CN110237572A - 一种剪切变稀非牛顿流体的气泡去除装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于流体除气领域，并具体公开了一种剪切变稀非牛顿流体的气泡去除装置及方法。所述装置包括支撑架、升降机构、旋转机构、锥形搅拌器以及液体容器，所述升降机构设于所述支撑架上，所述升降机构通过水平设置的可伸缩连杆与所述旋转机构固定连接；所述锥形搅拌器包括搅拌杆及锥形搅拌头；所述液体容器设于所述锥形搅拌头下方。所述方法包括旋转机构驱动搅拌杆转动，并带动所述锥形搅拌头以0.01rad/s～20rad/s的转速转动，以搅拌置于液体容器内的液体，直至去除剪切变稀非牛顿流体内的气泡。本发明可有效实现在不引入新气泡的条件下高效率的去除剪切变稀非牛顿流体的气泡，同时还具备结构装置简单、易操作、效率高的特点。

Description

一种剪切变稀非牛顿流体的气泡去除装置及方法
技术领域
本发明属于流体除气领域，更具体地，涉及一种剪切变稀非牛顿流体的气泡去除装置及方法。
背景技术
非牛顿流体涉及的工业种类非常广泛，包括聚合物制造业、制药业、造纸业以及食品业等。剪切变稀流体，又称为假塑性流体，是非牛顿流体中常见的一种。我们日常生活中常见的指甲油、番茄酱、糖浆、水中纸浆、乳胶漆、一些硅油以及一些硅油涂料等，都属于剪切变稀流体。在涉及剪切变稀流体的工业生产过程中，由于与周围气体存在接触，流体中很容易产生气泡。气泡的存在不仅影响产品外观，更会使得产品出现一系列缺陷，大大降低产品质量和寿命，因此从流体中去除气泡是工业生产中一个亟待解决的问题。当气泡大小一定时，气泡从流体中自然逸出所需的时间与流体粘度密切相关，且该时间随着流体粘度的增大而迅速增加。非牛顿流体往往具有较高的粘度，这给气泡去除带来了极大的挑战。
目前工业中较为常用的除气方法为真空除气，该方法通过减小液面上方的气压来加速气泡逸出。如专利CN103352102A公开了一种对金属熔液进行脱气精炼的旋转真空除气装置，该装置能够将真空精炼与金属液的有序循环流动结合起来，实现金属液的深度净化。但该除气装置搅拌装置为倾斜设计，挡板面积大，流体所形成的涡流复杂，且容易将空气带入，形成新的气泡，此外，该除气装置仅针对金属熔液，且装置较为复杂。中国专利CN207237371U提出了一种涂料真空除气装置，该装置通过双层的真空桶结构对内胆进行保压，从而达到更好的除气效果,但该装置只适用于真空环境，真空除气装置的组成一般较为复杂，需要布置真空泵和复杂的管路结构等。
因此，本领域亟待提出一种剪切变稀非牛顿流体的气泡去除装置及方法，以解决现有技术中结构复杂、容易带入新气泡及气泡去除效率低的问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种剪切变稀非牛顿流体的气泡去除装置及方法，其中结合剪切变稀非牛顿流体自身的特征及其气泡去除工艺特点，相应设计了一套气泡去除装置，并对其关键组件如锥形搅拌器、旋转机构、升降机构和液体容器的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可有效实现在不引入新气泡的条件下高效率的去除剪切变稀非牛顿流体的气泡，同时还具备结构装置简单、易操作、效率高的特点，因而尤其适用于剪切变稀非牛顿流体的气泡去除的应用场合。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种剪切变稀非牛顿流体的气泡去除装置，包括支撑架、升降机构、旋转机构、锥形搅拌器以及液体容器，其中，
所述升降机构设于所述支撑架上，并在电机的驱动下沿所述支撑架上下移动；所述升降机构通过水平设置的可伸缩连杆与所述旋转机构固定连接；所述锥形搅拌器包括搅拌杆及锥形搅拌头，所述搅拌杆竖直布置，其一端与所述旋转机构的转矩输出轴连接，另一端与所述锥形搅拌头固定连接，所述锥形搅拌头在所述旋转机构的驱动作用下以0.01rad/s～20rad/s的转速绕自身的轴线转动，以此方式，在不引入新气泡的情况下实现对剪切变稀非牛顿流体内气泡的去除；
所述液体容器设于所述锥形搅拌头下方，所述液体容器的轴线与所述锥形搅拌头的轴线共线，用于盛放剪切变稀非牛顿流体。
进一步的，所述装置用于去除剪切变稀非牛顿流体中的气泡，该剪切变稀非牛顿流体的粘度为μ＝kγn-1，10-3＜k＜106，0＜n＜0.95，其中，k为稠度指数，n为幂律指数，γ为剪切速率。
进一步的，所述液体容器内的剪切变稀非牛顿流体的液面高度H为0.2D～4D，其中，D为所述液体容器的内壁直径。
进一步的，所述锥形搅拌头的圆锥角为10°～160°。
进一步的，所述锥形搅拌头在工作过程中，其伸入所述所述剪切变稀非牛顿流体中的深度为0.1H～0.9H，所述锥形搅拌头与最上层所述剪切变稀非牛顿流体形成的圆形截面的直径为0.1D～0.9D。
进一步的，所述装置还包括夹持机构，所述夹持机构一端与所述旋转机构的转矩输出轴连接，另一端与所述搅拌杆固定连接。
进一步的，所述锥形搅拌头的转速为3rad/s，所述剪切变稀非牛顿流体的粘度为μ＝kγ0.8-1，所述液体容器内的剪切变稀非牛顿流体的液面高度H为2D，所述锥形搅拌头在工作过程中，伸入所述所述剪切变稀非牛顿流体中的深度为0.5D，所述锥形搅拌头的圆锥角为60°，其伸入所述所述剪切变稀非牛顿流体中的深度为0.5H。
按照本发明的另一方面，提供了一种去除剪切变稀非牛顿流体中的气泡的方法，采用上述的装置实现，包括以下步骤：
S1向液体容器内倒入剪切变稀非牛顿流体，调整可伸缩连杆的长度，使得所述液体容器的轴线与锥形搅拌头的轴线共线；
S2电机驱动升降机构上下移动，直至所述锥形搅拌头到达预定的位置；
S3旋转机构驱动搅拌杆转动，并带动所述锥形搅拌头以0.01rad/s～20rad/s的转速绕所述锥形搅拌头的轴线转动，直至去除剪切变稀非牛顿流体内的气泡。
进一步的，所述剪切变稀非牛顿流体的粘度为μ＝kγn-1，10-3＜k＜106，0＜n＜0.95，所述液体容器内的剪切变稀非牛顿流体的液面高度H为0.2D～4D。
进一步的，步骤S2中，所述预定的位置为所述锥形搅拌头伸入所述所述剪切变稀非牛顿流体中的深度为0.1H～0.9H，所述锥形搅拌头与最上层所述剪切变稀非牛顿流体形成的圆形截面的直径为0.1D～0.9D。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明装置结构较为简单，易于实现。锥形搅拌器的转速为0.01rad/s～20rad/s，其低速旋转可以降低剪切变稀非牛顿流体的粘度，增加气泡上升速度，不会因为高速旋转在液体中形成强烈的涡旋，阻止气泡上升，使得除气条件恶化而引入新的气泡，因而可以显著提高气泡的去除效率，此外，本装置的适用范围较广，大部分具有剪切变稀属性的非牛顿流体都可以采用此装置加速气泡去除。
2.本发明装置用于去除剪切变稀非牛顿流体中的气泡，该剪切变稀非牛顿流体的粘度为μ＝kγn-1，10-3＜k＜106，0＜n＜0.95，在该粘度下，结合低速旋转运动，可在不引入新的气泡的条件下显著提高气泡的去除效率。
3.本发明所述锥形搅拌头的圆锥角为10°～160°，其在搅拌过程中，形成中心向上的涡旋，一方面不会造成较大的液体表面的扰动，另一方面，可以降低剪切变稀非牛顿流体的粘度，以加速气泡的上升速度，提高气泡的去除效率。
4.本发明剪切变稀非牛顿流体的液面高度H为0.2D～4D，锥形搅拌头伸入所述所述剪切变稀非牛顿流体中的深度为0.1H～0.9H，所述锥形搅拌头与最上层所述剪切变稀非牛顿流体形成的圆形截面的直径为0.1D～0.9D，在此条件下，锥形搅拌头在剪切变稀非牛顿流体中形成中心向上的涡旋，该涡旋对液面的扰动较小，可减小新的气泡进入液体，同时在该涡旋的旋转作用下，可以降低剪切变稀非牛顿流体的粘度，以加速气泡的排出和上升速度，高气泡的去除效率。
5.本发明的方法简单易实现，适用于剪切变稀非牛顿流体中的气泡的去除。
附图说明
图1是本发明涉及的一种剪切变稀非牛顿流体的气泡去除装置的结构示意图；
图2是本发明涉及的一种剪切变稀非牛顿流体的气泡去除装置的搅拌部分的结构示意图；
图3是本发明不同粘度的剪切变稀非牛顿流体中的气泡去除效率提升值与锥形搅拌头转速之间的关系示意图；
图4为锥形搅拌头以3rad/s的转速搅拌剪切变稀非牛顿流体，在不同时间点处剪切变稀非牛顿流体中的气泡去除过程的数值模拟图，其中，图4中的a为1s时剪切变稀非牛顿流体中的气泡去除过程的数值模拟图，图4中的b为6s时剪切变稀非牛顿流体中的气泡去除过程的数值模拟图，图4中的c为16s时剪切变稀非牛顿流体中的气泡去除过程的数值模拟图，图4中的d为26s时剪切变稀非牛顿流体中的气泡去除过程的数值模拟图；
图5为锥形搅拌头以0rad/s的转速搅拌剪切变稀非牛顿流体，在不同时间点处剪切变稀非牛顿流体中的气泡去除过程的数值模拟图，其中，图5中的a为1s时剪切变稀非牛顿流体中的气泡去除过程的数值模拟图，图5中的b为6s时剪切变稀非牛顿流体中的气泡去除过程的数值模拟图，图5中的c为16s时剪切变稀非牛顿流体中的气泡去除过程的数值模拟图，图5中的d为26s时剪切变稀非牛顿流体中的气泡去除过程的数值模拟图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-支撑架，2-升降机构，3-旋转机构，4-锥形搅拌器，5-液体容器，6-剪切变稀非牛顿流体,7-夹持机构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明中，剪切变稀非牛顿流体的粘度可用公式μ＝kγn-1进行表述，其中k为稠度指数，代表流体的平均粘度水平，n为幂律指数，代表非牛顿流体与牛顿流体的偏差。本装置针对的剪切变稀流体参数范围为：10-3＜k＜106，0＜n＜0.95。
如图1和图2所示，本发明装置包括支撑架1、升降机构2、搅拌机构以及液体容器，其中，支撑架1用于支撑升降机构2和搅拌机构。升降机构2设于支撑架1上，且能沿支撑架1上下运动。升降机构2和搅拌机构通过可伸缩连杆机构固定连接，该连杆机构为可伸缩连杆，进而可根据实际需要调整搅拌机构的位置。该搅拌机构包括固定设于杆机构上的旋转机构3以及与旋转机构的转矩输出轴固定连接的锥形搅拌器4，该锥形搅拌器4包括搅拌杆及锥形搅拌头，搅拌杆一端与旋转机构的转矩输出轴固定连接，另一端与锥形搅拌头固定连接，锥形搅拌头的圆锥角为10°～160°。液体容器5设于搅拌机构的正下方，用于装待除气泡的剪切变稀非牛顿流体6。在本发明中，液体容器为圆柱形敞口容器。升降机构优选为电动滑台，也可选用丝杆升降机构。
在本发明中，将待除去气泡的剪切变稀非牛顿流体放置于液体容器中，其中，该液体高度H为0.2D～4D，D为所述液体容器5的内壁直径。然后根据该液体的液面高度，调整搅拌机构的高度，升降机构2在其驱动电机的驱动作用下沿支撑架1移动，直至所述锥形搅拌头部分伸入液体中，所述锥形搅拌头在工作过程中，伸入所述所述剪切变稀非牛顿流体中的深度为0.1H～0.9H，所述锥形搅拌头与最上层所述剪切变稀非牛顿流体形成的圆形截面的直径为0.1D～0.9D。然后搅拌机构的旋转电机驱动搅拌杆转动，进而带动锥形搅拌头转动。如图2所示，在本发明中，锥形搅拌头的转速为0.01rad/s～20rad/s，搅拌器转速过高时会在液体中形成强烈的涡旋，阻止气泡上升，使得除气条件恶化，并且会引入新的气泡。直至剪切变稀非牛顿流体中的气泡排除干净收，停止搅拌，并将液体封存起来，优选的，本发明的锥形搅拌头的转速为3rad/s。
进一步的，所述装置还包括夹持机构7，所述夹持机构7一端与所述旋转机构3的转矩输出轴连接，另一端与所述搅拌杆固定连接。
本发明还提供了一种去除剪切变稀非牛顿流体中的气泡的方法，采用上述装置实现，包括以下步骤：
S1向液体容器5内倒入剪切变稀非牛顿流体，调整可伸缩连杆的长度，使得所述液体容器5的轴线与锥形搅拌头的轴线共线；
S2电机驱动升降机构2上下移动，直至所述锥形搅拌头到达预定的位置；其中，所述预定的位置为所述锥形搅拌头伸入所述所述剪切变稀非牛顿流体中的深度为0.1H～0.9H，所述锥形搅拌头与最上层所述剪切变稀非牛顿流体形成的圆形截面的直径为0.1D～0.9D。
S3旋转机构3驱动搅拌杆转动，并带动所述锥形搅拌头以0.01rad/s～20rad/s的转速转动，直至去除剪切变稀非牛顿流体内的气泡。
进一步的，所述剪切变稀非牛顿流体的粘度为μ＝kγn-1，10-3＜k＜106，0＜n＜0.95，所述液体容器5内的剪切变稀非牛顿流体的液面高度H为0.2D～4D。
本发明中，图4为锥形搅拌头以3rad/s的转速搅拌剪切变稀非牛顿流体，在不同时间点处剪切变稀非牛顿流体中的气泡去除过程的数值模拟图，图5为锥形搅拌头以0rad/s的转速搅拌剪切变稀非牛顿流体，在不同时间点处剪切变稀非牛顿流体中的气泡去除过程的数值模拟图，可明显看出，具有本发明装置进行搅拌的剪切变稀非牛顿流体中的气泡去除率明显提高。
实施例1
液体容器的内部直径为200mm，剪切变稀非牛顿流体的高度为200mm，锥形搅拌头在液面处的直径为60mm，锥形搅拌头伸入液体中的长度为100mm，旋转机构控制搅拌杆的转速为3rad/s，剪切变稀非牛顿流体的参数为k＝1,n＝0.8。通过数值模拟得到的气体去除过程如图3和图4所示，与无搅拌的状态相比，搅拌下气泡的去除效率提高了36.03％。
实施例2
液体容器的内部直径为200mm，剪切变稀非牛顿流体的高度为200mm，锥形搅拌头在液面处的直径为60mm，锥形搅拌头伸入液体中的长度为100mm，旋转机构控制搅拌杆的转速为3rad/s，剪切变稀非牛顿流体的参数为k＝1,n＝0.8。根据数值模拟结果，与静置状态相比，搅拌下气泡的去除效率提高了68.35％。
实施例3
液体容器的内部直径为200mm，剪切变稀非牛顿流体的高度为200mm，锥形搅拌头在液面处的直径为60mm，锥形搅拌头伸入液体中的长度为100mm，旋转机构控制搅拌杆的转速为3rad/s，剪切变稀非牛顿流体的参数为k＝1,n＝0.6。根据数值模拟结果，与静置状态相比，搅拌下气泡的去除效率提高了52.66％。
实施例4
液体容器的内部直径为200mm，剪切变稀非牛顿流体的高度为200mm，锥形搅拌头在液面处的直径为60mm，锥形搅拌头伸入液体中的长度为100mm，旋转机构控制搅拌杆的转速为2rad/s，剪切变稀非牛顿流体的参数为k＝1,n＝0.8。根据数值模拟结果，与静置状态相比，搅拌下气泡的去除效率提高了56.8％。
实施例5
向液体容器内倒入粘度为μ＝kγ0.8-1的剪切变稀非牛顿流体，调整可伸缩连杆的长度，使得所述液体容器的轴线与锥形搅拌头的轴线共线；电机驱动升降机构上下移动，直至所述锥形搅拌头到达预定的位置，其中，所述液体容器内的剪切变稀非牛顿流体的液面高度H为2D，所述锥形搅拌头在工作过程中，伸入所述所述剪切变稀非牛顿流体中的深度为0.5D，所述锥形搅拌头的圆锥角为60°，其伸入所述所述剪切变稀非牛顿流体中的深度为0.5H；旋转机构驱动搅拌杆转动，并带动所述锥形搅拌头以3rad/s的转速转动，直至去除剪切变稀非牛顿流体内的气泡。
实施例6
向液体容器内倒入粘度为μ＝0.001γ0.001-1的剪切变稀非牛顿流体，调整可伸缩连杆的长度，使得所述液体容器的轴线与锥形搅拌头的轴线共线；电机驱动升降机构上下移动，直至所述锥形搅拌头到达预定的位置，其中，所述液体容器内的剪切变稀非牛顿流体的液面高度H为0.2D，所述锥形搅拌头在工作过程中，伸入所述所述剪切变稀非牛顿流体中的深度为0.1D，所述锥形搅拌头的圆锥角为10°，其伸入所述所述剪切变稀非牛顿流体中的深度为0.1H；旋转机构驱动搅拌杆转动，并带动所述锥形搅拌头以0.01rad/s的转速转动，直至去除剪切变稀非牛顿流体内的气泡。
实施例7
向液体容器内倒入粘度为μ＝106γ0.95-1的剪切变稀非牛顿流体，调整可伸缩连杆的长度，使得所述液体容器的轴线与锥形搅拌头的轴线共线；电机驱动升降机构上下移动，直至所述锥形搅拌头到达预定的位置，其中，所述液体容器内的剪切变稀非牛顿流体的液面高度H为4D，所述锥形搅拌头在工作过程中，伸入所述所述剪切变稀非牛顿流体中的深度为0.9D，所述锥形搅拌头的圆锥角为160°，其伸入所述所述剪切变稀非牛顿流体中的深度为0.9H；旋转机构驱动搅拌杆转动，并带动所述锥形搅拌头以20rad/s的转速转动，直至去除剪切变稀非牛顿流体内的气泡。
实施例8
向液体容器内倒入粘度为μ＝103γ0.5-1的剪切变稀非牛顿流体，调整可伸缩连杆的长度，使得所述液体容器的轴线与锥形搅拌头的轴线共线；电机驱动升降机构上下移动，直至所述锥形搅拌头到达预定的位置，其中，所述液体容器内的剪切变稀非牛顿流体的液面高度H为3D，所述锥形搅拌头在工作过程中，伸入所述所述剪切变稀非牛顿流体中的深度为0.7D，所述锥形搅拌头的圆锥角为90°，其伸入所述所述剪切变稀非牛顿流体中的深度为0.4H；旋转机构驱动搅拌杆转动，并带动所述锥形搅拌头以10rad/s的转速转动，直至去除剪切变稀非牛顿流体内的气泡。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种剪切变稀非牛顿流体的气泡去除装置，其特征在于，包括支撑架(1)、升降机构(2)、旋转机构(3)、锥形搅拌器(4)以及液体容器(5)，其中，
所述升降机构(2)设于所述支撑架(1)上，并在电机的驱动下沿所述支撑架(1)上下移动；所述升降机构(2)通过水平设置的可伸缩连杆与所述旋转机构(3)固定连接；所述锥形搅拌器(4)包括搅拌杆及锥形搅拌头，所述搅拌杆竖直布置，其一端与所述旋转机构(3)的转矩输出轴连接，另一端与所述锥形搅拌头固定连接，所述锥形搅拌头在所述旋转机构(3)的驱动作用下以0.01rad/s～20rad/s的转速绕自身的轴线转动，以此方式，在不引入新气泡的情况下实现对剪切变稀非牛顿流体内气泡的去除；
所述液体容器(5)设于所述锥形搅拌头下方，所述液体容器(5)的轴线与所述锥形搅拌头的轴线共线，用于盛放剪切变稀非牛顿流体。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置用于去除剪切变稀非牛顿流体中的气泡，该剪切变稀非牛顿流体的粘度为μ＝kγn-1，10-3＜k＜106，0＜n＜0.95，其中，k为稠度指数，n为幂律指数，γ为剪切速率。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述液体容器(5)内的剪切变稀非牛顿流体的液面高度H为0.2D～4D，其中，D为所述液体容器(5)的内壁直径。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述锥形搅拌头的圆锥角为10°～160°。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述锥形搅拌头在工作过程中，其伸入所述所述剪切变稀非牛顿流体中的深度为0.1H～0.9H，所述锥形搅拌头与最上层所述剪切变稀非牛顿流体形成的圆形截面的直径为0.1D～0.9D，D为所述液体容器(5)的内壁直径。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括夹持机构(7)，所述夹持机构(7)一端与所述旋转机构(3)的转矩输出轴连接，另一端与所述搅拌杆固定连接。
7.如权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，所述锥形搅拌头的转速为3rad/s，所述剪切变稀非牛顿流体的粘度为μ＝kγ0.8-1，所述液体容器(5)内的剪切变稀非牛顿流体的液面高度H为2D，所述锥形搅拌头在工作过程中，其伸入所述所述剪切变稀非牛顿流体中的深度为0.5D，D为所述液体容器(5)的内壁直径，所述锥形搅拌头的圆锥角为60°，其伸入所述所述剪切变稀非牛顿流体中的深度为0.5H。
8.一种去除剪切变稀非牛顿流体中的气泡的方法，采用权利要求1-7任一项所述的装置实现，其特征在于，包括以下步骤：
S1向液体容器(5)内倒入剪切变稀非牛顿流体，调整可伸缩连杆的长度，使得所述液体容器(5)的轴线与锥形搅拌头的轴线共线；
S2电机驱动升降机构(2)上下移动，直至所述锥形搅拌头到达预定的位置；
S3旋转机构(3)驱动搅拌杆转动，并带动所述锥形搅拌头以0.01rad/s～20rad/s的转速绕所述锥形搅拌头的轴线转动，直至去除剪切变稀非牛顿流体内的气泡。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述剪切变稀非牛顿流体的粘度为μ＝kγn-1，10-3＜k＜106，0＜n＜0.95，所述液体容器(5)内的剪切变稀非牛顿流体的液面高度H为0.2D～4D，D为所述液体容器(5)的内壁直径。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤S2中，所述预定的位置为所述锥形搅拌头伸入所述所述剪切变稀非牛顿流体中的深度为0.1H～0.9H，所述锥形搅拌头与最上层所述剪切变稀非牛顿流体形成的圆形截面的直径为0.1D～0.9D，D为所述液体容器(5)的内壁直径。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090061616A (ko) * 2009-05-18 2009-06-16 주식회사 그린기술산업 이중원추형 회전차가 구비된 교반기
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