CN111068532A - 一种复合能态多功能湍流乳化机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合能态多功能湍流乳化机，包括：搅拌釜；湍流叶轮总成，包括叶轮主轴、湍流生成叶、底碾辊和动力输入皮带轮，叶轮主轴转动安装于搅拌釜内，多片湍流生成叶沿叶轮主轴的轴向方向分层安装；底碾辊安装于叶轮主轴，底碾辊与搅拌釜釜底间隙配合以使部分湍流流体流过；动力输入皮带轮安装于搅拌釜下方以联动叶轮主轴；动力输出总成用于驱动动力输入皮带轮；超声振子安装于搅拌釜釜底之外壁。本发明依据流道中流体不可压缩性原理，让流体产生湍流效应，利用声爆破与旋转叶片形态改变形成流体动能的改变，实现湍流搅拌，搅拌物质快速声爆裂解，杜绝层流，达到溶质不沉底、不附壁效果。

Description

一种复合能态多功能湍流乳化机

技术领域

本发明属于乳化机技术领域，具体涉及一种复合能态多功能湍流乳化机。

背景技术

对于超大型均质搅拌机，搅拌效率的提升直接关系生产成本的降低。对于乳化机的容积量大于500升，其中溶液250升，溶质大于2.5吨；如果没有有效的防沉淀措施，搅拌机就不能有效地实现工艺对溶质的精准配比，影响乳化的质量。

发明内容

基于现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种复合能态多功能湍流乳化机。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种复合能态多功能湍流乳化机，包括：

搅拌釜；

湍流叶轮总成，包括叶轮主轴、湍流生成叶、底碾辊和动力输入皮带轮，叶轮主轴转动安装于搅拌釜内，多片湍流生成叶沿叶轮主轴的轴向方向分层安装；底碾辊安装于叶轮主轴，且底碾辊与搅拌釜釜底间隙配合以使部分湍流流体流过；动力输入皮带轮安装于搅拌釜的下方，用于联动叶轮主轴；

动力输出总成，用于驱动动力输入皮带轮；

超声振子，安装于搅拌釜的釜底之外壁。

作为优选方案，所述湍流生成叶以叶轮主轴为圆心，等分分布于叶轮主轴的圆周；所述湍流生成叶沿叶轮主轴的轴向分布多层。

作为优选方案，所述湍流生成叶沿叶轮主轴的轴向分布为非对称结构。

作为优选方案，所述湍流生成叶包括沿水平方向延伸的辐条和沿辐条顶部向上延伸的斜坡结构。

作为优选方案，所述辐条的断面为方圆形，所述斜坡结构的断面为三角形。

作为优选方案，所述底碾辊的断面为方圆形。

作为优选方案，所述超声振子阵列式分布于搅拌釜釜底的外壁。

作为优选方案，若干超声振子以搅拌釜釜底的圆周径向等间距分布为一超声振子组，数组超声振子组沿搅拌釜釜底的圆周等分分布。

作为优选方案，所述搅拌釜包括支座和安装于支座上方的釜体，釜体的顶部开口设有釜盖；釜体具有进出液料口、固体进料口和液位器。

作为优选方案，所述动力输出总成包括电动机及其联动的传动皮带轮，传动皮带轮与动力输入皮带轮通过皮带联动；所述乳化机还包括主控柜，用于对动力输出总成和超声振子的运行进行控制。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

本发明的复合能态多功能湍流乳化机，依据流道中流体不可压缩性原理，让流体产生湍流效应，利用声爆破与旋转叶片形态改变形成的流体动能的改变，实现湍流搅拌，并实现搅拌物质的快速声爆裂解，杜绝层流，达到溶质不沉底、不附壁的效果。

附图说明

图1是本发明实施例的复合能态多功能湍流乳化机的结构示意图；

图2是本发明实施例的湍流生成叶的断面结构示意图；

图3是本发明实施例的底碾辊的断面结构示意图；

图4是本发明实施例的超声振子的分布示意图；

图5是本发明实施例的湍流生成叶的断面示意图及湍流原理图；

图6是本发明实施例的底碾辊起底釜底固相溶质的原理图；

图7是本发明实施例的底碾辊起底釜底固相溶质的效果图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。另外，以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

本发明的复合能态多功能湍流乳化机的容积量大于500升，其中，溶液250升，溶质大于2.5吨。本发明依据流道中流体不可压缩性原理，让流体产生湍流效应，杜绝层流，达到溶质不沉底、不附壁的效果。具体措施是：

(1)流道湍流

在叶片设计上，搅拌釜底部的叶片设计成方圆形的，取代传统的底板刮板设计。

原理：在固定的圆柱型流道中，流体按设计的每1～10分钟正反转换向，实现正反转的执行机构是叶片轮。流体换向时，使固相溶质形成巨大的加速动能，这些高速大能量的溶质粒子，在相互碰撞的同时，在进入搅拌釜底部流道时，因流道束缚，粒子或团聚态溶质受到巨大的挤压，又由于方圆形底部叶片的底碾辊运动中产生的碾压效应，底部流体始终处于大动能的翻滚状态，有效防止了底部流体的层流状态出现，也就不会出现溶质沉底的现象。湍流底层碾压液流形态形成后，可以形成不断撕裂流体中胶体溶质的结构链。

(2)超声波

在搅拌釜底部安装超声振子。利用液体因超声振子产生的声能，形成微小气泡的声爆破，产生声障效应。在声障爆破的瞬间，液体声子的频率与溶质分子的振荡频率相同时，产生一个合频波，频率加快，因而具有更高能态，实现有机分子的有限裂解。微小气泡的声爆破，也实现了团聚态溶体的快速分散溶解。

(3)湍流效应

依据流体特性设计的湍流生成叶，在流体进入惯性运动前，就全时域形成湍流，乳化功能提高。

(4)流场变向引发桶底部流体碾压变流冲撞

当叶轮转速稳定时，电动机会自动反转，引发流场变向惯性流动的溶质流体，与叶轮反转而起源的反向流动溶质流体在相互碰撞的同时，在进入搅拌机底部流道时，因流道束缚，粒子或团聚态溶质受到巨大的挤压，又由于方圆形底部叶片的碾辊运动中产生的碾压效应，底部流体始终处于大动能的翻滚状态，有效防止了底部流体的层流状态出现，也就不会出现溶质沉底的现象。

(5)溶质无附着筒壁现象

由于超声波的声爆效应，即使再粘稠的流体或是结垢的流体，都不会在搅拌釜的侧壁与釜底残留。

由多发生源端流、流场变向、超声波的形成多能态湍流，称为复合能态。

具体地，如图1所示，本发明实施例的复合能态多功能湍流乳化机，包括搅拌釜、湍流叶轮总成、动力输出总成、超声振子和主控柜。

搅拌釜包括支座10和安装在支座上方的釜体11，釜体11为圆柱体桶状结构，材质为不锈钢，厚度为6～20cm，直径为200～300cm，高度为200～580cm，圆形釜底的中心安装有主轴支架，以便湍流叶轮总成的叶轮主轴的安装。

釜体11的一侧安装液位器，以便指示釜体内的液位高度。釜体11内部的距釜底板高度1～30cm处具有进出液料口110(即液体进出口)，用于液体原料的注入，液体原料为自动设置计量加入，进出液料口也用于液体出料口。另外，釜体的顶部具有固体进料口111，用于粉体辅料加入；釜体11顶部具有开口，开口处安装有不锈钢材质的釜盖13，固体进料口111可以位于釜体的顶部，也可以开设在釜盖上。

釜体11的底部外围有支座10，支座将釜体支撑至悬空，以便安装动力部件。支座10与底座0相连，底座为重1000～5000kg、厚10～20cm铁板焊接而成，与地面预制座相连，确保釜体重心稳定，不晃动。

湍流叶轮总成，安装在釜体上，包括叶轮主轴20、湍流生成叶21、底碾辊23和动力输入三角皮带轮24。具体地，叶轮主轴20的直径为1～30cm，长200～500cm，通过釜体的主轴支架转动安装在搅拌釜的釜体内部，多片湍流生成叶沿叶轮主轴20的轴向方向安装；具体的安装方式为：湍流生成叶21以叶轮主轴20为圆心，平面方向上3～4等分分布于叶轮主轴的圆周；纵向上，湍流生成叶21沿叶轮主轴20的轴向分布多层，例如3～6层，且湍流生成叶21沿叶轮主轴的轴向分布为非对称结构。其中，如图2所示，湍流生成叶21包括沿水平方向延伸的辐条210和沿辐条顶部向上延伸的斜坡结构211，辐条210的断面为方圆形，矩形的四个角的圆角为10～30度；斜坡结构211的断面为三角形，优选为正三角形。斜坡结构211的两侧具有斜坡面，斜坡面使层流变成紊流，并突跃变为湍流。辐条210的两侧为垂直碰撞面，垂直碰撞面有一定的断面宽度，紊流区很短，可视为层流突变为湍流，溶质在与断面碰撞的同时，随湍流又形成相互碰撞。

湍流是流体的一种流动状态。当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流；逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合。这时的流体作不规则运动，有垂直于流管轴线方向的分速度产生，这种运动称为湍流，又称为乱流、扰流。

流体作湍流时，阻力大流量小，能量耗损增加。实验证明，能量耗损E与速度的关系为：

ΔE＝kv²

式中：k是比例系数，它与管道的形状、大小以及管道的材料有关；式中的v是平均流速。在自然间中，常遇到流体作湍流，如江河急流、空气流动、烟囱排烟等都是湍流。这种变化可以用雷诺数来量化。雷诺数较小时，黏滞力对流场的影响大于惯性力，流场中流速的扰动会因黏滞力而衰减，流体流动稳定，为层流；反之，若雷诺数较大时，惯性力对流场的影响大于黏滞力，流体流动较不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的湍流流场。

流态转变时的雷诺数值称为临界雷诺数。一般管道雷诺数Re>4000为湍流状态，Re＝2320～4000为过渡状态。

湍流就是由一系列不同尺寸的旋涡迭加而成的旋涡流动。它是一种不规则的流体运动状态，由于各种物理量都随时问和空间坐标紊乱变化的，所以只能从统计学知识别其明确的平均值。其瞬时速度紊乱变化的，但也总是在某一平均值附近波动。

湍流紊乱的性质决定了空间中任何一个区域在任何一瞬间都存在着瞬时速度梯度，在全部湍流场中产生旋涡。流体的主体流动形成了大的旋涡，大旋涡逐渐破裂为越来越小的小旋涡。旋涡越小，旋涡中的速度梯度一般也越大，那么阻止做旋涡运动的粘性剪应力也就越大，于是在湍流场中将有一个统计学上的最小涡流尺寸的极限值。叶轮设计的立体截面，除了使流体产生旋涡，还要让流体旋涡产生变速，产生多相流动能。

湍流产生的原因主要归结为两个：

(1)由流过固体表面的摩擦力引起湍动，称为壁面湍动；

(2)由速度不同的两层流体相接触或相遇造成的湍动，称为自由湍动。

矩形断面高速旋转引发的是由流过固体表面的摩擦力引起湍动，称为壁面湍动，原理如图5所示的矩形断面引发的湍流；由锥形斜面引发的流动形状挤压形成的多股层流体相遇而形成大旋涡的湍动，形成自由湍动。再加上由锥形面引起的大旋涡抛掷力，液相与粒子相的加速度不相一致，造成液相与粒子相之间有强烈的磨擦撕扯力，引发胶着状团聚态粒子溶解速度加快。

底碾辊23安装在叶轮主轴20上，且底碾辊23与搅拌釜的釜底间隙配合，以便一定的湍流流体流过。具体地，底碾辊23安装在釜体的釜底面向上20～30cm的叶轮主轴上，底碾辊23的断面为方圆形，如图3所示。当底碾辊以叶轮主轴为中心转动时，由底碾辊的底平面上的圆角与液体突变产生的湍流，底碾辊的底平面与釜体的釜底瞬间的强压高速流道，产生向釜底的碾压力，形成流道瞬时产生的流道瞬时涵洞效应，如图6所示，使大比重固相溶质无法沉聚在釜体的釜底，并被强压高速流冲冲破碎。其效果见底碾辊起底釜底固相溶质效果图，如图7所示。涵洞效应不光产生湍流，而且保证釜体的内壁不会附着固相溶质，有一定的自洁力。

动力输入三角皮带轮24安装在搅拌釜的釜体的下方，与叶轮主轴20连接，用于联动叶轮主轴20。

动力输出总成，用于驱动动力输入皮带轮。具体地，动力输出总成包括三相变频电动机51及其联动的传动三角皮带轮52，传动三角皮带轮与动力输入三角皮带轮通过三角皮带53联动连接。其中，动力输出的三相变频电机功率为1～30kw，转速1000～6000转/分钟。

超声振子3，安装于搅拌釜的釜底之外壁。具体地，超声振子阵列式分布于搅拌釜釜底的外壁，如图4所示，若干超声振子以搅拌釜釜底的圆周径向等间距分布为一超声振子组，数组超声振子组沿搅拌釜釜底的圆周等分分布，以最少的超声振子的最佳排布达到覆盖整个搅拌釜的底部。超声系统中，超声振子安装在复合能态多功能湍流乳化机的搅拌釜的底板上，底板上有超声振子安装架4，超声电源功率在120kw范围内，输出频率大于20000Hz。超声振子安装架4安装在搅拌釜的底板上，超声振子安装架10～60只，超声振子安装在超声振子安装架上，超声振子由超声电源供电，超声电源安装在主控柜中。

主控柜，用于对动力输出总成各部件和超声振子的运行进行控制。主控柜的结构及功能可以参考现有技术，在此不赘述。

声波是物体机械振动状态(或能量)的传播形式。振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动形式。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。超声波是指振动频率大于20000Hz以上的，其每秒的振动次数(频率)甚高，超出了人耳听觉的一般上限(20000Hz)，将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动模式，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前人体腹部超声成象所用的频率范围在2～5MHz之间，常用为3～3.5MHz(每秒振动1次为1Hz，1MHz＝10⁶Hz，即每秒振动100万次，可闻波的频率在16～20000Hz之间)。

由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的瞬时作功的功率是非常大的。空化作用─当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体(如：水和油)发生乳化，且加速溶质的溶解，加速化学化应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。

利用超声波存液体中产生的空化作用，可以将部分有机大分子裂解为有机小分子，有机分子的团聚态得以松散溶解。

利用超声波在液体中产生的空化与振动作用，清洗的超声波应用原理是由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质，清洗溶剂中超声波在清洗液中疏密相间的向前辐射，使液体流动而产生数以万计的微小气泡，存在于液体中的微小气泡(空化核)在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡迅速增长，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，在其周围产生上千个大气压力，破坏不溶性污物而使它们分散于清洗液中，当团聚粒子被油污裹着而粘附在清洗件表面时，油被乳化，固体粒子即脱离，从而达到清洗件表面净化的目的。

利用超声波在桶壁与桶底中产生的高频机械振动作用，固体溶质不会附着在搅拌桶的桶壁与桶底上。

在搅拌机底部安装超声振子。利用液体因超声振子产生的声能，形成微小气泡的声爆破，产生声障效应。在声障爆破的瞬间，液体声子的频率与溶质分子的振荡频率相同时，产生一个合频波，频率加快，因而具有更高能态，实现有机分子的有限裂解。微小气泡的声爆破，也实现了团聚态溶体的快速分散溶解。

以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种复合能态多功能湍流乳化机，其特征在于，包括：

搅拌釜；

湍流叶轮总成，包括叶轮主轴、湍流生成叶、底碾辊和动力输入皮带轮，叶轮主轴转动安装于搅拌釜内，多片湍流生成叶沿叶轮主轴的轴向方向分层安装；底碾辊安装于叶轮主轴，且底碾辊与搅拌釜釜底间隙配合以使部分湍流流体流过；动力输入皮带轮安装于搅拌釜的下方，用于联动叶轮主轴；

动力输出总成，用于驱动动力输入皮带轮；

超声振子，安装于搅拌釜的釜底之外壁。

2.根据权利要求1所述的一种复合能态多功能湍流乳化机，其特征在于，所述湍流生成叶以叶轮主轴为圆心，等分分布于叶轮主轴的圆周；所述湍流生成叶沿叶轮主轴的轴向分布多层。

3.根据权利要求2所述的一种复合能态多功能湍流乳化机，其特征在于，所述湍流生成叶沿叶轮主轴的轴向分布为非对称结构。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种复合能态多功能湍流乳化机，其特征在于，所述湍流生成叶包括沿水平方向延伸的辐条和沿辐条顶部向上延伸的斜坡结构。

5.根据权利要求4所述的一种复合能态多功能湍流乳化机，其特征在于，所述辐条的断面为方圆形，所述斜坡结构的断面为三角形。

6.根据权利要求1所述的一种复合能态多功能湍流乳化机，其特征在于，所述底碾辊的断面为方圆形。

7.根据权利要求1所述的一种复合能态多功能湍流乳化机，其特征在于，所述超声振子阵列式分布于搅拌釜釜底的外壁。

8.根据权利要求7所述的一种复合能态多功能湍流乳化机，其特征在于，若干超声振子以搅拌釜釜底的圆周径向等间距分布为一超声振子组，数组超声振子组沿搅拌釜釜底的圆周等分分布。

9.根据权利要求1所述的一种复合能态多功能湍流乳化机，其特征在于，所述搅拌釜包括支座和安装于支座上方的釜体，釜体的顶部开口设有釜盖；釜体具有进出液料口、固体进料口和液位器。

10.根据权利要求1所述的一种复合能态多功能湍流乳化机，其特征在于，所述动力输出总成包括电动机及其联动的传动皮带轮，传动皮带轮与动力输入皮带轮通过皮带联动；所述乳化机还包括主控柜，用于对动力输出总成和超声振子的运行进行控制。

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