RU2046649C1

RU2046649C1 - Mixer working member

Info

Publication number: RU2046649C1
Application number: RU94004096A
Authority: RU
Inventors: Ю.А. Арутюнов; Л.А. Гориславская
Original assignee: Арутюнов Юрий Артемович
Priority date: 1994-02-04
Filing date: 1994-02-04
Publication date: 1995-10-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering; mixers. SUBSTANCE: mixer working member has shaft with fitted on blade in form of Mobius strip. Blade is made up of two screw-shaped band figures coming from one center and turned around their vertical axes through 90 degrees relative to each other and secured in pairs by opposite end faces on shaft at both sides of center. Development of blade strip on plane square to shaft axis is a four-lobe member. Each lobe is formed by portion of ring. Some ends of lobes are interconnected in center of member, and other ends adjoin convex sides of neighboring lobes. Moreover, working member can have second shaft with blades arranged in parallel with first shaft and with blade in mirror-like position relative to that of first shaft. EFFECT: enhanced quality of mixing. 2 cl, 11 dwg

Description

Изобретение относится к конструкциям устройств для смешивания двух и более ингредиентов (жидкостей, сыпучих веществ или их комбинаций). The invention relates to the design of devices for mixing two or more ingredients (liquids, solids or combinations thereof).

Известен рабочий орган смесителя, содержащий вал с закрепленной на нем основной лопастью в виде замкнутой односторонней поверхности типа листа Мëбиуса и, по крайней мере, одной дополнительной лопастью, изогнутой по винтовой линии и закрепленной на валу со смещением относительно основной лопасти. Каждая поверхность листа Мëбиуса соединена с валом по диаметральным образующим [1]
Недостатком такого рабочего органа смесителя является низкая эффективность перемешивания ингредиентов и повышенные затраты энергии и времени на перемешивание.A known working body of the mixer, comprising a shaft with a main blade fixed to it in the form of a closed one-sided surface such as a Mobius sheet and at least one additional blade curved along a helical line and fixed to the shaft with an offset relative to the main blade. Each surface of the Mobius strip is connected to the shaft by diametrical generators [1]
The disadvantage of such a working body of the mixer is the low efficiency of mixing the ingredients and the increased cost of energy and time for mixing.

Известен рабочий орган смесителя, содержащий лопасти, прикрепленные своими торцами в двух местах к центральному несущему элементу типа вала рабочего органа. Лопасти имеют арочную конструкцию и закручены на 90^о по своим торцам. Развертка лопастей, выполненных заодно друг с другом, представляет собой S-образную фигуру с прямолинейным участком у места крепления лопастей к валу и закругленными участками по концам фигуры. Следовательно, средняя линия S-образной фигуры выполнена в виде прямой линии у оси вала. В этом месте лопасти прикреплены к валу перпендикулярно его оси. Угол средней линии одной лопасти равен 180^о, т.е. крайние точки фигуры соединены прямой линией, проходящей через ось вала. Модифицированная лопасть рабочего органа имеет раздельные детали, прикрепленные к трубчатому несущему элементу валу [2]
Недостаток этого рабочего органа заключается в низкой эффективности смешения. Это объясняется тем, что при больших скоростях вращения, на которых работают современные смесители, эффект перемешивания вдоль оси вала исчезает, так как составляющая скорости в этом направлении по сравнению с окружными скоростями очень мала. Смешиваемые ингредиенты в таких случаях только сильно закручиваются в емкости, а не смешиваются, т.е. частицы ингредиентов вращаются параллельно друг другу в одной плоскости.Known working body of the mixer, containing blades attached at their ends in two places to the Central bearing element such as the shaft of the working body. The blades have an arched design and twisted at ⁹⁰ on their ends. The development of the blades, made at the same time with each other, is an S-shaped figure with a straight section at the place of attachment of the blades to the shaft and rounded sections at the ends of the figure. Therefore, the midline of the S-shaped figure is made in the form of a straight line at the axis of the shaft. At this point, the blades are attached to the shaft perpendicular to its axis. The angle of the midline of one blade is 180 ^about , i.e. the extreme points of the figure are connected by a straight line passing through the axis of the shaft. The modified blade of the working body has separate parts attached to the tubular bearing element of the shaft [2]
The disadvantage of this working body is the low mixing efficiency. This is explained by the fact that at high speeds of rotation, at which modern mixers work, the mixing effect along the axis of the shaft disappears, since the component of the speed in this direction is very small compared to peripheral speeds. In such cases, the mixed ingredients only twist strongly in the container, and do not mix, i.e. particles of ingredients rotate parallel to each other in the same plane.

Задачей предлагаемого рабочего органа смесителя является повышение эффективности смешивания ингредиентов и уменьшение энергетических затрат. The objective of the proposed working body of the mixer is to increase the efficiency of mixing the ingredients and reduce energy costs.

Поставленная задача решается тем, что рабочий орган смесителя содержит вал с одной закрепленной на нем лопастью, представляющей собой одностороннюю ленточную поверхность типа листа Мëбиуса. Лопасть представляет собой две винтообразные ленточные фигуры, исходящие из одного центра, повернутые вокруг их вертикальной оси на 90^о относительно друг друга и направленные в разные стороны от их общего центра и закрепленные на валу своим центром, а торцами по обе стороны от центра.The problem is solved in that the working body of the mixer contains a shaft with one blade fixed to it, which is a one-sided tape surface such as a Mobius strip. The blade consists of two helical ribbon shapes emanating from a single center, rotated around their vertical axis ⁹⁰ relative to each other and directed to opposite sides of their common center and fixed to a shaft as its center and the ends on either side of center.

Развертка листа лопасти на плоскость, перпендикулярную оси вала, представляет собой четырехлепестковый элемент, в котором каждый лепесток образован частью кольца, причем одни концы лепестков соединены между собой в центре элемента, а другие концы прилегают к выпуклым сторонам соседних лепестков. The development of the blade sheet on a plane perpendicular to the axis of the shaft is a four-petal element in which each petal is formed by a part of the ring, with one ends of the petals connected to each other in the center of the element, and the other ends adjacent to the convex sides of adjacent petals.

Кроме того, рабочий орган может быть снабжен вторым параллельно расположенным валом с лопастью, зеркально отображенной лопасти на первом валу. In addition, the working body can be equipped with a second parallel shaft with a blade, a mirror-image of the blade on the first shaft.

На фиг. 1 приведена конструктивная схема предлагаемого рабочего органа смесителя; на фиг. 2 дана развертка лопасти на плоскость чертежа; на фиг.3 дано сечение В-В на фиг.1; на фиг.4 дано сечение Г-Г на фиг.1; на фиг.5 дано сечение Д-Д на фиг.1; на фиг.6 дан вид по стрелке Е на фиг.1; на фиг.7 приведена конструктивная схема рабочего органа смесителя с двумя параллельными валами; на фиг.8 дан вид Ж на фиг.7; на фиг.9 представлена схема работы рабочего органа смесителя с одним валом; на фиг.10 дано сечение И-И на фиг.9; на фиг.11 представлена схема работы рабочего органа смесителя с двумя параллельными валами. In FIG. 1 shows a structural diagram of the proposed working body of the mixer; in FIG. 2 shows the sweep of the blade on the plane of the drawing; figure 3 is a section bb in figure 1; figure 4 is a section GG in figure 1; figure 5 shows a section DD in figure 1; figure 6 is a view along arrow E in figure 1; Fig.7 shows a structural diagram of the working body of the mixer with two parallel shafts; on Fig given view G in Fig.7; figure 9 presents a diagram of the working body of the mixer with one shaft; figure 10 is a section II in figure 9; figure 11 presents the scheme of the working body of the mixer with two parallel shafts.

Рабочий орган смесителя состоит из вертикального вала 1, на котором закреплена криволинейная лопасть 2, представляющая собой две односторонние ленточные поверхности 2а и 2б типа листа Мëбиуса, объединенные на общем центре Ц и плавно переходящие одна в другую. Лопасть в пространстве представляет собой две винтообразные ленточные фигуры 2а и 2б, исходящие из одного центра Ц на валу 1 и повернутые относительно их общей оси 0 на 90^о относительно друг друга и направленные в разные стороны от центра Ц.The working body of the mixer consists of a vertical shaft 1, on which a curved blade 2 is fixed, which is two one-sided tape surfaces 2a and 2b of the type of Mobius sheet, united at a common center C and smoothly passing one into another. The blade in the space consists of two helical ribbon figures 2a and 2b emanating from a center C on the shaft 1 and rotated about their common axis 0 to ^about 90 with respect to each other and directed in different directions from the center C.

Развертка лопасти 2 на плоскость, перпендикулярную оси вала (см. фиг.2), представляет собой четырехлепестковый элемент 3, где каждый лепесток образован частью кольца. Одни концы колец соединены между собой в центре Ц, другие концы прилегают к выпуклым сторонам соседних лепестков своими торцами Т, Т', Т₁ и Т₁'.The development of the blade 2 on a plane perpendicular to the axis of the shaft (see figure 2), is a four-petal element 3, where each petal is formed by a part of the ring. Some ends of the rings are interconnected in the center of C, the other ends are adjacent to the convex sides of adjacent petals with their ends T, T ', T ₁ and T ₁ '.

Торцы Т, Т₁ и Т' и Т₁' элемента 3 расположены под углами α α₁, α' и α₁' к продольным осям А и Б соответственно. Углы α α₁ и α' и α₁' равны между собой и находятся в пределах 70-75^о, а вершины углов расположены в центрах Г, Г₁ и Г' и Г₁' окружностей радиусов R и R₁ и R' и R₁', которые служат образующими для четырех лепестков элемента 3.The ends T, T ₁ and T 'and T ₁ ' of the element 3 are located at angles α α ₁ , α 'and α ₁ ' to the longitudinal axes A and B, respectively. The angles α _1, α and α _'1 and α' are equal and are within ^about 70-75, and the vertex angles are located in the centers of T, T ₁ and T _'1 and T' circles of radii R and R ₁ and R 'and R ₁ ', which serve as generators for the four petals of the element 3.

Элемент 3 посажен на вал 1 своим центром Ц так, что плоскость центра ПЦ перпендикулярна оси 0 вала (см. фиг.3), и закреплен на нем. Торцы Т₁ и Т₁' элемента 3 закреплены параллельно оси 0 вала 1 на нижнем его конце так, что точка l₁ соединена с точкой l₁', а точка b₁ соединена с точкой b₁' (см. фиг. 4) и плоскости лопасти ПВ параллельны оси вала. Торцы Т и Т₁ элемента 3 закреплены параллельно оси 0 вала 1 на верхнем конце его так, что точка l соединена с точкой l₁, а точка b соединена с точкой b₁' (см. фиг.5) и плоскости лопасти ПН параллельны оси вала 0.The element 3 is planted on the shaft 1 with its center C so that the plane of the center of the PC is perpendicular to the axis 0 of the shaft (see figure 3), and is fixed on it. The ends T ₁ and T ₁ 'of the element 3 are fixed parallel to the axis 0 of the shaft 1 at its lower end so that the point l _{1 is} connected to the point l ₁ ', and the point b _{1 is} connected to the point b ₁ '(see Fig. 4) and the plane of the blades PV parallel to the axis of the shaft. The ends T and T _{1 of the} element 3 are fixed parallel to the axis 0 of the shaft 1 at its upper end so that the point l is connected to the point l ₁ , and the point b is connected to the point b ₁ '(see Fig. 5) and the plane of the blades PN parallel to the axis shaft 0.

Торцы Т и Т' закреплены на расстоянии h₁ от центра Ц, а торцы Т₁ и Т₁' на расстоянии h₂. Расстояния h₁ и h₂ от центра элемента до закрепленных торцов могут быть как равны, так и отличаться друг от друга. На виде сверху (см. фиг. 6) рабочий орган представляет собой две пересекающиеся 8-образные лепестковые фигуры с продольными осями Д и Е. Оси Д и Е перпендикулярны друг другу.The ends T and T 'are fixed at a distance h ₁ from the center of C, and the ends T ₁ and T ₁ ' at a distance of h ₂ . The distances h ₁ and h ₂ from the center of the element to the fixed ends can be both equal and different from each other. In the top view (see Fig. 6), the working body is two intersecting 8-shaped lobed figures with the longitudinal axes D and E. The axes D and E are perpendicular to each other.

Рабочий орган смесителя может быть снабжен дополнительным валом 4, установленным параллельно валу 1 (см. фиг.7), на котором закреплена криволинейная лопасть 5, аналогичная лопасти 2, но перевернутая верхней частью 2а с точкой К вниз, а нижней частью 2б с точкой Л вверх, т.е. лопасть 5 является зеркальным отображением лопасти 2. Расстояние между валами 1 и 4 составляет (1,10-1,2)Д, где Д наибольший размер лопасти 2 в плоскости, перпендикулярной оси вала. Лопасти 2 и 5 могут располагаться напротив друг друга или иметь смещение вдоль оси вала. The working body of the mixer can be equipped with an additional shaft 4 mounted parallel to the shaft 1 (see Fig. 7), on which a curved blade 5 is fixed, similar to the blade 2, but inverted by the upper part 2a with the point K down, and the lower part 2b with the point L up, i.e. the blade 5 is a mirror image of the blade 2. The distance between the shafts 1 and 4 is (1.10-1.2) D, where D is the largest size of the blade 2 in a plane perpendicular to the axis of the shaft. The blades 2 and 5 can be located opposite each other or have an offset along the axis of the shaft.

На виде сверху (см. фиг.8) рабочий орган представляет собой две 4х-лепестковые фигуры с осями Д, Е и Д', E', расположенные на общей оси Д' на расстоянии L друг от друга. Ось Д' перпендикулярна осям Е и Е'. In the top view (see Fig. 8), the working body is two 4-petal figures with axes D, E and D ', E', located on the common axis D 'at a distance L from each other. Axis D 'is perpendicular to axes E and E'.

Принцип работы рабочего органа заключается в следующем. The principle of work of the working body is as follows.

Рабочий орган помещается в емкость 6, где находятся смешиваемые ингредиенты (см. фиг.9). The working body is placed in a container 6, where are the mixed ingredients (see Fig.9).

Вал 1 с лопастью 2 вращается с угловой скоростью ω в направлении НВ. При вращении лопасти 2 на ее частях 2а и 2б возникают зоны разрежения 8а и 8б (заборные зоны) и зоны сжатия 9а и 9б (сливные зоны). Ингредиенты перемешаются лопастью 2 от центральной части 10 емкости, где возникают две заборные зоны от вращения частей лопасти 2а и 2б двумя потоками. Один поток 11 направляется вверх вдоль оси вала 1, в сливной зоне элемента 2а приобретает форму расширяющегося конуса 12, далее в виде взаимодействующих вихревых структур со стенками емкости и со встречными потоками, возникающими от элемента 2б лопасти, возвращается вновь на заборную зону 8а. Второй поток 13, возникающий от вращения элемента 2б лопасти 2, проходя последовательно заборную 8б и сливную 9б зоны, направляется вниз емкости. Он подобно первому потоку на выходе из сливной зоны приобретает форму расширяющегося конуса 14, взаимодействует со стенками емкости и встречными потоками, образуя более мелкие вихри 15 и шнуры 16 и 17. Эти вихревые образования вновь перемещаются потоками 18 и 19 к заборной зоне и таким образом образуется кругооборот перемешиваемых ингредиентов от центральных частей емкости до ее верхних и нижних частей. The shaft 1 with the blade 2 rotates with an angular velocity ω in the direction of HB. When the blade 2 rotates on its parts 2a and 2b, rarefaction zones 8a and 8b (intake zones) and compression zones 9a and 9b (discharge zones) arise. The ingredients are mixed by the blade 2 from the central part 10 of the tank, where there are two intake zones from the rotation of the parts of the blade 2A and 2B in two streams. One stream 11 is directed upward along the axis of the shaft 1, in the drainage zone of the element 2a takes the form of an expanding cone 12, then in the form of interacting vortex structures with the walls of the tank and with the oncoming flows arising from the element 2b of the blade, it returns again to the intake zone 8a. The second stream 13, arising from the rotation of the element 2b of the blade 2, passing sequentially intake 8b and drain zone 9b, is sent down the tank. It, like the first stream at the outlet of the drainage zone, takes the form of an expanding cone 14, interacts with the walls of the container and counter flows, forming smaller vortices 15 and cords 16 and 17. These vortex formations are again moved by flows 18 and 19 to the intake zone and thus form the circuit of the mixed ingredients from the central parts of the container to its upper and lower parts.

Таким рабочим органом можно успешно решать задачи для смешивания жидкостей, имеющих разные плотности и располагающихся на разных уровнях в емкости. Рабочий орган в таких случаях следует располагать на границе, разделяющей две среды жидких ингредиентов. Such a working body can successfully solve problems for mixing liquids having different densities and located at different levels in the tank. The working body in such cases should be located on the border separating the two media of liquid ingredients.

Рабочий орган такой формы имеет небольшой момент гидравлического сопротивления по сравнению с традиционными рабочими органами, благодаря расположению поперечных сечений лопастей 19 и 20 рабочего органа (см. фиг.10) под малыми углами γ и γ' к набегающим потокам 20 и 21, а сила воздействия на среду большая, что обусловлено большой поверхностью взаимодействия листа Мëбиуса со смешиваемыми ингредиентами. A working body of this form has a small moment of hydraulic resistance compared to traditional working bodies, due to the location of the cross sections of the blades 19 and 20 of the working body (see Fig. 10) at small angles γ and γ 'to the incident flows 20 and 21, and the force of action the medium is large, which is due to the large surface of interaction of the Mobius strip with mixed ingredients.

Принцип работы рабочего органа смесителя, состоящего из двух валов, заключается в следующем. The principle of operation of the working body of the mixer, consisting of two shafts, is as follows.

Рабочий орган помещается в емкость 23, где находятся смешиваемые ингредиенты 24 (см. фиг.11). Вал 1 с лопастью 2 и вал 4 с лопастью 5 вращаются синхронно в направлении Н.В с угловой скоростью ω и ω соответственно. The working body is placed in a container 23, where are the mixed ingredients 24 (see Fig.11). The shaft 1 with the blade 2 and the shaft 4 with the blade 5 rotate synchronously in the direction N. In with the angular velocity ω and ω, respectively.

При вращении лопастей на их частях 2а и 2б и 5а и 5б возникают зоны разрежения 25 и 26 (заборные зоны) и зоны сжатия 27 и 28 (сливные зоны). Ингредиенты перемещаются от заборных зон к сливным на каждой части лопастей 2а, 2б и 5а, 5б осевыми потоками 29а и 29б и 30а и 30б от центра рабочего органа к его верхней и нижней частям. За сливными зонами 2а, 2б и 5а и 5б потоки ингредиентов приобретают форму расширяющихся конусов, которые, взаимодействуя друг с другом, образуют новые вихревые структуры в виде колец 31 и шнуров 32, перемещающихся по емкости, сталкивающихся друг с другом, благодаря чему создают мелкодисперсную структуру, перемешиваемой жидкости и повышают эффективность смешивания. При смешивании рабочим органом с двумя синхронно вращающимися валами по сравнению с одним вращающимся валом процесс смешивания в основном происходит уже между вращающимися лопастями и непосредственно около них в результате взаимодействия двух конусных потоков 33, 34 и 36, 35, направленных навстречу друг другу. Возникает мощный циркуляционный поток, равномерно разносящий ингредиенты по всему объему емкости как снизу вверх, так и в плоскостях, перпендикулярных осям валов 1, 4. Взаимодействие потока со стенками емкости в этом случае имеет второстепенное значение, а основной процесс смешивания происходит на самих лопастях. When the blades rotate on their parts 2a and 2b and 5a and 5b, rarefaction zones 25 and 26 (intake zones) and compression zones 27 and 28 (discharge zones) arise. The ingredients move from the intake zones to the drain on each part of the blades 2a, 2b and 5a, 5b with axial flows 29a and 29b and 30a and 30b from the center of the working body to its upper and lower parts. Behind the drain zones 2a, 2b and 5a and 5b, the flows of ingredients take the form of expanding cones, which, interacting with each other, form new vortex structures in the form of rings 31 and cords 32 moving along the container, colliding with each other, thereby creating a finely dispersed structure mixed liquid and increase mixing efficiency. When mixing with a working body with two synchronously rotating shafts compared to one rotating shaft, the mixing process mainly occurs between the rotating blades and directly near them as a result of the interaction of two conical flows 33, 34 and 36, 35 directed towards each other. A powerful circulation flow arises, spreading the ingredients evenly throughout the entire volume of the container, both from the bottom up and in the planes perpendicular to the axes of the shafts 1, 4. In this case, the interaction of the flow with the walls of the container is of secondary importance, and the main mixing process takes place on the blades themselves.

Как следует из описания конструкции рабочих органов смесителя и их работы, предлагаемые рабочие органы позволяют эффективно смешивать различные по вязкости ингредиенты, получая смеси с более мелкодисперсной структурой. As follows from the description of the design of the working bodies of the mixer and their work, the proposed working bodies allow you to effectively mix different viscosity ingredients, obtaining mixtures with a finer structure.

Claims

1. WORKING BODY OF THE MIXER, comprising a shaft with a blade fixed on it, which is a closed one-sided surface like a Moebius sheet, characterized in that the blade is made in the form of two screw-like ribbon figures emanating from one center, rotated around one vertical axis by 90 ^° relative to the other and fixed in pairs by the ends on the shaft on either side of the center, and the development of the blade sheet on a plane perpendicular to the axis of the shaft is a four-petal element, where each petal is azovan part of a ring, wherein one ends of the petals are interconnected in the center of the element, and the other ends adjacent to the convex sides of adjacent lobes.

2. The working body according to claim 1, characterized in that it is equipped with a second parallel shaft with a blade, a mirrored blade on the first shaft.