрепленной на крышке смесителя, и нижней, соединенной с верхней равномерно расположенными по их окружности вертикальными струнами (патент на полезную модель РФ №171493, B01F 7/22, 2016).
К причинам препятствующими достижению заданного технического результата относится, невысокая производительности из-за необходимости увеличения времени перемешивания.
Известна конструкция смесителя, содержащая корпус, центральную быстроходную мешалку, закрепленную на валу привода, тихоходную мешалку, снабженную поплавком, выполненным в виде тора, жестко закрепленным в верхней ее части, и установленную соосно корпусу, и гидромуфту, ведомая полумуфта которой закреплена на лопастях тихоходной мешалки, выполнена в виде цилиндрического патрубка и установлена осесимметрично с валом, и ведущей полумуфтой, имеющей форму цилиндра, жестко закрепленного на валу (патент на полезную модель РФ №109010, B01F 7/16, 2011).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная интенсивность перемешивания высоковязких, структурированных и неньютоновских жидкостей из-за постоянных скоростей вращения обеих мешалок, что требует увеличение времени перемешивания и снижает производительность.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является смеситель, содержащий корпус, центральную быстроходную мешалку, закрепленную на валу привода, тихоходную мешалку, снабженную поплавком, выполненным в виде тора, с внешней стороны которого равномерно по окружности установлены бобышки из эластичного материала, а сами лопасти тихоходной мешалки выполнены в виде упругой пластины и имеют осесимметричный с валом поперечный разрез в нижней части, и гидромуфту с ведомой полумуфтой в виде конфузора, закрепленной на лопастях тихоходной мешалки и установленной осессимметрично с валом (патент на полезную модель РФ №180150, B01F 7/22, B01F 7/16, 2018).
Недостатком известной конструкции смесителя является постоянство скорости вращения тихоходной мешалки, что снижает интенсивность перемешивания у стенок корпуса в зоне работы тихоходной мешалки, а значит требует увеличение времени перемешивания особенно высоковязких, неньютоновских и структурированных жидкостей, и снижает производительность.
Техническим результатом предлагаемой конструкции перемешивающего устройства является увеличение производительности.
Поставленный технический результат достигается тем, что в смесителе, содержащем корпус, центральную быстроходную мешалку, закрепленную на валу привода, тихоходную мешалку, снабженную поплавком, выполненным в виде тора, с внешней стороны которого равномерно по окружности установлены бобышки из эластичного материала, а сами лопасти тихоходной мешалки выполнены в виде упругой пластины и имеют осесимметричный с валом поперечный разрез в нижней части, и гидромуфту с ведомой полумуфтой в виде конфузора, закрепленной на лопастях тихоходной мешалки и установленной осессимметрично с валом, отличающемся тем, что конфузор представляет собой эллипс, у которого отношение длины малой оси к диаметру лопастей мешалки, подчиняется условию:
м
где D - длина малой оси эллипса, м;
d - диаметр лопастей мешалки, м;
а отношение длины большой оси эллипса к длине малой оси эллипса подчиняется условию:
б
где D - длина большой оси эллипса, м.
Выполнение конфузора, который представляет собой эллипс, позволяет изменять крутящий момент от лопастей быстроходной мешалки, выполняющей роль ведущей гидромуфты через перемешивающую среду к поверхности конфузора, выполняющего роль ведомой гидромуфты за счет изменения величины зазора между лопастями мешалки и стенками конфузора. Это приводит к окружным колебаниям конфузора и лопастей тихоходной мешалки, то есть к интенсификации перемешивания и увеличению производительности.
Уменьшение нижнего предела условия (1) может привести при раскачивании лопастей тихоходной мешалки конфузора с лопастями быстроходной мешалки к механическому контакту и вызвать их механическое повреждение и необходимость ремонта, что приведет к снижению производительности.
Увеличение верхнего предела условия (1) уменьшает величину крутящего момента, передаваемого от лопастей быстроходной мешалки к стенкам конфузора и лопастям тихоходной мешалки, что снижает скорость вращения последних и интенсивность перемешивания вблизи стенок корпуса в зоне работы тихоходной мешалки, а, значит, уменьшает производительность.
Уменьшение нижнего предела отношение длин большой и малой осей эллипса конфузора (2) снижает диапазон изменения крутящих моментов, передаваемых от лопастей быстроходной мешалки к конфузору, что снижает амплитуду колебаний, а значит интенсивность вибраций лопастей тихоходной мешалки и уменьшение эффективной вязкости неньютоновских и структурированных жидкостей. Это требует увеличения времени перемешивания и приводит к снижению производительности. Увеличение верхнего предела отношения длин большой и малой осей эллипса конфузора (2) может при вращении конфузора привести к разрыву сплошность перемешиваемой среды в эллиптическом кольцевом зазоре между лопастями мешалки и стенками конфузора. Это приводит, во-первых, к ухудшению перемешивания, лопастями быстроходной мешалке в центральной зоне, а во-вторых, к торможению вращения и уменьшению интенсивности перемешивания у стенок корпуса в зоне работы тихоходной мешалке, а значит способствует снижению производительности.
На фиг. 1 представлена схема предлагаемой конструкции смесителя в разрезе, на фиг. 2 схема конфузора в разрезе.
м
б
м
Смеситель включает в себя корпус 1 с крышкой 2, привод (на чертеже не показан), соединенный с валом 3, на котором установлена пропеллерная быстроходная мешалка 4, выполняющая функцию ведущей полумуфты. Осесимметрично с пропеллерной мешалкой 4 установлена поперечная лопасть 5 рамной (например, якорной) мешалки, к которой прикрепленный конфузор 6. Поперечная лопасть 5 рамной мешалки соединяется с самой рамной тихоходной мешалкой 7, в верхней части которой находится поплавок 8, выполненный, в виде пустотелого тора и выполняющей роль плавающей опоры рамной тихоходной мешалки 7. Лопасти рамной (якорной) тихоходной мешалки 7, выполненные в виде упругой пластины (например, стали, титана, полимера), имеют в нижней части осесимметричный поперечный разрез 9. С внешней стороны поплавка 8 равномерно по его окружности установлены бобышки 10. Конфузор 6 имеет форму эллипса с соотношение длины малой оси D к диаметру d лопастей мешалки 4, подчиняющего условию (1), и отношение длины D большей оси эллипса конфузора 6 к длине D малой оси его эллипса, подчиняется условию (2).
Смеситель работает следующим образом. Включается привод, начинает вращаться вал 3 с пропеллерной быстроходной мешалкой 4, создающий зону перемешивания в центральной части корпуса 1. Крутящий момент, передающийся от вала 3 к рамной (якорной) тихоходной мешалкой 7 через конфузор 6, создающей зону перемешивание в периферийных (боковой и нижней) частей корпуса 1. Раскачивание лопастей тихоходной мешалки 7 интенсифицирует микросмешение, тем самым создает микровихри вблизи вращающих лопастей.
б
м
Так как конфузор 6 выполнен в виде эллипса с отношениями размеров длин большой D и малой D осей и диаметра d лопастей мешалки 4, подчиняющими условиями (1) и (2), а быстроходная мешалка 4 и тихоходная мешалка 7 вращаются с разными скоростями, то зазор между лопастями быстроходной мешалки 4 и стенки конфузора 6 становится то наибольший, когда горизонтальная ось лопастей быстроходной пропеллерной мешалки 4 совпадает с малой осью конфузора 6 (фиг. 2), то наименьшим, когда горизонтальная ось лопастей быстроходной мешалки 4 совпадает с большой осью конфузора 6. Это вызывает то увеличение, то уменьшение крутящего момента, передаваемого через этот зазор от лопастей быстроходной мешалки 4 к стенке конфузора 6 и от него к тихоходной мешалке 7, что приводит к круговым колебаниям 5 этой мешалки 7. Такие круговые колебания с высокой амплитудой способствуют уменьшение эффективной вязкости, разжижению и разрушению структуры неньютоновских жидкостей вблизи корпуса 1 в зоне работы тихоходной мешалки 7, что увеличивает скорость перемешивания и способствует росту производительности.
Таким образом, выполнение рамной (якорной) тихоходной мешалки 7 вместе с конфузором 6 позволяет получать вращение от быстроходной мешалки 4 за счет вращения перемешиваемой среды в зазоре между валом 3 с пропеллерном быстроходной мешалкой 4 и конфузором 6, закрепленном на рамной тихоходной мешалке 7, а установка бобышек 10 из упругого эластичного материала (например, резина или полимер) позволяет предупредить удар лопастей рамной мешалки 7 о стенки корпуса 1 аппарата.
Кроме того, выполнение конфузора в виде эллипса, заставляет рамную мешалку 7 совершать вращательные колебания с высокой амплитудой при выполнении размеров длин осей эллипса конфузора 6 и диаметра d лопастей быстроходной мешалки 4, подчиняющихся условиям (1) и (2), что приводит к разрушению структуры и уменьшение эффективной вязкости неньютоновских жидкостей, уменьшению времени перемешивания и, тем самым, к росту производительности.