EP0577456A1 - Agitateur rotatif à hélice - Google Patents
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
- B01F27/05—Stirrers
- B01F27/11—Stirrers characterised by the configuration of the stirrers
- B01F27/113—Propeller-shaped stirrers for producing an axial flow, e.g. shaped like a ship or aircraft propeller
Definitions
- the present invention relates to propeller agitators constituted by several blades integral with a shaft generally arranged vertically in the axis of a container to cause a circulation of the liquid contained in the latter in an axial direction, usually descending in the central zone of the container and ascending in the area between the latter and the wall of the container.
- the blades can be fixed directly on the shaft or be integral with a hub fixed on the shaft.
- the agitator shaft can be inclined relative to the axis of the container; it can, for example, be placed horizontally or at an angle in a container with a vertical axis.
- agitators are used to mix liquids with low viscosity and / or to improve the heat exchanges with the wall of the heated or cooled container, for example by circulation of a fluid in a double envelope or a coil fixed externally on the wall.
- parasitic currents in particular radial currents, are superimposed on the general axial circulation; these currents are harmful because they reduce the efficiency of the agitator.
- the object of the present invention is to propose a new blade profile making it possible to reduce the importance of the radial currents generated by the rotation of the agitator and, consequently, to increase its efficiency.
- the propeller agitator object of the present invention is characterized in that it is formed of blades arranged approximately perpendicular to the axis of the agitator, and which have with respect to a plane perpendicular to the axis of the agitator , an inclination which increases progressively or in stages from the leading edge to the end edge, and in that the tip of the blades is bent downstream considering the direction of flow of the liquid displaced by the blades, this is ie downwards in the most general case where the agitator creates a downward movement of the liquid.
- the main part of the blades and their terminal part may each be formed from two portions of planes forming a dihedron whose edge is approximately perpendicular to the axis of the agitator for the main part and is inclined horizontally for the part terminal, the two dihedral connecting to each other in the folding plane.
- the main part of the blades may also be formed of two portions of planes connected together by a portion of cylinder whose axis is approximately perpendicular to the axis of the agitator, the planes connecting to the cylinder along two generatrices of the cylinder, and the terminal part may be formed of two portions of planes connecting to the end of the portions of planes of the main part and connected together by a portion of truncated cone whose generatrices are inclined downstream relative to the generatrices of the cylinder portion.
- the leading edge of the main part of the blades is perpendicular to the axis of the agitator, and the trailing edge of the blades is in a plane perpendicular to the axis of the agitator.
- the angle which the main and terminal parts of the blades form between them in the bisector plane of the dihedron formed by the plane portions of the main part is between 145 ° and 155 ° and preferably equal to 150 °.
- the main part of the blades could be slightly inclined downstream, that is to say downwards in the case where the flow created by the agitator is descending.
- the agitator shown in Figures 1 to 3 is formed of three identical blades 12 integral with a hub 14 intended to be fixed on a vertical shaft and, angularly spaced from each other by 120 °. The blades could be attached directly to the shaft.
- the axis 15 of the agitator and, consequently, of the hub 14 is vertical; driven in rotation in the direction indicated by the arrow in Figure 1, the agitator then creates a downward flow.
- These blades have a small and substantially constant thickness over their entire surface. They can be formed by cutting, folding and assembling or by stamping sheet metal or by molding of metals or plastics.
- Each blade is formed of a main part 16, which is horizontal and attached to the hub 14, and of an end part 18 folded downwards.
- the part 16 of the blades has the shape of a dihedral whose edge 23 is perpendicular to the axis of the hub and whose half-planes 20 and 22 are inclined relative to a plane perpendicular to this axis, so that the leading edge 24 of the blade is at a level higher than the trailing edge 26, the inclination of the rear half-plane being greater to that of the front half-plane.
- the angles of inclination a and b of the half-planes 20 and 22 are respectively about 20 ° and 45 °. These angles can vary from 15 ° to 25 ° and 40 ° to 50 °, respectively.
- the terminal part of the blade also forms a dihedron whose edge 27 is inclined downward relative to the horizontal edge 23 of the main part, the half-planes 28 and 30 of this dihedron being attached to the half-planes 20 and 22 and making an angle with them.
- Each part of the blades can be formed by cutting and folding a sheet, the two parts being assembled by welding along the straight segments 32 and 34 which can be considered as the fold line of the blade.
- each blade can be formed from a single sheet suitably cut, so that it is possible to bend it along the edge 23 and the straight segments 32 and 34 and to assemble by welding. the half-planes 28 and 30 along edge 27.
- the main part 16 ′ of the blades is formed by two portions of planes 20 ′, 22 ′ connected by a portion of cylinder 38 whose axis is perpendicular to the axis 39 of the agitator, the connection being made along two generators of the cylinder.
- the portions of planes 20 ′ and 22 ′ are inclined relative to a plane perpendicular to the axis of the hub, the angle of inclination of this part of the blades increasing from the leading edge to the trailing edge. (see figure 6).
- the end portion 18 'of the blades is formed by two portions of planes 28' and 30 'connected by a portion of truncated cone 40 whose generatrices are inclined relative to the generatrices of the cylinder portion 38, so that the tip blade is tilted down.
- Each part of the blades can be formed by cutting and then bending a sheet, the two parts being assembled by welding along the line 32 ', 33, 34' which can be considered as the fold line of the blade since 'it is at the junction of the horizontal part of the blade and its folded end down.
- the two planar portions 28 ′ and 30 ′ are connected to the portion of truncated cone 40 along two generatrices.
- the leading edge 24 'of the main part of the blades and the trailing edge 26 ′ of the blade lie in planes perpendicular to the axis of the hub, except in the area of the blade immediately adjacent to the shaft.
- the angle formed by the terminal part of the blades with the horizontal part, in the bisector plane of the dihedron formed by the two plane portions 20 'and 22', is approximately 150 °, that is to say, in this plane, the terminal part of the blade makes an angle of about 30 ° with the horizontal; this angle can vary between 145 ° and 155 °.
- h H defines the relative height position of the agitator in the test container
- Np is a dimensionless factor which is an image of the power absorbed.
- Np P / .N3.D5
- N agitator rotation speed
- D diameter of the agitator
- N.tm is a dimensionless factor which is an image of the mixing time.
- the agitator of the invention makes it possible to significantly reduce (from 20 to 35%) the mixing time by absorbing a power of the same order of magnitude as that absorbed by a conventional agitator or significantly lower, depending on the position of the agitator in the container. In some configurations the reduction in mixing time can reach 60%.
- the blades, or more precisely their main part, attached to the hub could be slightly inclined downwards (angle c in FIG. 2 slightly greater than 90 °).
- the invention is not limited to agitators with three blades and also applies to agitators with two blades or with more than three blades.
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Abstract
Description
- La présente invention a trait aux agitateurs à hélice constitués par plusieurs pales solidaires d'un arbre généralement disposé verticalement dans l'axe d'un récipient pour provoquer une circulation du liquide contenu dans ce dernier suivant une direction axiale, habituellement descendante dans la zone centrale du récipient et ascendante dans la zone comprise entre cette dernière et la paroi du récipient. Les pales peuvent être fixées directement sur l'arbre ou être solidaires d'un moyeu fixé sur l'arbre. Par ailleurs, l'arbre de l'agitateur peut être incliné par rapport à l'axe du récipient; il peut, par exemple, être disposé horizontalement ou en biais dans un récipient à axe vertical. Ces agitateurs sont utilisés pour mélanger des liquides à faible viscosité et/ou pour améliorer les échanges thermiques avec la paroi du récipient chauffée ou refroidie, par exemple par circulation d'un fluide dans une double enveloppe ou un serpentin fixé extérieurement sur la paroi. Avec ce type d'agitateur, des courants parasites, notamment des courants radiaux, se superposent à la circulation générale axiale; ces courants sont nuisibles parce qu'ils diminuent l'efficacité de l'agitateur.
- Le but de la présente invention est de proposer un nouveau profil de pale permettant de réduire l'importance des courants radiaux engendrés par la rotation de l'agitateur et, par conséquent, d'augmenter son efficacité.
- L'agitateur à hélice objet de la présente invention est caractérisé en ce qu'il est formé de pales disposées approximativement perpendiculairement à l'axe de l'agitateur, et qui présentent par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe de l'agitateur, une inclinaison qui croît progressivement ou par paliers du bord d'attaque au bord de fùite, et en ce que le bout des pales est plié vers l'aval en considérant le sens d'écoulement du liquide déplacé par les pales, c'est-à-dire vers le bas dans le cas le plus général où l'agitateur crée un mouvement descendant du liquide.
- La partie principale des pales et leur partie terminale pourront être formées chacune de deux portions de plans formant un dièdre dont l'arête est approximativement perpendiculaire à l'axe de l'agitateur pour la partie principale et est inclinée sur l'horizontale pour la partie terminale, les deux dièdres se raccordant l'un à l'autre dans le plan de pliage.
- La partie principale des pales pourra aussi être formée de deux portions de plans raccordés entre eux par une portion de cylindre dont l'axe est approximativement perpendiculaire à l'axe de l'agitateur, les plans se raccordant au cylindre le long de deux génératrices du cylindre, et la partie terminale pourra être formée de deux portions de plans se raccordant à l'extrémité des portions de plans de la partie principale et raccordés entre eux par une portion de tronc de cône dont les génératrices sont inclinées vers l'aval par rapport aux génératrices de la portion de cylindre.
- Suivant une forme de réalisation préférée, le bord d'attaque de la partie principale des pales est perpendiculaire à l'axe de l'agitateur, et le bord de fuite des pales se trouve dans un plan perpendiculaire à l'axe de l'agitateur.
- De préférence, l'angle que forment entre elles les parties principale et terminale des pales dans le plan bissecteur du dièdre formé par les portions de plans de la partie principale est compris entre 145° et 155° et de préférence égal à 150°.
- Au lieu d'être perpendiculaire à l'axe de l'agitateur , la partie principale des pales pourrait être légèrement inclinée vers l'aval, c'est-à-dire vers le bas dans le cas où l'écoulement créé par l'agitateur est descendant.
- La description qui suit se réfère aux dessins l'accompagnant qui montrent, à titre d'exemple non-limitatif, deux formes de réalisation de l'invention et sur lesquels :
- La figure 1 est une vue en plan d'une hélice tripale conforme à l'invention;
- La figure 2 est une vue de face de l'une des pales;
- La figure 3 est une vue en bout de l'une des pales;
- La figure 4 est une vue en plan d'une pale d'un autre agitateur conforme à l'invention;
- La figure 5 est une vue de face de la pale de la figure 4; et
- La figure 6 est une vue en bout de la pale de la figure 4.
- L'agitateur représenté sur les figures 1 à 3 est formé de trois pales identiques 12 solidaires d'un moyeu 14 destiné à être fixé sur un arbre vertical et, angulairement espacées l'une de l'autre de 120°. Les pales pourraient être fixées directement sur l'arbre. Dans la description qui suit, on suppose que l'axe 15 de l'agitateur et, par conséquent, du moyeu 14 est vertical; entraîné en rotation dans le sens indiqué par la flèche sur la figure 1, l'agitateur crée alors un écoulement descendant.
- Ces pales ont une épaisseur faible et sensiblement constante sur toute leur surface. Elles peuvent être formées par découpage, pliage et assemblage ou par emboutissage de tôles ou par moulage de métaux ou matières plastiques.
- Chaque pale est formée d'une partie principale 16, qui est horizontale et attachée au moyeu 14, et d'une partie terminale 18 pliée vers le bas. La partie 16 des pales a la forme d'un dièdre dont l'arête 23 est perpendiculaire à l'axe du moyeu et dont les demi-plans 20 et 22 sont inclinés par rapport à un plan perpendiculaire à cet axe, de telle sorte que le bord d'attaque 24 de la pale se trouve à un niveau supérieur au bord de fuite 26, l'inclinaison du demi-plan arrière étant supérieure à celle du demi-plan avant. Dans la forme de réalisation décrite, les angles d'inclinaison a et b des demi-plans 20 et 22 sont respectivement d'environ 20° et 45°. Ces angles peuvent varier de 15° à 25° et de 40° à 50°, respectivement.
- La partie terminale de la pale forme aussi un dièdre dont l'arête 27 est inclinée vers le bas par rapport à l'arête horizontale 23 de la partie principale, les demi-plans 28 et 30 de ce dièdre étant rattachés aux demi-plans 20 et 22 et faisant un angle avec ceux-ci.
- Chaque partie des pales peut être formée par découpage et pliage d'une tôle, les deux parties étant assemblées par soudage le long des segments de droite 32 et 34 que l'on peut considérer comme la ligne de pliage de la pale. En variante, chaque pale peut être formée à partir d'une tôle unique convenablement découpée, de telle sorte qu'il soit possible de la plier le long de l'arête 23 et des segments de droite 32 et 34 et d'assembler par soudage les demi-plans 28 et 30 le long de l'arête 27.
- Dans la forme de réalisation représentée sur les figures 4 à 6, la partie principale 16' des pales est formée de deux portions de plans 20', 22' raccordées par une portion de cylindre 38 dont l'axe est perpendiculaire à l'axe 39 de l'agitateur, le raccordement s'effectuant le long de deux génératrices du cylindre. Comme dans la première forme de réalisation, les portions de plans 20' et 22' sont inclinées par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe du moyeu, l'angle d'inclinaison de cette partie des pales augmentant du bord d'attaque au bord de fuite. (voir figure 6).
- La partie terminale 18' des pales est formée de deux portions de plans 28' et 30' raccordées par une portion de tronc de cône 40 dont les génératrices sont inclinées par rapport aux génératrices de la portion de cylindre 38, de telle sorte que le bout de la pale soit incliné vers le bas. Chaque partie des pales peut être formée par découpage puis cintrage d'une tôle, les deux parties étant assemblées par soudage le long de la ligne 32', 33, 34' que l'on peut considérer comme la ligne de pliage de la pale puisqu'elle se trouve à la jonction de la partie horizontale de la pale et de son extrémité pliée vers le bas. Les deux portions de plans 28' et 30' se raccordent à la portion de tronc de cône 40 suivant deux génératrices.
- Dans cette forme de réalisation, le bord d'attaque 24' de la partie principale des pales et le bord de fuite 26'de la pale se trouvent dans des plans perpendiculaires à l'axe du moyeu, sauf dans la zone de la pale immédiatement adjacente à l'arbre. L'angle formé par la partie terminale des pales avec la partie horizontale, dans le plan bissecteur du dièdre formé par les deux portions de plan 20' et 22', est d'environ 150°, c'est-à-dire que, dans ce plan, la partie terminale de la pale fait un angle d'environ 30° avec l'horizontale; cet angle peut varier entre 145° et 155°.
-
- Dans ce tableau :
Np est un facteur sans dimension qui est une image de la puissance absorbée.
Np = P/ .N³.D⁵
P = puissance absorbée par l'agitateur
= masse volumique du liquide
N = vitesse de rotation de l'agitateur
D = diamètre de l'agitateur
et N.tm est un facteur sans dimension qui est une image du temps de mélange. - On voit sur ce tableau que l'agitateur de l'invention permet de réduire notablement (de 20 à 35 %) le temps de mélange en absorbant une puissance du même ordre de grandeur que celle absorbée par un agitateur classique ou nettement inférieure, suivant la position de l'agitateur dans le récipient. Dans certaines configurations particulières, la réduction du temps de mélange peut atteindre 60 %.
- Au lieu d'être horizontales, les pales, ou plus précisément leur partie principale, rattachée au moyeu, pourrait être légèrement inclinée vers le bas (angle c de la figure 2 légèrement supérieur à 90°).
- L'invention n'est pas limitée aux agitateurs à trois pales et s'applique aussi aux agitateurs à deux pales ou à plus de trois pales.
Claims (7)
- Agitateur à hélice comportant plusieurs pales identiques disposées approximativement perpendiculairement à l'axe de l'agitateur et présentant une inclinaison par rapport à un plan perpendiculaire à cet axe caractérisé en ce que le bout des pales est plié vers l'aval, en considérant le sens d'écoulement du liquide déplacé par les pales.
- Agitateur à hélice selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie principale (16) des pales est formée de deux portions de plans (20,22) formant un dièdre dont l'arête (23) est approximativement perpendiculaire à l'axe de l'agitateur, et la partie terminale (18) des pales est également formée de deux portions de plans (28, 30) se raccordant à l'extrémité de la partie principale et formant un dièdre dont l'arête (27) est inclinée vers l'aval par rapport à l'arête de la partie principale.
- Agitateur à hélice selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie principale (16') des pales est formée de deux portions de plans (20', 22') qui sont raccordées entre elles par une portion de cylindre (38) dont l'axe est approximativement perpendiculaire à l'axe de l'agitateur, les plans se raccordant au cylindre le long de deux génératrices du cylindre, et en ce que la partie terminale des pales est formée de deux portions de plans (28', 30') se raccordant à l'extrémité des portions de plans de la partie principale et raccordés entre eux par une portion de tronc de cône (40) dont les génératrices sont inclinées vers l'aval par rapport aux génératrices de la portion de cylindre.
- Agitateur à hélice selon la revendication 1, 2 ou 3 caractérisé en ce que l'angle que forment les parties principale et terminale des pales dans le plan bissecteur du dièdre formé par les deux portions de plan de la partie principale est compris entre 145° et 155° et de préférence égal à 150°.
- Agitateur à hélice, suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bord d'attaque de la partie principale des pales est perpendiculaire à l'axe de l'agitateur.
- Agitateur à hélice selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bord de fuite des pales se trouve dans un plan perpendiculaire à l'axe de l'agitateur.
- Agitateur à hélice selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la partie principale des pales est légèrement inclinée vers l'aval.
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