ЛОПАСТНАЯ МЕШАЛКА

Предлагаемая конструкция перемешивающего устройства жидкостей относится к механическим смесителям, особенно растворов, суспензий и эмульсий, и может найти применение в химической, нефтехимической, фармакологической, пищевой, лакокрасочной, строительной, металлургической, энергетической, машиностроительной и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах переработки жидких отходов при их смешении.
Известно устройство для перемешивания жидкостей, включающее вертикальный вращающийся вал и рабочий орган в виде шарнирно закрепленных на валу лопастей. Кроме того, рабочий орган снабжен рычагами, имеющими грузы на свободных концах, жестко соединенных с концами лопастей, и упругими элементами, связывающими рычаги с валом (Авт.св. СССР №1152639, B01F 7/18, 1985 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся сложности регулирования процесса перемешивания при изменении температуры жидкости, особенно в смесителях периодического действия, когда жидкость имеет в период загрузки невысокую температуру и разогревается в основной период смешения до больших температур, что может привести к поломке рабочего органа, рычагов или упругих элементов, а значит затратам времени на ремонт и снижению производительности.
Известна конструкция перемешивающего устройства, включающего корпус, вал с соединенными с ним двуплечными поперечными лопастями, при этом первые плечи, жестко закрепленные на валу, выполнены пустотелыми, внутри которых телескопически установлены вторые плечи, имеющие возможность свободного продольного перемещения (Описание полезной модели к патенту РФ №104089, B01F 7/18, 2011 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невозможность регулирования крутящего момента, передаваемого от привода через вал к лопастям мешалки при изменении температуры перемешиваемой в корпусе жидкости, особенно высоковязкой структурированной и неньютоновской, эффективная вязкость которых зависит от температуры и снижается с ее ростом. Это отрицательно сказывается на эффективности перемешивания, что требует увеличения времени пребывания жидкости в корпусе, а значит, приводит к снижению производительности.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является лопастная мешалка, состоящая из втулки, к цилиндрической поверхности которой под углом 90° к плоскости ее вращения приварены две плоские лопасти (Васильцов Э.А., Ушаков В.Г. Аппараты для перемешивания жидких сред: Справочное пособие. - Л.: Машиностроение, 1979, с. 46-47.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, является невозможность регулирования крутящего момента при изменении температуры перемешиваемой жидкости, особенно высоковязкой структурированной и неньютоновской, эффективная вязкость которой в значительной мере зависит от температуры. Это приводит к высоким моментам сопротивления при начале работы мешалки не холодной жидкости, когда ее эффективная вязкость наибольшая, что может вызвать поломку привода или самих лопастей мешалки. Это увеличивает затраты времени на ремонт и пуск лопастей мешалки в работу, снижает ее рабочее время перемешивания и в целом производительность.
Техническим результатом предлагаемой конструкции лопастной мешалки является повышение производительности.
Поставленный технический результат достигается тем, что в лопастной мешалке, состоящей из втулки, двух плоских лопастей, установленных под углом 90° к плоскости ее вращения, при этом каждая лопасть разъемным соединением присоединена к одному концу пластины, изогнутой под углом 90° в плоскости вращения мешалки, а другой конец лопасти прикреплен к втулке, причем лопасти выполнены из материала, обладающего эффектом памяти.
Установка между каждой лопастью и втулкой пластины изогнутой под углом 90° в плоскости вращения мешалки позволяет при невысоких температурах, когда эффективная вязкость высоковязких, структурированных и неньютоновских жидкостей наибольшая, обеспечивать вращение лопастной мешалки при минимальном сопротивлении, так как обе лопасти не оказывают никакого сопротивления вращению, то есть момент вращения минимальный. Это особенно важно в пусковой период, когда высоки силы инерции. Это позволяет работать мешалке без поломок привода и самих лопастей, что способствует повышению производительности.
Выполнение пластин, присоединенных одним концом к лопасти, а другим концом, прикрепленных к втулке, из материала, обладающего эффектом памяти, приводит к тому, что при повышенной температуре пластины распрямляются в радиальном направлении, обеспечивая эффективное перемешивание горячей жидкости в наибольшем объеме жидкости, ометываемого лопастями мешалки, так как при высокой температуре жидкости ее эффективная вязкость наименьшая, то и момент сопротивления незначителен, что предотвращает поломку привода и самих лопастей, увеличивает срок службы лопастной мешалки без остановок и ремонта, а значит, способствует росту производительности.
Соединение каждой лопасти мешалки с пластиной, выполненной из материала, обладающего эффектом памяти, разъемным соединением (болт, гайка, шайба) позволяет быстро снимать и устанавливать лопасти разных размеров в зависимости от свойств перемешиваемой среды без их поломок в результате перегрузок, а также поломок по той же причине привода. Это увеличивает время основной работы лопастной мешалки, а значит и ее производительность.
Таким образом, присоединение каждой лопасти разъемным соединением к одному концу пластины, изогнутой под углом 90° в плоскости вращения мешалки, и прикрепление другого конца пластин к втулке, а также выполнение пластин из материала, обладающего эффектом памяти, позволяет менять момент сопротивления лопастей в зависимости от температуры перемешиваемой жидкости, особенно высоковязких, структурированных и неньютоновских, эффективная вязкость которых в значительной степени зависит от температуры. Это снижает возможность поломки привода или самих лопастей в пусковой период, когда жидкость холодная и обладает наибольшей эффективной вязкостью и инерцией, позволяет регулировать объем жидкости, вовлекаемой в перемешивание при изменениях ее температуры, что позволяет достигать необходимого эффекта смешения при меньшем времени, а его экономика приводит к повышению производительности.
На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемой конструкции мешалки; на фиг. 2 - вид сверху перед началом работы при нормальной температуре; на фиг. 3 - вид сверху во время работы при перемешивании горячей жидкости.
Лопастная мешалка состоит из втулки 1, к цилиндрической поверхности которой под углом 90° к плоскости вращения мешалки установлены две лопасти 2. Каждая лопасть 2 присоединена к одному концу пластины 3, изогнутой под углом 90° в плоскости вращения мешалки, с помощью разъемных соединений 4. Другой конец каждой пластины 3 прикреплен к втулке 1. Особенностью конструкции является то, что каждая пластина 3 выполнена из материала, обладающего эффектом памяти.
Материалы с эффектом памяти формы известны и используются в узлах и деталях аппаратов и машин. Так сплав титана и никеля TiNi обладает такой памятью в интервале температур от 196°C до 120°C, сталь 12Х18Н10Е при 100°C (Физические эффекты в машиностроении: Справочник / В.А. Лукьянец, З.И. Алмазова, Н.П. Бурмистрова и др.; под общей редакции В.А. Лукьянца. - М.: Машиностроение. 1993, С. 149-152.).
н
н
н
к
к
к
н
Лопастная мешалка предлагаемой конструкции работает следующим образом. Жидкость загружают в корпус аппарата при нормальной температуре, например t=20°C, при этом пластины 3, выполненные из материала, обладающего эффектом памяти, например титаноникелевого сплава, изогнуты под углом 90° в плоскости вращения мешалки. Включают привод, который приводит во вращение вал с лопастной мешалкой. Так как холодная жидкость при t обладает наибольшей эффективной вязкостью (особенно это касается высоковязких, структурированных неньютоновских жидкостей), то момент сопротивления ее при вращении лопастной мешалки с учетом сил инерции в пусковой период будет наибольшим. Однако лопасти 2 вместе с пластинами 3 в этот период создают наименьшее сопротивление вращению, что предупреждает поломку привода и самих лопастей 2 с пластинами 3, что снижает затраты времени на ремонт, увеличивает время работы и производительности. При нагревании жидкости с начальной температуры t=20°C в корпусе до рабочей температуры, равной например t=100°C (нагревание проводится либо от рубашки, установленной на корпус, либо от змеевика, установленного внутри корпуса, или ТЭНа, или другого нагревательного устройства), жидкость уменьшает свою эффективную вязкость, при этом пластины 3, выполненные из материала, обладающего эффектом памяти, распрямляются в радиальном направлении, а вместе с ними такое же положение занимают лопасти 2, присоединенные к пластинам 3 разъемными соединениями 4. Такое радиальное положение лопастей 2 с пластинами 3 обладает наибольшим эффектом перемешивания, так объем жидкости, ометываемый лопастями 2 максимальный, что приводит к интенсификации самого процесса перемешивания, тепло- и массообменных и реакторных процессов в жидкости при рабочей температуре t, снижению необходимого времени пребывания жидкости в корпусе и в конечном итоге росту производительности. После снижения температуры с t до t и слива перемешанной жидкости из корпуса, пластины 3 восстанавливают первоначальную форму изогнутой под углом 90° в плоскости вращения мешалки, так они выполнены из материала, обладающего эффектом памяти.
Таким образом, присоединение каждой лопасти 2 разъемным соединением 4 к одному концу пластины 3, изогнутой под углом 90° в плоскости вращения мешалки, и прикрепление другого конца пластины 3 к втулке 1, а также выполнение пластины 3 из материала, обладающего эффектом памяти, позволяют значительно уменьшить пусковые моменты сопротивления лопастей 2 с пластинами 3 холодных жидкостей, обладающих наибольшей эффективной вязкостью, особенно высоковязких, структурированных и тиксотропных, что предотвращает поломку привода и самих лопастей, а при нагревании жидкостей и снижении их эффективной вязкости обеспечить за счет эффекта памяти пластин 3 их распрямление в радиальном направлении, что интенсифицирует процессы перемешивания, тепло- и массобмена и реакций в жидкости, снижает необходимое время перемешивания, а значит приводит к росту производительности.