Аппарат для перемешивания жидких сред

Предлагаемая конструкция относится к аппаратам с механическим смесителем жидких сред: гомогенных и гетерогенных растворов, суспензий и эмульсий, реакционных масс, обладающих ньютоновскими и неньютоновскими свойствами структурой, и может найти применение в химической, нефтехимической, микробиологической, фармацевтической, медицинской, горноперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки промышленных и коммунальных сточных вод.
Известны конструкции аппаратов, включающие цилиндрический корпус и осесимметрично установленным в нем валом с быстроходной мешалкой, вращающихся от привода на боковых стенках корпуса быстроходных мешалок: турбинных или пропеллерных устанавливают от 2 до 6 отражательных перегородок. Перегородки могут быть установлены у самой стенки аппарата, либо на некотором расстоянии от нее, а также иметь высоту равную или меньшую уровня жидкости  [Ф. Стренк. Перемешивание и аппараты с мешалками. - Л.: Химия, 1975. - стр. 45-47].
Недостатком известных конструкций отражательных перегородок в аппаратах с быстроходными мешалками является образование значительных по объему застойных зон за отражательными перегородками, где перемешивание происходит очень  медленно. Это требует увеличение общего времени перемешивания и как следствие снижает производительность.
Известна конструкция аппарата для механического перемешивания жидкостей, содержащего вертикальный цилиндрический корпус с плоским или выпуклым днищем, несколько отражательных перегородок и одну или несколько быстроходных мешалок, закрепленных на валу привода. [К.П. Гапонов. Процессы и аппараты микробиологических производств. – М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981, с. 65, 70, 73].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится образование застойных зон за каждой отражательной перегородкой, где перемешивание происходит медленно. Это требует увеличения времени перемешивания и как следствие снижает производительность.
Известна конструкция аппарата для перемешивания жидких сред, содержащего вертикальный цилиндрический корпус с плоским днищем, отражательные перегородки и быстроходные мешалки, закрепленные на валу привода и имеющие центральное расположение относительно оси аппарата, причем отражательные перегородки прикреплены к корпусу аппарата вертикальными пластинами, выполненными из материала, обладающего эффектом памяти [Патент №191654 РФ, «Аппарат для перемешивания жидких сред», 2019 г.].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится  увеличение времени выхода работы аппарата на номинальный режим работы, что приводит к снижению времени основной работы, затрачиваемого на перемешивание, и в целом снижает производительность аппарата.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип по совокупности признаков, является аппарат для перемешивания жидких сред, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с днищем, несколько отражающих перегородок и мешалку, осесимметрично закрепленную на валу привода относительно корпуса, каждая отражательная перегородка выполнена в виде ленты из эластичного материала, концы которой закреплены на катушках, радиально прикрепленных к боковой стенке корпуса, причем катушки, на которых закреплены концы одной ленты, расположены друг от друга на расстоянии, подчиняющемся соотношению:
где H - расстояние между катушками, на которых закреплены концы одной ленты, м;
l - длина ленты из эластичного материала в нерастянутом состоянии, м;
3
ρ - плотность эластичного материала ленты, кг/м;
2
E - модуль растяжения эластичного материала, Н/м;
n - число лопастей мешалки;
-1
ω - угловая скорость вращения вала, с[Патент РФ №167218 «Аппарат для перемешивания жидких сред», 2016 г.].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится образование застойных зон за счет микроперемешивания и снижения эффективной вязкости жидкости при вибрации, что приводит к снижению производительности работы аппарата.
Техническим результатом предлагаемой конструкции аппарата для перемешивания жидких сред является увеличение производительности.
Поставленный технический результат достигается тем, что   аппарат для механического перемешивания жидкостей, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с днищем, мешалку, осесимметрично закрепленную на валу привода относительно корпуса, к боковой стенке которого радиально прикреплены катушки с закрепленными на них концами отражательных перегородок, причем отражательные перегородки представляют собой параллельно натянутые струны, сила натяжения F которых определяется выражением:
,                                             (1)
где π – число Архимеда;
3
ρ – плотность материала струн, кг/м;
N – число струн в каждой отражательной перегородке;
ω – частота вращения, об/сек;
n – число лопастей мешалки;
l – длина каждой струны, м;
d – диаметр каждой струны, м.
Выполнение отражательных перегородок в виде параллельно натянутых струн позволяет перемешиваемой жидкости при ее вращении около отражательной перегородки протекать между струнами, что практически исключает образование  застойных зон за отражательными перегородками, так как вовлекаются в перемешивание слои жидкости, находящиеся за отражательными перегородками, увеличивая эффективность перемешивания, что снижает затраты времени и увеличивает тем самым производительность.
Натяжение струн на каждой отражательной перегородке с силой, определяемой выражением (1), заставляет струны вибрировать в резонансном режиме с большой амплитудой, что интенсифицирует процесс микроперемешивания слоев жидкости вблизи отражательных перегородок, интенсифицирует сам процесс смешения, ускоряя его, а значит, снижает само время перемешивания, что способствует росту производительности.
Частоту вынужденных колебаний потока перемешиваемой среды об отражательную перегородку можно описать уравнением:
,                                            (2)
а частота вынужденных поперечных колебаний струны описывается уравнением (3) [Элементарный учебник физику / под редакцией академика Г.С. Лансберга, том II. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. Издание десятое, переработанное. – М.: Наука, 1986, с.127].
,                                           (3)
где f – сила натяжения одной струны.
Так как общая сила натяжения всех струн на катушках определяется в виде:
,                                                  (4)
то, приравнивая правые части уравнений (2) и (3) с учетом выражения (4) получаем уравнение (1) для силы натяжения F всех струн на катушках, обеспечивающей равенство вынужденной и собственной частот поперечных колебаний  струн с большой амплитудой в резонансном режиме.
На чертеже представлен общий вид предлагаемой конструкции аппарата для перемешивания жидких сред.
Аппарат состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1 с днищем 2, мешалки 3, осесимметрично закрепленную на валу 4 привода 5 относительно корпуса 1, к боковой стенке которого радиально прикреплены катушки 6 с закрепленными на них концами отражательных перегородок, представляющих собой параллельно натянутые струны 7, а сам привод 5 установлен на крышке 8 корпуса 1. Концы  струн 7 закреплены на верхней и нижней катушках 6, расположенных друг от друга на расстоянии l,составляющем длину струн 7. Каждая катушка 6 представляет собой горизонтальный цилиндр, верхняя катушка 6 снабжена шестигранной головкой для вращения динамическим ключом, позволяющей регулировать натяжения струн 7 на катушках 6 с силой F, рассчитанной по выражению (1).
Подготовка аппарата к работе осуществляется следующим образом. При открытой крышке 8 концы струн 7 закрепляются параллельно друг другу на нижней и верхней катушках 6.
Затем, закручивая динамическим ключом катушку 6, натягивают струны 7 с силой F, определяемой по выражению (1), приводя струны 7 в напряженное состояние.
в
После натяжения струн 7 с необходимой силой F на верхних катушках 6 крышку 8 закрывают, заполняют корпус 1 жидкостью, предназначенной для перемешивания, включают привод 5, который передает вращение вала 4 к мешалке 3 с частотой вращения ω. Мешалка 3 создает окружающий поток перемешиваемой жидкости, при этом в момент прохождения каждой лопасти мешалки 3 вблизи отражательной перегородки происходит гидроудар жидкости по струнам 7, заставляющий вибрировать эти струны 7 с частотой, равной произведению числа лопастей n мешалки 3 и частотой вращения ω, создавая  вынужденную частоту колебаний ν (2).
в
Так как эта частота ν совпадает с собственной частотой колебаний каждой струны 7 определяемой выражением (3), то это совпадает с собственной и вынужденной частот колебаний, обеспечивая поперечные колебания струн 7 в резонансном режиме, интенсифицируя микросмешение за счет вихреобразования потока перемешиваемой жидкости вблизи отражательных перегородок. Это интенсифицирует общий процесс перемешивания, снижая затраты времени, что в общем приводит к увеличению производительности.
3
Пример расчета. Диаметр аппарата D=1,0 м; для двухлопастной мешалки 3 n=2, а ее ω=20 об/сек. Струны 7 выполнены из стальной проволоки плотностью ρ=8000 кг/м длиной l=1 м и толщиной d=0,5 мм. Число струн 7 в одной отражательной перегородке N=40.
Определяем общую силу натяжения всех сорока струн 7 в отражательной перегородке по уравнению (1):
Н,
то есть, динамическим ключом, закручивая 40 струн 3 на верхнюю катушку 8, надо создать усилие ≈ 40 кг.
Определим собственную частоту колебаний каждой струны 3 в отражательной перегородке.
Усилие натяжения f одной струны 7 согласно уравнению (4) составит:
Н или ≈1 кг.
Частота вынужденных колебаний согласно уравнению (2):
Гц,
а, частота собственных колебаний каждой струны 7:
Гц.
3
Получаем, что при натяжении всех 40 струн 7 длиной l=1 м и толщиной d=0,5 мм при плотности материала струн 7, выполненных из стальной проволоки ρ=8000 кг/м с общим усилием F=400 Н при частоте вращения мешалки 3 ω=20 об/сек  числе ее лопастей n=2 собственная частота колебаний каждой струны 7 совпадает с частотой, вынужденных колебаний равной 40 Гц, то есть каждая струна 7 будет совершать поперечные колебания с высокой амплитудой в резонансном режиме.
Таким образом, предлагаемая конструкция аппарата для перемешивания жидких сред позволяет перевести работу в резонансный режим с большой амплитудой отражательных перегородок, выполненных в виде натянутых струн, что уменьшает величину застойных зон за отражательными перегородками, приводит к снижению время перемешивания и способствует перемешиванию слоев жидкости, что в целом увеличивает качество перемешивания.