RU2589485C2 - Способ бестранспортного перемешивания жидкостей - Google Patents
Способ бестранспортного перемешивания жидкостей Download PDFInfo
- Publication number
- RU2589485C2 RU2589485C2 RU2014115221/05A RU2014115221A RU2589485C2 RU 2589485 C2 RU2589485 C2 RU 2589485C2 RU 2014115221/05 A RU2014115221/05 A RU 2014115221/05A RU 2014115221 A RU2014115221 A RU 2014115221A RU 2589485 C2 RU2589485 C2 RU 2589485C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mixing
- rotation
- vessels
- liquids
- turbulence
- Prior art date
Links
Landscapes
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
- Basic Packing Technique (AREA)
Abstract
Изобретение относится к перемешиванию жидкостей, паст, расплавов жидких металлов и может использоваться в технологиях химической промышленности, в экспериментальных установках, предназначенных для выявления возможности генерации магнитного поля с использованием в качестве рабочего тела жидкого натрия, а также при приготовлении питательных сред для выращивания микроорганизмов в биотехнологических производствах фармацевтической и пищевой промышленности. Способ бестранспортного перемешивания жидкостей заключается в полном заполнении ими емкости, образованной зазором постоянного размера между стенками коаксиальных сосудов одинаковой формы, цилиндрической или сферической, перемешивании при встречном вращении сосудов внешним приводом, с меняющейся во времени скоростью, соответствующей появлению турбулентности, и последующем удалении готовой смеси, угловые скорости вращения внутреннего и внешнего сосудов модулируют во времени по синусоидальной зависимости, их осредненные значения остаются нулевыми, а мгновенные значения определяются соотношением: Ω1+Ω2=0, где Ω1, Ω2 - угловые скорости вращения внутреннего и внешнего сосудов. Изобретение обеспечивает увеличение равномерности перемешивания по объему и устранения непрерывной транспортировки жидкостей. 1 табл.
Description
Изобретение относится к перемешиванию жидкостей, паст, расплавов жидких металлов и может использоваться в технологиях химической промышленности, в экспериментальных установках, предназначенных для выявления возможности генерации магнитного поля с использованием в качестве рабочего тела жидкого натрия, а также при приготовлении питательных сред для выращивания микроорганизмов в биотехнологических производствах фармацевтической и пищевой промышленности.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ перемешивания высоковязких жидкостей [1]. Согласно этому способу жидкости подают в емкость, образованную зазором постоянного размера между стенками коаксиальных сосудов одинаковой формы, цилиндрической или сферической, перемешивают при встречном вращении сосудов с меняющейся во времени скоростью, соответствующей появлению турбулентности; жидкости подают в емкость до полного ее заполнения, их перемешивают и затем удаляют готовую смесь, причем соотношение радиусов внутреннего и внешнего сосудов составляет 0.44-0.67, а частоту вращения внешнего сосуда fout модулируют во времени по синусоидальной зависимости с частотой не более 3% от fout с сохранением постоянных ненулевых значений своих осредненных величин.
Недостатками такого способа являются:
- недостаточная равномерность перемешивания по объему, что вызвано низкой интенсивностью циркуляции в меридиональной плоскости, содержащей ось вращения;
- непрерывная транспортировка перемешиваемых жидкостей, что может оказаться неприемлемым в случае перемешивания жидких питательных сред с микроорганизмами в биотехнологических процессах.
Изобретение направлено на увеличение равномерности перемешивания по объему и устранения непрерывной транспортировки жидкостей. Указанный результат достигается тем, что жидкостями заполняют емкость, образованную зазором постоянного размера между стенками коаксиальных сосудов одинаковой формы, цилиндрической или сферической, жидкости перемешивают при встречном вращении сосудов внешним приводом с меняющейся во времени скоростью, соответствующей появлению турбулентности, готовую смесь затем удаляют, угловые скорости вращения внутреннего и внешнего сосудов модулируют во времени по гармоническому закону (синусоидальной зависимости), осредненные значения угловых скоростей вращения сосудов сохраняются нулевыми, а их мгновенные значения изменяются по соотношению: Ω1+Ω2=0,
где Ω1, Ω2 - угловые скорости внутреннего и внешнего сосудов соответственно.
Отличительными признаками заявляемого изобретения являются:
- модуляция угловых скоростей вращения внутреннего и внешнего сосудов при их средних нулевых значениях по гармоническому закону (синусоидальной зависимости);
- определенное соотношение между величинами угловых скоростей сосудов;
- определение величин угловых скоростей соотношением Ω1+Ω2=0.
Все указанные выше отличительные признаки заявляемого изобретения являются необходимыми для его реализации и способствуют использованию кинетической энергии турбулентного течения для наиболее равномерного перемешивания жидкостей.
Модуляция угловых скоростей вращения внутреннего и внешнего сосудов по гармоническому закону (синусоидальной зависимости) при их средних нулевых значениях обеспечивает переход к турбулентности, необходимой для интенсивного перемешивания жидкостей, без их непрерывной транспортировки. Средние нулевые значения угловой скорости вращения приводят к увеличению относительного влияния циркуляции в меридиональной плоскости, проходящей через ось вращения. При этом увеличивается кинетическая энергия течения в меридиональной плоскости по сравнению с кинетической энергией азимутального движения (вокруг оси вращения). Этим обеспечивается выравнивание равномерности перемешивания по объему.
Как сама возможность перехода к турбулентности, так и вид турбулентности вблизи порога формирования определяются соотношением между величинами угловых скоростей сосудов.
Соотношение угловых скоростей вращения сосудов в виде Ω1+Ω2=0 позволяет обеспечить переход к турбулентному режиму течения при средних нулевых величинах угловых скоростей. Такое соотношение угловых скоростей обеспечивает встречное движение сосудов в каждый момент времени, и для достижения турбулентности требуются наименьшие амплитуды и частоты модуляции.
Сущность заявляемого изобретения поясняется нижеследующим описанием.
Заявляемый способ предназначен для перемешивания жидкостей с величиной вязкости от 0.8 до 200·10-6 м2/с. Интенсивность перемешивания жидкостей зависит от величины коэффициента диффузии. Этот коэффициент определяется, в том числе, видом течения и повышается при переходе к турбулентности [2]. При встречном колебательном вращении сосудов силы трения на поверхности стенок обеспечивают как встречное в азимутальном направлении движение жидкостей, так и повышение интенсивности циркуляции в плоскости, содержащей ось вращения. С увеличением частоты или/и амплитуды модуляции скорости вращения сосудов течение жидкостей в зазоре между сосудами становится турбулентным. Таким образом, перемешивание жидкостей обеспечивается кинетической энергией турбулентных течений, формируемых встречным колебательным вращением сосудов под действием привода.
Отличительные признаки заявляемого изобретения основаны на следующих эффектах.
Первый эффект - в отсутствие среднего течения встречное колебательное вращение сосудов относительно состояния покоя при соотношении угловых скоростей вращения в виде Ω1+Ω2=0 обеспечивает переход к турбулентности. Отсутствие среднего течения вокруг оси вращения позволяет уменьшить механическое воздействие на клетки микроорганизмов, что позволяет использовать предлагаемый способ при перемешивании жидких питательных сред с микроорганизмами в биотехнологических процессах.
Второй эффект - встречное колебательное вращение сосудов обеспечивает существенное повышение относительной интенсивности циркуляции в меридиональной плоскости и, следовательно, увеличение интенсивности перемешивания вдоль оси вращения, что приводит к увеличению равномерности перемешивания по объему. Повышение интенсивности меридиональной циркуляции по сравнению с вращением вокруг оси создает более благоприятное для генерации магнитного поля распределение скорости турбулентного течения, что позволяет использовать предлагаемый способ в установках по изучению возможности генерации магнитного поля при вращении проводящей жидкости (жидкого натрия).
Пример осуществления технического решения
Раствор двух прозрачных жидкостей со средней по объему вязкостью 50·10-6 м2/с заполнял зазор толщиной 0.075 м, образованный двумя прозрачными сферическими поверхностями, радиус внутренней сферы ri=0.075 м. Проводилась визуализация течений в зазоре между двумя прозрачными сферическими поверхностями за счет наружного освещения течения в зазоре. Переходы к турбулентности определялись по виду течения. Для выявления меридиональной и азимутальной составляющих кинетической энергии турбулентных течений проведен численный эксперимент при указанной выше геометрии сосудов и двух случаев встречного вращения вблизи порога формирования турбулентности. В первом (прототип) рассматривалась модуляция скорости вращения внешнего сосуда при постоянных ненулевых средних скоростях сосудов, средняя величина угловой скорости вращения внутреннего сосуда - Ωi=3.68 с-1, внешнего - Ω0=2.00 с-1.
Во втором случае - модуляция скорости вращения двух сосудов в противофазе с частотой 0.5 Гц при нулевой средней скорости (появление турбулентности при А=7.5 с-1). Установлено, что в первом случае превышение азимутальной составляющей кинетической энергии Еφ над меридиональной составляющей Еψ более чем в 5 раз выше, чем во втором. Некоторые результаты приведены в таблице 1, в которой представлены соотношения между Еφ и Еψ.
Указанные выше результаты подтверждают достоверность отличительных признаков, на которых основано заявляемое изобретение. Использование предлагаемого изобретения позволяет проводить процессы равномерного по объему перемешивания жидкостей при отсутствии их транспортировки.
Источники информации
1. Жиленко Д.Ю., Кривоносова О.Э., Забелинский И.Е. Способ перемешивания высоковязких жидкостей // Патент РФ на изобретение №2488433, 27.07.2013, Бюл. №21. (прототип).
2. Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. T.1. М.: Наука, 1965.
Claims (1)
- Способ бестранспортного перемешивания жидкостей, заключающийся в полном заполнении ими емкости, образованной зазором постоянного размера между стенками коаксиальных сосудов одинаковой формы, цилиндрической или сферической, перемешивании при встречном вращении сосудов внешним приводом с меняющейся во времени скоростью, соответствующей появлению турбулентности, и последующем удалении готовой смеси, отличающийся тем, что угловые скорости вращения внутреннего и внешнего сосудов модулируют во времени по синусоидальной зависимости, их осредненные значения остаются нулевыми, а мгновенные значения определяются соотношением:
Ω1+Ω2=0,
где Ω1, Ω2 - угловые скорости вращения внутреннего и внешнего сосудов.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014115221/05A RU2589485C2 (ru) | 2014-04-16 | 2014-04-16 | Способ бестранспортного перемешивания жидкостей |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014115221/05A RU2589485C2 (ru) | 2014-04-16 | 2014-04-16 | Способ бестранспортного перемешивания жидкостей |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2014115221A RU2014115221A (ru) | 2015-10-27 |
RU2589485C2 true RU2589485C2 (ru) | 2016-07-10 |
Family
ID=54362550
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014115221/05A RU2589485C2 (ru) | 2014-04-16 | 2014-04-16 | Способ бестранспортного перемешивания жидкостей |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2589485C2 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2676834C1 (ru) * | 2017-09-12 | 2019-01-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Способ устранения турбулентности в течениях с вращением |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1996033008A1 (en) * | 1995-04-21 | 1996-10-24 | William Ferguson Watson | Mixing |
RU2216393C2 (ru) * | 1997-08-19 | 2003-11-20 | Коммонвелт Сайентифик Энд Индастриал Рисерч Организейшн | Способ и устройство для смешивания |
RU2009112552A (ru) * | 2009-04-06 | 2010-10-20 | Государственное учебно-научное учреждение Научно-исследовательский институт механики Московского государственного университета им. | Способ перемешивания высоковязких жидкостей |
US20110200767A1 (en) * | 2009-02-27 | 2011-08-18 | Toyokazu Uchida | Mixing apparatus and sealant |
RU2488433C2 (ru) * | 2011-03-25 | 2013-07-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ) | Способ перемешивания высоковязких жидкостей |
-
2014
- 2014-04-16 RU RU2014115221/05A patent/RU2589485C2/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1996033008A1 (en) * | 1995-04-21 | 1996-10-24 | William Ferguson Watson | Mixing |
RU2216393C2 (ru) * | 1997-08-19 | 2003-11-20 | Коммонвелт Сайентифик Энд Индастриал Рисерч Организейшн | Способ и устройство для смешивания |
US20110200767A1 (en) * | 2009-02-27 | 2011-08-18 | Toyokazu Uchida | Mixing apparatus and sealant |
RU2009112552A (ru) * | 2009-04-06 | 2010-10-20 | Государственное учебно-научное учреждение Научно-исследовательский институт механики Московского государственного университета им. | Способ перемешивания высоковязких жидкостей |
RU2488433C2 (ru) * | 2011-03-25 | 2013-07-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ) | Способ перемешивания высоковязких жидкостей |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2676834C1 (ru) * | 2017-09-12 | 2019-01-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Способ устранения турбулентности в течениях с вращением |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2014115221A (ru) | 2015-10-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Scargiali et al. | Power consumption in uncovered unbaffled stirred tanks: Influence of the viscosity and flow regime | |
Alvarez et al. | Laminar mixing in eccentric stirred tank systems | |
US4832500A (en) | Mixing apparatus and processes | |
Malkin et al. | Viscoplasticity and stratified flow of colloid suspensions | |
Woziwodzki et al. | Effect of eccentricity on laminar mixing in vessel stirred by double turbine impellers | |
CN204247123U (zh) | 一种开孔的搅拌桨叶 | |
Ameur | Agitation of yield stress fluids in different vessel shapes | |
Woziwodzki | Mixing of viscous Newtonian fluids in a vessel equipped with steady and unsteady rotating dual-turbine impellers | |
RU2589485C2 (ru) | Способ бестранспортного перемешивания жидкостей | |
Pieralisi et al. | Microcarriers’ suspension and flow dynamics in orbitally shaken bioreactors | |
RU2488433C2 (ru) | Способ перемешивания высоковязких жидкостей | |
Ramírez‐Gómez et al. | Performance Evaluation of Two High‐Shear Impellers in an Unbaffled Stirred Tank | |
RU2563496C2 (ru) | Способ механического перемешивания высоковязких жидкостей | |
US11311848B2 (en) | Bladeless mixer | |
Metaxas et al. | In situ polymer flocculation and growth in Taylor–Couette flows | |
Abdulbari et al. | Drag Reduction Performance and Stability of an Organic Polymer, Surfactant, and Their Complexes | |
CA2965801C (en) | Low wear radial flow impeller device and system | |
Bong | Solid-liquid mass transfer in agitated vessels with high solids concentration | |
Yek et al. | Enhanced mixing of Newtonian fluids in a stirred vessel using impeller speed modulation | |
Nishi et al. | Mixing in Eccentrically Located Hi-F Mixer | |
Yek et al. | Intensification of flow characteristics in a laminar flow stirred tank using modified impeller designs | |
Nishi et al. | Power Consumption and Mixing Performance of an Eccentrically Located Maxblend Impeller | |
Fan et al. | Simulation of orientation of fibre particles in a stirred tank and its influential factors | |
Myers et al. | Impeller diameter and submergence effects in solids drawdown with up‐pumping impellers | |
RU2012107241A (ru) | Реактор для форполимеризации монодисперсных частиц |