Константин Ефанов - Аппараты с перемешивающими устройствами

В случае гребного винта энергия, теряемая на закручивание снижает КПД винта. Для мешалки эта энергия не теряется, а должна быть эффективно распределена в перемешиваемом объеме так как вращательное движение необходимо для перемешивания, но должно быть ограничено во избежание образования воронки. Представим ниже вариант мешалки, позволяющий реализовать перемешивание без закручивания потока.

В существующих подходах к устранению закручивания используются отражательные перегородки, направляющие цилиндры и другие аналогичные решения. Отражательными перегородками можно изменить структуру потока увеличением осевой скорости. Соосный тандем работает в режиме осевого насоса и тем самым при отсутствии других компонент в скорости, осевой поток наиболее мощный. Для процессов перемешивания мешалками закручивание потока является следствием конструкции самой мешалки, ее лопастей, а именно распределением компонент скоростей, сообщаемых потоку лопастью. Следовательно, устранением причины закручивания в конструкции самого перемешивающего устройства, можно устранить закручивание потока как следствие. Результатом устранения закручивания является возможность проведения процесса

перемешивания в более интенсивном режиме, улучшение стабильности работы перемешивающего устройства за счет устранения гироскопического и реактивного моментов, повышение КПД механической части устройства.

Новый физический принцип и параметры процесса перемешивания.

Покажем влияние и возможность использования эмерджентного и синергетического эффектов на энергетические параметры процесса и характеристики устройства перемешивания.

Интенсивность процесса перемешивания мешалкой можно оценить временем пребывания и потребляемой мощностью. Параметр потребляемой мощности, затрачиваемой на перемешивание, непосредственно связан с параметром КПД устройства. КПД непосредственно для перемешивающего устройства характеризует его эффективность по передаче механической энергии потоку. По данным [1] КПД пропеллерной мешалки приблизительно составляет 0,61.

Производительность мешалки можно характеризовать насосным эффектом (радиальным и осевым) а также кратностью перемешивания (отношением насосного эффекта к объему аппарата).

Для лопастного устройства по теории идеального винта потеря КПД происходит при закручивании потока и трении на лопастях. Очевидно, что при устранении закручивания потока вырастет и КПД устройства. И также очевидно, что закручивание потока не является неизбежным при перемешивании в случае применения соосного тандема мешалок противоположного вращения. Для воздушных винтов отсутствие закручивания на выходе показано в работе. Для гребных винтов в работе показан более высокий КПД соосного тандема по сравнению с суммарным КПД двух

составляющих винтов по-отдельности. Осевой эффект (тяга) для перемешивающего устройства особенно важен в процессах перемешивания, в начале которых необходим подъем со дна аппарата твердых частиц. Осевая тяга соосного тандема авиационных винтов выше суммарной тяги двух составляющих винтов по-отдельности (синергетический эффект), что может быть применено для процессов перемешивания.

__

Двухрядные перемешивающие устройства можно условно разделить по критерию организации вращения взаимного вращения мешалок на два типа: мешалки с совпадающим направлением и с противоположным направлением вращения вокруг оси вала. Мешалки первого типа устанавливаются на одном валу, как правило сплошного сечения, вращаемым одним мотор-редуктором. Мешалки второго типа устанавливаются на коаксиальных валах (внутренний сплошного сечения, наружный полый). Привод коаксиальных валов может быть, как через планетарный редуктор от одного мотор-редуктора, так и от двух мотор-редукторов.

Конструкция с двумя мотор-редукторами позволяет организовать вращение мешалок в одинаковом или противоположном направлении, а также изменять скорость вращения одной

из мешалок тандема, не меняя скорость вращения другой.

Схема привода коаксиального вала с планетарным редуктором позволяет настроить взаимные параметры мешалок для работы в едином тандеме для получения наилучшей гидродинамической картины. В авиационной технике и судах основной акцент внимания смещен на само лопастное устройство, его КПД, эффективность, устранение закручивания потока на выходе для снижения гироскопических и реактивных моментов. В химических перемешивающих устройствах

внимание уделяется структуре перемешиваемого потока, и геометрия лопастей с другими параметрами мешалки оптимизируются для получения нужного «отклика» потока на выходе. Принципиальные отличия потока состоят в том, что внутри сосуда линии тока образуют про-

странственный замкнутый контур, а для гребных или воздушных винтов линии тока потока не замкнуты. Но эффективность одиночного винта или пропеллерной мешалки можно оценить по единым критериям потери КПД за счет закручивания потока на выходе с лопасти.

Применив подход из авиационной и судовой техники в конструировании перемешивающих устройств аппаратов, можно получить эмерджентный по процессу эффект за счет

нового подхода к организации потока в аппарате и повышения механических характеристик устройства за счет синергетического эффекта повышения КПД и осевой тяги (синергетический эффект относится к самому механическому устройству). Совместное прочтение винтов

и пропеллерных мешалок позволяет выполнять теория идеального винта (пропеллера), применяя которую можно описывать винты и мешалки как один вид устройств (с конструктивными отличиями) с учетом различий во внешних условиях. Новый подход в организации потока получится в результате организации направления потока лопастями второй мешалки с противоположным вращением. Особенностью является тонкая настройка взаимной работы мешалок по воздействию на жидкость. Параметры лопастей каждой мешалки тандема (такие как угол установки, угловая скорость) подбираются по параметрам потока на выходе после второй мешалки. Применение мешалок с различными параметрами лопастей в одном перемешивающем

устройстве не является новым решением для более простой конструкции перемешивающего устройства с мешалками на одном валу и с одним направлением вращения.

В существующих перемешивающих устройствах с приводом коаксиальных валов

от двух мотор-редукторов наглядно видно, что такого подхода нет, а коаксиальная конструкция необходима только для выполнения мешалками раздельных технологических операций. Для такой схемы можно применять совместно тихоходные рамные и быстроходные пропеллерные мешалки (отметим, что пропеллерные мешалки являются быстроходными, но рассматривать их только как быстроходные не в полной мере корректно). Мешалки в таких устройствах могут выполнять различные технологические функции процесса перемешивания. То есть, на таких устройствах нельзя применить авиационный и судовой подход в организации перемешиваемого потока в аппарате.