RU2543204C2 - Liquid mixing method - Google Patents
Liquid mixing method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2543204C2 RU2543204C2 RU2013121302/05A RU2013121302A RU2543204C2 RU 2543204 C2 RU2543204 C2 RU 2543204C2 RU 2013121302/05 A RU2013121302/05 A RU 2013121302/05A RU 2013121302 A RU2013121302 A RU 2013121302A RU 2543204 C2 RU2543204 C2 RU 2543204C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotor
- disk
- jets
- mixing
- disks
- Prior art date
Links
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 37
- 238000002156 mixing Methods 0.000 title claims abstract description 37
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims abstract description 20
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 15
- 230000010349 pulsation Effects 0.000 claims abstract description 13
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 29
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 16
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 10
- 230000003993 interaction Effects 0.000 abstract description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 230000006378 damage Effects 0.000 abstract description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 abstract description 2
- 238000004945 emulsification Methods 0.000 abstract description 2
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 abstract description 2
- 239000006260 foam Substances 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 238000005243 fluidization Methods 0.000 description 3
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000011960 computer-aided design Methods 0.000 description 1
- 230000021615 conjugation Effects 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000005187 foaming Methods 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- -1 for example Substances 0.000 description 1
- 235000015243 ice cream Nutrition 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000005065 mining Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002569 water oil cream Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Mixers Of The Rotary Stirring Type (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам перемешивания общего назначения для осуществления различных физических, химических и гидромеханических (диспергирование, эмульгирование, гомогенизация, пенообразование, деструкция) процессов с жидкостями и может быть реализовано в смесителях различного типа с вращающимися перемешивающими устройствами в неподвижных резервуарах.The invention relates to general-purpose mixing methods for the implementation of various physical, chemical and hydromechanical (dispersion, emulsification, homogenization, foaming, destruction) processes with liquids and can be implemented in various types of mixers with rotating mixing devices in fixed tanks.
Известен способ центробежного смешивания жидкости посредством центробежного гомогенизатора (а.с. СССР №554846, А01j 11/16), при котором жидкости посредством вращающегося рабочего органа сообщают движение либо в тангенциальном, либо в радиальном направлении, создавая ее циркуляцию в области вращения рабочего органа.There is a method of centrifugal mixing of a liquid by means of a centrifugal homogenizer (AS USSR No. 554846, A01j 11/16), in which liquids by means of a rotating working body impart movement in either tangential or radial direction, creating its circulation in the region of rotation of the working body.
Недостатком данного способа является слабая интенсивность перемешивания, так как преобладает окружной поток жидкости, и имеют место застойные зоны.The disadvantage of this method is the low intensity of mixing, since the circumferential fluid flow prevails, and stagnant zones take place.
Известен кавитационный способ смешивания жидкости, реализованный в роторно-пульсационном аппарате (а.с. СССР 725691. Роторно-пульсационный аппарат.), заключающийся в создании принудительной пульсации жидкости и кавитации, которая порождает ее гидродинамические возмущения.Known cavitation method of mixing fluid, implemented in a rotary pulsation apparatus (AS USSR 725691. Rotary pulsation apparatus.), Which consists in creating a forced pulsation of the fluid and cavitation, which gives rise to its hydrodynamic disturbances.
Недостаткам данного способа является то, что при смешивании биологически полезных жидкостей, например эмульсий для мороженого, за счет схлопывания кавитационных пузырей теряется полезность свойств жидкости и наносится разрушительное воздействие на биологическую составляющую продукта.The disadvantages of this method is that when mixing biologically useful liquids, for example, emulsions for ice cream, due to the collapse of cavitation bubbles, the usefulness of the liquid properties is lost and a devastating effect is made on the biological component of the product.
Известен вибрационный способ перемешивания, реализованный в устройствах вибрационных смесителей (Свидетельство на полезную модель RU №28988 U1 и Яцун С.Ф. Процесс экстракции при вибрационном воздействии / С.Ф. Яцун, В.Я. Мищенко, Е.В. Артеменко // Вибрационные машины и технологии. - Курск: Изд-во КГТУ, 2003 г. - 280 с.), при котором жидкости принудительно сообщают возвратно-поступательные в осевом направлении осциллирующие движения, при этом ей сообщают линейные ускорения, создавая множество затопленных турбулентных струй.Known vibration method of mixing, implemented in devices of vibration mixers (Utility Model Certificate RU No. 28988 U1 and Yatsun S.F. Extraction process under vibration exposure / S.F. Yatsun, V.Ya. Mishchenko, E.V. Artemenko // Vibration machines and technologies. - Kursk: KSTU Publishing House, 2003 - 280 p.), In which fluids force oscillating movements in the axial direction, while they are informed of linear accelerations, creating many flooded turbulent jets.
Недостатком данного способа, взятого за прототип, является то, что такие действия над объектом приводят к образованию застойных зон около оси рабочего органа и ограничению турбулизации жидкости, что ведет, в конечном итоге, к снижению интенсивности перемешивания.The disadvantage of this method, taken as a prototype, is that such actions on the object lead to the formation of stagnant zones around the axis of the working body and the restriction of fluid turbulization, which ultimately leads to a decrease in the intensity of mixing.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности смешивания за счет углубления турбулизации увеличением циркуляции потоков и исключения застойных зон путем сообщения рабочей среде совместного вращения и радиально-осевых колебаний. А это, в конечном итоге, позволит увеличить взаимодействие встречных внутренних затопленных струй жидкости.The problem to which the invention is directed is to increase mixing efficiency by increasing turbulization by increasing flow circulation and eliminating stagnant zones by communicating joint rotation and radial-axial vibrations to the working medium. And this, ultimately, will increase the interaction of oncoming internal flooded jets of liquid.
Для решения поставленной задачи предлагается способ перемешивания жидких компонентов, при котором смеси принудительно, посредством ротора с перфорированными дисками одновременно задают вращение с пульсациями скорости ±ε и радиально-осевые колебания, вместе с тем, формируют закрученные встречные затопленные струи и увеличивают длину их пути перемешивания при объемной циркуляции этих струй, причем параметрами этих движений жидкости управляют по зависимости:To solve this problem, a method for mixing liquid components is proposed, in which the mixture is forced, by means of a rotor with perforated disks, to simultaneously set rotation with velocity pulsations ± ε and radial-axial vibrations, at the same time, they form swirling counter-flooded jets and increase the length of their mixing path when volumetric circulation of these jets, and the parameters of these fluid motions are controlled according to:
где r, t, z- цилиндрические координаты;where r, t, z are cylindrical coordinates;
ν - коэффициент кинематической вязкости;ν is the kinematic viscosity coefficient;
p - давление;p is the pressure;
ρ - плотность жидкой среды;ρ is the density of the liquid medium;
- амплитуда радиальных колебаний (в зоне диска); - the amplitude of radial vibrations (in the area of the disk);
- амплитуда осевых колебаний (в зоне диска), - the amplitude of the axial vibrations (in the area of the disk),
ω - частота колебаний ротора с дисками;ω is the oscillation frequency of the rotor with disks;
R1 - радиус диска ротора;R 1 is the radius of the rotor disk;
R - радиус окружности, описываемой приводом колебаний;R is the radius of the circle described by the oscillation drive;
Dд - диаметр диска;D d - the diameter of the disk;
l - вылет вращаемого тела;l - departure of the rotatable body;
l1 - расстояние между диском и приводом его колебаний;l 1 - the distance between the disk and the drive of its vibrations;
D - диаметр окружности, описываемой приводом колебаний;D is the diameter of the circle described by the oscillation drive;
ωвр - частота вращения ротора с дисками, при этом амплитуда колебаний ротора с дисками равнаω BP - the rotational speed of the rotor with the disks, while the amplitude of the oscillations of the rotor with the disks is
а частота его колебаний ω определяется в зависимости от применяемого типа механизма создания колебаний. Например, при использовании устройства с инерционным виброприводом для реализации заявленного способа частота колебаний определяется формулой:and the frequency of its oscillations ω is determined depending on the type of mechanism used to create oscillations. For example, when using a device with an inertial vibration actuator to implement the claimed method, the oscillation frequency is determined by the formula:
где R1 - радиус диска ротора;where R 1 is the radius of the rotor disk;
R - радиус тарелки ротора (радиус окружности, описываемой приводом колебаний);R is the radius of the rotor plate (the radius of the circle described by the oscillation drive);
Dд - диаметр диска;D d - the diameter of the disk;
l - вылет вращаемого тела;l - departure of the rotatable body;
l1 - расстояние между тарелкой ротора и диском,l 1 - the distance between the rotor plate and the disk,
m - приведенная масса вращаемого тела;m is the reduced mass of the rotated body;
j - жесткость ротора (при шарнирном закреплении ротора j=0);j is the stiffness of the rotor (when the rotor is hinged j = 0);
D - диаметр вращаемого тела в зоне его сопряжения с контртелом;D is the diameter of the rotated body in the area of its interface with the counterbody;
Pос - осевое усилие прижатия ротора к контртелу;P oc - axial pressing force to the rotor counterbody;
ωвр - частота вращения ротора с дисками для эксцентрикового или кулачкового механизма:ω BP - rotor speed with discs for an eccentric or cam mechanism:
Сравнение заявленного способа перемешивания жидкостей с известными позволяет сделать вывод о достижении нового эффекта, выразившегося в возможности увеличения длины их пути перемешивания. Это стало возможным за счет создания закрученных встречных затопленных струй жидкости, которые формируют за счет того, что смеси задают вращение с пульсациями скорости и радиально-осевые колебания. Причем, изменяя параметры этих движений по предложенной выше зависимости, управляют шагом спиральных траекторий закрученных встречных затопленных струй, а значит и интенсивностью их взаимодействия. В связи с этим, можно сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».Comparison of the claimed method of mixing liquids with the known allows us to conclude that a new effect has been achieved, expressed in the possibility of increasing the length of their mixing path. This became possible due to the creation of swirling counter-flooded jets of liquid, which form due to the fact that the mixtures specify rotation with velocity pulsations and radial-axial vibrations. Moreover, changing the parameters of these movements according to the dependence proposed above, they control the step of the spiral trajectories of the swirling oncoming flooded jets, and hence the intensity of their interaction. In this regard, we can conclude that the criterion of "inventive step".
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, where:
на фиг. 1 показана схема формирования закрученных внутренних затопленных струй;in FIG. 1 shows a diagram of the formation of swirling internal flooded jets;
на фиг. 2 показана схема взаимодействия внутренних затопленных закрученных струй при перемешивании с пульсациями скорости и радиально-осевыми колебаниями (вид сбоку);in FIG. 2 shows a diagram of the interaction of internal flooded swirling jets with mixing with velocity pulsations and radial-axial vibrations (side view);
на фиг.3 показана схема взаимодействия внутренних затопленных закрученных струй при перемешивании с пульсациями скорости и радиально-осевыми колебаниями (вид сверху);figure 3 shows a diagram of the interaction of internal flooded swirling jets with stirring with velocity pulsations and radial-axial vibrations (top view);
на фиг. 4 показана схема, поясняющая образование течений жидкой среды вблизи плоского вращающегося диска;in FIG. 4 is a diagram for explaining the formation of fluid flows near a planar rotating disk;
на фиг. 5 показана кинематическая расчетная схема определения максимальной скорости (точка А) на периферии диска ротора;in FIG. 5 shows the kinematic calculation scheme for determining the maximum speed (point A) on the periphery of the rotor disk;
на фиг. 6 показана схема реализации физического эффекта псевдоожижения жидкой среды (турбулентный режим);in FIG. 6 shows a diagram of the implementation of the physical effect of fluidization of a liquid medium (turbulent mode);
на фиг. 7 показана схема реализации виброструйного эффекта;in FIG. 7 shows a diagram of the implementation of the vibro-jet effect;
на фиг. 8 показана схема реализации эффекта вибрационного поддержания вращения;in FIG. 8 shows a diagram of the implementation of the effect of vibrational rotation support;
на фиг. 9 визуально показан начальный момент возникновения турбулентного режима (за 0,5 сек);in FIG. 9 visually shows the initial moment of occurrence of the turbulent regime (for 0.5 sec);
на фиг. 10 визуально показано увеличение зоны турбулентности в рабочей среде (за 1 сек);in FIG. 10 visually shows the increase in the zone of turbulence in the working medium (for 1 sec);
на фиг. 11 показано формирование кольцевых волн, иллюстрирующих взаимодействие внутренних затопленных струй;in FIG. 11 shows the formation of ring waves illustrating the interaction of internal flooded jets;
на фиг. 12 визуально показан процесс перехода от ламинарного к турбулентному режиму движения жидкости при перемешивании;in FIG. 12 visually shows the process of transition from laminar to turbulent mode of fluid motion with stirring;
на фиг. 13 показан установившийся режим процесса перемешивания;in FIG. 13 shows a steady state mixing process;
на фиг. 14 показана полученная водомасляная эмульсия по окончании процесса перемешивания (за 5 мин).in FIG. 14 shows the resulting water-oil emulsion at the end of the mixing process (5 min).
Для реализации нового принципа перемешивания предлагается использовать способ, при котором вращаемое тело с дисками, перфорированными встречными коническими отверстиями торцевой поверхностью сопрягают с контртелом тарированной силой прижима и обкатывают по замкнутой траектории, имеющей поворотную симметрию вокруг оси симметрии траектории. При этом создают циркуляцию встречных затопленных закрученных потоков рабочей среды путем сообщения ей совместного вращения с пульсациями скорости, радиально-осевых колебаний и увеличивают длину их пути перемешивания. Изменяя параметры этих принудительных движений, можно управлять траекториями встречных закрученных потоков рабочей жидкости, что очевидно становится возможным управлять интенсивностью процесса перемешивания жидкости, усиливая либо радиальную составляющую, либо осевую составляющую скорости движения затопленных струй (фиг. 1). При этом изменяя угол наклона α (фиг. 2) равнодействующей скоростей в радиальном и осевом направлении, изменяется шаг спиральных траекторий закрученных встречных затопленных струй, а значит частота взаимодействия последних (фиг. 2, фиг. 3).To implement the new principle of mixing, it is proposed to use a method in which a rotatable body with disks perforated by counter conical holes with the end surface is mated with a counterbody with a calibrated pressing force and is run along a closed path with rotational symmetry around the axis of symmetry of the path. This creates a circulation of counter flooded swirling flows of the working medium by informing it of joint rotation with pulsations of speed, radial-axial vibrations and increase the length of their mixing path. By changing the parameters of these forced movements, it is possible to control the trajectories of the counter swirling flows of the working fluid, which obviously makes it possible to control the intensity of the fluid mixing process, enhancing either the radial component or the axial component of the speed of movement of the flooded jets (Fig. 1). At the same time, by changing the angle of inclination α (Fig. 2) of the resulting velocities in the radial and axial directions, the pitch of the spiral paths of the swirling oncoming flooded jets changes, which means the frequency of interaction of the latter (Fig. 2, Fig. 3).
Для пояснения сущности способа сначала рассмотрим течение жидкой среды вблизи плоского диска (фиг. 4), равномерно вращающегося с угловой скоростью ω вокруг оси, перпендикулярной к плоскости диска. Жидкость вдали от диска принимается покоящейся. Вследствие трения слой жидкости, непосредственно прилегающий к диску, увлекается последним и под действием центробежной силы отбрасывается наружу от диска. Взамен отброшенной жидкости к диску притекает в осевом направлении новая жидкость, которая также увлекается диском и опять отбрасывается наружу. Следовательно, в данном случае мы имеем полностью трехмерное течение. При этом, вследствие осевой симметрии течения [Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя / Г. Шлихтинг. - Москва: Изд-во «Наука», 1974. - 712 с.] уравнения Навье-Стокса и уравнение неразрывности в цилиндрических координатах имеют видTo clarify the essence of the method, we first consider the flow of a liquid medium near a flat disk (Fig. 4), uniformly rotating with an angular velocity ω about an axis perpendicular to the plane of the disk. Liquid away from the disc is taken at rest. Due to friction, the liquid layer immediately adjacent to the disk is carried away by the latter and, under the action of centrifugal force, is thrown outward from the disk. Instead of the discarded fluid, a new fluid flows to the disk in the axial direction, which is also carried away by the disc and is again thrown out. Therefore, in this case we have a completely three-dimensional flow. Moreover, due to the axial symmetry of the flow [G. Schlichting Theory of the boundary layer / G. Schlichting. - Moscow: Nauka Publishing House, 1974. - 712 p.] The Navier-Stokes equations and the continuity equation in cylindrical coordinates have the form
Граничные условия, определяемые условием прилипания к вращающейся плоскости, будутThe boundary conditions determined by the condition of adhesion to a rotating plane will be
где p - давление;where p is the pressure;
ρ - плотность жидкости;ρ is the fluid density;
ν - коэффициент кинематической вязкости;ν is the kinematic viscosity coefficient;
r, t, z - цилиндрические координаты;r, t, z - cylindrical coordinates;
Vt, Vr, Vz - составляющие скорости в тангенциальном, радиальном и осевом направлениях.V t , V r , V z - velocity components in the tangential, radial and axial directions.
При наложении на вращение пульсации и радиально-осевых колебаний, согласно заявленному способу, создается циркуляция встречных затопленных потоков рабочей среды. В данном случае уже будут доминировать такие факторы, как частота и амплитуда колебаний, оказывающие воздействия на составляющие скорости движения жидкой среды.When superimposed on the rotation of the pulsation and radial-axial vibrations, according to the claimed method, creates a circulation of counter flooded flows of the working medium. In this case, factors such as the frequency and amplitude of oscillations that affect the components of the velocity of the liquid medium will already dominate.
Исследуем кинематические характеристики вращающихся дисков 1 диаметром Dд (фиг. 5), размещенных на роторе 2, посредством которых создаются закрученные встречные внутренние затопленные струи жидкости, которым помимо вращения с частотой ωвр сообщают пульсации скорости движения ±ε и радиально-осевые колебания с частотой ω и амплитудой а.We investigate the kinematic characteristics of the
Определяем максимальные амплитудные значения составляющих скорости движения точек на периферии диска ротораDetermine the maximum amplitude values of the components of the speed of the points on the periphery of the rotor disk
где а2=R1a/l;where a 2 = R 1 a / l;
а1=l-l1/la.and 1 = ll 1 / la.
Максимальную скорость движения жидкость будет иметь в периферийной зоне нижнего диска (точка А) (фиг. 5). В данный момент времени скорость в точке С равна нулю, так как она является мгновенным центром качения.The maximum fluid velocity will be in the peripheral zone of the lower disk (point A) (Fig. 5). At this point in time, the speed at point C is zero, since it is the instantaneous center of rolling.
С учетом составляющих скоростей в окружном, радиальном и осевом направлениях уравнения движения жидкой среды примут видGiven the components of the velocities in the circumferential, radial and axial directions, the equations of motion of the liquid medium take the form
При этом граничные условия будут уже следующимиMoreover, the boundary conditions will be as follows
Важно отметить, что новый способ перемешивания позволяет обеспечить одновременно ряд физических эффектов: псевдоожижения рабочей жидкости (турбулезацию), активного перемешивания жидкости (виброструйный эффект), эффекта вибрационного поддержания вращения.It is important to note that the new method of mixing allows us to simultaneously provide a number of physical effects: fluidization of the working fluid (turbulence), active mixing of the fluid (vibro-jet effect), the effect of vibrational rotation support.
При турбулентном режиме частицы жидкости наряду с основным движением осуществляют поперечные перемещения, создающие перемешивание жидкости. Траектории движения частиц имеют сложную траекторию и пересекаются между собой. Переход ламинарного режима в турбулентный наступает при определенных условиях, характеризуемых числом (критерием) Рейнольдса. При рассмотрении течения жидкой среды около дисков ротора, который вращается без колебаний, число Рейнольдса будет зависеть только от тангенциальной скорости дисков, при этом начиная с некоторого числа Рейнольдса течение перестает быть ламинарными [Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя / Г. Шлихтинг. - Москва: Изд-во «Наука», 1974. - 712 с]. При числах РейнольдсаIn the turbulent mode, the liquid particles along with the main movement carry out transverse movements that create fluid mixing. Particle trajectories have a complex trajectory and intersect with each other. The transition of the laminar to turbulent regime occurs under certain conditions, characterized by the Reynolds number (criterion). When considering the flow of a liquid medium near the rotor disks, which rotates without oscillations, the Reynolds number will depend only on the tangential speed of the disks, while starting from a certain Reynolds number the flow ceases to be laminar [Schlichting G. Theory of the boundary layer / G. Schlichting. - Moscow: Publishing House "Science", 1974. - 712]. At Reynolds numbers
где ν - кинематическая вязкость жидкости;where ν is the kinematic viscosity of the liquid;
V - окружная скорость дисков, оно всегда турбулентное.V is the peripheral speed of the disks; it is always turbulent.
Если же мы рассматриваем течение жидкой среды около дисков, который помимо вращения получает еще и колебания вокруг оси, перпендикулярной к плоскости диска, то при этом число Рейнольдса Re будет больше критического Re* (для аналогичных способов Re*>1000 [Ушаков В.Г. Аппараты для перемешивания жидких сред / В.Г. Ушаков, Э.А. Васильцов. - Курск: Изд-во КГТУ, 2003. - 280 с.]). Характер изменения течений жидкости в каждый момент времени зависит от разных составляющих значений скорости движения, которые оказывают влияние на число Рейнольдса, при этом наибольшее значение оказывает тангенциальная составляющая скорости Vt If we consider the flow of a liquid medium near disks, which in addition to rotation also receives oscillations about an axis perpendicular to the plane of the disk, then the Reynolds number Re will be greater than the critical Re * (for similar methods Re *> 1000 [Ushakov V.G. Devices for mixing liquid media / VG Ushakov, EA Vasiltsov. - Kursk: Publishing house of KSTU, 2003. - 280 p.]). The nature of the change in fluid flows at each moment of time depends on different components of the velocity value, which affect the Reynolds number, the tangential component of the velocity V t having the greatest value
где lz - расстояние между дисками;where l z is the distance between the disks;
Dр - диаметр резервуара.D p - the diameter of the tank.
Множественность направлений затопленных струй позволяет обеспечить эффект псевдоожижения жидкости (фиг. 6), то есть создаваемые высокочастотные колебания рабочей жидкости существенно увеличивают ее динамическую вязкость, обеспечивая тем самым увеличение внутреннего сопротивления движущихся молекул (перемешиваемых компонентов).The multiplicity of directions of the flooded jets allows you to provide the effect of fluidization of the fluid (Fig. 6), that is, the high-frequency vibrations of the working fluid created significantly increase its dynamic viscosity, thereby increasing the internal resistance of moving molecules (mixed components).
Радиально-осевые колебания конических перфорированных дисков, закрепленных на роторе вибромешалки, создают еще и виброструйный эффект (фиг. 7). То есть не только скорость потока струй, но и частота взаимодействия многочисленных затопленных струй жидкости на выходе из сужающихся конических отверстий увеличивается. А это углубляет турбулизацию жидкости. Интенсивность протекания виброструйного эффекта зависит от значений осевой скоростиThe radial-axial vibrations of the conical perforated discs mounted on the rotor of the vibratory mixer also create a vibro-jet effect (Fig. 7). That is, not only the speed of the stream of jets, but also the frequency of interaction of numerous flooded jets of liquid at the exit from the tapered conical holes increases. And this deepens the turbulization of the fluid. The intensity of the vibro-jet effect depends on the values of the axial velocity
Виброструйный эффект заключается в различном гидросопротивлении конических отверстий при смене направления движения жидкости через последние. При увеличении разности площадей отверстий на входе и выходе отношение сопротивлений диффузора и конфузора увеличивается, то есть большее количество жидкой среды протекает через конфузор (за счет более резкого уменьшения количества протекаемой жидкости через диффузор), тем самым повышается интенсивность виброструйного эффекта при неизменной скорости колебаний диска.The vibro-jet effect consists in different hydroresistance of conical holes when changing the direction of fluid movement through the latter. With an increase in the difference in the area of the openings at the inlet and outlet, the ratio of the resistances of the diffuser and confuser increases, i.e., a larger amount of liquid flows through the confuser (due to a sharper decrease in the amount of fluid flowing through the diffuser), thereby increasing the intensity of the vibro-jet effect at a constant speed of oscillation of the disk.
Ротор с дисками, вращающийся с частотой ωвр, будет колебаться из-за его кинематической неуравновешенности с частотой, ω большей (в 10-100 раз) частоты вращения ωвр. При этом жидкость, увлекаемая колеблющимся ротором с дисками, будет тоже вибрировать, что способствует поддержанию вращения дисков ротора, так возникает эффект вибрационного поддержания вращения ротора машины, так называемый эффект Хула-Хуп (фиг. 8), что, в свою очередь, позволяет затрачивать меньшую мощность на вращение ротора в установившемся режиме. А это позволяет повысить энергоэффективность процесса. При этом момент сил сопротивления вращению дисков ротора не должен превышать некоторого предельного значения вибрационного момента WA rotor with disks, rotating with a frequency of ω BP , will fluctuate due to its kinematic imbalance with a frequency ω greater than (10-100 times) the frequency of rotation of ω BP . In this case, the fluid carried away by the oscillating rotor with the disks will also vibrate, which helps to maintain the rotation of the rotor disks, so the effect of vibrational support of the rotor rotation of the machine arises, the so-called Hula-Hoop effect (Fig. 8), which, in turn, allows to spend less power per rotation of the rotor in steady state. And this allows you to increase the energy efficiency of the process. In this case, the moment of forces of resistance to rotation of the rotor disks should not exceed a certain limiting value of the vibration moment W
Одновременно реализовать все три указанных эффекта возможно, если затопленным струям задавать вращение с пульсациями скорости и радиально-осевые колебания, а это позволяет достичь максимальной турбулизации жидкой среды, следовательно, интенсифицировать процесс перемешивания.At the same time, it is possible to realize all three of these effects if flooded jets are set to rotate with velocity pulsations and radial-axial vibrations, and this allows maximum turbulization of the liquid medium to be achieved, and therefore, to intensify the mixing process.
Проведенные экспериментальные исследования позволили увидеть даже визуально наличие этих физических эффектов (фиг. 9, фиг. 10). Формирование кольцевых волн в результате взаимодействия внутренних затопленных струй на поверхности жидкой среды представлен на фиг. 11, где количество кольцевых волн строго соответствует числу диаметральных рядов отверстий.The conducted experimental studies made it possible to see even visually the presence of these physical effects (Fig. 9, Fig. 10). The formation of ring waves as a result of the interaction of internal flooded jets on the surface of a liquid medium is shown in FIG. 11, where the number of ring waves strictly corresponds to the number of diametrical rows of holes.
Для оценки качества процесса перемешивания систем жидкость - жидкость на следующем этапе экспериментов были использованы взаимно нерастворимые жидкости - вода и масло, а также производился выбор оптимальных соотношений между временем перемешивания, осевой силой и концентраций компонентов смеси вода-масло. Результаты представлены на фиг. 12, фиг. 13, фиг. 14.To assess the quality of the mixing process of the liquid - liquid systems, at the next stage of the experiments, mutually insoluble liquids - water and oil were used, and the optimal ratios between mixing time, axial force, and concentrations of water-oil mixture components were selected. The results are presented in FIG. 12, FIG. 13, FIG. fourteen.
Для примера рассмотрим следующую задачу.For example, consider the following problem.
Определить скорость движения жидкости в устройстве с инерционным виброприводом (фиг. 5), при изменении осевого усилия прижатия ротора к контртелу от 25 до 150 Η и изменении частоты вращения ротора с дисками от 4 до 15 рад/с (в радиальном, осевом и тангенциальном направлениях), при следующих условиях:Determine the fluid velocity in the device with an inertial vibration actuator (Fig. 5), when the axial pressure of the rotor against the counterbody changes from 25 to 150 Η and the rotational speed of the rotor with discs changes from 4 to 15 rad / s (in the radial, axial and tangential directions ), under the following conditions:
- коэффициент кинематической вязкости ν=15·10-6;- coefficient of kinematic viscosity ν = 15 · 10 -6 ;
- плотность жидкой среды ρ=1000 кг/м3;- the density of the liquid medium ρ = 1000 kg / m 3 ;
- радиус диска ротора R1=0,07 м;- the radius of the rotor disk R 1 = 0.07 m;
- радиус тарелки ротора (радиус окружности, описываемой приводом колебаний) R=0,02 м;- radius of the rotor plate (radius of the circle described by the oscillation drive) R = 0.02 m;
- диаметр вращаемого тела в зоне его сопряжения с контртелом D=0,04 м;- the diameter of the rotatable body in the area of its conjugation with the counterbody D = 0.04 m;
- диаметр диска Dд=0,140 м.- the diameter of the disk D d = 0,140 m
Для математического описания течения рабочей жидкости используем уравнения Навье-Стокса и уравнение неразрывности в цилиндрической системе координат:For a mathematical description of the flow of a working fluid, we use the Navier-Stokes equations and the continuity equation in a cylindrical coordinate system:
Перепишем уравнение Навье-Стокса в безразмерной форме, где все скорости примут вид:We rewrite the Navier-Stokes equation in dimensionless form, where all speeds take the form:
В результате уравнения Навье-Стокса и уравнение неразрывности примут вид:As a result, the Navier-Stokes equations and the continuity equation take the form:
а частота колебаний при использовании устройства с роторным инерционным виброприводом:and the oscillation frequency when using a device with a rotary inertial vibration actuator:
где R1 - радиус диска ротора;where R 1 is the radius of the rotor disk;
R - радиус тарелки ротора (радиус окружности, описываемой приводом колебаний);R is the radius of the rotor plate (the radius of the circle described by the oscillation drive);
Dд - диаметр диска;D d - the diameter of the disk;
l - вылет вращаемого тела;l - departure of the rotatable body;
l1 - расстояние между тарелкой ротора и диском,l 1 - the distance between the rotor plate and the disk,
m - приведенная масса вращаемого тела;m is the reduced mass of the rotated body;
j - жесткость ротора;j is the stiffness of the rotor;
D - диаметр вращаемого тела в зоне его сопряжения с контртелом;D is the diameter of the rotated body in the area of its interface with the counterbody;
Pос - осевое усилие прижатия ротора к контртелу;P oc - axial pressing force to the rotor counterbody;
ωвр - частота вращения ротора с дисками.ω BP - the rotational speed of the rotor with disks.
Например, при ωвр=4 рад/с, Pос=25 Н:For example, when ω bp = 4 rad / s, P OS = 25 N:
Полученную систему уравнений будем интегрировать при граничных условиях:We will integrate the resulting system of equations under the boundary conditions:
Для численного интегрирования системы уравнений, с указанными граничными условиями, используем программу «Flow Vision», в которой используется метод, основанный на консервативных схемах расчета нестационарных уравнений в частных производных, которые по сравнению с неконсервативными схемами дают решения, точно удовлетворяющие законам сохранения (в частности, уравнению неразрывности). Для решения задач в пакете «Flow Vision» следует выполнить модель устройства с заданными коструктивными параметрами с помощью внешней программы - геометрического препроцессора.For numerical integration of a system of equations with the indicated boundary conditions, we use the Flow Vision program, which uses a method based on conservative schemes for calculating non-stationary partial differential equations that, in comparison with non-conservative schemes, give solutions that exactly satisfy conservation laws (in particular , continuity equation). To solve problems in the Flow Vision package, you should run a device model with the specified cost-effective parameters using an external program - a geometric preprocessor.
В качестве такого препроцессора используем, например, пакет Solid Works, относящийся к семейству CADob (Computer-Aided Design - автоматизированное проектирование), которые получили широкое распространение в современной научной и инженерной практике.As such a preprocessor, we use, for example, the Solid Works package, which belongs to the CADob family (Computer-Aided Design), which are widely used in modern scientific and engineering practice.
Результаты вычислений представлены в таблице.The calculation results are presented in the table.
Ожидается ощутимый экономический эффект от внедрения способа перемешивания жидкостей, так как в современных способах перемешивания и у смесителей существуют ряд недостатков, которые не позволяют эффективно производить смешивание. Поэтому при замене известных конструкций смесителей на смеситель, который будет основан на предлагаемом способе перемешивания, за счет повышения эффективности, производительности существенно снизится их стоимость.A tangible economic effect is expected from the introduction of the method of mixing liquids, since in modern methods of mixing and mixers there are a number of disadvantages that do not allow efficient mixing. Therefore, when replacing known designs of mixers with a mixer, which will be based on the proposed method of mixing, by increasing efficiency, productivity, their cost will significantly decrease.
Промышленная применимость, таким образом, предлагаемого способа может быть реализована в пищевой промышленности, при приготовлении эмульсий; в металлообработке при приготовлении СОЖ, в горном деле при приготовлении буровых растворов и других отраслях промышленности, где требуется перемешивание жидкостей.Industrial applicability, therefore, of the proposed method can be implemented in the food industry, in the preparation of emulsions; in metal processing in the preparation of coolant, in mining in the preparation of drilling fluids and other industries where fluid mixing is required.
Claims (1)
где r, t, z - цилиндрические координаты;
ν - коэффициент кинематической вязкости;
p - давление;
ρ - плотность жидкой среды;
- амплитуда радиальных колебаний (в зоне диска);
- амплитуда осевых колебаний (в зоне диска);
ω - частота колебаний ротора с дисками;
R1 - радиус диска ротора;
R - радиус окружности, описываемой приводом колебаний;
Dд - диаметр диска;
l - вылет вращаемого тела;
l 1 - расстояние между диском и приводом его колебаний;
D - диаметр окружности, описываемой приводом колебаний;
ωвр - частота вращения ротора с дисками, при этом амплитуда колебаний ротора с дисками равна
A method of mixing liquid components, in which the mixtures are forced, with a frequency ω, by means of a rotor with perforated disks to set oscillating movements, forming unidirectional oncoming internal flooded jets, characterized in that the mixtures simultaneously specify rotation with velocity pulsations and radial-axial vibrations, at the same time , form swirling oncoming flooded jets and increase the length of their mixing path during volumetric circulation of these jets, and the parameters of these fluid motions are controlled by depending on
where r, t, z are cylindrical coordinates;
ν is the kinematic viscosity coefficient;
p is the pressure;
ρ is the density of the liquid medium;
- the amplitude of radial vibrations (in the area of the disk);
- amplitude of axial vibrations (in the zone of the disk);
ω is the oscillation frequency of the rotor with disks;
R 1 is the radius of the rotor disk;
R is the radius of the circle described by the oscillation drive;
D d - the diameter of the disk;
l - departure of the rotatable body;
l 1 - the distance between the disk and the drive of its vibrations;
D is the diameter of the circle described by the oscillation drive;
ω BP - the rotational speed of the rotor with the disks, while the amplitude of the oscillations of the rotor with the disks is
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013121302/05A RU2543204C2 (en) | 2013-05-07 | 2013-05-07 | Liquid mixing method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013121302/05A RU2543204C2 (en) | 2013-05-07 | 2013-05-07 | Liquid mixing method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2013121302A RU2013121302A (en) | 2014-11-20 |
| RU2543204C2 true RU2543204C2 (en) | 2015-02-27 |
Family
ID=53290151
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013121302/05A RU2543204C2 (en) | 2013-05-07 | 2013-05-07 | Liquid mixing method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2543204C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2720149C1 (en) * | 2019-09-09 | 2020-04-24 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" ФГАОУ ВО "ЮУрГУ (НИУ)" | Method of activation of mixing process of liquid media and device for its implementation |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2196546A (en) * | 1986-07-02 | 1988-05-05 | Smith Derek | Multi-purpose mixer |
| SU1599075A1 (en) * | 1988-09-30 | 1990-10-15 | Московский Горный Институт | Powder disperser |
| SU1720699A1 (en) * | 1989-06-29 | 1992-03-23 | Московский Горный Институт | Material dispersing and mixing device |
| RU2023497C1 (en) * | 1992-02-19 | 1994-11-30 | Константин Борисович Комиссаров | Gas-water mixing device |
| RU28988U1 (en) * | 2002-10-29 | 2003-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А.А.Бочвара" | Vibrating mixer |
-
2013
- 2013-05-07 RU RU2013121302/05A patent/RU2543204C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2196546A (en) * | 1986-07-02 | 1988-05-05 | Smith Derek | Multi-purpose mixer |
| SU1599075A1 (en) * | 1988-09-30 | 1990-10-15 | Московский Горный Институт | Powder disperser |
| SU1720699A1 (en) * | 1989-06-29 | 1992-03-23 | Московский Горный Институт | Material dispersing and mixing device |
| RU2023497C1 (en) * | 1992-02-19 | 1994-11-30 | Константин Борисович Комиссаров | Gas-water mixing device |
| RU28988U1 (en) * | 2002-10-29 | 2003-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А.А.Бочвара" | Vibrating mixer |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2720149C1 (en) * | 2019-09-09 | 2020-04-24 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" ФГАОУ ВО "ЮУрГУ (НИУ)" | Method of activation of mixing process of liquid media and device for its implementation |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2013121302A (en) | 2014-11-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20090197977A1 (en) | Device and Method for Producing a Mixture of Two Phases that are Insoluble in Each Other | |
| US20130208560A1 (en) | Fractal impeller for stirring | |
| Singla et al. | Effects of surface topography on low Reynolds number droplet/bubble flow through a constricted passage | |
| RU2543204C2 (en) | Liquid mixing method | |
| JP5597315B1 (en) | Stirrer | |
| Rasool et al. | Effect of impeller type and rotational speed on flow behavior in fully baffled mixing tank | |
| US2360893A (en) | Method and apparatus for effecting sonic pulverization and dispersion of materials | |
| RU2720149C1 (en) | Method of activation of mixing process of liquid media and device for its implementation | |
| RU2379098C1 (en) | Pulsed-centrifugal agitator | |
| Shulaev et al. | Energy consumption of small-since mixers in emulsification processes | |
| Torubarov et al. | Mixers with nonstationary motion of the stirrers | |
| RU2591974C1 (en) | Rotor-pulsation apparatus | |
| Pinho et al. | Power and mean flow characteristics in mixing vessels agitated by hyperboloid stirrers | |
| RU2635142C1 (en) | Cavitation generator | |
| RU2255797C1 (en) | Device for hydrodynamic treatment of liquid | |
| Hussein et al. | Effect of dual impeller type on flow behavior in fully baffled mixing tank | |
| RU180435U1 (en) | Rotary disc mixer | |
| RU155460U1 (en) | MECHANICAL MIXER WITH MOBILE GRAIN LAYER | |
| Avrorov | On High-Speed Rotary Dispersion of Liquid Media | |
| RU222858U1 (en) | MIXER | |
| RU2844278C1 (en) | Rotary pulse apparatus | |
| Karpunin et al. | Study of mass transfer between a droplet and a continuous liquid: preliminary experimental results | |
| RU208677U1 (en) | LIQUID MIXER | |
| Sergeev et al. | Modeling three-dimensional liquid flows in computer-controlled vibrojet mixer using flowvision | |
| SU1720699A1 (en) | Material dispersing and mixing device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160508 |