РАБОЧИЙ ОРГАН СМЕСИТЕЛЯ Российский патент 1995 года по МПК B01F7/24 

Изобретение относится к конструкциям устройств для смешивания двух и более ингредиентов (жидкостей, сыпучих веществ или их комбинаций).

Известен рабочий орган смесителя, содержащий вал с закрепленной на нем основной лопастью в виде замкнутой односторонней поверхности типа листа Мëбиуса и, по крайней мере, одной дополнительной лопастью, изогнутой по винтовой линии и закрепленной на валу со смещением относительно основной лопасти. Каждая поверхность листа Мëбиуса соединена с валом по диаметральным образующим [1]
Недостатком такого рабочего органа смесителя является низкая эффективность перемешивания ингредиентов и повышенные затраты энергии и времени на перемешивание.

Известен рабочий орган смесителя, содержащий лопасти, прикрепленные своими торцами в двух местах к центральному несущему элементу типа вала рабочего органа. Лопасти имеют арочную конструкцию и закручены на 90^о по своим торцам. Развертка лопастей, выполненных заодно друг с другом, представляет собой S-образную фигуру с прямолинейным участком у места крепления лопастей к валу и закругленными участками по концам фигуры. Следовательно, средняя линия S-образной фигуры выполнена в виде прямой линии у оси вала. В этом месте лопасти прикреплены к валу перпендикулярно его оси. Угол средней линии одной лопасти равен 180^о, т.е. крайние точки фигуры соединены прямой линией, проходящей через ось вала. Модифицированная лопасть рабочего органа имеет раздельные детали, прикрепленные к трубчатому несущему элементу валу [2]
Недостаток этого рабочего органа заключается в низкой эффективности смешения. Это объясняется тем, что при больших скоростях вращения, на которых работают современные смесители, эффект перемешивания вдоль оси вала исчезает, так как составляющая скорости в этом направлении по сравнению с окружными скоростями очень мала. Смешиваемые ингредиенты в таких случаях только сильно закручиваются в емкости, а не смешиваются, т.е. частицы ингредиентов вращаются параллельно друг другу в одной плоскости.

Задачей предлагаемого рабочего органа смесителя является повышение эффективности смешивания ингредиентов и уменьшение энергетических затрат.

Поставленная задача решается тем, что рабочий орган смесителя содержит вал с одной закрепленной на нем лопастью, представляющей собой одностороннюю ленточную поверхность типа листа Мëбиуса. Лопасть представляет собой две винтообразные ленточные фигуры, исходящие из одного центра, повернутые вокруг их вертикальной оси на 90^о относительно друг друга и направленные в разные стороны от их общего центра и закрепленные на валу своим центром, а торцами по обе стороны от центра.

Развертка листа лопасти на плоскость, перпендикулярную оси вала, представляет собой четырехлепестковый элемент, в котором каждый лепесток образован частью кольца, причем одни концы лепестков соединены между собой в центре элемента, а другие концы прилегают к выпуклым сторонам соседних лепестков.

Кроме того, рабочий орган может быть снабжен вторым параллельно расположенным валом с лопастью, зеркально отображенной лопасти на первом валу.

На фиг. 1 приведена конструктивная схема предлагаемого рабочего органа смесителя; на фиг. 2 дана развертка лопасти на плоскость чертежа; на фиг.3 дано сечение В-В на фиг.1; на фиг.4 дано сечение Г-Г на фиг.1; на фиг.5 дано сечение Д-Д на фиг.1; на фиг.6 дан вид по стрелке Е на фиг.1; на фиг.7 приведена конструктивная схема рабочего органа смесителя с двумя параллельными валами; на фиг.8 дан вид Ж на фиг.7; на фиг.9 представлена схема работы рабочего органа смесителя с одним валом; на фиг.10 дано сечение И-И на фиг.9; на фиг.11 представлена схема работы рабочего органа смесителя с двумя параллельными валами.

Рабочий орган смесителя состоит из вертикального вала 1, на котором закреплена криволинейная лопасть 2, представляющая собой две односторонние ленточные поверхности 2а и 2б типа листа Мëбиуса, объединенные на общем центре Ц и плавно переходящие одна в другую. Лопасть в пространстве представляет собой две винтообразные ленточные фигуры 2а и 2б, исходящие из одного центра Ц на валу 1 и повернутые относительно их общей оси 0 на 90^о относительно друг друга и направленные в разные стороны от центра Ц.

Развертка лопасти 2 на плоскость, перпендикулярную оси вала (см. фиг.2), представляет собой четырехлепестковый элемент 3, где каждый лепесток образован частью кольца. Одни концы колец соединены между собой в центре Ц, другие концы прилегают к выпуклым сторонам соседних лепестков своими торцами Т, Т', Т₁ и Т₁'.

Торцы Т, Т₁ и Т' и Т₁' элемента 3 расположены под углами α α₁, α' и α₁' к продольным осям А и Б соответственно. Углы α α₁ и α' и α₁' равны между собой и находятся в пределах 70-75^о, а вершины углов расположены в центрах Г, Г₁ и Г' и Г₁' окружностей радиусов R и R₁ и R' и R₁', которые служат образующими для четырех лепестков элемента 3.

Элемент 3 посажен на вал 1 своим центром Ц так, что плоскость центра ПЦ перпендикулярна оси 0 вала (см. фиг.3), и закреплен на нем. Торцы Т₁ и Т₁' элемента 3 закреплены параллельно оси 0 вала 1 на нижнем его конце так, что точка l₁ соединена с точкой l₁', а точка b₁ соединена с точкой b₁' (см. фиг. 4) и плоскости лопасти ПВ параллельны оси вала. Торцы Т и Т₁ элемента 3 закреплены параллельно оси 0 вала 1 на верхнем конце его так, что точка l соединена с точкой l₁, а точка b соединена с точкой b₁' (см. фиг.5) и плоскости лопасти ПН параллельны оси вала 0.

Торцы Т и Т' закреплены на расстоянии h₁ от центра Ц, а торцы Т₁ и Т₁' на расстоянии h₂. Расстояния h₁ и h₂ от центра элемента до закрепленных торцов могут быть как равны, так и отличаться друг от друга. На виде сверху (см. фиг. 6) рабочий орган представляет собой две пересекающиеся 8-образные лепестковые фигуры с продольными осями Д и Е. Оси Д и Е перпендикулярны друг другу.

Рабочий орган смесителя может быть снабжен дополнительным валом 4, установленным параллельно валу 1 (см. фиг.7), на котором закреплена криволинейная лопасть 5, аналогичная лопасти 2, но перевернутая верхней частью 2а с точкой К вниз, а нижней частью 2б с точкой Л вверх, т.е. лопасть 5 является зеркальным отображением лопасти 2. Расстояние между валами 1 и 4 составляет (1,10-1,2)Д, где Д наибольший размер лопасти 2 в плоскости, перпендикулярной оси вала. Лопасти 2 и 5 могут располагаться напротив друг друга или иметь смещение вдоль оси вала.

На виде сверху (см. фиг.8) рабочий орган представляет собой две 4х-лепестковые фигуры с осями Д, Е и Д', E', расположенные на общей оси Д' на расстоянии L друг от друга. Ось Д' перпендикулярна осям Е и Е'.

Принцип работы рабочего органа заключается в следующем.

Рабочий орган помещается в емкость 6, где находятся смешиваемые ингредиенты (см. фиг.9).

Вал 1 с лопастью 2 вращается с угловой скоростью ω в направлении НВ. При вращении лопасти 2 на ее частях 2а и 2б возникают зоны разрежения 8а и 8б (заборные зоны) и зоны сжатия 9а и 9б (сливные зоны). Ингредиенты перемешаются лопастью 2 от центральной части 10 емкости, где возникают две заборные зоны от вращения частей лопасти 2а и 2б двумя потоками. Один поток 11 направляется вверх вдоль оси вала 1, в сливной зоне элемента 2а приобретает форму расширяющегося конуса 12, далее в виде взаимодействующих вихревых структур со стенками емкости и со встречными потоками, возникающими от элемента 2б лопасти, возвращается вновь на заборную зону 8а. Второй поток 13, возникающий от вращения элемента 2б лопасти 2, проходя последовательно заборную 8б и сливную 9б зоны, направляется вниз емкости. Он подобно первому потоку на выходе из сливной зоны приобретает форму расширяющегося конуса 14, взаимодействует со стенками емкости и встречными потоками, образуя более мелкие вихри 15 и шнуры 16 и 17. Эти вихревые образования вновь перемещаются потоками 18 и 19 к заборной зоне и таким образом образуется кругооборот перемешиваемых ингредиентов от центральных частей емкости до ее верхних и нижних частей.

Таким рабочим органом можно успешно решать задачи для смешивания жидкостей, имеющих разные плотности и располагающихся на разных уровнях в емкости. Рабочий орган в таких случаях следует располагать на границе, разделяющей две среды жидких ингредиентов.

Рабочий орган такой формы имеет небольшой момент гидравлического сопротивления по сравнению с традиционными рабочими органами, благодаря расположению поперечных сечений лопастей 19 и 20 рабочего органа (см. фиг.10) под малыми углами γ и γ' к набегающим потокам 20 и 21, а сила воздействия на среду большая, что обусловлено большой поверхностью взаимодействия листа Мëбиуса со смешиваемыми ингредиентами.

Принцип работы рабочего органа смесителя, состоящего из двух валов, заключается в следующем.

Рабочий орган помещается в емкость 23, где находятся смешиваемые ингредиенты 24 (см. фиг.11). Вал 1 с лопастью 2 и вал 4 с лопастью 5 вращаются синхронно в направлении Н.В с угловой скоростью ω и ω соответственно.

При вращении лопастей на их частях 2а и 2б и 5а и 5б возникают зоны разрежения 25 и 26 (заборные зоны) и зоны сжатия 27 и 28 (сливные зоны). Ингредиенты перемещаются от заборных зон к сливным на каждой части лопастей 2а, 2б и 5а, 5б осевыми потоками 29а и 29б и 30а и 30б от центра рабочего органа к его верхней и нижней частям. За сливными зонами 2а, 2б и 5а и 5б потоки ингредиентов приобретают форму расширяющихся конусов, которые, взаимодействуя друг с другом, образуют новые вихревые структуры в виде колец 31 и шнуров 32, перемещающихся по емкости, сталкивающихся друг с другом, благодаря чему создают мелкодисперсную структуру, перемешиваемой жидкости и повышают эффективность смешивания. При смешивании рабочим органом с двумя синхронно вращающимися валами по сравнению с одним вращающимся валом процесс смешивания в основном происходит уже между вращающимися лопастями и непосредственно около них в результате взаимодействия двух конусных потоков 33, 34 и 36, 35, направленных навстречу друг другу. Возникает мощный циркуляционный поток, равномерно разносящий ингредиенты по всему объему емкости как снизу вверх, так и в плоскостях, перпендикулярных осям валов 1, 4. Взаимодействие потока со стенками емкости в этом случае имеет второстепенное значение, а основной процесс смешивания происходит на самих лопастях.

Как следует из описания конструкции рабочих органов смесителя и их работы, предлагаемые рабочие органы позволяют эффективно смешивать различные по вязкости ингредиенты, получая смеси с более мелкодисперсной структурой.

Сущность изобретения: рабочий орган смесителя содержит вал с закрепленной на нем лопастью в виде односторонней поверхности типа листа Мебиуса. Лопасть выполнена в виде двух винтообразных ленточных фигур, исходящих из одного центра, повернутых вокруг своей вертикальной оси на 90° относительно друг друга и закрепленных попарно противоположными торцами на валу по обе стороны от центра. Развертка листка лопасти на плоскость, перпендикулярную оси вала, представляет собой четырехлепестковый элемент. Каждый лепесток образован частью кольца, причем одни концы лепестков соединены между собой в центре элемента, а другие концы прилегают к выпуклым сторонам соседних лепестков. Кроме того, рабочий орган может содержать второй параллельно расположенный вал с лопастью, зеркально отображенной лопасти на первом валу. 1 з. п. ф-лы, 11 ил.

1. РАБОЧИЙ ОРГАН СМЕСИТЕЛЯ, содержащий вал с закрепленной на нем лопастью, представляющей собой замкнутую одностоорннюю поверхность типа листа Мебиуса, отличающийся тем, что лопасть выполнена в виде двух винтообразных ленточных фигур, исходящих из одного центра, повернутых вокруг своей вертикальной оси на 90^o одна относительно другой и закрепленных попарно торцами на валу по обе стороны от центра, причем развертка листа лопасти на плоскость, перпендикулярную оси вала, представляет собой четырехлепестковый элемент, где каждый лепесток образован частью кольца, причем одни концы лепестков соединены между собой в центре элемента, а другие концы прилегают к выпуклым сторонам соседних лепестков. 2. Рабочий орган по п.1, отличающийся тем, что он снабжен вторым параллельно расположенным валом с лопастью, зеркально отображенной лопасти на первом валу.