Механічні перемішуючі пристрої

Основними показниками для характеристики процесу перемішування є надійність і ефективність роботи перемішуючого пристрою та витрата енергії на перемішування.

Найбільш поширеними є механічні мішалки. За конструкцією механічні мішалки поділяються на лопатеві, рамні і якірні (це тихохідні мішалки, що використовуються для високов’язких рідин або суспензій), пропелерні і турбінні (швидкохідні для перемішування малов’язких емульсій і суспензій), спеціальні мішалки.

Вказані мішалки закріплюються на валу і обертаються від електродвигуна через редуктор. В зоні введення валу в корпус апарата встановлюють ущільнення. Найбільш поширені сальникові і торцеві. Вал може бути розміщений горизонтально, вертикально та під кутом.

Корпус апарату переважно має циліндричну форму і еліптичне або конічне днище. Корпус може мати зовнішню суцільну оболонку і змійовик (внутрішній), через які циркулюють теплоносії з метою підведення або відведення тепла в об’ємі середовища. В корпусі можуть додатково бути встановлені інші внутрішні пристрої – відбивні перегородки, барботери, труби передавлювання, гільзи термометрів та інші.

В апаратах при перемішуванні створюються різні типи потоків залежно від конструкції мішалки: тангенціальний, радіальний та осьовий.

Тангенціальне переміщення рідин здійснюється переважно по концентричних колах, паралельних до площини руху мішалки. Перемішування здійснюється за рахунок турбулізації потоку, що виникає на краях мішалки. Якість перемішування буде найгіршою, коли швидкість обертання рідини рівна швидкості обертання мішалки.

Радіальний рух характеризується направленим переміщенням рідини від мішалки до стінок апарату перпендикулярно до осі обертання мішалки.

Осьове переміщення рідини направлене паралельно до осі обертання мішалки.

На рисунку схематично показані найбільш поширені мішалки:

Рис.1. Лопатева мішалка Рис. 2. а –якірна мішалка; б – рамна мішалка

Рис.3 Листова мішалка Рис. 4. Пропелерна мішалка

Рис.5.Турбінні мішалки: а – відкрита з прямими

лопатнями; б – відкрита з криволінійними

лопатнями; в – відкрита з похилими лопатнями; г –закрита з направляючим апаратом.

Витрати потужності на перемішування

Теоретична потужність, що споживається при перемішуванні, визначається за рівнянням

(2)
де ρ_с – густина середовища (кг/м³); n – частота обертання мішалки (1/с)

d – діаметр мішалки; K_N – коефіцієнт потужності, що залежить від типу мішалки і гідродинамічного режиму. K_N – коефіцієнт (інша назва критерій потужності) фактично є модифікованим критерієм Ейлера Eu_M. Для розрахунку K_N можна використати критеріальне рівняння

(3)

де с і m – коефіцієнти, що залежать від типу мішалки і режиму перемішування. Їх дані зведені в таблицю і приводяться в довідниках.

Re_M – модифікований критерій Рейнольда, який визначається за формулою

(4)

В залежності від величини Re_M для кожного типу мішалки існують ламінарний і турбулентний режими:

• ламінарний Re_м<30 – перемішуються тільки ті шари рідини, які знаходяться безпосередньо біля лопатей мішалки;

• турбулентний Re_м>30.

При Re_м>100 виникає турбулентний режим перемішування, який характеризується меншою залежністю К_N від Re_м.

При Re_м>10⁵ К_N практично не залежить від Re_м. Збільшення обертів вже не впливає на ефективність перемішування (автомодельна область). Витрата енергії визначаються тільки інерційними силами

Критерій потужності K_N можна визначити і графічно, використовуючи існуючі залежності K_N=f(Re_M) для кожного типу мішалки (рис.6)

Г рафік залежності К_N від Re_м для основних типів нормалізованих перемішуючих пристроїв, побудований на основі багато чисельних експериментальних даних, показаний на рис. 6.

Рис. 6. Залежність критерію потужності К_N

в ід критерію Рейнольда Re_м для мішалок нормалізованих типів

Рис .7. Типи мішалок (номер позиції відповідає

номеру кривої на рис.6.)

Дійсна потужність N визначається рівнянням N=

де η – ККД, що враховує втрати потужності на тертя в сальниковому ущільненні .

За наявності шорсткості стінок апаратів, а також за наявності в них внутрішніх пристроїв (гільзи термометрів, змійовики тощо) споживана на перемішування енергія істотно зростає навіть за відсутності відбиваючих перегородок. Наявність змійовика збільшує споживану потужність у 2-3 рази.

Електродвигун для привода мішалки підбирають за величиною потужності на валу мішалки, що дорівнює теоретичній потужності, яка надається рідині, розділеній на ККД передачі. Пускова потужність звичайно перевищує робочу не більше ніж у 2 рази і споживається на протязі досить нетривалого часу, тому для мішалок рекомендується встановлювати електродвигуни із фазовими кільцями.