УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИДКОГО ВЕЩЕСТВА И ТВЕРДОГО ВЕЩЕСТВА В ВИДЕ СКАПЛИВАЮЩИХСЯ ЧАСТИЦ
DEVICE FOR MIXING LIQUID SUBSTANCE AND SOLID SUBSTANCE IN FORM OF ACCUMULATED PARTICLES

Изобретением предложено устройство для перемешивания жидкого вещества и скапливающегося твердого вещества, применяемое при обработке содержащих частицы промышленных и городских сточных вод, которые необходимо гомогенизировать, и при очистке воды, предназначенной для потребления, или в промышленных процессах, требующих использования исключительно чистой воды.
В частности, изобретение находит свое применение для обработки текучей среды посредством флокуляции. Например, его можно применять к технологии Actiflo, которая представляет собой декантационную систему, в которой используют добавление в эфлюент микропеска и коагулирующего полимера для осуществления балластовой флокуляции, то есть наращивания хлопьев вокруг балласта, образованного частицами микропеска. Воду перемешивают при помощи лопастной мешалки для создания сцепления. Перед обработкой для снятия заряда с коллоидов можно добавить коагулянт, такой как хлорид железа.
Изобретение можно также применять для обработки осаждением промышленных сточных вод с целью сбора в виде кристаллов минерального вещества, такого как гипс или известняк. Для контроля гранулометрии желательно обеспечивать гомогенизацию текучей среды. На осаждении известняка основаны также процессы умягчения воды, целью которых является удаление из нее известняка, для специфического промышленного использования.
В этих системах применяют перемешивание для обеспечения гомогенизации. При этом необходимо, чтобы это перемешивание было совместимым с ростом агрегатов твердого вещества, причем несмотря на препятствия, образованные боковыми стенками бака, на которые наталкиваются агрегаты, если им сообщают скорость, содержащую значительную радиальную составляющую.
Для соблюдения этих условий можно выбрать лопастную мешалку, выполненную с возможностью создания напора в большей степени в продольном направлении, чем в радиальном. Кроме того, лопастную мешалку можно вставить в направляющую поток трубу, ось которой совмещена с осью лопастной мешалки. Направляющая труба позволяет перегородить бак между внутренним пространством направляющей трубы, где поток является нисходящим, и наружным пространством направляющей трубы, где поток является восходящим. Радиальная составляющая потоков значительно уменьшается, что обеспечивает равномерное скапливание агрегатов твердого вещества, которые не наталкиваются на боковые стенки.
Так, оптимизированная версия технологии Actiflo, называемая Turbomix, основана на едином баке, содержащем направляющую трубу, мешалку внутри направляющей трубы и крестовину, противодействующую вращению потока, выходящего из направляющей трубы, что позволяет уменьшить размер установок, обеспечивает экономию энергии и облегчает переработку хлопьев. Она описана в документе WO 2005/065832.
В различных ситуациях перемешивания вышеупомянутых жидкого вещества и скапливающегося твердого вещества, чтобы улучшить существующие технологии, можно внести усовершенствование, состоящее в максимальном устранении остаточных эффектов сдвига в известных процессах. Эти сдвиги, которые не учитываются в известных решениях, приводят к разрушению хлопьев или кристаллов, то есть мешают нормальному развитию процесса их роста. В частности, в некоторых конфигурациях возникают завихрения, которые бесполезно рассеивают энергию и одновременно приводят к появлению сдвигов в баке.
Задачей изобретения является усовершенствование известных технических решений.
Для решения этой задачи настоящим изобретением предлагается устройство перемешивания жидкого вещества и твердого вещества в виде скапливающихся частиц, содержащее бак, в котором расположена лопастная мешалка, вращающаяся вокруг оси, при этом, в случае необходимости, мешалку оборудуют направляющей поток трубой, при этом бак дополнительно содержит статическое препятствие, в основном центрованное вокруг упомянутой оси, в продолжении мешалки, отличающееся тем, что статическое препятствие имеет наружный поперечный размер, который увеличивается по мере удаления от мешалки параллельно упомянутой оси, с наклоном относительно этой оси, который является постоянным или увеличивается.
Под наружным поперечным размером в данном случае следует понимать размер от одной стороны наружной поверхности к другой в осевом разрезе (диаметр в случае формы тела вращения), а не расстояние до оси от той или иной точки этой поверхности (радиус в вышеуказанном случае формы тела вращения).
Это устройство обеспечивает эффективную гомогенизацию смеси при низком потреблении энергии и снижение эффектов сдвига, наблюдаемых в известных устройствах. Твердые частицы следуют по U-образным траекториям с умеренной кривизной и быстро поднимаются вдоль боковых стенок бака, а не остаются в виде осадка в продолжении мешалки. Частицы твердого вещества быстро накапливаются, и скорость перемешивания можно уменьшить.
Использование статического препятствия в продолжении мешалки в сочетании с применением направляющей поток трубы известно из документа KR 2006/0114644, в котором описано устройство моментального растворения, включающее в себя нижнюю мешалку за пределами направляющей трубы в сочетании с расширением направляющей трубы в ее нижнем устье, что способствует созданию случайных движений, необходимых для быстрого растворения вводимых твердых веществ; действительно, понятно, что, поскольку нижнее устье направляющей поток трубы расширено, то только часть нисходящего потока попадает на эту нижнюю мешалку, тогда как другая часть этого потока циркулирует горизонтально на выходе трубы, что приводит к завихрениям, способствующим растворению, когда эти две части сталкиваются друг с другом: небольшой элемент, установленный в продолжении оси, способствует направлению потока. Необходимо отметить, что, поскольку данный документ касается устройства для быстрого растворения, его элементы выполнены с возможностью создания мощных завихрений, способствующих растворению, что идет в разрез с изобретением, целью которого, наоборот, является сохранение твердого вещества в стадии роста.
Кроме того, из документа US 6345810 известно аэрационное устройство, содержащее мешалку, в продолжении которой расположен купол, в центре которого проходит канал нагнетания воздуха; мешалка, двигатель которой препятствует вертикальному потоку вдоль оси в нижнем направлении, предназначена для бокового перемешивания жидкости, способствуя разбиванию воздушных пузырьков, чтобы оптимизировать эффект аэрации. Поскольку целью устройства, согласно этому документу, является разбивание поступающих воздушных пузырьков, его элементы не совместимы с устройством, предназначенным для предохранения скапливающегося твердого вещества.
Согласно предпочтительным отличительным признакам, форму и/или размеры и/или расположение мешалки и статического препятствия выбирают в зависимости друг от друга.
Так, предпочтительно мешалка и/или направляющая поток труба, если она существует, накрывают сверху статическое препятствие; иначе говоря, поскольку поток практически направлен вниз, мешалка и/или направляющая труба доходят, по крайней мере, приблизительно своей самой нижней частью до уровня самой верхней части статического препятствия; накрывающий эффект мешалки и/или направляющей трубы связан с тем, что их соответствующие нижние части практически расположены на расстоянии от оси, тогда как самая верхняя часть статического препятствия находится в центральной конфигурации.
Предпочтительно статическое препятствие и мешалка удалены, по меньшей мере, в одной точке (осевой плоскости) в продольном направлении на расстояние, меньшее продольного размера мешалки. Этот отличительный признак гарантирует минимизацию противоточных составляющих скорости на уровне оси между мешалкой и статическим препятствием и оптимизирует синергию между мешалкой и статическим препятствием для обеспечения непрерывного перехода траекторий нисходящего потока.
Согласно другому предпочтительному отличительному признаку изобретения, максимальное значение наружного поперечного размера статического препятствия, по меньшей мере, равно максимальному поперечному размеру мешалки и/или направляющей поток трубы при ее наличии. Это гарантирует, что весь поток, проходящий через мешалку или через направляющую трубу, попадает на препятствие и постепенно направляется по плавным U-образным траекториям.
Согласно еще одному предпочтительному отличительному признаку изобретения, осевой размер статического препятствия не превышает половины максимального значения упомянутого наружного поперечного размера и даже не превышает трети этого значения. Это гарантирует, что препятствие обеспечивает направление потока вплоть до сообщения ему значительной радиальной составляющей.
Согласно другому предпочтительному отличительному признаку изобретения, в любой плоскости, проходящей через ось, наружная поверхность статического препятствия имеет средний наклон не менее 45° относительно этой оси; это способствует вышеупомянутым эффектам; фактически, если статическое препятствие имеет верхнюю часть небольшого сечения в виде вершины, которая, в случае необходимости, может быть скруглена, то вышеуказанный предыдущий отличительный признак тоже оказывается практически реализованным.
Согласно еще одному предпочтительному отличительному признаку изобретения, наружная поверхность статического препятствия сопрягается с дном бака, по меньшей мере, приблизительно по касательной под углом, не превышающим 15°. Это способствует оптимизации синергии между статическим препятствием и стенкой, на которой оно закреплено, на практике дном бака при направлении потока по U-образным траекториям.
В исключительно простой конфигурации с точки зрения геометрии наклон наружной поверхности статического препятствия может быть постоянным от вершины препятствия до стенки, на которой закреплено это препятствие; вместе с тем, согласно другому предпочтительному признаку, наружная поверхность статического препятствия содержит, по меньшей мере, одну зону, которая в осевой плоскости изогнута с вогнутостью, направленной противоположно оси. Действительно, понятно, что чем больше изогнута наружная поверхность статического препятствия, тем больше проявляется эффект направления и сопровождения потока.
Согласно предпочтительному отличительному признаку, радиус кривизны статического препятствия, называемый первым радиусом кривизны, измеренный в плоскости, содержащей ось, находится в пределах между одной четвертой опорного поперечного размера бака и 1,5 упомянутого опорного поперечного размера бака. Под опорным поперечным размером бака следует понимать поперечный размер объема бака, в котором мешалка оказывает свое влияние; на практике из соображений минимизации габаритов речь идет о минимальном поперечном размере бака, например о размере одной стороны дна этого бака, если оно является прямоугольным или квадратным. Этот отличительный признак, касающийся точного определения размеров статического препятствия в зависимости от размеров основания бака, позволяет минимизировать противоточные составляющие скорости в продолжении оси мешалки, что позволяет частицам твердого вещества скапливаться быстрее, а пользователю устройства - уменьшить скорость перемешивания.
Согласно предпочтительному отличительному признаку изобретения, изогнутость наружной поверхности получают за счет того, что наружная поверхность статического препятствия содержит осевую последовательность участков постоянных наклонов, причем эти наклоны увеличиваются (по отношению к оси) от одного участка к другому по мере удаления от мешалки. Такая конфигурация имеет преимущества с точки зрения изготовления.
Согласно другому предпочтительному отличительному признаку, статическое препятствие имеет в основном правильную форму вокруг оси, например форму тела вращения. Это способствует достижению хорошей осевой симметрии изогнутости траекторий различных частей нисходящего потока. В частности, в таком случае статическое препятствие содержит вдоль своей наружной поверхности, по меньшей мере, две нервюры. Они удаляются от центрального участка статического препятствия в радиальном направлении и даже одновременно в радиальном и окружном направлениях. Предпочтительно выполняют одну нервюру на каждый угол основания бака, при этом каждый угол находится в продолжении нервюры, что позволяет уменьшить явления сдвига за счет наилучшего использования пространства бака. Можно также выполнить нервюры в количестве, превышающем число углов основания бака.
Согласно другому возможному варианту выполнения наружной поверхности статического препятствия, эта наружная поверхность имеет форму пирамиды, образованной окружной последовательностью граней, разделенных ребрами. Следует напомнить, что понятие пирамиды предполагает наличие граней плоских или искривленных в любом количестве, которое может быть равным 4 и даже меньшим (3 грани) или большим (часто четным числом, таким как 6 или 8). Понятно, что такая конфигурация в определенной степени облегчает изготовление. Если грани являются изогнутыми, то они предпочтительно образованы участками цилиндра в математическом смысле этого термина, то есть участками поверхности, образованной перемещением прямой линии (параллельной дну бака) вдоль образующей (в данном случае практически расположенной в плоскости, содержащей ось). Такая конфигурация одновременно упрощает изготовление и способствует хорошему направлению потока.
Предпочтительно, по меньшей мере, в продолжении ребер дно содержит нервюры, удаляющиеся в поперечном направлении от оси. Понятно, что эти нервюры, если они неподвижно соединены со статическим препятствием, могут способствовать хорошему креплению статического препятствия на дне бака; кроме того, если эти нервюры доходят до углов этого дна, понятно, что эти нервюры способствуют также хорошему удержанию в положении статического препятствия по отношению к углам этого дна.
Предпочтительно лопасти выполнены закрученными, то есть их наклон относительно оси меняется от оси к концам этих лопастей, например, в сторону увеличения. Согласно альтернативному варианту, лопасти согнуты, то есть содержат разделенные линией сгиба, в основном отстоящей от оси (но не обязательно компланарной с этой осью), два участка, передний и задний, постоянных наклонов относительно оси.
Независимо от формы лопастей, предпочтительно они имеют, по меньшей мере, на своих концах угол атаки, составляющий от 35° до 55° относительно оси; этот угол атаки является углом наклона лопастей рядом с их кромкой атаки, то есть рядом с их верхними краями. Это способствует хорошему осевому увлечению потока.
Согласно другому предпочтительному отличительному признаку изобретения, максимальное значение наружного поперечного размера статического препятствия составляет, по меньшей мере, одну треть от наименьшего поперечного размера дна, на котором закреплено это статическое препятствие (речь идет о порядке величины таким образом, что это условие включает в себя, в частности, значение около 30%). Это гарантирует эффект направления потока на существенной части поверхности этого дна.
Согласно еще одному предпочтительному отличительному признаку изобретения, направляющая поток труба действительно присутствует, то есть мешалка, по меньшей мере, частично (и даже полностью) вставлена в направляющую трубу. Если мешалка вставлена в направляющую поток трубу только частично, то, согласно предпочтительному признаку, она выступает из устья направляющей трубы на менее чем на 5% и не более чем на 60% от своего размера, измеренного параллельно оси, и предпочтительно не менее 15% и не более 45%. Этот отличительный признак позволяет ограничить сдвиг, связанный со столкновением стенок направляющей трубы с радиальной составляющей создаваемых лопастями потоков, которая существует, даже если мешалка выполнена с особой тщательностью.
Согласно еще одному предпочтительному отличительному признаку, в плоскости, содержащей ось, внутренняя поверхность лопастей имеет проекцию, параллельную наружной поверхности статического препятствия. Этот признак позволяет ограничить явления сдвига в пространстве между препятствием и лопастями. Предпочтительно его применяют на максимально возможном расстоянии.
Согласно другому предпочтительному отличительному признаку, в плоскости, содержащей ось, наружная поверхность лопастей имеет круглую проекцию, радиус кривизны которой, называемый вторым радиусом кривизны, находится в пределах от одной восьмой опорного поперечного размера бака до половины упомянутого опорного поперечного размера бака.
Этот отличительный признак, касающийся определения размеров лопастей во взаимосвязи с размерами основания бака, в основном позволяет ограничить явления сдвига на конце лопастей.
Согласно еще одному предпочтительному отличительному признаку, в плоскости, содержащей ось, наружная поверхность лопастей имеет круглую проекцию, радиус кривизны которой, называемый вторым радиусом кривизны, находится в пределах от половины радиуса кривизны, называемого первым радиусом кривизны, наружной поверхности статического препятствия, до двукратного упомянутого радиуса кривизны, называемого первым радиусом кривизны, наружной поверхности статического препятствия.
Этот отличительный признак, касающийся определения размеров лопастей во взаимосвязи с размерами статического препятствия, в основном позволяет ограничить явления сдвига и образование завихрений.
Объектом изобретения является также способ перемешивания жидкого вещества и твердого вещества в виде скапливающихся частиц внутри бака, согласно которому при помощи лопастной мешалки, вращающейся вокруг оси, при этом, в случае необходимости, мешалка оснащена направляющей поток трубой, оба вещества перемешивают и направляют вдоль этой оси в сторону статического препятствия, в основном центрованного вокруг упомянутой оси, в продолжении мешалки, отличающийся тем, что этим перемешиваемым веществам сообщают траектории в основном U-образной формы при помощи этого статического препятствия, причем это статическое препятствие имеет поперечный наружный размер, который увеличивается по мере удаления от мешалки параллельно упомянутой оси, с наклоном относительно этой оси, который является постоянным или увеличивается.
Объектом изобретения является также способ определения размеров системы, образованной баком перемешивания, мешалкой и статическим препятствием, установленным в баке.
Далее следует описание изобретения со ссылками на прилагаемые фигуры чертежей, на которых:
Фиг. 1 изображает мешалку, обычно используемую в устройствах перемешивания.
Фиг. 2 - гидравлические потоки в баках согласно известным техническим решениям.
Фиг. 3 - изменения скорости, измеряемые в точке бака, показанного на фиг. 2.
Фиг. 4 - зоны низкого давления в баке согласно известным техническим решениям.
Фиг. 5 и 6 изображают  два статических препятствия, которые можно использовать в соответствии с изобретением, на дне бака.
Фиг. 7 и 8 - первый вариант осуществления изобретения.
Фиг. 9 и 10 - вариант выполнения используемого статического препятствия на дне бака в первом варианте осуществления изобретения.
Фиг. 11 и 12 - мешалку, используемую в первом варианте осуществления изобретения.
Фиг. 13 изображает скорости потока в баке, где применено изобретение.
Фиг. 14 - зоны низкого давления в баке в соответствии с изобретением.
Фиг. 15 - вид в изометрии второго варианта выполнения устройства в соответствии с изобретением.
Фиг. 16 - вид сбоку этого варианта.
Фиг. 17 - вид в изометрии статического препятствия с нервюрами в продолжении ребер.
На фиг. 1 показана мешалка 100, обычно применяемая в баке для перемешивания жидкого вещества и твердого вещества. Эта мешалка имеет ось 110, вокруг которой она приводится во вращение (например, при помощи не показанного двигателя), и лопасти 120, как правило, равномерно распределенные вокруг оси 110, форма и расположение которых, как правило, идентичные для всех лопастей, позволяют вращающейся мешалке действовать осевым напором 130 (называемый также продольным напором) на жидкость, в которую она погружена. Лопасти мешалки 100 выполнены в количестве не менее двух, при этом чем больше лопастей содержит мешалка, тем эффективнее работает устройство.
Как правило, такую мешалку помещают в направляющую поток трубу, которая представляет собой устройство, в основном образованное полым цилиндром, как правило, с круглым основанием, разделяющим внутреннюю зону, в которой проходит текучая среда под действием осевого напора 130, и наружную зону, в котором текучая среда в основном увлекается движением, параллельным осевому напору 130, но в противоположном направлении. Присутствие такой направляющей трубы позволяет уменьшить скорость вращения мешалки. Действительно, направляющая труба преобразует часть радиального напора, создаваемого мешалкой, в осевой напор.
На фиг. 2 показан бак 200 перемешивания, содержащий мешалку 100 и направляющую поток трубу 210. В данном случае лопасти 120 мешалки полностью находятся во внутреннем пространстве направляющей трубы 210. Оси направляющей трубы 210 и мешалки 100 находятся на одной линии. Бак 200 выполнен из бетона или представляет собой сооружение в системе гражданского строительства.
Как показано на фиг. 2, нижняя часть бака 200 в продолжении направляющей поток трубы 210 и мешалки 100 занята крестовиной, описанной в международной патентной заявке WO 2005/065832. Она состоит из двух прямоугольных стенок, перпендикулярных между собой и пересекающихся по прямой, параллельной их малой стороне и находящейся на половине длины их большой стороны. Эту крестовину располагают таким образом, чтобы прямая пересечения стенок находилась в продолжении общей оси направляющей трубы 210 и мешалки 100. Крестовина обозначена позицией 230.
На фиг. 2 бак 200 показан с векторами скорости содержащейся в нем движущейся текучей среды.
На фиг. 3 показано изменение во времени осевой скорости в зоне, обозначенной на фиг. 2 позицией 240. Эта зона находится внутри направляющей трубы 210 на высоте лопастей мешалки 100. На фиг. 3 показан большой разброс изменений этой скорости, что свидетельствует о бесполезном расходовании энергии и рисках сдвига твердых веществ, присутствующих в зоне 230.
В пространстве 250 между центром лопастей мешалки 100 и центральной осью крестовины 220 среднее направление циркуляции текучей среды ориентировано от крестовины 220 к мешалке 100 в отличие от циркуляции в остальной части внутреннего пространства направляющей трубы 210.
На фиг. 4 в пространстве бака 200 показаны изобарные поверхности статического давления, равного -100 Па относительно средней величины. На этой фигуре показано сплошное кольцо вокруг крестовины, а также завихрения в каждой из четырех четвертей пространства, образованных крестовиной 220, начиная от низа мешалки 100.
Эти оригинальные выводы открыли путь для усовершенствования существующих систем.
Кроме того, эти результаты моделирования были подтверждены посредством сравнения со значениями осевых скоростей, полученными экспериментальным путем, в зависимости от расстояния относительно оси (не показана).
Для мешалки 100 были испытаны разные винты. В частности, испытания были проведены на винтах с четырьмя и восемью лопастями, содержащими или не содержащими охватывающий лопасти наружный цилиндр, и для конфигурации с восемью лопастями, содержащими или не содержащими центральный купол. Эти различные винты были испытаны в баке 200, оборудованном направляющей поток трубой 210 и крестовиной 220, которую затем заменили либо восьмигранной пирамидой, показанной на фиг. 5, грани которой доходят до вершины, либо такой же пирамидой с восемью гранями, но с усеченной вершиной, как показано на фиг. 6. Грани (или стороны) пирамид в данном случае являются идентичными, что соответствует осевой симметрии, и могут быть либо плоскими, либо изогнутыми вверх и противоположно оси.
Таким образом, было выбрано статическое препятствие, имеющее в основном правильную форму вокруг оси, например форму тела вращения. Причем именно форма тела вращения позволяет добиться отличных результатов, в частности, избегать образования завихрений на уровне ребер, которые отмечались в случае форм, содержащих углы. Можно отметить, что в случае осевой симметрии в виде пирамиды тем больше приближаются к точной форме тела вращения, чем больше граней имеет пирамида.
На фиг. 7 и 8 представлен полный вариант осуществления изобретения. Он содержит в баке 200 мешалку 800 с восемью лопастями 820, равномерно распределенными вокруг оси вращения 810, приводимой в движение через верхнюю часть бака (привод не показан). Направляющая поток труба 210 идентична трубе, показанной на предыдущих фигурах, и лопасти 820 слегка выступают своими дистальными концами из нижней части направляющей трубы.
Присутствие направляющей трубы не является обязательным, но, как правило, мешалку проектируют с возможным использованием направляющей трубы для обеспечения развития в основном продольных потоков. При наличии нескольких мешалок, каждая из них предусмотрена для обеспечения развития в основном продольных потоков.
На дне бака 200 установлено статическое препятствие 830. Это статическое препятствие 830 имеет общую форму тела вращения с вершиной, направленной к мешалке, и с диаметром, увеличивающимся вдоль продольной оси по мере удаления от мешалки 800 (таким образом, это препятствие имеет круглое сечение в отличие от препятствий, показанных на фиг. 5 и 6). Максимальный диаметр статического устройства 830 находится на уровне контакта с дном бака 200. В данном случае это препятствие имеет форму не конуса или усеченного конуса, а форму, расширяющуюся в сторону, противоположную оси, с постоянной или не постоянной кривизной, обращенной наружу. Предпочтительно радиус кривизны препятствия 830 в плоскости, содержащей ось 810, является по существу постоянным на максимально большом расстоянии. Его выбирают в зависимости от размеров основания (или дна) бака 200 таким образом, чтобы свести к минимуму сдвиги на дне бака, то есть в зоне, в которой текучая среда и переносимые ею агрегаты должны следовать плавным траекториям в основном U-образной формы без потерь энергии или без сдвигов.
На фиг. 7 и 8 геометрия дна бака показана в виде квадратной формы, и высота бака примерно равна двойной высоте направляющей трубы. В представленном варианте выполнения направляющая поток труба 210 расположена на одинаковых расстояниях от дна и от верха бака. В других вариантах расположения лопасти мешалки могут выступать на одном или другом из концов или устьев направляющей трубы (и даже могут находиться за ее пределами). Диаметр мешалки (и соответствующей направляющей трубы при ее наличии) обычно составляет примерно одну треть от наименьшей ширины дна бака.
Геометрия статического устройства 830 более детально показана на фиг. 9, где представлен вид в плоскости, перпендикулярной к оси 810, и на фиг. 10, где представлен вид в плоскости, содержащей ось 810. Его вершина может быть заостренной или, наоборот, скругленной. Можно отметить скругленный конец 831, который в основном имеет сферическую форму.
Здесь же показаны четыре нервюры 832, выступающие от поверхности статического устройства 830 и проходящие по ней от промежуточного поперечного сечения до наружного поперечного сечения. Каждая из нервюр 832 начинается тангенциально к периметру промежуточного поперечного сечения. В отличие от остальной части статического устройства 830 эти нервюры не имеют геометрию вращения. Каждая из них представляет собой выступ с выступающим размером, параллельным продольной оси, и высота выступа является по существу постоянной по всей длине нервюры. Наконец, путь каждой нервюры 832 вдоль поверхности статического препятствия 830 является в поперечной плоскости, как показано на верхней части фиг. 9, слегка изогнутым относительно прямой линии в сторону одного из углов квадратного основания бака 200 (не показано). В данном случае высота каждой из нервюр 832 является по существу постоянной. Эти нервюры способствуют ослаблению составляющих вращения, сообщаемых мешалкой нисходящему потоку текучей среды.
На фиг. 11 показан пример точной геометрии лопастей 820 мешалки 800. Три вида одной и той же лопасти показаны в трех плоскостях, смещенных относительно друг друга на 90°. Ось 810 показана в трех проекциях. Лопасть 820 представляет собой тонкую пластину материала. За пределами ее соединения с осью 810 она ограничена тремя кромками, показанными на фиг. 11. Ее поверхность имеет наклон на соединении с осью 810 под углом А1 60° к поперечной плоскости, перпендикулярной к оси. На своем дистальном конце 822 (образованном единственной кромкой, которая не выходит на ось 810) лопасть 920 имеет наклон относительно поперечной плоскости, перпендикулярной к оси, под углом А2, равным только 45° (действительно, наклон А1 на соединении с осью предпочтительно больше наклона на уровне дистальных концов лопастей). Это изменение угла между осью 810 и дистальной частью 822 лопасти происходит с учетом закрученной формы лопасти, предусмотренной для создания продольного напора постоянной силы в зависимости от расстояния до оси. Можно отметить, что, поскольку в каждом сечении, параллельном оси, лопасти имеют постоянный наклон (который уменьшается по мере удаления от оси), этот наклон равен углу атаки, то есть наклону лопастей на уровне их кромки атаки (верхнего края).
Как правило, по меньшей мере, одна из лопастей выполнена закрученной, и предпочтительно все лопасти являются закрученными, например, одинаково. За счет этого уменьшаются сдвиги и завихрения.
Позицией D обозначена высота дистальной части 822 параллельно продольной оси. Как показано на фиг. 8, лопасти 820 выступают из нижнего устья направляющей трубы примерно на четверть высоты D.
На фиг. 12 в разрезе показаны статическое устройство 830 и проекция лопасти 820 в плоскости А-А', показанной на фиг. 11. Радиус кривизны R2 наружной поверхности проекции лопасти 820 является по существу постоянным. Его выбирают в зависимости от размеров основания бака таким образом, чтобы ограничивать явления сдвига на конце лопасти. В альтернативном варианте или в комбинации его выбирают в зависимости от размеров статического препятствия 830, чтобы ограничивать сдвиги и образование завихрений.
Внутренняя поверхность 823 проекции лопасти параллельна поверхности статического препятствия 830, причем обе эти кривые имеют постоянный радиус кривизны R1. Благодаря этой конфигурации, траектории текучей среды и переносимых ею агрегатов не встречают препятствий.
Параллельно оси 810 эти две кривые удалены друг от друга на расстояние D' в несколько десятков миллиметров. Его выбирают во взаимосвязи с размером мешалки параллельно оси 810, например, с высотой D, показанной на фиг. 11, таким образом, чтобы с учетом этого размера мешалки она не находилась слишком далеко от статического препятствия 830, что обеспечивает, таким образом, эффект синергии, существующий за счет взаимной адаптации их размеров и проявляющийся в отсутствии противоточного потока в продолжении оси мешалки.
На фиг. 13 показаны отличные результаты, полученные в результате применения статического устройства 830 и мешалки 800, расположенной в направляющей трубе 210 бака 200. На этой фигуре показаны векторы скоростей текучей среды и отмечается, что ее траектория в любой точке проходит тангенциально к встречаемым ею поверхностям.
На фиг. 14 показана изобарная поверхность текучей среды, показанной на фиг. 13, при значении давления, равном -100 Па. Отмечается, что эта изобарная поверхность присутствует только в направляющей трубе и над ней. По сравнению с ситуацией, показанной на фиг. 4, отмечается, в частности, исчезновение кольца, охватывающего статическое устройство, и завихрений, проходящих от мешалки в низ бака.
На фиг. 15-17 представлен другой вариант выполнения устройства перемешивания жидкого вещества и твердого вещества в виде скапливающихся частиц.
Элементы, аналогичные элементам из первого варианта выполнения, обозначены цифровыми позициями, отличающимися от позиций в первом варианте выполнения добавлением числа 100.
Так, это устройство содержит бак, оборудованный мешалкой 900 с лопастями 920 и статическим препятствием 930, расположенным в продолжении ее оси (на практике на более низком уровне, так как в представленных примерах поток, создаваемый мешалкой, направлен в сторону дна). Эта мешалка 900 может быть охвачена, как и в предыдущем варианте, направляющей поток трубой 210; вместе с тем можно отметить, что эта мешалка не выступает из направляющей трубы. Кроме того, можно отметить, что в данном случае направляющая труба показана с вертикальными стенками, которые выступают относительно ее наружной вертикальной поверхности (и которые способствуют нормальному линейному потоку вверх снаружи этой трубы).
Как и в предыдущем варианте, лопасти 920 имеют угол атаки, который, по меньшей мере, на концах примерно составляет 45° (в данном случае равен 43°). Однако в отличие от лопастей 820 эти лопасти 920 не закручены, а имеют линии сгиба поперечно к оси (которые однако не являются перпендикулярными и компланарными по отношению к этой оси), разделяющие плоские верхний (передний) и нижний (задний) участки, при этом верхняя часть (образующая угол атаки, в частности, на дистальном конце) имеет меньший наклон по отношению к оси, чем нижняя часть (которой эти лопасти закреплены на оси, в частности, на ступице 910А установки на оси).
В данном случае эти лопасти выполнены в количестве шести и в проекции в плоскости, поперечной к оси, перекрывают друг друга со степенью перекрывания порядка 110%, что обеспечивает хорошее увлечение потока.
Можно выбрать другое число лопастей, предпочтительно, но не обязательно четное, с углом атаки, предпочтительно составляющим от 35° до 55°.
Как и в предыдущем случае, мешалка (это же относится и к направляющей поток трубе) накрывает статическое препятствие, то есть самая нижняя часть лопастей (возле их дистальных концов) опускается в непосредственной близости от наиболее верхней части статического препятствия (его центральной части) и даже ниже (см. фиг. 16). Можно отметить, что в этом варианте выполнения статическое препятствие и мешалка тоже, по меньшей мере, в одной точке удалены в продольном направлении на расстояние, меньшее продольного размера мешалки.
Если статическое препятствие 830 имеет точную форму тела вращения вокруг оси, то статическое препятствие 930 имеет форму пирамиды с гранями, которые предпочтительно являются идентичными, что соответствует осевой симметрии. В частности, это препятствие 930 является пирамидой с четырьмя гранями 934, разделенными ребрами 936, поэтому его соединение с дном бака имеет квадратный контур. Вместе с тем, как и в предыдущем варианте, это препятствие имеет в осевом разрезе вогнутость, направленную вверх и противоположно оси; кроме того, как и в первом варианте выполнения, эта вогнутость является постоянной с радиусом кривизны, который является постоянным от вершины и практически до дна.
Предпочтительно грани пирамиды представляют собой участки цилиндра в математическом смысле этого термина, то есть они образованы прямой линией (горизонтальной, то есть перпендикулярной к оси), перемещающейся параллельно самой себе вдоль образующей (то есть линии наибольшего наклона в осевом разрезе). В варианте эти грани могут иметь двойную кривизну, например, вогнутую вверх и противоположно оси в осевом разрезе и выпуклую в поперечном разрезе; вместе с тем понятно, что представленная конфигурация является более простой в реализации, чем такая конфигурация с двойной кривизной.
Этот радиус кривизны статического препятствия в плоскости, содержащей ось, в данном случае тоже находится в пределах от четверти опорного поперечного размера бака до 1,5 упомянутого опорного поперечного размера бака.
Можно убедиться, что в данном случае тоже (см. фиг. 15) максимальное значение наружного поперечного размера статического препятствия (диагональ квадратного сечения вблизи дна), по меньшей мере, равно максимальному поперечному размеру мешалки и/или направляющей поток трубы при ее наличии; точно так же осевой размер статического препятствия (его высота) не превышает половины максимального значения упомянутого наружного поперечного размера (фактически в представленном примере этот осевой размер даже не превышает половины стороны 938 этого статического препятствия вблизи дна (см. фиг. 16)).
Как и в предыдущем случае, можно отметить, что в любой плоскости, проходящей через ось (см., в частности, фиг. 16), наружная поверхность статического препятствия имеет средний наклон не менее 45° по отношению к этой оси.
Точно так же в данном случае наружная поверхность статического препятствия сопрягается с дном бака тоже, по меньшей мере, приблизительно тангенциально под углом, в данном случае не превышающим 15° (угол сопряжения с дном в данном случае по существу меньше, чем для препятствия 830).
В не показанном варианте форму, изогнутую вверх и противоположно оси, можно приблизительно получить при помощи осевой последовательности участков постоянных наклонов, причем эти наклоны увеличиваются от одного участка к другому по мере удаления от мешалки.
По аналогии с препятствием 830 статическое препятствие может содержать нервюры вдоль своей наружной поверхности.
Вместе с тем, предпочтительно можно отказаться от таких нервюр на наружной поверхности препятствия в случае такой пирамиды, образованной окружной последовательностью граней, разделенных ребрами, и расположить их вдоль поверхности дна бака. Предпочтительно такие нервюры 932 расположены в продолжении, по меньшей мере, некоторых ребер пирамиды, предпочтительно в продолжении каждого из этих ребер (с возможной кривизной при удалении от этого препятствия). Предпочтительно эти нервюры закреплены на статическом препятствии.
Эти нервюры могут проходить от углов статического препятствия до углов дна бака, что облегчает позиционирование этого препятствия относительно дна. Кроме того, эти нервюры могут быть закреплены одновременно на статическом препятствии и на дне бака, что позволяет усилить крепление этого препятствия на дне бака.
Например, для бака с квадратным дном со стороной 2 м и высотой 2 м статическое препятствие имеет квадратное основание со стороной 1 м вдоль дна и с высотой 35 см (отсюда можно вывести предполагаемый постоянный радиус кривизны).
Изобретение можно применять без направляющей поток трубы в баке с основанием, размеры которого являются большими по отношению к лопастям мешалки, или с лопастной мешалкой, выполненной с возможностью создания напора, продольная составляющая которого является существенно большей, чем радиальная составляющая.
Представленный выше вариант выполнения использует бак 200 с квадратным основанием. Вместе с тем, если основание бака 200 является круглым, то опорный поперечный размер, используемый для определения размеров мешалки 800 или 900 и статического препятствия 830 или 930, является диаметром основания бака. Если основание бака является прямоугольником, то этим опорным размером является его малая сторона. Если основание бака является многоугольником, то предпочтение отдается его гидравлическому диаметру.
Изобретение не ограничивается представленными вариантами осуществления и охватывает все версии, доступные специалисту в данной области в рамках формулы изобретения; в частности отличительные признаки двух описанных вариантов выполнения можно комбинировать.