СПОСОБ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИДКОСТИ
LIQUID MIXING METHOD

Изобретение относится к способам перемешивания общего назначения для осуществления различных физических, химических и гидромеханических (диспергирование, эмульгирование, гомогенизация, пенообразование, деструкция) процессов с жидкостями и может быть реализовано в смесителях различного типа с вращающимися перемешивающими устройствами в неподвижных резервуарах.
Известен способ центробежного смешивания жидкости посредством центробежного гомогенизатора (а.с. СССР №554846, А01j 11/16), при котором жидкости посредством вращающегося рабочего органа сообщают движение либо в тангенциальном, либо в радиальном направлении, создавая ее циркуляцию в области вращения рабочего органа.
Недостатком данного способа является слабая интенсивность перемешивания, так как преобладает окружной поток жидкости, и имеют место застойные зоны.
Известен кавитационный способ смешивания жидкости, реализованный в роторно-пульсационном аппарате (а.с. СССР 725691. Роторно-пульсационный аппарат.), заключающийся в создании принудительной пульсации жидкости и кавитации, которая порождает ее гидродинамические возмущения.
Недостаткам данного способа является то, что при смешивании биологически полезных жидкостей, например эмульсий для мороженого, за счет схлопывания кавитационных пузырей теряется полезность свойств жидкости и наносится разрушительное воздействие на биологическую составляющую продукта.
Известен вибрационный способ перемешивания, реализованный в устройствах вибрационных смесителей (Свидетельство на полезную модель RU №28988 U1 и Яцун С.Ф. Процесс экстракции при вибрационном воздействии / С.Ф. Яцун, В.Я. Мищенко, Е.В. Артеменко // Вибрационные машины и технологии. - Курск: Изд-во КГТУ, 2003 г. - 280 с.), при котором жидкости принудительно сообщают возвратно-поступательные в осевом направлении осциллирующие движения, при этом ей сообщают линейные ускорения, создавая множество затопленных турбулентных струй.
Недостатком данного способа, взятого за прототип, является то, что такие действия над объектом приводят к образованию застойных зон около оси рабочего органа и ограничению турбулизации жидкости, что ведет, в конечном итоге, к снижению интенсивности перемешивания.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности смешивания за счет углубления турбулизации увеличением циркуляции потоков и исключения застойных зон путем сообщения рабочей среде совместного вращения и радиально-осевых колебаний. А это, в конечном итоге, позволит увеличить взаимодействие встречных внутренних затопленных струй жидкости.
Для решения поставленной задачи предлагается способ перемешивания жидких компонентов, при котором смеси принудительно, посредством ротора с перфорированными дисками одновременно задают вращение с пульсациями скорости ±ε и радиально-осевые колебания, вместе с тем, формируют закрученные встречные затопленные струи и увеличивают длину их пути перемешивания при объемной циркуляции этих струй, причем параметрами этих движений жидкости управляют по зависимости:
где r, t, z- цилиндрические координаты;
ν - коэффициент кинематической вязкости;
p - давление;
ρ - плотность жидкой среды;
- амплитуда радиальных колебаний (в зоне диска);
- амплитуда осевых колебаний (в зоне диска),
ω - частота колебаний ротора с дисками;
1
R - радиус диска ротора;
R - радиус окружности, описываемой приводом колебаний;
д
D - диаметр диска;
l - вылет вращаемого тела;
1
l - расстояние между диском и приводом его колебаний;
D - диаметр окружности, описываемой приводом колебаний;
вр
ω - частота вращения ротора с дисками, при этом амплитуда колебаний ротора с дисками равна
а частота его колебаний ω определяется в зависимости от применяемого типа механизма создания колебаний. Например, при использовании устройства с инерционным виброприводом для реализации заявленного способа частота колебаний определяется формулой:
1
где R - радиус диска ротора;
R - радиус тарелки ротора (радиус окружности, описываемой приводом колебаний);
д
D - диаметр диска;
l - вылет вращаемого тела;
1
l - расстояние между тарелкой ротора и диском,
m - приведенная масса вращаемого тела;
j - жесткость ротора (при шарнирном закреплении ротора j=0);
D - диаметр вращаемого тела в зоне его сопряжения с контртелом;
ос
P - осевое усилие прижатия ротора к контртелу;
вр
ω - частота вращения ротора с дисками для эксцентрикового или кулачкового механизма:
Сравнение заявленного способа перемешивания жидкостей с известными позволяет сделать вывод о достижении нового эффекта, выразившегося в возможности увеличения длины их пути перемешивания. Это стало возможным за счет создания закрученных встречных затопленных струй жидкости, которые формируют за счет того, что смеси задают вращение с пульсациями скорости и радиально-осевые колебания. Причем, изменяя параметры этих движений по предложенной выше зависимости, управляют шагом спиральных траекторий закрученных встречных затопленных струй, а значит и интенсивностью их взаимодействия. В связи с этим, можно сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 показана схема формирования закрученных внутренних затопленных струй;
на фиг. 2 показана схема взаимодействия внутренних затопленных закрученных струй при перемешивании с пульсациями скорости и радиально-осевыми колебаниями (вид сбоку);
на фиг.3 показана схема взаимодействия внутренних затопленных закрученных струй при перемешивании с пульсациями скорости и радиально-осевыми колебаниями (вид сверху);
на фиг. 4 показана схема, поясняющая образование течений жидкой среды вблизи плоского вращающегося диска;
на фиг. 5 показана кинематическая расчетная схема определения максимальной скорости (точка А) на периферии диска ротора;
на фиг. 6 показана схема реализации физического эффекта псевдоожижения жидкой среды (турбулентный режим);
на фиг. 7 показана схема реализации виброструйного эффекта;
на фиг. 8 показана схема реализации эффекта вибрационного поддержания вращения;
на фиг. 9 визуально показан начальный момент возникновения турбулентного режима (за 0,5 сек);
на фиг. 10 визуально показано увеличение зоны турбулентности в рабочей среде (за 1 сек);
на фиг. 11 показано формирование кольцевых волн, иллюстрирующих взаимодействие внутренних затопленных струй;
на фиг. 12 визуально показан процесс перехода от ламинарного к турбулентному режиму движения жидкости при перемешивании;
на фиг. 13 показан установившийся режим процесса перемешивания;
на фиг. 14 показана полученная водомасляная эмульсия по окончании процесса перемешивания (за 5 мин).
Для реализации нового принципа перемешивания предлагается использовать способ, при котором вращаемое тело с дисками, перфорированными встречными коническими отверстиями торцевой поверхностью сопрягают с контртелом тарированной силой прижима и обкатывают по замкнутой траектории, имеющей поворотную симметрию вокруг оси симметрии траектории. При этом создают циркуляцию встречных затопленных закрученных потоков рабочей среды путем сообщения ей совместного вращения с пульсациями скорости, радиально-осевых колебаний и увеличивают длину их пути перемешивания. Изменяя параметры этих принудительных движений, можно управлять траекториями встречных закрученных потоков рабочей жидкости, что очевидно становится возможным управлять интенсивностью процесса перемешивания жидкости, усиливая либо радиальную составляющую, либо осевую составляющую скорости движения затопленных струй (фиг. 1). При этом изменяя угол наклона α (фиг. 2) равнодействующей скоростей в радиальном и осевом направлении, изменяется шаг спиральных траекторий закрученных встречных затопленных струй, а значит частота взаимодействия последних (фиг. 2, фиг. 3).
Для пояснения сущности способа сначала рассмотрим течение жидкой среды вблизи плоского диска (фиг. 4), равномерно вращающегося с угловой скоростью ω вокруг оси, перпендикулярной к плоскости диска. Жидкость вдали от диска принимается покоящейся. Вследствие трения слой жидкости, непосредственно прилегающий к диску, увлекается последним и под действием центробежной силы отбрасывается наружу от диска. Взамен отброшенной жидкости к диску притекает в осевом направлении новая жидкость, которая также увлекается диском и опять отбрасывается наружу. Следовательно, в данном случае мы имеем полностью трехмерное течение. При этом, вследствие осевой симметрии течения [Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя / Г. Шлихтинг. - Москва: Изд-во «Наука», 1974. - 712 с.] уравнения Навье-Стокса и уравнение неразрывности в цилиндрических координатах имеют вид
Граничные условия, определяемые условием прилипания к вращающейся плоскости, будут
где p - давление;
ρ - плотность жидкости;
ν - коэффициент кинематической вязкости;
r, t, z - цилиндрические координаты;
t
r
z
V, V, V- составляющие скорости в тангенциальном, радиальном и осевом направлениях.
При наложении на вращение пульсации и радиально-осевых колебаний, согласно заявленному способу, создается циркуляция встречных затопленных потоков рабочей среды. В данном случае уже будут доминировать такие факторы, как частота и амплитуда колебаний, оказывающие воздействия на составляющие скорости движения жидкой среды.
д
вр
Исследуем кинематические характеристики вращающихся дисков 1 диаметром D (фиг. 5), размещенных на роторе 2, посредством которых создаются закрученные встречные внутренние затопленные струи жидкости, которым помимо вращения с частотой ω сообщают пульсации скорости движения ±ε и радиально-осевые колебания с частотой ω и амплитудой а.
Определяем максимальные амплитудные значения составляющих скорости движения точек на периферии диска ротора
2
1
где а=Ra/l;
1
1
а=l-l/la.
Максимальную скорость движения жидкость будет иметь в периферийной зоне нижнего диска (точка А) (фиг. 5). В данный момент времени скорость в точке С равна нулю, так как она является мгновенным центром качения.
С учетом составляющих скоростей в окружном, радиальном и осевом направлениях уравнения движения жидкой среды примут вид
При этом граничные условия будут уже следующими
Важно отметить, что новый способ перемешивания позволяет обеспечить одновременно ряд физических эффектов: псевдоожижения рабочей жидкости (турбулезацию), активного перемешивания жидкости (виброструйный эффект), эффекта вибрационного поддержания вращения.
При турбулентном режиме частицы жидкости наряду с основным движением осуществляют поперечные перемещения, создающие перемешивание жидкости. Траектории движения частиц имеют сложную траекторию и пересекаются между собой. Переход ламинарного режима в турбулентный наступает при определенных условиях, характеризуемых числом (критерием) Рейнольдса. При рассмотрении течения жидкой среды около дисков ротора, который вращается без колебаний, число Рейнольдса будет зависеть только от тангенциальной скорости дисков, при этом начиная с некоторого числа Рейнольдса течение перестает быть ламинарными [Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя / Г. Шлихтинг. - Москва: Изд-во «Наука», 1974. - 712 с]. При числах Рейнольдса
где ν - кинематическая вязкость жидкости;
V - окружная скорость дисков, оно всегда турбулентное.
t
Если же мы рассматриваем течение жидкой среды около дисков, который помимо вращения получает еще и колебания вокруг оси, перпендикулярной к плоскости диска, то при этом число Рейнольдса Re будет больше критического Re* (для аналогичных способов Re*>1000 [Ушаков В.Г. Аппараты для перемешивания жидких сред / В.Г. Ушаков, Э.А. Васильцов. - Курск: Изд-во КГТУ, 2003. - 280 с.]). Характер изменения течений жидкости в каждый момент времени зависит от разных составляющих значений скорости движения, которые оказывают влияние на число Рейнольдса, при этом наибольшее значение оказывает тангенциальная составляющая скорости V
z
где l - расстояние между дисками;
р
D - диаметр резервуара.
Множественность направлений затопленных струй позволяет обеспечить эффект псевдоожижения жидкости (фиг. 6), то есть создаваемые высокочастотные колебания рабочей жидкости существенно увеличивают ее динамическую вязкость, обеспечивая тем самым увеличение внутреннего сопротивления движущихся молекул (перемешиваемых компонентов).
Радиально-осевые колебания конических перфорированных дисков, закрепленных на роторе вибромешалки, создают еще и виброструйный эффект (фиг. 7). То есть не только скорость потока струй, но и частота взаимодействия многочисленных затопленных струй жидкости на выходе из сужающихся конических отверстий увеличивается. А это углубляет турбулизацию жидкости. Интенсивность протекания виброструйного эффекта зависит от значений осевой скорости
Виброструйный эффект заключается в различном гидросопротивлении конических отверстий при смене направления движения жидкости через последние. При увеличении разности площадей отверстий на входе и выходе отношение сопротивлений диффузора и конфузора увеличивается, то есть большее количество жидкой среды протекает через конфузор (за счет более резкого уменьшения количества протекаемой жидкости через диффузор), тем самым повышается интенсивность виброструйного эффекта при неизменной скорости колебаний диска.
вр
вр
Ротор с дисками, вращающийся с частотой ω, будет колебаться из-за его кинематической неуравновешенности с частотой, ω большей (в 10-100 раз) частоты вращения ω. При этом жидкость, увлекаемая колеблющимся ротором с дисками, будет тоже вибрировать, что способствует поддержанию вращения дисков ротора, так возникает эффект вибрационного поддержания вращения ротора машины, так называемый эффект Хула-Хуп (фиг. 8), что, в свою очередь, позволяет затрачивать меньшую мощность на вращение ротора в установившемся режиме. А это позволяет повысить энергоэффективность процесса. При этом момент сил сопротивления вращению дисков ротора не должен превышать некоторого предельного значения вибрационного момента W
Одновременно реализовать все три указанных эффекта возможно, если затопленным струям задавать вращение с пульсациями скорости и радиально-осевые колебания, а это позволяет достичь максимальной турбулизации жидкой среды, следовательно, интенсифицировать процесс перемешивания.
Проведенные экспериментальные исследования позволили увидеть даже визуально наличие этих физических эффектов (фиг. 9, фиг. 10). Формирование кольцевых волн в результате взаимодействия внутренних затопленных струй на поверхности жидкой среды представлен на фиг. 11, где количество кольцевых волн строго соответствует числу диаметральных рядов отверстий.
Для оценки качества процесса перемешивания систем жидкость - жидкость на следующем этапе экспериментов были использованы взаимно нерастворимые жидкости - вода и масло, а также производился выбор оптимальных соотношений между временем перемешивания, осевой силой и концентраций компонентов смеси вода-масло. Результаты представлены на фиг. 12, фиг. 13, фиг. 14.
Для примера рассмотрим следующую задачу.
Определить скорость движения жидкости в устройстве с инерционным виброприводом (фиг. 5), при изменении осевого усилия прижатия ротора к контртелу от 25 до 150 Η и изменении частоты вращения ротора с дисками от 4 до 15 рад/с (в радиальном, осевом и тангенциальном направлениях), при следующих условиях:
-6
- коэффициент кинематической вязкости ν=15·10;
3
- плотность жидкой среды ρ=1000 кг/м;
1
- радиус диска ротора R=0,07 м;
- радиус тарелки ротора (радиус окружности, описываемой приводом колебаний) R=0,02 м;
- диаметр вращаемого тела в зоне его сопряжения с контртелом D=0,04 м;
д
- диаметр диска D=0,140 м.
Для математического описания течения рабочей жидкости используем уравнения Навье-Стокса и уравнение неразрывности в цилиндрической системе координат:
Перепишем уравнение Навье-Стокса в безразмерной форме, где все скорости примут вид:
В результате уравнения Навье-Стокса и уравнение неразрывности примут вид:
а частота колебаний при использовании устройства с роторным инерционным виброприводом:
1
где R - радиус диска ротора;
R - радиус тарелки ротора (радиус окружности, описываемой приводом колебаний);
д
D - диаметр диска;
l - вылет вращаемого тела;
1
l - расстояние между тарелкой ротора и диском,
m - приведенная масса вращаемого тела;
j - жесткость ротора;
D - диаметр вращаемого тела в зоне его сопряжения с контртелом;
ос
P - осевое усилие прижатия ротора к контртелу;
вр
ω - частота вращения ротора с дисками.
вр
ос
Например, при ω=4 рад/с, P=25 Н:
Полученную систему уравнений будем интегрировать при граничных условиях:
Для численного интегрирования системы уравнений, с указанными граничными условиями, используем программу «Flow Vision», в которой используется метод, основанный на консервативных схемах расчета нестационарных уравнений в частных производных, которые по сравнению с неконсервативными схемами дают решения, точно удовлетворяющие законам сохранения (в частности, уравнению неразрывности). Для решения задач в пакете «Flow Vision» следует выполнить модель устройства с заданными коструктивными параметрами с помощью внешней программы - геометрического препроцессора.
В качестве такого препроцессора используем, например, пакет Solid Works, относящийся к семейству CADob (Computer-Aided Design - автоматизированное проектирование), которые получили широкое распространение в современной научной и инженерной практике.
Результаты вычислений представлены в таблице.
Ожидается ощутимый экономический эффект от внедрения способа перемешивания жидкостей, так как в современных способах перемешивания и у смесителей существуют ряд недостатков, которые не позволяют эффективно производить смешивание. Поэтому при замене известных конструкций смесителей на смеситель, который будет основан на предлагаемом способе перемешивания, за счет повышения эффективности, производительности существенно снизится их стоимость.
Промышленная применимость, таким образом, предлагаемого способа может быть реализована в пищевой промышленности, при приготовлении эмульсий; в металлообработке при приготовлении СОЖ, в горном деле при приготовлении буровых растворов и других отраслях промышленности, где требуется перемешивание жидкостей.