CN113952913B - 一种强化流体混合的z字型叠加搅拌桨 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种强化流体混合的Z字型叠加搅拌桨，包括固定套、圆盘以及若干个Z字型叠加搅拌桨叶。本发明Z字型叠加搅拌桨的桨叶主体结构在几何形状上具有叠加特征，是基于Z字型叠加的片状结构，且至少叠加一次。该桨在旋转过程中，能够通过自身的Z字型叠加结构剪切破坏桨叶的尾涡结构，产生许多小漩涡，使桨叶能量以波涡的形式传递到流场远处，同时通过增加Z字型的叠加次数，在保证桨叶与流体相互作用截面不变以及桨叶主体结构力学稳定的前提下，增大桨叶外缘对流体的剪切周长，增强桨叶对流体的作用力，提高流体湍动程度，促进混合死区内外的流体进行传递与混合，缩短流体混合的时间，提高流体的混合传递效率。

Description

一种强化流体混合的Z字型叠加搅拌桨

技术领域

本申请涉及混合装置技术领域，尤其涉及一种强化流体混合的Z字型叠加搅拌桨。

背景技术

机械搅拌反应器是石油、化工、冶金、食品加工、生物发酵、废水处理等过程工业生产工艺中物料混合的基本操作单元。搅拌桨作为机械搅拌反应器的核心部件，它向搅拌槽内物料输入所需的能量，并使物料形成一定的流场结构，影响着物料的混合、传递与反应效率以及生产工艺的节能减排和经济效益。

但传统的搅拌桨在旋转过程中容易在桨叶外缘处形成较大的尾涡，桨叶的大部分能量消耗在尾涡处以及用于维持流体的旋转运动，真正用于流体内部混合的能量不到搅拌桨输入能量的5％，桨叶能量难以有效传递到流场远处，致使搅拌反应器内流体的湍动程度较小，流体只能以线性规律的方式进行拉伸，流体的混合传递过程不充分，容易在流场中形成混合死区，流体的混合传递效果较差。

现有技术中，为了解决上述问题，采用了将搅拌桨设计为基于等边三角形迭代的镂空结构或者设计为基于正方形自相似的凹凸片状结构，然而这些结构的搅拌桨在流体混合过程中仍然存在一定的问题。例如，对于指定尺寸大小的搅拌桨叶来说，随着相似结构迭代次数的增多，搅拌桨的桨叶面积将逐渐减小，这就导致如果一味的采用增加迭代次数的方式来获取更好的剪切强度、更小的桨叶尾涡，会造成桨叶与流体之间的相互作用截面减小，桨叶与流体之间的相互作用力减小，流体的湍动程度和混合效率也不一定会一直随着迭代次数的不断增加而一直得到提高；同时，也会造成桨叶的结构强度下降，极大阻碍了这类搅拌桨一些的实际工程应用。

发明内容

本发明提供了一种强化流体混合的Z字型叠加搅拌桨，以解决传统搅拌桨容易在桨叶外缘处形成较大的尾涡，桨叶能量利用率较低，流体的湍动程度较小，流体的混合传递过程不充分，流场中容易形成混合死区，流体的混合传递效果较差，同时也解决类似搅拌桨存在随着迭代次数增多，桨叶结构强度下降、桨叶与流体之间的相互作用截面减小以及桨叶与流体之间的相互作用力减小等问题。

本申请提供了一种强化流体混合的Z字型叠加搅拌桨，包括：

固定套、圆盘和若干个Z字型叠加搅拌桨叶，所述圆盘套设于所述固定套上，所述Z字型叠加搅拌桨叶均匀设置于所述圆盘的外圆周，其中：

所述Z字型叠加搅拌桨叶的主体结构为所述圆盘以外的桨叶部分，所述Z字型叠加搅拌桨叶的主体结构是基于Z字型叠加的片状结构；

所述Z字型叠加搅拌桨叶的非主体结构为所述圆盘以内的桨叶部分；

所述Z字型叠加搅拌桨叶的主体结构是将一个初始正方形的上下对边及对角线进行连接，得到初始Z字型结构；将所述初始正方形平均分成九个小正方形，并连接所述初始正方形四个边角处的小正方形的上下对边及对角线，进一步构成四个小Z字型结构，依次首尾连接所形成的四个小Z字型结构，得到一次叠加的Z字型叠加搅拌桨叶的主体结构；按照上述规律继续往下进行叠加，可得到多次叠加的Z字型叠加搅拌桨叶的主体结构，所述Z字型叠加搅拌桨叶的主体结构至少由初始Z字型结构进行一次叠加得到。

在一些实施例中，所述叠加中的小正方形的边长为所述初始正方形边长的1/(2^{n +1}-1)，其中n为叠加的次数。

在一些实施例中，经叠加后的所述主体结构中的Z字型上下边长与上次叠加时所述主体结构的Z字型上下边长比为(2ⁿ-1)/(2ⁿ⁺¹-1)，其中n为叠加的次数。

在一些实施例中，所述主体结构与非主体结构的宽度相等，所述非主体结构和主体结构沿桨叶延伸方向的长度比为1/10～1/4。

在一些实施例中，所述主体结构围成了空隙结构，所述空隙结构由多种规格的直角三角形组合而成。

在一些实施例中，所述空隙结构的面积与主体结构的面积相等。

在一些实施例中，所述主体结构的面积随着Z字型叠加次数的增多而保持不变，周长随着Z字型叠加次数的增多而增大。

由以上技术方案可知，本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明通过设置若干个Z字型叠加搅拌桨叶，该桨在旋转过程中，能够通过自身的Z字型叠加结构剪切破坏桨叶的尾涡结构，产生许多小漩涡，使桨叶能量以波涡的形式传递到流场远处，同时通过增加Z字型的叠加次数，在保证桨叶与流体相互作用截面不变以及桨叶主体结构力学稳定的前提下，增大桨叶外缘对流体的剪切周长，增强桨叶对流体的作用力，提高流体湍动程度，促进混合死区内外的流体进行传递与混合，缩短流体混合的时间，提高流体的混合传递效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的强化流体混合的Z字型叠加搅拌桨结构示意图；

图2是本发明提供的强化流体混合的Z字型叠加搅拌桨的搅拌装置示意图；

图3是Z字型叠加搅拌桨未进行叠加的初始结构示意图；

图4是在图3基础上进行一次叠加得到的Z字型叠加搅拌桨叶结构示意图；

图5是在图3基础上进行二次叠加得到的Z字型叠加搅拌桨叶结构示意图；

图6为叠加一次的Z字型叠加搅拌桨用于酸碱脱色对比实验的数据表；

图7为叠加一次的Z字型叠加搅拌桨用于磷矿浸出对比实验的数据表；

图8为叠加二次的Z字型叠加搅拌桨用于酸碱脱色对比实验的数据表；

图9为叠加二次的Z字型叠加搅拌桨用于磷矿浸出对比实验的数据表；

图示说明：

其中，1-电机；2-搅拌轴；3-搅拌槽；4-挡板；5-Z字型叠加搅拌桨叶；6-圆盘；7-固定套。

具体实施方式

下面结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于再次描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

参见图1，本发明提供了一种强化流体混合的Z字型叠加搅拌桨，包括固定套7、圆盘6和若干个Z字型叠加搅拌桨叶5，所述圆盘6套设于所述固定套7上，所述Z字型叠加搅拌桨叶5均匀设置于所述圆盘6的外圆周。在具体应用中，固定套7可随着其连接的驱动部件转动，并带动圆盘沿圆心自转，进而带动Z字型叠加搅拌桨叶沿顺时针或逆时针方向转动，Z字型叠加搅拌桨叶的数量不限，例如可以是图中的六个、也可以为四个、八个或其它。

所述Z字型叠加搅拌桨叶5的主体结构为所述圆盘6以外的桨叶部分，也是在本实施例中主要承担搅拌物料的部分，所述Z字型叠加搅拌桨叶5的主体结构是基于Z字型叠加的片状结构，具有叠加特征；所述Z字型叠加搅拌桨叶5的非主体结构为所述圆盘6以内的桨叶部分，该部分主要承担连接、保证强度的作用。

具体的，本实施例中的Z字型叠加搅拌桨叶5是由下面的方式设计而成的，下面对设计过程进行解释：

所述Z字型叠加搅拌桨叶5的主体结构是把一个初始正方形的上下对边及对角线进行连接，得到初始Z字型结构(如图3所示)；然后将初始正方形平均分成九等份，即九个相同的小正方形，并连接位于初始正方形的四个边角处的小正方形的上下对边及对角线，进一步构成四个小Z字型结构，依次首尾连接所形成的四个小Z字型结构，就可得到一次叠加的Z字型叠加搅拌桨叶5的主体结构(如图4所示)；按照上述规律继续往下进行叠加，可得到多次叠加的Z字型叠加搅拌桨叶5的主体结构，即将初始Z字型结构至少进行一次叠加可得到所述的Z字型叠加搅拌桨叶5的主体结构。

在本实施例中，将所述Z字型叠加搅拌桨叶5主体结构设计为上述的Z字型叠加结构，可将叠加中的正方形划分成不同尺寸的三角形，并构成Z字型叠加搅拌桨叶5的主体结构和空隙结构，在保证桨叶主体结构力学稳定的前提下，这些空隙结构在桨叶旋转过程中会产生许多不稳定的涡流，剪切破坏桨叶边缘处所形成的尾涡结构，并形成许多小漩涡，使桨叶能量以波涡的形式传递到流场远处，强化流体的混合传递过程。

在本实施例中，可以理解的是，随着叠加次数的增多，形成的不同尺寸的三角形数量增加，构成的桨叶主体结构的周长总长度增加，桨叶边缘对流体的剪切周长增加，桨叶对流体的作用力增强，流体的湍动强度增大。

同时，与现有技术不同的是，无论经过多少次叠加，叠加后的结果中，无论对于哪一块正方形来说，其空隙结构部分和桨叶部分的面积比均是1:1的关系，使得空隙结构的总面积和主体结构的总面积始终是相等的。也就是说，本申请提供的方案中，当通过增加叠加次数来增大桨叶外缘对流体的剪切周长，增强桨叶对流体的作用力的同时，桨叶部分的面积是不变的。因此，对于指定规格大小的桨叶主体结构来说，桨叶主体结构的面积不随着叠加次数的增多而发生改变，周长随着叠加次数的增多而增大，可以在不损失结构强度以及维持桨叶与流体相互作用截面不变的同时增大桨叶外缘对流体的剪切周长，增强桨叶对流体的作用力，提高流体湍动程度。

可选择的，当所述Z字型叠加搅拌桨叶5的主体结构的整体尺寸不变时，可通过计算得到当前叠加中小正方形的边长为初始结构中正方形边长的1/(2ⁿ⁺¹-1)。其中，n为叠加的次数。

可选择的，也可通过计算得到当前叠加中的所述主体结构中的Z字型上下边长与上次叠加时所述主体结构中Z字型上下边长比为(2ⁿ-1)/(2ⁿ⁺¹-1)，其中n为叠加的次数。

可选择的，所述主体结构与非主体结构的宽度相等，所述非主体结构和主体结构沿桨叶延伸方向的长度比为1/10～1/4。由于宽度和长度可根据实际需求设定，将上述长度比设置为一定比例是出于对整体结构强度的考虑，应当认为，比例越小是主体结构的利用率较高，比例越大整体强度越高。

例如，以一次叠加为例，图3为未进行叠加的初始结构，正方形边长为L₀＝4.2cm，然后对其进行第一次叠加，如图4所示，第一次叠加中小正方形边长L₁为L₀的1/3，得到的一次叠加的Z字型叠加搅拌桨叶主体结构中的Z字型上下边长为初始结构相对应Z字型上下边长的1/3，Z字型叠加搅拌桨叶的主体结构的面积为8.82cm²。Z字型叠加搅拌桨叶的非主体结构的长度L_A为0.6cm，是Z字型叠加搅拌桨叶的主体结构长度的1/7，Z字型叠加搅拌桨叶的非主体结构的宽度L_B为Z字型叠加搅拌桨叶的主体结构的宽度4.2cm。

实验1：利用上述例子中一次叠加的Z字型叠加搅拌桨，并参见图2，搅拌轴2由电机1驱动，搅拌轴2上安装有Z字型叠加搅拌桨，并在搅拌槽3中对流体进行混合搅拌操作。搅拌槽3槽径为0.48m，槽高为1m，挡板4宽度为0.048m，液体高度保持在0.48m，液体为1.5％的羧甲基纤维素钠溶液，在不同转速条件下进行酸碱脱色实验。实验结果见图6。从图6酸碱脱色实验结果可以看出，在搅拌转速分别为50rpm，100rpm，150rpm条件下，本发明公开的叠加一次的Z字型叠加搅拌桨与常规直叶搅拌桨相比，混合体系的混合时间分别缩短了9.68％，10.71％和8.33％。

实验2：利用上述例子中一次叠加的Z字型叠加搅拌桨，并参见图2，搅拌轴2由电机1驱动，搅拌轴2上安装有Z字型叠加搅拌桨，并在搅拌槽3中对磷矿进行浸出操作。搅拌槽3槽径为0.48m，槽高为1m，挡板4宽度为0.048m。在搅拌槽内加入比重为1.7的磷矿浆17kg，加入7.6kg浓硫酸，液体高度保持在0.48m，进行磷矿浸出实验。实验结果见图7。从图7磷矿浸出实验结果可以看出，在相同搅拌转速和浸出时间的条件下，本发明公开的一次叠加的Z字型叠加搅拌桨与常规直叶搅拌桨相比，磷矿浸出率提高了2.97％。

以二次叠加为例，图3为未进行叠加的初始结构，正方形边长为L₀＝4.2cm，然后对其进行二次叠加，如图5所示，二次叠加中小正方形边长L₂为L₀的1/7，得到的二次叠加的Z字型搅拌桨叶主体结构的Z字型上下边长为一次叠加中相对应Z字型上下边长的3/7，Z字型叠加搅拌桨叶的主体结构的面积为8.82cm²。Z字型叠加搅拌桨叶的非主体结构的长度L_A为0.6cm，是Z字型叠加搅拌桨叶的主体结构长度的1/7，Z字型叠加搅拌桨叶的非主体结构的宽度L_B为Z字型叠加搅拌桨叶的主体结构的宽度4.2cm。

实验3：利用上述例子中二次叠加的Z字型叠加搅拌桨，并参见图2，搅拌轴2由电机1驱动，搅拌轴2上安装有Z字型叠加搅拌桨，并在搅拌槽3中对流体进行混合搅拌操作。搅拌槽3槽径为0.48m，槽高为1m，挡板4宽度为0.048m，液体高度保持在0.48m，液体为1.5％的羧甲基纤维素钠溶液，在不同转速条件下进行酸碱脱色实验。实验结果见图8。从图8酸碱脱色实验结果可以看出，在搅拌转速分别为50rpm，100rpm，150rpm条件下，本发明公开的叠加二次的Z字型叠加搅拌桨与常规直叶搅拌桨相比，混合体系的混合时间分别缩短了16.13％，17.86％和16.67％。

实验4：利用上述例子中二次叠加的Z字型叠加搅拌桨，并参见图2，搅拌轴2由电机1驱动，搅拌轴2上安装有Z字型叠加搅拌桨，并在搅拌槽3中对磷矿进行浸出操作。搅拌槽3槽径为0.48m，槽高为1m，挡板4宽度为0.048m。在搅拌槽内加入比重为1.7的磷矿浆17kg，加入7.6kg浓硫酸，液体高度保持在0.48m，进行磷矿浸出实验。实验结果见图9。从图9磷矿浸出实验结果可以看出，在相同搅拌转速和浸出时间的条件下，本发明公开的叠加二次的Z字型叠加搅拌桨与常规直叶搅拌桨相比，磷矿浸出率提高了4.81％。

由上述技术方案可知，本申请提供的一种强化流体混合的Z字型叠加搅拌桨，设置了若干个Z字型叠加搅拌桨叶。该桨在旋转过程中，能够通过自身的Z字型叠加结构剪切破坏桨叶的尾涡结构，产生许多小漩涡，使桨叶能量以波涡的形式传递到流场远处，同时通过增加Z字型的叠加次数，在保证桨叶与流体相互作用截面不变以及桨叶主体结构力学稳定的前提下，增大桨叶外缘对流体的剪切周长，增强桨叶对流体的作用力，提高流体湍动程度，促进混合死区内外的流体进行传递与混合，缩短流体混合的时间，提高流体的混合传递效率。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (7)

1.一种强化流体混合的Z字型叠加搅拌桨，其特征在于，包括：

固定套(7)、圆盘(6)和若干个Z字型叠加搅拌桨叶(5)，所述圆盘(6)套设于所述固定套(7)上，所述Z字型叠加搅拌桨叶(5)均匀设置于所述圆盘(6)的外圆周，其中：

所述Z字型叠加搅拌桨叶(5)的主体结构为所述圆盘(6)以外的桨叶部分，所述Z字型叠加搅拌桨叶(5)的主体结构是基于Z字型叠加的片状结构；

所述Z字型叠加搅拌桨叶(5)的非主体结构为所述圆盘(6)以内的桨叶部分；

所述Z字型叠加搅拌桨叶(5)的主体结构是将一个初始正方形的上下对边及对角线进行连接，得到初始Z字型结构；将所述初始正方形平均分成九个小正方形，并连接所述初始正方形四个边角处的小正方形的上下对边及对角线，进一步构成四个小Z字型结构，依次首尾连接所形成的四个小Z字型结构，得到一次叠加的Z字型叠加搅拌桨叶(5)的主体结构；按照上述规律继续往下进行叠加，得到多次叠加的Z字型叠加搅拌桨叶(5)的主体结构，所述Z字型叠加搅拌桨叶(5)的主体结构至少由初始Z字型结构进行一次叠加得到。

2.根据权利要求1所述的一种强化流体混合的Z字型叠加搅拌桨，其特征在于，所述叠加中的小正方形的边长为所述初始正方形边长的1/(2ⁿ⁺¹-1)，其中n为叠加的次数。

3.根据权利要求1所述的一种强化流体混合的Z字型叠加搅拌桨，其特征在于，经叠加后的所述主体结构中的Z字型上下边长与上次叠加时所述主体结构的Z字型上下边长比为(2ⁿ-1)/(2ⁿ⁺¹-1)，其中n为叠加的次数。

4.根据权利要求1所述的一种强化流体混合的Z字型叠加搅拌桨，其特征在于，所述主体结构与非主体结构的宽度相等，所述非主体结构和主体结构沿桨叶延伸方向的长度比为1/10～1/4。

5.根据权利要求1所述的一种强化流体混合的Z字型叠加搅拌桨，其特征在于，所述主体结构围成了空隙结构，所述空隙结构由多种规格的直角三角形组合而成。

6.根据权利要求5所述的一种强化流体混合的Z字型叠加搅拌桨，其特征在于，所述空隙结构的面积与主体结构的面积相等。

7.根据权利要求1所述的一种强化流体混合的Z字型叠加搅拌桨，其特征在于，所述主体结构的面积随着Z字型叠加次数的增多而保持不变，周长随着Z字型叠加次数的增多而增大。

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