Смеситель Советский патент 1990 года по МПК B01F5/08 G05D27/00 

Изобретение относится к аппара™ там для перемешивания и может найти применение в нефтехимической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности.

Цель изобретения - интенсификация процесса перемешивания,

На фиг.1 схематически представлен предлагаемый смеситель и сечение А-Л; на фиг.2 - сечение Б-Б на фиг.1

Смеситель состоит из корпуса 1 с патрубками подачи 2 и отвода 3 смеси. Патрубок 2 подачи смеси соединен с трубопроводом 4. Внутри корпуса 1 с помощью направляющих 5, имеющих аэродинамический профиль, закреплена ступица 6, па которой установлены лопатки 7-Ю суперкавитирую- щего профиля. Лопатки 7 - 10 установлены на валах 11 - 14. Одним концом валы 11-14 установлены в ступице 6 5 другой конец валов 1 - 14 че рез сальники 15 выведены наружу корпуса 1, где вал 11 соединен с приводом 16 углового перемещения, вал 12 соединен с приводом 17 углового перемещения, вал 13 соединен с приводом 18 углового перемещения, вал 14 соединен с приводом 19 углового перемещения. Привод 16 углового перемещения через инвертор 20. а привод 17 углового перемещения напрямую соединены с усилителем 21. Привод 18 углового перемещения через инвертор 22, а привод 19 углового перемещения напрямую соединены с усилителем 23. Входы усилителей 21 и 23 соединены с выходом сумматора 24, один из вхо5

0

дов которого соединен с выходом регулятора 25 положения лопаток.

Один из входов регулятора 25 положения лопаток соединен с выходом датчика 26 расхода, который установлен на трубопроводе 4, а другой вход ре- гупятора 25 соединен с выходом регулятора 27 качественного параметра, снабженного задатчиком 28 величины качественного параметра. Вход регулятора 27 соединен с выходом датчика 29 качественного параметра который установлен в патрубке 3 отвода смеси. Другой вход сумматора 24 соединен Т

5 с выходом пульсатора 30, один вход которого соединен с задатчиком 31 начальной частоты пульсаций лопаток 7-Ю, а другой вход пульсатора 30 через преобразо0 ватель 32 соединен с датчиком 33 шумов, установленным в патрубке 3 отвода смеси. Кроме того, входы инверторов 20 и 22, управляющие их положением, соединены с выходом блокиратора, 34. - Смеситель работает следующим обра зом.

Поток смеси веществ со скоростью 1-2 м/с из трубопровода 4 поступает в патрубок 2 подачи. Величину скорости потока поддерживают постоянной контуром стабилизации расхода смеси (не показано). Патрубок 2 подачи выполнен в виде конфузора, где ско5 рость за счет поджатия потока увеличивается до 7 - Ю м/с. С этой скоростью поток поступает в корпус 1, где закреплена ступица 6, на КОТОРОЙ

5

установлены вал 11 с лопаткой 7, вал 12 с лопаткой 8, вал 13 с лопаткой 9, вал 1 с лопаткой 10.

Пусть в некоторый момент времени угол об установки лопаток 7 10 равен нулю, т.е. лопатки 7 и 8, а также лопатки 9 и 10 попарно параллельны друг другу, а биссектрисы углов при вершине лопаток параллельны оси корпуса 1. При обтекании лопаток скорость потока возрастает, а давление понижается и при достижении давлением жидкости величины давления ее насыщенных паров на задних кромках лопаток начинают образовываться кавитационный микропузырьки, заполненные газом и паром. Они сливаются в обширную полость, представляющую собой каверну. В хвостовой части кавитационной каверны, т.е в зоне повышенного давления, происходит схлопывание кавитационных пузырьков с образованием кумулятивных микроструй со скоростями порядка 10 м/с и ударными давлениями 10 -105 кгс/см2. Микроструи оказывают интенсивное размалывающее и перемешивающее воздействие на обрабатываемую смесь. Одновременно при схло- пывании кавитационных пузырьков возникают шумы, в частности, в результате колебаний объема пузырька, что приводит к пульсации акустического давления. При малых радиусах кави- тациониого пузырька скорость движения его стенки становится сравнимой со скростью звука в жидкости. Причем скорость движения стенки пузырька Судет

ЙЈ p-w etc

CD

где R - текущее значение радиуса пузырька;t - время от начала уменьшения

пузырька,

Возникающие кавитационные шумы воспринимаются датчиком 33 шумов - шумомером.

Поток жидкости, подвергнутый кавитационной обработке, поступает в диффузор, где скорость потока уменьшается до величины 1-2 м/с, энергети- чески выгодной для дальнейшей транспортировки смеси. Для оценки степени воздействия на смесь кавитационной обработки выбран качественный

0

5

0

5

г

параметр - вязкость смеси, которая обратно пропорциональна величине коллоидной стабильности, а в качестве датчика 29 качественного параметра взят вискозиметр.

Величина расхода смеси веществ, протекающих через трубопровод А, измеряется датчиком 26 расхода, выходной сигнал которого поступает на один из входов регулятора 25 положения лопаток.

Величина вязкости контролируемся датчиком 29, выходной сигнал которого поступает на вход регулятора 27 качественного параметра, например, ПР 3.21, снабженного задатчиком 28 качественного параметра. В регуляторе 27 происходит непрерывное сравнение сигнала текущего значения вязкости от датчика 29 и сигнала величины задания от датчика 28. По величине рассогласования между этими сигналами регулятор 27 вырабатывает выходной сигнал, поступающий на другой вход регулятора 25, где происходит сравнение соотношения сигналов от датчика 26 и регулятора 27 с заданной величиной, устанавливаемой встроенным задатчиком внутри регулятора 2$. В качестве регулятора 25 взят регулятор соотношения . Пропорционально соотношению сигналдв от датчика 26 и регулятора 27 регулятор 25 вырабатывает управляющее воздействие, которое поступает через сумматор 2 сигналов на входы функциональных усилителей 21 и 23. Усилители 21 и 23 представляют собой двухканальные мноg жительные устройства (например, сдвоенные приборы ПФ 1.J.9) с раздельной регулировкой коэффициента умножения по каждому каналу. Выходной сигнал усилителя 21 поступает на

5 привод 17 углового перемещения и на вход инвертора 20. На другой вход инвертора 20, управляющий его положением (Включен или Выключен), поступает управляющий сигнал от блокиратора 3. По команде О блокиратора 3 инвертор 20 выключен и выход- ной сигнал усилителя 21 без изменения знака своей величины поступает на привод 16 углового перемещения. В этом случае приводы 16 и 17 работают синфазно. Выходной сигнал усилителя 23 поступает на привод 19 углового перемещения напрямую, а на привод 18 углового перемещения - через

0

5

0

инвертор 22. На вход инвертора 22, управляющий его положением, поступает сигнал от блокиратора З Причем по команде О блокиратора 3 инвертор 22 выключен и выходной сигнал усилителя 23 без изменения знака своей величины поступает на привод 18 углового перемещения, т.е. приводы 18 и 19 также работают синфазно.

По команде 1 блокиратора 3k инверторы 20 и 22 включены и изменяют знак величины сигнала, проходящего через них, на противоположный, что

вертикальной оси, лопатка 10 - вправо. В результате поворота лопаток, т.е. при условии, что уголоСИО, уве- личивается загромождение потоку и согласно выражению (1) увеличивается относительная длина кавитационной каверны.

Время жизни кавитационных пузырь 10 ков включает три стадии: образование кавитационных пузырьков, их рост и схлопывание с образованием кумулятивных микроструй.

В общем виде количество энергии,

тационного пузырька, зависит от давления в жидкости вокруг пузырька и размеров кавитационного пузырька

,

(2)

25

где k - коэффициент пропорциональности;

давление в жидкости вокруг пузырька;

максимальный радиус пузырька в момент до схлопывания„

Р К„ 30

35

приводит к тому, что приводы 16 и 17 15 высвобождаемой при схлопывании кавиа также приводы 18 и 19 работают в

противофазе.

Пусть в момент времени, когда угол установки лопаток oi О, установится некоторая величина расхода Qi через 20 смеситель, после лопаток образуется кавитационная каверна с относительной длиной L,. При этом смесь веществ будет подвергаться кавитационному воздействию с интенсивностью, обеспечивающей заданную величину качественного параметра - вязкости, например )f .

В случае, если интенсивность кавитационного воздействия на смесь по каким-либо причинам недостаточна, то изменяют величину задания показателя вязкости задатчиком 28. В регуляторе 27 сигналы задатчика 28 и датчика 29 качественного параметра сравниваются и по величине рассогласования между ними регулятор 27 вырабатывает выходной сигнал, который поступает на вход регулятора 25. Выходной сигнал регулятора 25, пропорциональный соотношению сигналов датчика 26 и регулятора 27. через сумматор 2k и усилители 21 и 23 поступает на приводы 16 - 19, которые поворачивают лопатки 7 - Ю на угол, про- 45 порциональный величине сигнала регулятора 25. При этом коэффициент пропорциональности определяется коэффициентом умножения усилителей 21 и 23. Если коэффициенты умножения по каждому каналу усилителей 21 и 23 равны, а инверторы 20 и 22 отключены, и за положительное принять вращение вала привода углового перемещения по часовой стрелке, то лопатки „ 7-10 повернутся следующим образом: лопатка 7 провернется вверх относительно продольной оси корпуса, лопатка 8 - вниз, лопатка 9 влево от

40

50

Анализ выражения (2) показывает, что одним из путей повышения интенсивности кавитационного воздействия является увеличение размеров кавитационного пузырька. Увеличение длины каверны приводит к тому, что кави тационные пузырьки от момента зарожде ния до момента схлопывания проходят больший путь, при этом увеличиваются и их размеры, что интенсифицирует ка витационное воздействие. Таким образом, увеличение длины каверны ведет к усилению роста пузырьков.

Кроме того, интенсивность кавитационной обработки зависит от количества образующихся кавитационных пузырьков. Одновременный поворот лопаток 7 - 10 на одинаковый угол в положительном либо отрицательном направлении приводит к закручиванию потоков, обтекающих лопатки, с образова нием макровихрей, которые, взаимодействуя между собой, приводят к генерированию дополнительного количества кавитационных пузырьков и повышению интенсивности воздействия. Боль ше всего дополнительных кавитационных пузырьков генерируется именно при однонаправленной закрутке потока.

Попарное соединение приводов углового перемещения с независимыми уси58М 88

вертикальной оси, лопатка 10 - вправо. В результате поворота лопаток, т.е. при условии, что уголоСИО, уве- личивается загромождение потоку и согласно выражению (1) увеличивается относительная длина кавитационной каверны.

Время жизни кавитационных пузырь- 10 ков включает три стадии: образование кавитационных пузырьков, их рост и схлопывание с образованием кумулятивных микроструй.

В общем виде количество энергии,

тационного пузырька, зависит от давления в жидкости вокруг пузырька и размеров кавитационного пузырька

,

(2)

где k - коэффициент пропорциональности;

давление в жидкости вокруг пузырька;

максимальный радиус пузырька в момент до схлопывания„

Р К„0

5

0 45„

40

50

Анализ выражения (2) показывает, что одним из путей повышения интенсивности кавитационного воздействия является увеличение размеров кавитационного пузырька. Увеличение длины каверны приводит к тому, что кави- тационные пузырьки от момента зарождения до момента схлопывания проходят больший путь, при этом увеличиваются и их размеры, что интенсифицирует ка- витационное воздействие. Таким образом, увеличение длины каверны ведет к усилению роста пузырьков.

Кроме того, интенсивность кавитационной обработки зависит от количества образующихся кавитационных пузырьков. Одновременный поворот лопаток 7 - 10 на одинаковый угол в положительном либо отрицательном направлении приводит к закручиванию потоков, обтекающих лопатки, с образованием макровихрей, которые, взаимодействуя между собой, приводят к генерированию дополнительного количества кавитационных пузырьков и повышению интенсивности воздействия. Больше всего дополнительных кавитационных пузырьков генерируется именно при однонаправленной закрутке потока.

Попарное соединение приводов углового перемещения с независимыми усилителями существенно расширяет диапазон изменения интенсивности кавита- ционного воздействия, так как при этом обеспечивается возможность поворота пар диаметрально противоположных лопаток на различные углы, что может быть осуществлено настройкой усилителей 21 и 23 на различные коэффициенты умножения; Так как усилители 21 и 23 выполнены двухканальными, то дальнейшее расширение возможностей смесителя состоит в том, что каждый канал настраивается самостоя- тельно, т.е. в пределе все лопатки могут поворачиваться на различные углы.

Одновременный поворот всех лопаток в положительном либо отрицательном направлении приводит к тому, что возможна лево- или правосторонняя закрутка потока. Это особенно важно при согласовании работы двух последовательно установленных смесителей, когда один из них (например, первый по ходу потока) используется в качестве активатора жидкой среды, а второй - в качестве собственно смесителя.

Кроме того, лопатки 7 - 10 установлены таким образом, что могут совершать вращательное движение вокруг своей оси с достижением пульса- иионно-кавитационного режима течения потока смешиваемых веществ.

По команде 1 блокиратора З инвертор 20 переходит в состояние Включен, при этом сигнал управления усилителя 21 проходит на привод 17 УГЛОВОГО перемещения напрямую, а на привод 16 углового перемещения - через инвертор 20, где знак величины сигнала управления от усилителя 21 изменяется на противоположный. При одинаковой настройке коэффициента умножения по обоим каналам усилителя 21 приводы 16 и 17 углового перемещения повернут свои валы 11 и 12 в противоположных направлениях, но на одинаковую величину угла поворота. Если лопатка 7 повернется в положительном направлении, то лопатка 8 - в отрицательном, и наоборот, т.е. лопатки 7 и 8 работают в противофазе.

По команде 1 блокиратора 3 инвертор 22 также переходит в состояние Включен, при этом сигнал управления усилителя 23 проходит на привод 19 углового перемещения напрямую, а

ю10

15

558М810

на привод углового перемещения 18 - через инвертор 22, где знак величины сигнала управления от усилителя 23 изменяется на противоположный. При одинаковой настройке коэффициента умножения по обоим каналам усилителя 23 приводы 18 и 19 углового перемещения повернут свои валы 13 и 15 в противоположных направлениях, но на одинаковую величину угла поворота. Если лопатка 9 повернется в положительном направлении, то лопатка 10 - в отрицательном, и наоборот, т.е. лопатки 9 и 10 также работают в противофазе.

Таким образом, лопатки 7 и 8 одновременно либо опускаются вниз от продольной оси корпуса, либо вверх, а лопатки 8 и 10 перемещаются либо влево, либо вправо от вертикальной оси. В этом случае продольная ось кавитационной каверны не совпадает с продольной осью корпуса и смещается относительно нее, причем кави- тационная каверна, занимающая лишь часть поперечного сечения корпуса, взаимодействует с турбулизированным потоком в остальной части сечения.. Это приводит к значительной деформации каверны и интенсивному размыванию хвостовой части каверны, что ведет к генерированию дополнительного количества кавитационных пузырьков и, следовательно, к интенсификации кавитационного воздействия.

Наложение на аналоговый сигнал регулятора 25 дискретной составляющей сигнала пульсатора 30 приводит к 40 | колебаниям лопаток 7 10 с конечной частотойf(. Величина частоты пуль20

25

30

35

5

саций лопаток fb задается с помощью задатчика 31. Возникающие при схло- пывании кавитационных пузырьков шумы воспринимаются датчиками 33 и с его выхода сигнал, пропорциональный суммарному уровню шумов в корпусе 1, преобразуется в пневматический сигнал в преобразователе 32 (например, пре- Q образователь П-111). Пульсатор 30 изменяет частоту пульсаций выходного сигнала пропорционально сигналу рассогласования между сигналом задатчика 31 и сигналом преобразователя 32. Далее в сумматоре 24 происходит наложение сигнала пульсатора 30 и сигнала регулятора 25 и выходной сигнал сумматора 2 поступает через усилители 21 и 23 на входы приводов 16 5

19 углового перемещения, которые приводят лопатки 7 Ю в колебательный режим. Это ведет к усилению нестационарности каверн, увеличению количества генерируемых кавитационных пузырьков при одновременном увеличении относительной длины каверны, а также к усилению кавитационных шумов. При этом достигается сверхсуммарный эффект, так как колебания лопаток при кавитационном сечении существенно снижают величину гидравлических потерь и значительно повышают интенсивность кавитационного воздействия.

Наибольшее проявление сверхсуммарного эффекта происходит при резонансе частоты пульсации каверны и частоты колебаний лопаток, что ведет к увеличению амплитуды колебаний каверны и повышению интенсивности перемешивания. При этом задатчик 31 перестраивают на резонансную частоту, которая и поддерживается постоянной при получении заданной величины качественного параметра обработанной смеси.

Смеситель был испытан в процессе осернения октола при производстве смазки для гипоидных передач в циркуляционном контуре варочного аппарата с механическим перемешивающим устройством объемом 10 м3. В варочны аппарат загружалось 8000 кг октола и 200 кг молотой серы. При работающем пермешивающем устройстве смесь перекачивали по схеме: низ варочного аппарата - насос - смеситель - верх варочного аппарата. Производительност перекачивающего насоса 50 м3/ч.

Оценкой качества процесса осернения октола являлось содержание сво- бодной серы и анализ на коррозию стальной пружины. Результаты испытаний сведены в таблицу.

В примере К3 1 оценка осуществлялась по прототипу в примере fP 2 угол установки лопастейc 0j в примере М° 3 лопатки попарно синфазны, повернуты в положительном направлении на уголо6 30 ; в примере + то же, что и в примере 3, но уголо6 5°; в примере- 5 то же, что и в примере 3, но уголсЈ 60°, в примере ff 6 лопатки 7 и 10 повернуты в положительном направлении, а лопатки 8 и 9 - в отрицательном направлении на уголot 12°; в примере fp 7 то же, что и в примере 2, частота пульсации лопаток 10 Гц; в примере № 8 то же, что и примере 4, частота пульсаций 50 Гц , в примере № 9 то же,

и в 100

примере Гц.

частота пульса

0

5

0

5

0

5

0

5

Формула изобретения

Смеситель, содержащий корпус с патрубками подачи компонент и размещенные внутри корпуса первую и вторую лопатки суперкавитирующего профиля, установленные на ступице, закрепленной в корпусе с помощью направляющих, а также первый и второй приводы углового перемещения, отличающийся тем, что, с целью интенсификации процесса, в его состав дополнительно введены датчик вязкости, расходомер, датчик шумов, первый и второй задатчики, регулятор положения лопаток и регулятор вязкости, пульсатор, преобразователь, сумматор, первые и вторые усилители и усилители-инверторы, устройство блокировки, а также третьи и четвертые лопатки суперкавитирующего профиля с приводами углового перемещения, при этом первая - четвертая лопатки суперкавитирующего профиля установлены на валах, первые концы которых расположены в ступице, а вторые концы валов кинематически соединены с первым - четвертым приводами углового перемещения, соответственно установленными на диаметрально противоположных сторонах корпуса, а лопатки суперкавитирующего профиля расположены под углом к продольной оси корпуса и установлены на взаимно перпендикулярных в поперечном сечении корпуса валах, при этом выход датчика шумов через преобразователь соединен с первым входом пульсатора, второй вход которого соединен с выходом первого задатчика, выход датчика вязкости соединен с первым входом регулятора вязкости, второй вход которого соединен с выходом второго задатчика, выход регулятора вязкости соединен с первым входом регулятора положения лопаток, второй вход которого соединен с выходом датчика расхода, выход регулятора положения лопаток соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом пульсатора, выход сумматора соединен через первый и второй усилители с управляющими входами первого и второго приводов углового перемещения, выходы первого и второго усилителей через первый и второй усилители-инверторы соединены с управляющими входами

третьего и четвертого приводов углового перемещения, вторые входы первого и второго усилителей-инверторов соединены с первым и вторым выходами устройства блокировки соответственно.

Изобретение относится к аппаратам для перемешивания и может найти применение в нефтехимической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности. Целью изобретения является интенсификация процесса. В состав смесителя входят корпус 1 с патрубками 2 и 3 подачи и отвода смеси. Внутри корпуса 1 с помощью направляющих 5, имеющих аэродинамический профиль, закреплена ступица 6, на которой установлены лопатки 7,8,9,10 суперкавитирующего профиля. Лопатки закреплены на валах 11,12,13,14 соответственно. Одним концом валы установлены в ступице 6, другой конец каждого из валов через сальники 15 выведен наружу корпуса 1, где каждый из валов соединен, соответственно, с приводами 16,17,18,19 углового перемещения. Привод 16 углового перемещения через инвертор 20, а привод 17 напрямую, соединены с усилителем 21, привод 18 через инвертор 22, а привод 19 напрямую, соединены с усилителем 23. Входы усилителей соединены с выходами сумматора 24, один из входов которого соединен с выходом регулятора 25 положения лопаток. Кроме того в состав устройства входят датчик 26 расхода, регулятор 27 качественного параметра, задатчик 28 и датчик 29 величины качественного параметра, пульсатор 30, по сигналам которых регулятор 25 положения лопаток осуществляет управление приводами 16,17,18 и 19. 2 ил.

1,5 0,8

0,23 0,01 0.01

о.оз

0,03 0,01 0,01

. .

18 7

3,5 3,0

2,5 2,9 2,5 2,5 2,0

3

з

8,2

10

11,2

5,7

5,1

13,4

1,3