ПОКРЫТАЯ СТЕКЛОМ МЕШАЛКА С АКСИАЛЬНЫМ ПОТОКОМ Российский патент 2003 года по МПК B01F7/22 B01F5/12 

Это изобретение относится к устойчивым к коррозии мешалкам для перемешивания, а в особенности относится к покрытым стеклом металлическим мешалкам для перемешивания.

Хорошо известны покрытые стеклом металлические подложки, например, описанные в патентах США 35625 (заменяющий патент), 3775164 и 3788874.

Кроме того, известны покрытые стеклом мешалки для перемешивания, например, описанные в патентах США 3494708, 4213713, 4221488, 4264215, 4314396, 4601583 и 262791 (пром. образец).

В патенте США 4601583 описаны покрытые стеклом мешалки, посаженные на вал посредством криогенного охлаждения для достижения очень плотной фрикционной посадки. Мешалки выполнены с двумя ступицами, при этом каждая из двух ступиц несет две лопасти. Ступицы расположены близко друг к другу на валу, при этом лопасти расположены вокруг оси на угловом расстоянии 90^o друг от друга. Кроме того, в патенте показаны составные мешалки, разнесенные друг от друга на валу, известные как двухэтажные конфигурации.

Несмотря на то что известна установка покрытых стеклом мешалок на валу, однако не существует качественной, покрытой стеклом мешалки с интенсивным аксиальным потоком. Такая мешалка с интенсивным аксиальным потоком необходима для обеспечения возможности быстрого получения вертикального потока, чтобы гарантировать ускоренное перемешивание во всем резервуаре без возможности расслоения, которое может происходить при использовании мешалки исключительно с радиальным потоком, например, турбинного типа.

В патенте США 4601583 раскрыта мешалка, обладающая способностью создавать аксиальный поток, но мощность аксиального потока, выраженная показателем аксиального потока, не является удовлетворительной, как это необходимо.

Мешалки с интенсивным аксиальным потоком известны в непокрытых стеклом конфигурациям, например в виде гребных винтов, которые обычно используются на лодках. Считается, что покрытые стеклом конфигурации таких мешалок с интенсивным аксиальным потоком не могут быть изготовлены, поскольку эти металлические мешалки с интенсивным аксиальным потоком имеют много углов и кромок, наличие которых, как обычно считается, препятствует эффективному покрытию стеклом.

Краткое описание чертежей
На чертежах:
фиг. 1 показывает вид сбоку двухлопастной мешалки в соответствии с изобретением;
фиг.2 показывает вид сбоку мешалки на фиг.1;
фиг. 3 показывает вид сбоку двух двухлопастных турбин согласно изобретению, как они видны в случае установки на валу при нахождении на угловом расстоянии 90^o относительно друг друга;
фиг. 4 показывает вид сверху двух двухлопастных турбин согласно изобретению, как они видны в случае установки на валу при нахождении на угловом расстоянии 90^o относительно друг друга;
фиг. 5 показывает вертикальный вид перемешивающего устройства, показывающий две турбины согласно изобретению, установленные близко друг к другу на верхней части вала, и мешалку турбинного типа, установленную на нижней части вала;
фиг. 6 показывает вид с торца двух турбин согласно изобретению, имеющих смещенные лопасти, так что лопасти действуют в одной и той же радиальной плоскости вокруг вала; и
фиг.7 показывает график сравнения показателя потока мешалки согласно изобретению и показателей потоков известных мешалок, создающих аксиальный поток.

Краткое описание изобретения
В соответствии с изобретением в настоящее время установлено, что мешалка с интенсивным аксиальным потоком может быть разработана и покрыта стеклом, при этом, если необходимо, ее можно собрать как конструкцию с двумя ступицами.

Поэтому изобретение охватывает покрытую стеклом мешалку с интенсивным аксиальным потоком, содержащую ступицу и присоединенные лопасти. Ступица имеет расположенное в центре отверстие, при этом отверстие имеет центральную ось и имеет заданный размер для прохождения через него ведущего вала. Ведущий вал имеет продольную ось, так что, когда отверстие охватывает вал, центральная ось расположенного в центре отверстия совпадает с продольной осью вала. Мешалка имеет множество углов и кромок, все из которых имеют закругленную форму, чтобы обеспечить покрытие стеклом без образования щелей, расслаивания или образования существенных волосных трещин. Кроме того, мешалка включает, по меньшей мере, две лопасти с изменяемым шагом. Каждая лопасть имеет переднюю и заднюю поверхности, определяемые внутренней кромкой, имеющей передний конец и задний конец, наружной кромкой, имеющей передний конец и задний конец, передней кромкой, соединяющей передний конец внутренней кромки с передним концом наружной кромки, и задней кромкой, которая соединяет задний конец внутренней кромки с задним концом наружной кромки. Термин "передняя кромка", использованный здесь, означает кромку, которая в первую очередь контактирует с текучей средой и перемещает ее, когда мешалка вращается в этой среде. Термин "задняя кромка" означает кромку, которая последней соприкасается с текучей средой, когда мешалка вращается.

Существенная особенность изобретения заключается в том, что наружная кромка каждой лопасти от примерно в 1,5 до примерно в 2,5 раза длиннее внутренней кромки. Эта разница в длине внутренней и наружной кромок существенно влияет на характеристики интенсивного потока мешалки согласно изобретению. Однако эта разница может привести к возрастанию углов и изгибов до значений, которые не используются. Наличие таких углов и изгибов влияет на существующее в уровне техники мнение о том, что такие конфигурации мешалок практически нельзя покрывать стеклом. В соответствии с настоящим изобретением такие острые углы и изгибы сглаживают до стеклования. Лопасти симметрично присоединены к ступице по их внутренним кромкам так, что их внутренние кромки находятся под углом от примерно 45 до примерно 60^o относительно центральной оси присоединенной ступицы, а их наружные кромки находятся под углом от примерно 50 до примерно 70^o относительно центральной оси этой ступицы. Однако во всех случаях угол внутренних кромок к центральной оси ступицы от примерно на 6 и до примерно на 12^o и предпочтительно от примерно на 7 до примерно на 9^o меньше, чем угол наружных кромок к центральной оси. Ступица и присоединенные лопасти облицованы непрерывным покрытием из стекла.

Подробное описание изобретения
Мешалки согласно изобретению покрывают стеклом способом, известным специалистам в данной области техники. В большинстве случаев металлическую основу очищают, покрывают стеклообразной фриттой и обжигают.

Термин "аксиальный поток", использованный здесь, означает поток в направлении, параллельном центральной оси мешалки. Аксиальный поток можно охарактеризовать показателем потока (F_n). F_n определяют как Q/(число оборотов в минуту • D³), где Q - всасывающая мощность турбины, число оборотов в минуту - частота вращения турбины и D - диаметр турбины. На практике число оборотов в минуту и D турбины являются известными. В таком случае при известных числе оборотов в минуту и диаметре турбины измеряют всасывающую мощность, например, посредством лазерного измерения потока, при этом измеряют скорость частиц, взвешенных в текучей среде, проходящей через заданную область. После этого можно вычислить показатель потока. Однажды найденный показатель потока для конкретной конфигурации турбины затем можно использовать для определения всасывающей мощности для различных диаметров турбины при разных числах оборотов в минуту. Мешалки, имеющие высокие показатели потока, имеют более высокую всасывающую мощность, чем мешалки с более низкими показателями, при одних и тех же значениях частоты вращения и диаметра мешалки.

Мешалки согласно изобретению обычно выполняют из покрытых стеклом металлов. Обычно в качестве металла используется низкоуглеродистая сталь или устойчивый к коррозии сплав, такой как нержавеющая сталь. Турбину можно изготовить любым подходящим способом, например посредством приваривания лопастей к ступице, или путем литья, или ковки всей мешалки как одной детали. Во всех случаях углы закругляют, чтобы уменьшить напряжение при более позднем нанесении стеклянных покрытий. При образовании стеклянного покрытия обычно используется многократное нанесение стекла, например за первым и вторым слоями следуют четыре облицовочных слоя.

Ступица мешалки имеет отверстие, проходящее через центр, которое имеет заданный размер для обеспечения продвижения по ведущему валу для образования единого перемешивающего узла. Мешалка может удерживаться на валу посредством фрикционной посадки или с помощью других средств, таких как зажимы или винтовые соединения.

Ступица мешалки имеет отверстие, проходящее через центр, которое покрыто стеклом. Поверхность, определяющую отверстие, предпочтительно подвергают хонингованию для исключения допусков для фрикционной посадки на ведущий вал, например, посредством криогенного охлаждения вала, чтобы сократить его диаметр с последующим продвижением ступицы по валу. После завершения охлаждения вал расширяется, и мешалка надежно удерживается на валу посредством фрикционной посадки с образованием единого перемешивающего узла (из соединения вала и мешалки).

Перемешивающий узел может содержать, по меньшей мере, две мешалки, каждая из которых прикреплена к ведущему валу посредством посадки ведущего вала через отверстия в ступицах мешалок. В соответствии с изобретением, по меньшей мере, одна из мешалок представляет собой мешалку с интенсивным аксиальным потоком согласно изобретению.

Перемешивающий узел может содержать, по меньшей мере, две мешалки с интенсивным потоком согласно изобретению для эффективного образования мешалки с интенсивным аксиальным потоком, имеющей четыре лопасти. В этом случае каждая из мешалок собрана с возможностью крепления и прикреплена к ведущему валу посредством посадки ведущего вала через центральные отверстия в ступицах мешалок. Лопасти первой из мешалок повернуты от примерно на 30 до примерно на 90^o вокруг продольной оси вала относительно расположения лопастей второй мешалки. В дополнение к этому ступицы первой и второй мешалок находятся близко друг к другу, т.е. они находятся непосредственно в соприкосновении или отведены на небольшое расстояние, которое обычно меньше, чем толщина одной ступицы. В такой конфигурации места присоединений лопастей одной из мешалок к ступице могут быть смещены так, что передние кромки лопастей как первой, так и второй мешалок лежат в одной и той же плоскости.

В соответствии с изобретением соединение первой и второй мешалок имеет показатель потока от примерно 0,75 до примерно 0,85. Объединенные мешалки могут быть на валу вместе с дополнительными мешалками, например вместе с турбинными мешалками с криволинейными или плоскими лопастями. В этом случае "дополнительная" мешалка обычно находится вблизи дна резервуара или другой емкости, а объединенные мешалки согласно изобретению размещены ближе к верхней части резервуара или другой емкости. В этой конфигурации мешалки с интенсивным потоком согласно изобретению прижимают текучую среду к дну резервуара, а турбина направляет текучую среду радиально. После этого жидкость проходит кверху и возвращается к мешалкам согласно изобретению. Таким образом, достигается очень высокая эффективность вертикального перемешивания и исключается расслоение.

Изобретение поясняется посредством чертежей, иллюстрирующих предпочтительные варианты осуществления изобретения. Должно быть понятно, что иллюстративные варианты осуществления приведены для пояснения и не являются ограничивающими настоящее изобретение.

Как видно на чертежах, покрытая стеклом мешалка 10 с аксиальным потоком имеет ступицу 12 с расположенным в центре отверстием 14, имеющим центральную ось 16. Отверстие имеет заданный размер, необходимый для прохождения через него вала 18, имеющего продольную ось 20, так что центральная ось 16 отверстия 14 совпадает с продольной осью 20 вала 18. Мешалка имеет, по меньшей мере, две попасти 22 с изменяемым шагом. Каждая лопасть 22 имеет переднюю поверхность 24 и заднюю поверхность 26, которые определяются внутренней кромкой 28, имеющей передний конец 30 и задний конец 32, и наружной кромкой 34, имеющей передний конец 36 и задний конец 38. Кроме того, передняя и задняя поверхности 24 и 26 дополнительно определяются передней кромкой 40, которая соединяет передний конец 30 внутренней кромки 28 с передним концом 36 наружной кромки 34, и задней кромкой 42, которая соединяет задний конец 32 внутренней кромки 28 с задним концом 38 наружной кромки 34. Лопасти симметрично присоединены к ступице по внутренним кромкам 28 так, что внутренние кромки 28 находятся под углом α от примерно 45 до примерно 60^o относительно центральной оси 16 ступицы 12, а наружные кромки 34 находятся под углом β от примерно 50 до примерно 70^o относительно центральной оси 16 ступицы 12. Вся мешалка 10, включая ступицу 12 и присоединенные лопасти 22, облицована сплошным покрытием 44 из стекла. Мешалка имеет множество углов и кромок, например 28, 34, 40, 42, α и β, при этом все они имеют закругленную форму для обеспечения прочного и устойчивого стеклянного покрытия.

Как видно на фиг. 5, по меньшей мере, две мешалки 10 могут быть прикреплены к ведущему валу 18 посредством посадки ведущего вала через отверстия 14 в ступицах 12 мешалок для образования перемешивающего устройства. По меньшей мере, одна из мешалок представляет собой мешалку с интенсивным аксиальным потоком, описанную ранее.

Как видно на фиг.5, можно образовать перемешивающее устройство 46, которое содержит, по меньшей мере, две мешалки, описанные ранее, каждая из которых собрана с возможностью крепления и прикреплена к ведущему валу 18 с помощью центральных отверстий 14 в ступицах 12 мешалок 10. В этом случае необходимо, чтобы лопасти первой мешалки были повернуты на угол от примерно 30 до примерно 90^o вокруг продольной оси 20 вала 18 относительно расположения лопастей второй мешалки. Ступицы двух мешалок могут находиться близко друг к другу для эффективного образования объединенной мешалки, имеющей четыре лопасти. Понятие "близко друг к другу", как оно использовано в этой связи, означает, что ступицы 12 мешалок 10 расположены так, что, по меньшей мере, часть лопастей 22, по меньшей мере, одной из мешалок действует в той же самой плоскости вращения вокруг вала 18, как и, по меньшей мере, часть лопастей другой мешалки.

Как видно на фиг.5, мешалки согласно изобретению можно объединять на валу вместе с другими мешалками, которые являются такими же или отличными от мешалки согласно изобретению. Перемешивающее устройство 46, показанное на фиг.5, содержит две верхние мешалки 10 согласно изобретению и нижнюю мешалку 48 в виде турбины с плоскими лопастями.

Как видно на фиг. 6, лопасти мешалок согласно изобретению могут быть смещены таким образом, что их ступицы 12 располагаются близко друг к другу, при этом передние кромки 40 лопастей 22 обеих мешалок действуют, по существу, в одних и тех же плоскостях вращения вокруг вала.

Мешалки согласно изобретению в конфигурации, по существу, как показано на фиг. 3, были испытаны для определения показателя F_n осевого потока посредством измерения мощности осевого потока, создаваемого мешалкой, с использованием лазера для измерения потока взвешенных частиц в турбулентной текучей среде с низкой вязкостью. Результаты сравнивались с данными для известной мешалки турбинного типа с крыльями и для известной турбинной мешалки с наклонными лопастями, показанной на фиг.5а патента США 4601583. Все мешалки имели, по существу, один и тот же диаметр, имели конфигурации с четырьмя лопастями и вращались с одинаковой скоростью. Конфигурация мешалки согласно изобретению имела показатель потока примерно 0,81. Турбина с наклонными лопастями имела показатель потока примерно 0,65, а турбинная мешалка с крыльями имела показатель потока примерно 0,45. Из этих показателей видно, что мешалка согласно изобретению создает намного больший поток, чем турбинные мешалки с крыльями или с наклонными лопастями, которые до настоящего изобретения были единственными доступными покрытыми стеклом мешалками, создающими любой существенный радиальный поток. Результаты показаны в виде графика на фиг.7. Значения по оси Y графика относятся к показателю потока, рассчитанному с использованием формулы, которая описана ранее.

Покрытая стеклом мешалка с аксиальным потоком, включающая ступицу и присоединенные лопасти. Ступица имеет расположенное в центре отверстие, при этом отверстие имеет центральную ось. Мешалка имеет множество углов и кромок, которые имеют закругленную форму для обеспечения возможности стеклования. Кроме того, мешалка включает, по меньшей мере, две лопасти с изменяемым шагом. Каждая лопасть имеет переднюю и заднюю поверхности, определяемые внутренней кромкой, имеющей передний конец и задний конец, наружной кромкой, имеющей передний конец и задний конец, передней кромкой, соединяющей передний конец внутренней кромки с передним концом наружной кромки, и задней кромкой, соединяющей задний конец внутренней кромки с задним концом наружной кромки. Наружная кромка каждой лопасти от примерно в 1,5 раза до примерно в 2,5 раза длиннее внутренней кромки. Лопасти симметрично присоединены к ступице по их внутренним кромкам так, что их внутренние кромки находятся под углом примерно 45 - 60^o относительно центральной оси присоединенной ступицы, а их наружные кромки находятся под углом примерно 50 - 70^o относительно центральной оси этой ступицы. Угол внутренних кромок к центральной оси ступицы примерно на 6 - 12^o меньше, чем угол наружных кромок к центральной оси. Ступица и присоединенные лопасти облицованы непрерывным покрытием из стекла. Мешалка согласно изобретению создает намного больший поток, чем турбинные мешалки с крыльями или с наклонными лопастями. 5 с. и 15 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Покрытая стеклом мешалка с аксиальным потоком, содержащая ступицу, имеющую расположенное в центре отверстие, имеющее центральную ось, при этом отверстие имеет заданный размер для прохождения через него ведущего вала, имеющего продольную ось, так что центральная ось расположенного в центре отверстия совпадает с продольной осью вала, причем мешалка имеет множество углов и кромок, имеющих закругленную форму, и содержит, по меньшей мере, две лопасти с изменяемым шагом, каждая лопасть имеет переднюю и заднюю поверхности, определяемые внутренней кромкой, имеющей передний конец и задний конец, наружной кромкой, имеющей передний конец и задний конец, передней кромкой, соединяющей передний конец внутренней кромки с передним концом наружной кромки, и задней кромкой, соединяющей задний конец внутренней кромки с задним концом наружной кромки, отличающаяся тем, что наружная кромка каждой лопасти примерно в 1,5 - в 2,5 раза длиннее, чем внутренняя кромка, при этом лопасти симметрично присоединены к ступице по их внутренним кромкам так, что внутренние кромки находятся под углом примерно 45-60° относительно центральной оси присоединенной ступицы, а их наружные кромки находятся под углом примерно 50-70° относительно центральной оси ступицы, при этом угол внутренних кромок к центральной оси ступицы примерно на 6-12° меньше, чем угол наружных кромок к центральной оси ступицы, а ступица и присоединенные лопасти облицованы непрерывным покрытием из стекла.2. Мешалка по п.1, отличающаяся тем, что угол внутренних кромок к центральной оси ступицы примерно на 7-9° меньше, чем угол наружных кромок к центральной оси ступицы.3. Мешалка по п.1, отличающаяся тем, что две лопасти присоединены к ступице с противоположных сторон.4. Мешалка по п.1, отличающаяся тем, что лопасти присоединены к ступице посредством приваривания.5. Мешалка по п.1, отличающаяся тем, что лопасти присоединены к ступице посредством ковки за одно целое со ступицей.6. Мешалка по п.1, отличающаяся тем, что лопасти присоединены к ступице посредством литья за одно целое со ступицей.7. Мешалка по п.2, отличающаяся тем, что она выполнена из покрытой стеклом стали.8. Мешалка по п.7, отличающаяся тем, что в качестве стали использована нержавеющая сталь.9. Перемешивающий узел, содержащий мешалку, отличающийся тем, что мешалка выполнена по п.2 и прикреплена к ведущему валу посредством посадки ведущего вала через отверстие в ступице.10. Узел по п.9, отличающийся тем, что мешалка прикреплена к ведущему валу посредством фрикционной посадки.11. Узел по п.9, отличающийся тем, что ведущий вал выполнен из покрытой стеклом стали.12. Узел по п.10, отличающийся тем, что ведущий вал выполнен из покрытой стеклом нержавеющей стали.13. Перемешивающий узел, содержащий, по меньшей мере, две мешалки, отличающийся тем, что каждая из мешалок прикреплена к ведущему валу посредством посадки ведущего вала через отверстия в ступицах мешалок, при этом, по меньшей мере, одна из мешалок выполнена по п.2.14. Перемешивающий узел, содержащий, по меньшей мере, две мешалки, отличающийся тем, что мешалки выполнены по п.2, при этом каждая из мешалок собрана с возможностью крепления и прикреплена к ведущему валу посредством посадки ведущего вала через центральные отверстия в ступицах мешалок, лопасти первой мешалки повернуты примерно на 30-90° вокруг продольной оси вала относительно расположения лопастей второй мешалки, при этом ступицы первой и второй мешалок расположены близко друг к другу.15. Узел по п.14, отличающийся тем, что сочетание первой и второй мешалок имеет показатель потока примерно 0,75-0,85.16. Узел по п.14, отличающийся тем, что места присоединений, по меньшей мере, двух лопастей к их ступицам смещены так, что передние кромки лопастей как первой, так и второй мешалок лежат в одной и той же плоскости.17. Перемешивающий узел, содержащий первую мешалку, отличающийся тем, что она выполнена по п.1 и установлена в верхнем положении на, по существу, вертикальном валу относительно второй мешалки, установленной в нижнем положении на валу, так что мешалки вращаются не в одной и той же плоскости вращения вокруг вала.18. Узел по п.17, отличающийся тем, что вторая мешалка имеет меньший показатель потока, чем первая мешалка.19. Узел по п.18, отличающийся тем, что вторая мешалка представляет собой турбину с плоскими лопастями.20. Узел по п.18, отличающийся тем, что вторая мешалка представляет собой турбину с криволинейными лопастями.