ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ
ROTARY MIXER

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для смешения и получения однородных смесей на основе дисперсных систем твердое-твердое, жидкость - жидкость, газ - жидкость, твердое - жидкость, твердое - жидкое - газ, и может быть использовано в химической, пищевой, фармацевтической, строительной и других отраслях промышленности.
Известна конструкция центробежного смесителя, содержащего вертикальный цилиндрический корпус, приводной вал с ротором, выполненном в виде основания с прикрепленными к нему концентрично расположенными тремя полыми усеченными конусами, угол наклона образующих которых к основанию увеличивается от центральной части к периферии (патент RU №2132725, B01F 7/26, опубл. 10.07.1999). Недостатком этого устройства является низкая эффективность перемешивания смесей вследствие неконцентрированного распределения смеси в объеме устройства, а также потери энергии на преодоление сил трения между материалом и внутренними поверхностями конусов.
Известна конструкция центробежного смесителя, содержащего цилиндрический корпус, по окружности которого установлено шесть узких отражательных перегородок, жестко или подвижно закрепленных на внутренней поверхности корпуса, приводной вал с мешалками, криволинейные лопасти которых закреплены на ступице, соосно расположенной на приводном валу (патент RU №2379098, B01F 7/00, опубл. 20.01.2010). Недостатком этого смесителя является сложность изготовления конструкции и низкая интенсивность перемешивания, обусловленная достаточно низкой оптимальной скоростью вращения вала в пределах 4,24-5,18 об/с (254-310 об/мин), что требует увеличения длительности перемешивания смесей, а следовательно, и увеличения расхода энергии.
Наиболее близким к заявляемому смесителю является бегунковый центробежный смеситель (смесительные бегуны), содержащий цилиндрический корпус с основанием, приводной вал с закрепленными на нем двумя криволинейными лопастями (скребки) и двумя катками (Сапожников М.Я., Дроздов Н.Е. Справочник по оборудованию заводов строительных материалов. - М.: Стройиздат, 1970, с.28-30). Лопасти жестко закреплены на кронштейнах, расположенных перпендикулярно горизонтальной оси вращения катков. Одна из криволинейных лопастей предназначена для захвата перемешиваемого материала у внутренней поверхности цилиндрического корпуса и направления его под катки. Вторая криволинейная лопасть перемещает перемешиваемый материал от центра так же под катки. Такое расположение лопастей использовано в предлагаемой конструкции центробежного смесителя.
Основным недостатком известной конструкции является наличие двух катков, которые вместе с лопастями вращаются вокруг вертикальной оси со скоростью 18-180 об/мин, что требует при получении однородных смесей длительного перемешивания, а наличие катков не позволяет увеличить скорость вращения лопастей.
Задачей предполагаемого изобретения является упрощение конструкции центробежного смесителя, повышение интенсивности перемешивания и производительности смесителя при одновременном достижении высокого качества смеси.
Поставленная задача достигается тем, что центробежный смеситель, содержащий цилиндрический корпус с основанием, приводной вал с цапфой и закрепленными на ней криволинейными лопастями содержит две криволинейные отражательные лопасти, закрепленные симметрично на цапфе и обращенные выпуклой поверхностью по направлению вращения приводного вала и две криволинейные подрезающие лопасти, закрепленные симметрично на торцах кронштейна, осевая линия которого расположена перпендикулярно горизонтальной осевой линии расположения отражательных лопастей, а подрезающие лопасти образуют своей выпуклой поверхностью острый угол с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса смесителя, при этом ближняя к оси вращения кромка подрезающей лопасти и дальняя от оси вращения кромка отражательной лопасти совершает свое движение вокруг оси вращения по окружности с одинаковым радиусом.
Кроме того, поставленная задача достигается за счет резкого увеличения концентрации перемешиваемых компонентов в единице объема смесителя, что позволяет сконцентрировать энергию, вводимую в смеситель, в предельно малом объеме с высокой эффективностью. Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимым.
На фиг.1, фиг.1а и фиг.2 представлен пример реализации центробежного смесителя по предлагаемому изобретению. Центробежный смеситель содержит цилиндрический корпус 1 с основанием 2, приводной вал 3. закрепленный у основания в радиально-упорном подшипнике 4, а в верхней части в радиальном подшипнике 5, размещенном в крышке смесителя 6, которая содержит загрузочный люк или патрубок 7. В нижней части приводного вала 3 расположена соосно валу цапфа 8, к которой симметрично крепятся отражательные криволинейные лопасти 9 с минимальным (до 1 мм) зазором между лопастями и основанием 2 смесителя.
Перпендикулярно горизонтальной оси крепления отражательных лопастей к цапфе 8 жестко крепятся соосно кронштейн 10, к торцам которого с помощью болтов 11 крепятся подрезающие криволинейные лопасти 12 таким образом, чтобы дальняя от оси вращения кромка лопасти скользила по образующей цилиндрического корпуса, а выпуклая поверхность подрезающей лопасти образовывала с цилиндрическим корпусом смесителя острый угол, величина которого должна обеспечивать движение подрезанного слоя на выпуклую поверхность отражательной лопасти. Высота отражательных и подрезающих лопастей составляет 20% от высоты внутренней образующей цилиндрического корпуса. Привод вала с закрепленными на нем криволинейными лопастями осуществляется через соединительную муфту 13 от электродвигателя 14, снабженного частотным преобразователем 15 для плавного регулирования числа оборотов приводного вала 3. Разгрузка смесителя осуществляется через рычажно-клапанное устройство 16.
Для обеспечения устойчивой работы смесителя его основание 2 должно находиться в строго горизонтальной плоскости, а вся конструкция смесителя с помощью кронштейнов 17 крепится к массивной кольцеобразной плите 18 или к бетонному фундаменту 19.
Предлагаемая конструкция центробежного смесителя работает следующим образом. Компоненты смеси загружаются в смеситель через люк 7 и попадают в зону вращения лопастей. Скорость вращения приводного вала смесителя предопределяется видом перемешиваемой дисперсной системы, длиной и высотой отражательной и подрезающей лопастей и высотой слоя загруженного материала. Минимальное количество загружаемого материала соответствует толщине слоя, высота которого равна высоте отражательных лопастей, а максимальная толщина загружаемого слоя материала не должна превышать высоту отражательной лопасти более чем в 2-3 раза, так как при дальнейшем увеличении толщины слоя резко возрастают осевые нагрузки на приводной вал смесителя и уменьшается интенсивность смешения.
кин
ц/б
2
2
При попадании в зону вращения лопастей материал приобретает кинетическую энергию движения Е=mv/2 и под действием центробежной силы F=mv/r отбрасывается отражательными лопастями по касательной к стенке цилиндрического корпуса смесителя. Величины кинетической энергии и центробежной силы зависят от угловой скорости вращения приводного вала, линейной скорости движения крайней кромки v отражательной лопасти с радиусом r. Расчетные данные по взаимосвязи этих величин при радиусе цилиндрического корпуса R=0,5m и массе перемещаемого материала m=0,5 кг представлены в таблице на фиг.3. Эти данные характеризуют энергетическое воздействие на материал только отражательной лопасти и могут быть использованы при выборе скорости вращения приводного вала и определения длины отражательных лопастей. Из таблицы следует, что достаточно эффективного перемешивания смеси можно достичь при минимальной угловой скорости вращения приводного вала в пределах 150-300 об/мин и радиусе вращения кромки отражательной лопасти r=(0,6-0,7)R, а максимальная скорость вращения предопределяется прочностью крепления и жесткостью отражательных и подрезающих лопастей в конструкции смесителя.
Из отбрасываемого отражательными лопастями материала в нижней части стенки смесителя формируется более плотный кольцеобразный слой материала.
Однако наличие подрезающих лопастей не позволяет сформироваться этому слою по всей длине окружности цилиндрического корпуса. Подрезающие лопасти 12 при вращении приводного вала передней кромкой скользят по внутренней цилиндрической стенке корпуса и разрушают образующийся кольцеобразный слой материала и сообщают ему кинетическую энергию, под действием которой этот слой начинает двигаться по траектории, направленной на выпуклую поверхность отражательных лопастей, в центральную зону смесителя, из которой перемешиваемый материал вновь отбрасывается к цилиндрической стенке смесителя.
Таким образом, при вращении отражательных и подрезающих лопастей смесителя формируется два взаимонаправленных потока перемешиваемого материала, каждый из которых обладает значительным запасом кинетической энергии, которая затрачивается непосредственно на перемешивание и диспергирование материала.
Отличительной особенностью предлагаемой конструкции центробежного смесителя от известных является концентрация вводимой в смеситель энергии в предельно малом объеме перемешиваемой смеси. Объем, в котором происходит перемешивание компонентов смеси, можно представить в виде полого цилиндра с высотой образующей равной толщине слоя загруженного материала, средним радиусом цилиндра, равным (фиг.1), и толщиной стенки цилиндра, равной расстоянию между внутренними кромками 20 и 21 подрезающей и отражательной лопастей. Наиболее интенсивное перемешивание материала происходит при движении внутренних кромок 20 и 21 лопастей по радиусу R1.
Для более равномерного распределения поступающего в смеситель материала путем предварительного закручивания его в поток под действием центробежной силы и предотвращения попадания материала в область приводного вала, в предлагаемой конструкции смесителя предусмотрена дополнительная установка на приводной вал цапфы 23 с отражательными лопастями 24, горизонтальная ось которых расположена перпендикулярно горизонтальной оси основных отражательных лопастей 9. Цапфа 23 с лопастями устанавливается на приводном валу между основной цапфой 8 и верхней частью вала, закрепленного в подшипнике 5.
Концентрация энергетического воздействия на перемешиваемый материал в минимальном объеме позволяет резко интенсифицировать процесс смешения исходных компонентов смеси и реализовать не только периодический, но и непрерывный режим работы смесителя. Высокая интенсивность смешения позволяет получать однородные, качественные смеси в течение 1-5 мин, что предопределяет его широкое применение в пищевой, фармацевтической, химической отраслях промышленности и в промышленности строительных материалов.