RU2055634C1 - Рабочий орган смесителя (варианты) - Google Patents

Abstract

Сущность изобретения: рабочий орган смесителя по первому варианту содержит вал с закрепленной на нем лопастью в виде односторонней поверхности типа листа Мебиуса. Лопасть в пространстве представляет собой фигуру в виде восьмерки, закрученной своими концами относительно своего центра на угол Φ = 45 ÷ 50^° и расположенной перпендикулярно оси вала. Лопасть закреплена на валу в одном месте своим центром параллельно оси вала с помощью втулки. Вал состоит из двух частей. Развертка листа лопасти на плоскость, параллельную оси вала, представляет собой двухлепестковый элемент, где каждый лепесток выполнен в виде кольца. Кольца расположены на одной оси и соединены краями в одном центре, а противоположные края элемента образуют четыре торца. Попарно противоположные торцы элемента соединены по разные стороны от оси вала. Рабочий орган смесителя по второму варианту представляет собой фигуру в виде восьмерки, расположенной вдоль оси вала и закрученной концами вокруг своей оси на угол Φ = 45 ÷ 50^° Лопасть закреплена на валу в одном месте своим центром перпендикулярно оси вала, а в двух других местах, с противоположных сторон от центра, параллельно оси вала. 2 с. и. 2 з. п. ф-лы, 22 ил.

Description

Изобретение относится к конструкциям устройств для смешивания двух и более ингредиентов, например жидкостей, сыпучих веществ или их комбинаций.

Известен рабочий орган смесителя, содержащий вал с закрепленным на нем основным перемешивающим органом в виде замкнутой односторонней поверхности типа листа Мебиуса, и по крайней мере одним дополнительным перемешивающим органом, изогнутым по винтовой линии и закрепленным на валу со смещением относительно основного по фазе. Каждая поверхность типа листа Мебиуса соединена с валом по диаметральным образующим [1]
Недостатком рабочего органа смесителя является низкая эффективность перемешивания обрабатываемых ингредиентов и повышенные затраты энергии и времени на перемешивание.

Известен рабочий орган смесителя, содержащий лопасти, прикрепленные своими торцами в двух местах к центральному несущему элементу типа вала рабочего колеса. Лопасти имеют арочную конструкцию и закручены на 90^о по своим торцам. Развертка лопастей, выполненных заодно друг с другом (т.е. двух лопастей на плоскость), представляет собой S-образную фигуру с прямолинейным участком у места крепления лопастей к валу и закругленными участками по концам фигуры. Т. о. средняя линия S-образной фигуры выполнена в виде прямой линии у оси вала. В этом месте лопасти прикреплены к валу перпендикулярно его оси. Угол же средней линии одной лопасти 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 приведенного рабочего органа заключается в низкой эффективности смешивания. Это объясняется тем, что при больших скоростях вращения n ≈ 5000-8000 об/мин (на которых работают современные смесители) эффект перемешивания вдоль оси вала исчезает, так как составляющая скорости в этом направлении по сравнению с окружными скоростями очень малы. Смешиваемые ингредиенты в этом случае только сильно закручиваются в емкости, а не смешиваются и частицы ингредиентов вращаются параллельно друг другу.

Задачей изобретения является повышение эффективности смешивания ингредиентов.

Поставленная задача в первом варианте решается тем, что рабочий орган смесителя содержит вал, состоящий из двух частей, соединенных втулкой с закрепленной на нем лопастью, представляющей собой замкнутую одностороннюю поверхность типа листа Мебиуса. Лопасть в пространстве представляет собой фигуру в виде восьмерки, закрученной своими концами относительно своего центра на угол γ 45-50^о и расположенную перпендикулярно оси вала. Развертка лопасти на плоскость, параллельную оси вала, представляет собой двухлепестковый элемент, где каждый лепесток выполнен в виде кольца. Кольца располагаются на одной горизонтальной оси и соединены своими краями в одном центре, а противоположные края элементов образуют 4 торца. Попарно противоположные торцы элемента соединены друг с другом по разные стороны от оси вала и под углом γ 45-50^о к ней. Кроме того, рабочий орган может быть снабжен вторым параллельно расположенным валом с лопастью, зеркально отображенной лопасти на первом валу.

Во втором варианте задача решается тем, что лопасть расположена вдоль оси вала и закреплена на валу в одном месте своим центром перпендикулярно оси вала, а в двух других местах с противоположных сторон от центра параллельно оси вала.

Развертка лопасти на плоскость, перпендикулярную оси вала, представляет собой двухлепестковый элемент, где каждый лепесток выполнен в виде кольца, которые расположены на одной оси. Кроме того, рабочий орган может быть снабжен вторым, параллельно расположенным валом с лопастью, зеркально отображенной лопасти на первом валу.

На фиг. 1 приведена конструктивная схема рабочего органа смесителя; на фиг. 2 вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг. 3 развертка лопасти на плоскость, параллельную оси вала; на фиг. 4 сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 5 сечение В-В на фиг. 2; на фиг. 6 сечение Г-Г на фиг. 2. на фиг. 7 конструктивная схема рабочего органа смесителя с двумя валами; на фиг. 8 вид по стелке Д на фиг. 7; на фиг. 9 конструктивная схема рабочего органа по второму варианту; на фиг. 10 вид Е на фиг. 9; на фиг. 11 развертка лопасти на плоскость, перпендикулярную оси вала; на фиг. 12 сечение Ж-Ж на фиг. 9; на фиг. 13 дано сечение И-И на фиг. 9; на фиг. 14 дано сечение К-К на фиг. 9; на фиг. 15 конструктивная схема рабочего органа смесителя по второму варианту, снабженного вторым валом; на фиг. 16 дан вид по стрелке Л на фиг. 15; на фиг. 17 схема работы рабочего органа смесителя по первому варианту; на фиг. 18 сечение М-М на фиг. 17; на фиг. 19 схема работы рабочего органа смесителя по первому варианту с двумя валами; на фиг. 20 схема работы рабочего органа смесителя по второму варианту; на фиг. 21 сечение Н-Н фиг. 20; на фиг. 22 схема работы рабочего органа смесителя по второму варианту с двумя валами.

Рабочий орган смесителя по первому варианту (фиг. 1 и 2) состоит из вертикального вала 1, на котором закреплена криволинейная лопасть 2, представляющая собой две замкнутые односторонние ленточные поверхности типа ленты Мебиуса, объединенные на общем центре Ц и плавно переходящие одна в другую. Лопасть в пространстве представляет собой фигуру в виде восьмерки с продольной осью О₁ и закрученной своими концами относительно своего центра Ц на угол Φ 45-50^о и расположенной перпендикулярно оси вала (фиг. 2). Лопасть 2 закреплена на валу с помощью втулки 3.

Развертка лопасти 2 на плоскость, параллельную оси вала (фиг. 3), представляет собой двухлепестковый элемент 4 с центром Ц' и осями С и Р, расположенными под углом β 90^о. Каждый лепесток элемента выполнен в виде кольца. Кольца расположены на одной вертикальной оси С и соединены своими краями в одном центре Ц', а противоположные края элемента разрезаны и образуют 4 торца Т₁ Т₂, Т₃, Т₄.

Элемент 4 закреплен на валу своей центральной плоскостью ПЦ (фиг. 4, 5, 6) параллельно оси вала О. Вал состоит из двух частей: верхней 1_a и нижней 1_б, которые соединены втулкой 3.

Попарно противоположные торцы Т₁, Т₄ и Т₂, Т₃ элемента 4 повернуты на угол γ 45^о относительно оси О вала и соединены друг с другом в противоположных сторонах от оси О вала 5 так, что точка "в" соединена с точной б₁, а точка г соединена с точкой а₁, а точка а соединена с точкой г₁ и точка б соединена с точкой б₁.

Рабочий орган смесителя может состоять из двух параллельно расположенных валов 1 и 5 с закрепленными на них лопастями 2 и 6 соответственно (фиг. 7). Лопасть 6 аналогична лопасти 2, но выполнена зеркально отображенной ей. Валы установлены на расстоянии L (1,1-1,2) У, друг от друга, где У наибольший размер лопасти в плоскости, перпендикулярной оси вала. На виде сверху (фиг. 8) рабочий орган представляет собой две фигуры в форме восьмерок с продольными осями Ф и Х. Лопасти 2 и 6 на валах 1 и 5 установлены так, что оси Ф и Х перпендикулярны друг другу.

Лопасти расположены на валах напротив друг друга, но могут иметь смещение вдоль осей О или О'.

Рабочий орган смесителя (фиг. 9) состоит из вертикального вала 7, на котором закреплена криволинейная лопасть 8, представляющая собой две замкнутые односторонние ленточные поверхности типа ленты Мебиуса, объединенные на общем центре Ц'' и плавно переходящие одна в другую. Лопасть в пространстве представляет фигуру в виде восьмерки, закрученной краями Ш и Ш' вокруг своего центра Ц'' по оси О'' на угол Φ 45^о. На виде сверху (фиг. 10) лопасть 8 представляет собой крестообразную фигуру с осями Щ и Щ'. Оси перпендикулярны друг другу.

Развертка лопасти 8 на плоскость, перпендикулярную оси вала (фиг. 11), представляет собой двухлепестковый элемент 9 с центром Ц'' и осями А'' и B'', расположенными под углом β'' 90^о. Каждый лепесток элемента выполнен в виде кольца, кольца расположены на одной оси А''. Кольца соединены одними краями в центре Ц'', а противоположные края элемента разрезаны и образуют четыре торца Т₁', T₂', T₃', T₄'. Элемент 9 насажен на вал 7 своим центром Ц'' и закреплен на нем. Плосмкость центра ЦЦ'' в этом месте перпендикулярна оси О'' вала (фиг. 12). Торцы Т₂' и Т₃' элемента 9 повернуты на угол Φ 45^о относительно оси О'' и закреплены друг с другом на валу так, что точка е совмещена с точкой Ц₁ и точка ж совмещена с точкой 3₁ (фиг. 11). Торцы Т₂' и Т₃' соединены между собой и закреплены на валу сверху от центра Ц'' (фиг. 9). В этом месте соединенные плоскости ПТ торцев Т₂' и Т₃' параллельны оси О'' вала 7 (фиг. 13). Торцы Т₁' и Т₄' элемента 9 повернуты на угол Φ 45^о по другую сторону от торцев Т₂' и Т₃' и соединены между собой на валу так, что точка 3 совмещена с точкой Ж₁, а точка И совмещена с точкой е₁. Торцы закреплены на валу 7 в месте Р снизу от центра Ц'' (фиг. 11). В этом месте соединенные плоскости ПТ торцев Т₁' и T₄' также параллельны оси О'' вала 7 (фиг. 14).

Рабочий орган смесителя может состоять из двух параллельно расположенных валов 7 и 10 с закрепленными на них лопастями 8 и 11 соответственно (фиг. 15). Лопасти 11 аналогична лопасть 8, но выполнена зеркально отраженной ей. Валы установлены на расстоянии L (1,1-1,2) Д друг от друга, где Д наибольший размер лопасти в плоскости, перпендикулярной оси вала.

На виде сверху (фиг. 16) рабочий орган в этом случае представляет собой две крестообразные фигуры с осями М, Н и Н'. Лопасти установлены на валах 7 и 10 так, что оси М и Н, М и Н' перпендикулярны друг другу. Лопасти расположены на валах напротив друг друга, но могут быть смещены вдоль осей валов 7 и 10.

Принцип работы рабочего органа смесителя заключается в следующем.

Рабочий орган по первому варианту помещается в емкость 12, где находятся ингредиенты 13 для смешивания (фиг. 17).

Вал 1 с лопастью 2 вращается с угловой скоростью ω в направлении Н.В. При вращении лопасти благодаря ее закрутке и расположению сечений лопасти под разными углами возникают разнонаправленные потоки 14 и 15 как осевого, так и радиального направления. Плоскости 16 и 17 лопасти, находящиеся по разные стороны от оси вала 1 и расположенные под углами Φ к оси, направляют потоки 14 и 15 ингредиентов вниз и вверх емкости, которые распространяются по емкости в форме расширяющихся конусов 18 и 19. Эти потоки, поскольку они направляются лопастями навстречу друг другу, сталкиваются друг с другом, образуя систему более мелких вихрей 20 и 21. Так как лопать 2 имеет криволинейную поверхность с закруткой, то вихри сходят с нее и продолжают закручиваться в емкости, образуя более стойкие и мелкодисперсные структуры в виде пространственных шнуров 22 и колец 23.

При вращении лопасти кольцевой формы в первоначально неподвижной среде можно рассматривать обратную картину течения подвижной среде 24 в неподвижном кольцевом канале, ограниченном сечениями лопастей 25 и 25' (фиг. 18). Жидкость, протекая в таком канале, беспрерывно сталкивается с кромками лопастей, обтекает их, на выходе отрывается от поверхности лопасти и образует структуру мелких cбегающих вихрей 26 и 27.

Нестационарное вихревое движение потока в области выхода из лопасти ведет к интенсивному его перемешиванию и ускорение частиц жидких ингредиентов, вновь поступающих в область лопасти, в значительной мере осуществляется за счет обмена количества движения с частицами, уже побывавшими в области лопасти. Вышедший из лопасти поток 27' и попавший обратно в область всасывания обладает значительной окружной скоростью и, смешиваясь с основным потоком, вновь поступающим в лопасть, закручивает его.

Такая вихревая система способствует более эффективному смешиванию ингредиентов. Особенно рекомендуется применять рабочий орган такого типа для получения мелкодисперсных структур при смешивании жидких сред (приготовление коктейлей, эмульсий и т.д.).

При использовании рабочего органа с двумя валами смешивание ингредиентов происходит следующим образом.

Вал 1 с лопастью 2 и вал 5 с лопастью 6 вращаются с угловой скоростью ω и (-ω) навстречу друг другу (фиг. 19). Жидкие ингредиенты перемешиваются поверхностями 28, 28' и 29, 29' лопастей 2 и 6, образуя восходящие 30 и нисходящие 31 потоки среды. Эти потоки закручиваются при сходе с поверхностей лопастей и перемещаются с большими скоростями по всей емкости, создавая условия для эффективного смешивания ингредиентов. Образуются два основных течения среды. Один поток 31 циркулирует сверху вниз емкости и в обратном направлении, перемещая частицы ингредиентов закрученными вихревыми потоками и смешивает их. Второй поток 32 и 33 циркулирует внутри кольцевых каналов, образуемых лопастями, беспpерывно сталкивается с кромками лопастей и способствует разбиванию потока, т.е. образованию мелкодисперсной структуры среды.

Таким образом, рабочий орган такого типа повышает эффективность смешивания и образует мелкодисперсную структуру готовой смеси. Процесс смешивания происходит на самих лопастях и далее распространяется по всему объему емкости закрученными вихрями и не зависит от формы стенок емкости.

Принцип работы рабочего органа смесителя по второму варианту заключается в следующем.

Рабочий орган помещается в емкость 12, где находятся смешиваемые ингредиенты 13 (фиг. 20).

Вал 7 с лопастью 8 вращается с угловой скоростью ω в направлении Н.В. При вращении лопасти 8 на ее частях возникают зоны разряжения 34 (заборные зоны) и зоны сжатия 35 (сливные зоны). Ингредиенты перемещаются от центральной части емкости вверх и вниз емкости двумя основными потоками 36 и 37.

Поток 36, проходя сливную зону 35 в верхней части емкости, расширяется, взаимодействует со стенками емкости и возвращается в заборную зону 34. Поток 37, направленный вниз, также расширяется и после взаимодействия со стенками емкости также возвращается в заборную зону 34 и кругооборот ингредиентов снова повторяется. Потоки ингредиентов непрерывно сталкиваются друг с другом, образуют новые вихревые структуры в виде тороидальных колец 38 и мелких вихрей 39 и распространяются по всему объему емкости. Дополнительные потоки образуются благодаря кольцевой форме лопасти. Ингредиенты, протекая в кольцевом канале, образованном сечениями 40 и 40', сталкиваются с кромками лопастей, обтекают их и на выходе происходит отрыв от поверхности лопасти и образование серии мелких сбегающих вихрей 41 и 41' (фиг. 21). Такое вихревое движение потока в области выхода из лопасти ведет к интенсивному перемешиванию и ускорению частиц жидких ингредиентов, вновь поступающих в область лопасти. Благодаря закрутке поверхности лопасти сходящие с нее потоки также имеют сложные закрученные траектории, которые способствуют более интенсивному перемешиванию ингредиентов и образованию мелкодисперсной структуры смеси.

При использовании рабочего органа с двумя валами смешивание ингредиентов происходит следующим образом.

Вал 7 с лопастью 8 и вал 10 с лопастью 11 вращаются с угловой скоростью ω и (-ω) навстречу друг другу (фиг. 22). Жидкие ингредиенты 13 перемещаются поверхностями лопастей, образуя восходящие 42 и 42' и нисходящие 43 и 43' потоки. Эти потоки в форме расширяющихся конусов 44, 44' и 45, 45' закручиваются при сходе с криволинейных поверхностей лопастей и перемещающихся с большими скоростями по всей емкости. Наличие двух вращающихся лопастей создает условия для взаимодействия и сталкивания двух закрученных потоков ингредиентов 44 и 44', 45 и 45'. В результате этого столкновения возникают многочисленные структуры более мелких вихрей 46 и шнуров 47, взаимодействующих друг с другом и способствующих разбиванию потоков и образованию мелкодисперсной структуры смешиваемой среды.

При работе смесителя с двумя синхронно вращающимися лопастями эффективность и качество смешивания значительно повышается, скорость смешивания увеличивается, а затраты энергии уменьшаются, так как гидродинамическое сопротивление рабочих органов в форме листа Мебиуса с закрученными лопастями очень мало в сравнении с традиционными рабочими органами. Кроме того, при наличии двух вращающихся лопастей подобной формы не требуется оребрение стенок емкости, так как смешивание происходит на самих лопастях, которые направляют потоки навстречу друг другу. Такими рабочими органами можно решать разнообразные задачи смешивания жидких, газообразных и сыпучих ингредиентов.

Claims (4)

1. Рабочий орган смесителя, содержащий вал с закрепленной на нем лопастью, представляющей собой замкнутую одностороннюю поверхность типа листа Мебиуса, отличающийся тем, что лопасть в пространстве представляет собой фигуру в виде восьмерки, закрученной своими концами относительно своего центра на угол 45 - 50^o, расположенную перпендикулярно оси вала, лопасть закреплена на валу своим центром параллельно оси вала с помощью втулки, развертка лопасти на плоскость, параллельную оси вала, представляет собой двухлепестковый элемент, причем каждый лепесток выполнен в виде кольца, кольца расположены на одной оси и соединены своими краями в одном центре, а противоположные края элемента образуют четыре торца, попарно противоположные торцы элемента соединены друг с другом по разные стороны от оси вала под углом 45 - 50^o к ней, вал состоит из двух частей, между которыми расположена лопасть.

2. Рабочий орган по п.1, отличающийся тем, что он снабжен вторым параллельно расположенным валом с лопастью, зеркальной лопасти на первом валу.

3. Рабочий орган смесителя, содержащий вал с закрепленной на нем лопастью, представляющей собой замкнутую поверхность типа листа Мебиуса, отличающийся тем, что лопасть в пространстве представляет фигуру в виде восьмерки, расположенной вдоль оси вала и закрученной своими концами вокруг своей оси на угол 45 - 50^o, лопасть закреплена на валу в одном месте своим центром перпендикулярно оси вала, в двух других местах - с противоположных сторон от центра параллельно оси вала, развертка лопасти на плоскость, перпендикулярно оси вала, представляет собой двухлепестковый элемент, причем каждый лепесток выполнен в виде кольца, кольца расположены на одной оси и соединены своими краями в одном центре, а противоположные края элемента образуют четыре торца, попарно противоположные торцы соединены на валу друг с другом по разные стороны от центра элемента параллельно оси вала.

4. Рабочий орган по п.3, отличающийся тем, что он снабжен вторым параллельно расположенным валом с лопастью, зеркальной лопасти на первом валу.

Images