СМЕСИТЕЛЬ

Предлагаемая конструкция смесителя относится к устройствам для механического перемешивания высоковязких, структурированных ньютоновских и неньютоновских жидкостей и может найти применение в химической, нефтехимической, фармакологической, машиностроительной, пищевой, металлургической, строительной индустрии, горноперерабатывающей и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах перемешивания высококонцентрированных суспензий, эмульсий и шламов.
Известен смеситель, содержащий 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, при этом ведомая полумуфта выполнена в виде цилиндрического патрубка, установленного осесимметрично с валом, а отношение внутреннего диаметра которого к диаметру вала составляет:
где D и d - соответственно внутренний диаметр патрубка и диаметр вала (патент на полезную модель РФ №109010, BO1F 7/16, 2011).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная интенсивность перемешивания высоковязких, структурированных и неньютоновский жидкостей при изменении их температуры во время перемешивания, так как с ростом температуры эффективная вязкость падает и крутящий момент, передаваемый этой жидкостью от вала к цилиндрическому патрубку снижается, что приводит к уменьшению скорости вращения тихоходной мешалки.
Известна конструкция смесителя, содержащий 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 с ведомой полумуфтой, выполненной в виде патрубка, который закреплен на лопастях тихоходной мешалки и установлен осесимметрично с валом, и ведущей полумуфты овальной формы, жестко закрепленной на валу, при этом отношение длины малой оси овала в отверстии патрубка к длине большой оси овала ведущей полумуфты составляет:
где L и l - соответственно длины малой оси овала в отверстии патрубка и большой оси овала ведущей полумуфты (патент на полезную модель РФ №119640, BO1F 7/16, 2012 г.)
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится ухудшение перемешивания высоковязких структурированных и неньютоновских жидкостей во всем объеме, так как при изменении температуры этих жидкостей во время перемешивания, изменяется число оборотов тихоходной мешалки, что не позволяет полность разрушить структуру, а изменение эффективной вязкости перемешиваемой жидкости изменяет крутящий момент, который передается от вала к тихоходной мешалке через гидромуфту.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип, относится смеситель, содержащий корпус, центральную быстроходную мешалку, закрепленную на валу привода, тихоходную мешалку, снабженную поплавком, выполненным в виде тора, жестко закрепленного в верхней ее части, и установленную соосно корпусу, и гидромуфту с ведомой полумуфтой, выполненной в виде патрубка с отверстием овальной формы, который закреплен на лопастях тихоходной мешалки и установлен осесимметрично с валом и ведущей полумуфтой овальной формы, жестко закрепленной на валу с отношением длины малой оси овала в отверстии патрубка к длине большой оси овала ведущей полумуфты, составляющем:
где L и l - соответственно длины малой оси овала в отверстии патрубка и большой оси овала ведущей полумуфты, при этом лопасти тихоходной мешалки выполнены в виде упругой пластины и имеют осесимметричный с валом поперечный разрез в нижней части (патент на полезную модель РФ №135535, МПК BO1F 7/18, 2013 г.)
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата относится зависимость крутящего момента, передаваемого от быстроходного вала к тихоходной мешалке через гидромуфту, от температуры перемешиваемой жидкости, так как она является одновременно рабочей жидкость в кольцевом зазоре между ведущей полумуфтой и патрубком ведомой полумуфты, что приводит к снижению эффективности перемешивания особенно при повышении температуры.
2
Известно, что в гидромуфтах крутящий момент, передаваемый рабочей жидкостью пропорционален ее вязкости, которая зависит от температуры. Так, если температура увеличится на 10°С, то вязкость воды, например уменьшается в 1,1-1,2 раза. Например вязкость воды при 50°С μ=0,519 СПз, а при 60°С μ=0,470 СПз (Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1976, с. 512), то есть на 14,4%. Для неньютоновских жидкостей, особенно вблизи температуры их деструкции и тиксотропного разжижжения это изменения вязкости может быть еще больше.
Существующие конструкции смесителей, описанные в аналогах и прототипе, не позволяют регулировать скорости вращения техоходной мешалки при изменениях вязкости перемешиваемой жидкости, связанной с изменением ее температуры.
Техническим результатом предлагаемой конструкции смесителя является обеспечение высокой эффективности перемешивания высоковязких, структурированных и неньютоновских жидкостей при изменениях температуры этих жидкостей в процессе смешения.
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, жестко закрепленным в верхней ее части, и установленную соосно корпусу, и гидромуфту с ведомой полумуфтой, выполненной в виде патрубка с отверстием овальной формы, который установлен осесимметрично с валом, и ведущей полумуфтой овальной формы, жестко закрепленной на валу с отношением длины малой оси овала в отверстии патрубка к длине большой оси овала ведущей полумуфты составляющим:
где L и l - соответственно длины малой оси овала в отверстии патрубка и большой оси овала ведущей полумуфты, при этом лопасти тихоходной мешалки выполнены в виде упругой пластины и имеют осесимметричный с валом поперечный разрез в нижней части, отличающийся тем, что смеситель дополнительно снабжен гильзой овальной формы, жестко закрепленной на лопастях тихоходной мешалки с помощью стержней, нижний торец которой закрыт днищем с отверстием диаметром, равным длине малой оси овала в отверстии патрубка ведомой полумуфты, выполненного из материала, обладающего эффектом памяти и установленного с возможностью его скольжения внутри гильзы.
Закрепление гильзы на лопастях тихоходной мешалки с помощью стержней обеспечивает жесткое непрерывное вращение тихоходной мешалки от ведомой полумуфты при колебаниях температуры перемешивания.
Установке днища с отверстием в торце гильзы обеспечивает опору патрубку ведомой полумуфты внутри гильзы и предотвращает ее проскальзывание вниз вдоль вала к быстроходной мешалке. Это также способствует устойчивой работе гидромуфты при всех изменениях температуры перемешиваемой среды и обеспечивает высокую эффективность перемешивания.
Наличие в днище отверстия с диаметром, равным длине малой оси L овала в отверстии патрубка ведомой полумуфты позволяет валу с ведущей полумуфтой свободно вращаться без взаимодействия с краями ведущей полумуфты овальной формы (так как d=L, a L согласно выражения (1) больше l), что обеспечивает устойчивую передачу крутящего момента гидромуфтой от вала к тихоходной мешалке и способствует эффективному перемешиванию жидкости при колебаниях ее температуры.
Выполнение патрубка ведомой полумуфты из материала, обладающего эффектом памяти позволяет при изменении температуры перемешиваемой жидкости изменять его высоту Н, от которой в прямой степени зависит крутящий момент передаваемый гидромуфтой к тихоходной мешалке. Так, при повышении температуры перемешиваемой жидкости ее эффективная вязкость уменьшается, а значит, снижается крутящий момент передаваемый гидромуфтой к тихоходной мешалке, что приводит к снижению ее числа оборотов и ухудшению качества перемешивания, однако, повышение температуры приводит к увеличению высоты Н патрубка ведомой полумуфты, так как она выполнена из материала, обладающего эффектом памяти, а, так как, передаваемый крутящий момент в гидромуфте растет с увеличением высоты Н патрубка ведомой полумуфты, то этот эффект нивелирует падение крутящего момента, связанного с уменьшением эффективной вязкости перемешиваемой жидкости при росте температуры, что позволяет обеспечить высокую эффективность перемешивания при изменении ее температуры.
Установка патрубка ведомой полумуфты со скольжением внутри гильзы позволяет свободно изменять ее высоту Н с изменением температуры, что обеспечивает устойчивую работу гидромуфты при передаче крутящего момента от вала к тихоходной мешалке при передаче крутящего момента при любых колебаниях температуры перемешиваемой жидкости с высокой и постоянной эффективностью перемешивания.
Таким образом, выполнение патрубка ведомой полумуфты из материала обладающего эффектом памяти и его установкой со скольжением внутри гильзы овальной формы, нижний торец которой закрыт днищем с отверстием диаметром, равным длине малой оси овала в отверстии патрубка ведомой полумуфты, и жесткое закрепление гильзы на лопастях тихоходной мешалки с помощью стержней позволяет поддерживать постоянную скорость вращения тихоходной мешалки при изменениях температуры перемешиваемых высоковязких структурированных ньютоновских и неньютоновских жидкостей, что обеспечивает высокую эффективность их перемешивания во всем объеме смесителя.
На фиг. 1 представлена схема предлагаемой конструкции смесителя в разрезе, на фиг. 2 - поперечный разрез А-А ведущей и ведомой полумуфт с гильзой и днищем, на фиг. 3 - вид I на вал, ведущую и ведомую полумуфту, гильзу и днище в разрезе в увеличенном масштабе, на фиг. 4 - вид гильзы и днища в разрезе.
Смеситель содержит пропеллерную или турбинную быстроходную мешалку 1 для центрального перемешивания, закрепленную на валу 2 привода (на фиг. не показан), и рамную или якорную тихоходную мешалку 3, установленную соосно корпусу 4 для периферийного перемешивания, к лопастям которой в верхней части прикреплен поплавок 5, выполненный, например, в виде пустотелого тора и выполняющий роль опоры тихоходной мешалки 3, и ведомая полумуфта, выполненная в виде патрубка 6, выполненного из материла обладающего эффектом памяти, установленного осесимметрично с валом 2 и имеющего отверстие овальной формы. В зоне установки патрубка 6 жестко закреплена ведущая полумуфта 7, внешняя поверхность которой имеет овальную форму, при этом длины малой оси овала в отверстии патрубка 6 и большой оси овала ведущей полумуфты 7 подчиняются условию (1). Лопасти тихоходной мешалки 3 выполнены в виде упругой пластины (например, стали, титана, полимера) и имеют в нижней части осесимметричный поперечный разрез 8.
Патрубок 6 ведомой полумуфты установлен с возможностью скольжения внутри гильзы 9 с отверстием овальной формы. Нижний торец гильзы 9 закрыт днищем 10, имеющем центральное отверстие диаметром d, равным длине малой оси овала L в отверстии патрубка ведомой полумуфты 6, а сама гильза 9 жестко закреплена на лопастях тихоходной мешалки стержнями 11.
Смеситель работает следующим образом.
1
2
1
2
2
Вал 2 с быстроходной мешалкой 1, создающей зону перемешивания в центральной части корпуса 4, вращается от привода с числом оборотов n. Крутящий момент от вала 2 к тихоходной мешалке 3, создающей зону перемешивания в периферийных (боковой и нижней) частях корпуса 4 и вращающейся с переменным числом оборотов n<n, передается через рабочий зазор между овальной поверхностью патрубка 6, выполненного из материала, обладающего эффектом памяти, и овальной поверхностью ведущей полумуфты 7. Так как этот зазор за один оборот вала 2 изменяется от минимума (показан на фиг. 2) до максимума, то пропорционально величине этого зазора меняется крутящий момент, передаваемый от гидромуфты к тихоходной мешалке 3 и заставляющий периодически изменять скорость вращения n тихоходной мешалки 3. Такое изменение скорости вращения n тихоходной мешалки 3 способствует разрушению структурных связей в высоковязких структурированных и неньютоновских жидкостях, уменьшает их эффективную вязкость и увеличивает интенсивность перемешивания.
Кроме того, выполнение лопастей тихоходной мешалки 3 в виде упругой пластины и осесимметричный поперечный разрез 8 этой пластины в нижней части заставляет вибрировать эти лопасти при их упругой деформации под действием переменной силы сопротивления перемешиваемой жидкости. Эти вибрации увеличивают амплитуду из-за поперечного разреза 8, так как лопасти тихоходной мешалки 3 в верхней части закреплены на поплавке 5 и стержнями 11 на патрубке 6, а значит, способствуют разрушению структуры и снижению эффективной вязкости жидкости во всем объеме смесителя.
2
При повышении температуры перемешиваемой жидкости ее эффективная вязкость уменьшается, а у неньютоновских структурированных жидкостей разрушается структура, еще больше уменьшающая эффективную вязкость. Так как рабочей жидкостью в гидромуфте является сама перемешиваемая жидкость, то уменьшение ее эффективной вязкости уменьшает крутящий момент, передаваемый гидромуфтой к тихоходной мешалке 3, что может привести к снижению числа ее оборотов n, а значит эффективности перемешивания. Однако повышение температуры перемешиваемой жидкости вызывает увеличение высоты Н патрубка 6 ведомой полумуфты, выполненного из материала, обладающего эффектом памяти. Увеличение высоты Н патрубка 6 ведомой полумуфты вызывает увеличение крутящего момента, передаваемого гидромуфтой от вала 2 к тихоходной мешалке 3, то есть снижение крутящего момента, связанного с уменьшением вязкости перемешиваемой жидкости при возрастании температуры нивелируется его повышением за счет увеличения высоты Н патрубка 6 ведомой полумуфты, что поддерживает высокую эффективность перемешивания при колебаниях температуры жидкости внутри корпуса 4 смесителя.
2
И наоборот, снижение температуры перемешиваемой жидкости внутри корпуса 4 смесителя приводит к увеличению ее эффективной вязкости и возрастанию крутящего момента, передаваемого гидромуфтой к тихоходной мешалке 3 и возможному росту ее числа оборотов n, что при колебаниях и вибрации лопастей тихоходной мешалки 3 может привести к их поломке или перегрузке привода с электродвигателем. Однако снижение температуры перемешиваемой жидкости приводит к уменьшению высоты Н патрубка 6 ведомой полумуфты, выполненного из материала, обладающего эффектом памяти. Это приводит к снижению крутящего момента передаваемого гидромуфтой к тихоходной мешалке 3, то есть нивелирует его увеличение от повышения эффективной вязкости при снижении температуры.
i
i
Например, титано-никелиевые сплавы TN, из которых могут быть изготовлены патрубки 6 ведомой полумуфты, обладают эффектом памяти в диапазоне температур (77-393)°К или (-169÷120)°С (Физические эффекты в машиностроении: Справочник / В.А. Лукьянец, З.И. Алмазова, Н.П. Бурмистрова и др.; Под общей редакцией В.А. Лукьянца. - М.: Машиностроение, 1993, - с. 149-152).
Таким образом, выполнение патрубка 6 ведомой полумуфты из материала, обладающего эффектом памяти, и установка ее с возможностью скольжения внутри гильзы 9 с отверстием овальной формы, нижний конец которой закрыт днищем 10 с отверстием диаметром d, равным длине L малой оси овала в отверстии патрубка 6 ведомой полумуфты, и жесткое закрепление самой гильзы 9 на лопастях тихоходной мешалки 3 с помощью стержней 11 позволяет обеспечить высокую эффективность перемешивания высоковязких, структурированных ньютоновских и неньютоновских жидкостей при изменениях температуры этих жидкостей в процессе смешения.