Перемешивающее устройство Российский патент 2024 года по МПК B01F27/117 B01F27/94 

Изобретение относится к устройствам для смешивания, в том числе и в гетерогенных системах для суспендирования, гомогенизации суспензии, и может быть использовано в больших объемах при особых требованиях по бережному перемешиванию, когда касательные напряжения в жидкости не должны превышать определенного порога, допустимого с точки зрения предотвращения разрушения частиц, например, в системах активного ила.

В настоящее время используется перемешивающие устройства различных типов. Значительную долю из них составляют мешалки с вертикальным вращающимся валом, на котором закреплены рабочие органы - лопасти, лопатки, гребенки и т.д. Основной проблемой при перемешивании суспензий является оседание твердых частиц на стенках и днище. Одним из наиболее распространенных типов для перемешивания суспензий являются турбинные мешалки. Мешалки данного типа работают по принципу центробежного насоса. Вращательное движение лопаток передается жидкости, благодаря центробежным силам возникает сильное радиальное течение, которое, в свою очередь, отражаясь от стенок емкости, обеспечивает полную циркуляцию всего объема перемешиваемого компонента. Для предотвращения образования воронки в аппаратах устанавливают отражательные перегородки, которые, к тому же, дополнительно способствуют созданию меридиональной циркуляции в аппарате.

К недостаткам турбинных мешалок относятся: высокий уровень потребляемой мощности, особенно при наличии отражательных перегородок (критерий мощности достигает 8,4) [Брагинский Л.Н., Бегачев В.И., Барабаш В.М. Перемешивание в жидких средах. Л.: Химия, 1984. 336 с.], а также чрезмерно высокий уровень сдвиговых напряжений вблизи лопаток мешалки, что может приводить к нежелательному повреждению частиц, например, активного ила или клеток микроорганизмов. При снижении частоты вращения турбинной мешалки для уменьшения опасных воздействий на частицы снижается и качество перемешивания.

Известно также погружное гиперболоидное перемешивающее устройство, описанное в патенте Китая на изобретение №103962050, содержащее стабилизирующее кольцо, воздуховод, гиперболоидную крыльчатку, поплавок, основание, гайку рабочего колеса, выходной вал, редуктор, погружной электродвигатель, трубу подачи воды. Силовой выходной вал погружного электродвигателя соединен с входным валом редуктора, а на выходном валу редуктора установлена гиперболоидная крыльчатка, зафиксированная гайкой рабочего колеса. Погружной электродвигатель и редуктор закреплены на буе. Основание соединено с погружным электродвигателем и с буем.

Однако известное устройство имеет слишком короткие лопасти, не позволяющие добиться высокого качества перемешивания. Кроме того, техническое решение имеет определенную сложность при изготовлении, особенно при диаметрах больше 0,5 м, типичных для перемешивающих устройств, используемых в очистных сооружениях. Также при транспортировке и монтаже перемешивающих устройств таких больших размеров требуются дополнительные технологические и человеческие ресурсы в виду громоздкости неразборной конструкции.

Известно перемешивающее устройство для активного ила, описанное в патенте Германии на изобретение №102007037586. Устройство представляет собой прикрепленное к валу перемешивающее тело гиперболоидной формы, на верхней стороне которого предусмотрено несколько транспортных ребер, идущих к периферийному краю перемешивающего тела. При этом транспортные ребра проходят под углом, по меньшей мере, на отдельных участках относительно радиального направления. Наклон транспортных ребер выбирается таким образом, чтобы при движении перемешивающего тела в заданном направлении вращения радиально генерировался от периферийного края поток, направленный в сторону. Для повышения эффективности перемешивающего устройства к валу прикреплена, по меньшей мере, одна крыльчатка, которая при вращении перемешивающего органа осуществляет перемещение в верхнюю часть устройства с созданием направленного потока.

К недостаткам устройства-аналога относятся первые два недостатка, присущие описанному выше устройству. Кроме того, появляется еще один недостаток - снижается механическая прочность устройства за счет использования достаточно ненадежного дополнительного механизма в виде крыльчатки, которая может разрушиться при больших скоростях вращения при попадании потока перемешиваемой среды.

Наиболее близким аналогом является перемешивающее устройство гиперболоидного типа, описанное в патенте USD735291 на промышленный образец и в международной заявке WO2015086212 на изобретение. Устройство содержит тело в виде гиперболоида вращения, на верхней криволинейной части которого выполнены рабочие органы в виде длинных низкопрофильных лопастей, а на нижней части также выполнены лопасти, при этом в теле вблизи вала выполнено несколько продолговатых отверстий.

Форма устройства предполагает изготовление преимущественно из металлических деталей с последующим скреплением сваркой, клепкой или резьбовым крепежом, поскольку именно детали из металла позволят обеспечить точность изготовления и сборки устройства такой конструкции. Изготовление из менее прочных материалов, например, пластиков, приведет к существенному увеличению толщины деталей и усложнению пресс-форм, кроме того, из-за снижения точности изготовления могут возникнуть проблемы сборки готового изделия. В то же время, изготовление из доступных по стоимости металлов (углеродистые стали, алюминий) сопряжено с необходимостью их защиты от коррозии. В случае изготовления из металла с последующей защитой, например, покрытием краской или футеровкой пластиком, возникают проблемы с адгезией краски при колебаниях температур (что особенно важно в странах с разными климатическими зонами, например, для России, где транспортировка оборудования происходит зимой при -30°С, а работает оборудование в воде при температуре +5°С). Кроме того, в наиболее близком аналоге не предусмотрена возможность варьирования проходного сечения отверстий, что не позволяет адаптировать скорость циркуляции через них в зависимости от требований технологического процесса. Произвольное увеличение их размера и/или числа может привести к разрушению устройства. Это обстоятельство ограничивает область применения известного устройства.

Задачей предлагаемого изобретения является улучшение качества перемешивания при упрощении конструкции перемешивающего устройства и обеспечении более простой транспортировки, сборки и монтажа, что особенно актуально для крупногабаритных перемешивающих устройств диаметром 1-2 м и более.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в перемешивающем устройстве тело представляет собой гиперболоид вращения с внешней криволинейной поверхностью, на которой выполнены рабочие органы в виде длинных лопастей, профиль которых увеличивается по высоте от внутреннего - меньшего к внешнему - большему диаметру гиперболоида, на внутренней поверхности тела выполнены дополнительные лопасти, имеющие форму, описываемую гиперболоидом вращения с углом закрутки не более 90°, при этом кромка каждой лопасти внешней поверхности вблизи меньшего диаметра оканчивается продолговатым сквозным отверстием, расположенным на соответствующих дополнительных лопастях внутренней поверхности между их кромок.

Заявляется также перемешивающее устройство, которое наряду с вышеописанными признаками выполнено из композитного материала.

Техническим результатом предлагаемого изобретения заключается в следующем.

Повышение эффективности работы устройства заключается в увеличении доли частиц, переходящих во взвешенное (суспендированное) состояние, за счет более интенсивного перемешивания, а также за счет создания меридиональной циркуляции благодаря наличию отверстий на лопастях перемешивающего устройства и их конфигурации. За счет изготовления отверстий на лопастях, а не на самом теле устройства, не страдает прочность изделия в целом, а также увеличивается его насосная производительность. Увеличенная высота лопастей вблизи кромки внешнего диаметра гиперболоида вращения позволяет увеличить эффективность перемешивания за счет сообщения большего количества мощности перемешиваемой среде. При этом сохраняется бережное перемешивание за счет обтекаемой формы лопастей. Также на внутренней поверхности выполнены дополнительные лопасти, имеющие форму описываемую гиперболоидом вращения с оптимально подобранным - обязательно острым углом закрутки, благодаря которым исключается возможность возникновения застойной зоны под самим перемешивающим устройством.

Перемешивающее устройство может быть изготовлено из композитного материала, что позволяет существенно снизить массу изделия, а также устраняет необходимость нанесения дополнительных защитных покрытий при обеспечении значительной коррозионной стойкости. Меньшая масса также обеспечивает более простую транспортировку и монтаж.

Упрощение конструкции перемешивающего устройства достигается за счет возможности изготовления пресс-формы, так как устройство может быть изготовлено из полимерных материалов и его достаточно легко изготовить по готовой матрице.

Крепежные изделия можно изготавливать из коррозионностойких сталей или других сплавов, а также из любых других пригодных для этих целей материалов.

Более того, при наладке устройства может использоваться частотный преобразователь с целью адаптации к конкретным условиям перемешивания. Обеспечение возможности регулировать циркуляционное течение через отверстия в лопастях устройства также достигается за счет использования частотного преобразователя.

Изобретение поясняется с помощью Фиг.1-3, на которых изображено:

Фиг. 1 - общий вид предлагаемого устройства (а - аксонометрия, б - вид сверху, в - вид снизу),

Фиг. 2 - крепление перемешивающего устройства на вал при помощи фланцевого соединения,

Фиг. 3 - схема работы предлагаемого устройства и возникновение циркуляционных течений,

и позициями 1-9 обозначены:

1 - тело перемешивающего устройства,

2 - фланец,

3 - лопасть внешней криволинейной поверхности,

4 - кромка внешней поверхности вблизи меньшего диаметра,

5 - отверстие,

6 - дополнительная лопасть внутренней поверхности,

7 - винт,

8 - нижнее циркуляционное течение,

9 - верхнее циркуляционное течение.

Перемешивающее устройство размещают, например, на вращающемся вертикальном валу. Тело 1 в виде гиперболоида вращения перемешивающего устройства посредством фланца 2 закрепляют на вертикальном валу. На внешней криволинейной поверхности тела 1 размещены рабочие органы - лопасти 3, имеющие изогнутую форму поверхности с образующей, параллельной валу, на внутреннем диаметре, почти совпадающим с наружным диаметром фланца 2, а на внешнем диаметре, не превышающем наружного диаметра тела 1 перемешивающего устройства. Профиль лопастей 3 увеличивается по высоте от внутреннего - меньшего к внешнему - большему диаметру гиперболоида. Кромка каждой лопасти 3 внешней поверхности вблизи меньшего диаметра 4 оканчивается продолговатым сквозным отверстием 5. На внутренней поверхности тела 1 выполнены дополнительные лопасти 6, имеющие форму, описываемую гиперболоидом вращения с углом закрутки не более 90°. Отверстия 5 локализованы на соответствующих дополнительных лопастях 6 внутренней поверхности между их кромок. Присоединение перемешивающего устройства к фланцу 2 может быть осуществлено при помощи резьбовых крепежных элементов - болтов 7. Верхняя кромка лопастей 6 на внутреннем диаметре, практически равном внешнему диаметру отверстий 5, совпадает с гиперболоидом вращения и возрастает к внешнему диаметру гиперболоида.

Заявляемое перемешивающее устройство работает следующим образом. Перемешивающее устройство устанавливают на вертикальном валу, на другом конце которого размещен привод, как показано на Фиг. 3, и помещают в жидкость, находящуюся, например, в аппарате. При вращении вала вращающий момент передается через фланец 1. При взаимодействии поверхности лопастей 3 и 6 устройства с жидкостью, находящейся в аппарате, телу 1 передается вращательное движение. В аппарате возникает сложное поле скоростей с тремя составляющими: окружной, радиальной и осевой. Окружная скорость намного превышает две другие компоненты скорости. В результате вращательного движения в аппарате возникают центробежные силы инерции, порождающие радиальное движение. За счет типичной прямоугольной формы аппарата для очистных сооружений вблизи стенок вращательное движение существенно затухает, частично переходя в меридиональное (осевое), что способствует созданию меридиональной циркуляции и подъему частиц со дна аппарата, т.е. их взвешиванию (суспендированию).

Этой же цели служит выполнение в лопастях 3 и 6 отверстий 5. На Фиг. 3 показано возникновение циркуляционных течений в аппарате с жидкостью при работе предлагаемого перемешивающего устройства: нижнее циркуляционное течение 8 в нижней части аппарата, вдоль поверхности дна аппарата и верхнее циркуляционное течение 9 в верхней части аппарата. Циркуляционное течение 8 является более интенсивным, поскольку замкнуто на более коротком пути, и расширение потока происходит не столь значительно, как для течения 9, то есть поперечное сечение потока меньше, а значит, скорости течения выше. В результате интенсивного воздействия циркуляционного течения 9 на частицы осадка происходит его быстрый размыв, большая часть поверхности дна довольно быстро освобождается от частиц, то есть частицы переходят во взвешенное (суспендированное) состояние. При этом благодаря форме лопастей 6 уровень сдвиговых напряжений в жидкости в зоне их движения существенно ниже, чем для известных перемешивающих устройств, например, турбинных или лопастных мешалок с радиальными или пропеллерными лопастями, что позволяет бережно перемешивать чувствительные субстанции, например, активный ил.

Опытный образец заявляемого устройства успешно был опробован в ходе испытаний на канализационных очистных сооружениях. Разработанное перемешивающее устройство превосходит по своим характеристикам известные аналоги, так как по результатам апробации в зоне его работы полностью отсутствовали залежи активного ила. Кроме того изобретение имеет выгодную стоимость жизненного цикла, в том числе за счет более простой транспортировки, сборки и монтажа.

Изобретение относится к устройствам для смешивания, в том числе и в гетерогенных системах для суспендирования и гомогенизации. Тело устройства представляет собой гиперболоид вращения с внешней криволинейной поверхностью, на которой выполнены рабочие органы в виде длинных лопастей. Профиль последних увеличивается по высоте от внутреннего - меньшего к внешнему - большему диаметру гиперболоида. На внутренней поверхности тела выполнены дополнительные лопасти, имеющие форму, описываемую гиперболоидом вращения с углом закрутки не более 90°. Кромка каждой лопасти внешней поверхности вблизи меньшего диаметра оканчивается продолговатым сквозным отверстием, расположенным на соответствующих дополнительных лопастях внутренней поверхности между их кромок. Изобретение позволяет улучшить качество перемешивания при упрощении конструкции перемешивающего устройства. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Перемешивающее устройство, характеризующееся тем, что его тело представляет собой гиперболоид вращения с внешней криволинейной поверхностью, на которой выполнены рабочие органы в виде длинных лопастей, профиль которых увеличивается по высоте от внутреннего - меньшего к внешнему - большему диаметру гиперболоида, на внутренней поверхности тела выполнены дополнительные лопасти, имеющие форму, описываемую гиперболоидом вращения с углом закрутки не более 90°, при этом кромка каждой лопасти внешней поверхности вблизи меньшего диаметра оканчивается продолговатым сквозным отверстием, расположенным на соответствующих дополнительных лопастях внутренней поверхности между их кромок.

2. Перемешивающее устройство по п.1, характеризующееся тем, что оно выполнено из композитного материала.