Рабочее колесо смесителя — принцип работы рабочего колеса смесителя. 

Обзор основных принципов

Основной принцип работы мешалки (также известной как лопасти смесителя) заключается в приложении силы к жидкости посредством вращения, что приводит к формированию определенного потока. Это движение создает макроскопический общий поток и микроскопическую турбулентность, в конечном итоге обеспечивая гомогенизацию смеси.

Его рабочий процесс можно свести к двум ключевым функциям:

1.Прямое механическое воздействие: Лопасти рабочего колеса непосредственно толкают контактирующую с ними жидкость, создавая первичный поток.

2.Косвенный энергетический эффект: Высокоскоростное вращающееся рабочее колесо (особенно высокоскоростное рабочее колесо) передает механическую энергию жидкости, которая преобразуется в кинетическую энергию жидкости (энергию потока) и турбулентную энергию. Эта энергия передается и рассеивается внутри резервуара, вызывая движение жидкости за пределы зоны действия рабочего колеса.

Подробное описание принципа работы

1.Основной механический процесс — создание тяги и разницы давлений.

Силы: При вращении рабочего колеса лопасти оказывают на жидкость тангенциальную силу (в направлении вращения) и осевую силу (в направлении оси, в зависимости от типа рабочего колеса).

Разница давлений:

На рабочей поверхности лопатки (стороне, которая приводит жидкость в движение) жидкость ускоряется, и давление ниже.

На обратной стороне лопасти жидкость относительно неподвижна или течет медленно, а давление высокое.

Эта разница давлений заставляет жидкость течь из области высокого давления в область низкого давления, а также перемещает окружающую жидкость вместе с собой.

2.Формирование первичной картины потока — определение эффекта смешивания.

Форма и положение рабочего колеса определяют три основных режима течения, создаваемых внутри резервуара, которые обычно возникают в комбинации:

Тангенциальное течение: наиболее простой тип кругового течения, возникающий при вращении всех рабочих колес. При наличии только тангенциального течения жидкость будет просто вращаться вместе с рабочим колесом, образуя «концентрические круги», что приведет к плохому перемешиванию слоев и образованию вихрей в центре.

Радиальный поток:

Способ генерации: Генерируется с помощью турбин с прямыми лопастями, турбин с изогнутыми лопастями, дисковых турбин и т. д. Лопасти отбрасывают жидкость горизонтально к стенке резервуара в радиальном направлении.

Принцип действия: После удара жидкости о стенку резервуара она разделяется на два потока, один восходящий, другой нисходящий, образуя два циркуляционных контура. Идеально подходит для диспергирования газов в жидкостях, жидкостей в жидкостях и твердых суспензий.

Осевой поток:

Метод генерации: Он осуществляется с помощью лопастей с наклонными или спиральными поверхностями, таких как гребные винты, турбины с наклонными лопастями и стреловидные импеллеры. Лопасти, подобно корабельным гребным винтам, с силой проталкивают жидкость вдоль оси перемешивания (вверх или вниз).

Функция: Создает мощный вертикальный циркуляционный поток по всему объему резервуара, что обеспечивает высокую эффективность перемешивания и низкое энергопотребление. Идеально подходит для гомогенного перемешивания, теплопередачи и суспензирования твердых частиц.

3.Микроскопические механизмы достижения гибридизации

Макроскопический поток, создаваемый рабочим колесом, в конечном итоге перемешивается посредством следующих микроскопических механизмов:

Основная конвекция: это процесс перемещения вещества из одной части резервуара в другую в больших масштабах. Это основной метод устранения крупномасштабных перепадов концентрации или температуры.

Турбулентная диффузия: В области следа (за лопатками) высокоскоростных рабочих колес (особенно турбинных) генерируются интенсивные вихри и турбулентность. Эти вихри различного размера разрывают, растягивают и складывают массу жидкости, значительно увеличивая площадь контакта между жидкостями и, таким образом, обеспечивая быстрое перемешивание в малых масштабах. Это имеет решающее значение для диспергирования и массопереноса (например, растворения и реакции).

Сдвиговое воздействие: Высокоскоростное относительное движение между кончиками лопастей импеллера и жидкостью, а также высокая скорость сдвига вблизи поверхности лопастей создают значительную скорость сдвига. Это имеет решающее значение для разрушения капель (эмульсий), разрушения пузырьков, дезинтеграции агломератов частиц или обработки материалов, чувствительных к сдвигу (например, некоторых биоферментационных растворов).

Распространенные типы рабочих колес и их рабочие характеристики

Тип рабочего колеса, типичная схема потока, основные функции и характеристики, распространенные сценарии применения.

Пропеллеры обеспечивают сильный осевой поток, высокую циркуляционную способность, высокую эффективность смешивания и низкое энергопотребление. Они подходят для гомогенного смешивания низковязких жидкостей, твердых суспензий и теплопередачи.

Наклонные турбины, преимущественно осевые с тангенциальными компонентами, способны работать с жидкостями несколько большей вязкости, чем пропеллеры, и обеспечивают лучшее перемешивание, реакцию и суспендирование жидкостей средней и низкой вязкости.

Тормозная турбина с прямыми/изогнутыми лопастями: сильный радиальный поток, высокое сдвиговое усилие, высокая дисперсионная способность, но высокое энергопотребление. Она создает два циркуляционных контура: газожидкостную дисперсию (аэрация-ферментация), жидкостно-жидкостную дисперсию (эмульгирование) и растворение твердых частиц.

Рабочие колеса с анкерным/рамным креплением в основном создают тангенциальный поток, плотно прилегая к поверхности стенки. Они обладают низким сдвиговым напряжением, высокой способностью к перемещению жидкости вдоль стенки, способствуют передаче тепла к стенке и предотвращают образование накипи. Они подходят для перемешивания, теплопередачи и предотвращения осаждения жидкостей средней и высокой вязкости.

Винтовой тип + направляющая трубка: Принудительный осевой поток может создавать заданный, вынужденный циркуляционный поток вверх-вниз в жидкостях с чрезвычайно высокой вязностью, способствуя смешиванию и реакции высоковязких неньютоновских жидкостей.

Ключевые факторы, влияющие на эффективность рабочего колеса

1.Соотношение диаметра рабочего колеса (D) к диаметру резервуара (T): влияет на охват картины потока. Рабочие колеса малого диаметра (малое D/T) имеют высокую скорость и высокое сдвиговое усилие; рабочие колеса большого диаметра (большое D/T) имеют низкую скорость и высокую циркуляцию.

2.Высота рабочего колеса от дна (C): влияет на симметрию картины потока и наличие или отсутствие «мертвой зоны». Обычно C = (0,3~1,0)*D.

3.Скорость вращения: Скорость вращения напрямую определяет расход (циркуляционную способность) и напор (силу сдвига), создаваемые рабочим колесом. Расход пропорционален скорости вращения, сила сдвига пропорциональна скорости вращения², потребляемая мощность пропорциональна скорости вращения³.

4.Свойства жидкости: Решающим фактором является вязкость. Для жидкостей с низкой вязкостью используются осевые импеллеры для обеспечения высокой эффективности; для жидкостей с высокой вязкостью требуются импеллеры большого диаметра, расположенные близко к стенкам (например, якорные импеллеры), для перемещения жидкости.

5.Перегородки: Для преодоления вредного сильного тангенциального потока и вихрей на стенках резервуара обычно устанавливаются перегородки. Перегородки преобразуют тангенциальный поток в сильный осевой и радиальный поток, устраняя вихри и значительно повышая эффективность перемешивания.

Подведите итоги

Рабочее колесо смесителя по сути является преобразователем энергии и генератором потока. Оно вводит механическую энергию в жидкостную систему посредством вращения, создавая желаемую картину потока (сочетание радиального и осевого потока), и использует комбинированное воздействие макроскопической конвекции и микроскопической турбулентности/сдвига для достижения быстрого и равномерного смешивания, диспергирования или суспензирования. Выбор соответствующего типа рабочего колеса и рабочих параметров является ключом к эффективному и энергосберегающему смешиванию.