RU2825403C1

RU2825403C1 - Mixing device

Info

Publication number: RU2825403C1
Application number: RU2024114399A
Authority: RU
Inventors: Анастасия Николаевна Григорьева
Original assignee: Анастасия Николаевна Григорьева
Filing date: 2024-05-27
Publication date: 2024-08-26

Abstract

FIELD: various technological processes.

SUBSTANCE: invention relates to mixing devices, including those in heterogeneous systems for suspension and homogenisation. Body of the device is a hyperboloid of revolution with an external curvilinear surface on which working elements are made in the form of long blades. Profile of the latter increases in height from inner – smaller diameter to outer – larger diameter of hyperboloid. On the inner surface of the body there are additional blades having a shape described by a hyperboloid of rotation with a twist angle of not more than 90°. Edge of each blade of outer surface near smaller diameter ends with elongated through hole located on corresponding additional blades of inner surface between their edges.

EFFECT: invention improves quality of mixing while simplifying the design of the mixing device.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для смешивания, в том числе и в гетерогенных системах для суспендирования, гомогенизации суспензии, и может быть использовано в больших объемах при особых требованиях по бережному перемешиванию, когда касательные напряжения в жидкости не должны превышать определенного порога, допустимого с точки зрения предотвращения разрушения частиц, например, в системах активного ила.The invention relates to devices for mixing, including in heterogeneous systems for suspending, homogenizing a suspension, and can be used in large volumes with special requirements for gentle mixing, when the shear stresses in the liquid should not exceed a certain threshold, acceptable from the point of view of preventing the destruction of particles, for example, in activated sludge systems.

В настоящее время используется перемешивающие устройства различных типов. Значительную долю из них составляют мешалки с вертикальным вращающимся валом, на котором закреплены рабочие органы - лопасти, лопатки, гребенки и т.д. Основной проблемой при перемешивании суспензий является оседание твердых частиц на стенках и днище. Одним из наиболее распространенных типов для перемешивания суспензий являются турбинные мешалки. Мешалки данного типа работают по принципу центробежного насоса. Вращательное движение лопаток передается жидкости, благодаря центробежным силам возникает сильное радиальное течение, которое, в свою очередь, отражаясь от стенок емкости, обеспечивает полную циркуляцию всего объема перемешиваемого компонента. Для предотвращения образования воронки в аппаратах устанавливают отражательные перегородки, которые, к тому же, дополнительно способствуют созданию меридиональной циркуляции в аппарате.Currently, mixing devices of various types are used. A significant proportion of them are mixers with a vertical rotating shaft on which the working elements are fixed - blades, paddles, combs, etc. The main problem when mixing suspensions is the settling of solid particles on the walls and bottom. One of the most common types for mixing suspensions are turbine mixers. Mixers of this type operate on the principle of a centrifugal pump. The rotational movement of the blades is transmitted to the liquid, due to centrifugal forces, a strong radial flow occurs, which, in turn, is reflected from the walls of the container, ensures complete circulation of the entire volume of the mixed component. To prevent the formation of a funnel, reflective partitions are installed in the devices, which, in addition, additionally contribute to the creation of meridional circulation in the device.

К недостаткам турбинных мешалок относятся: высокий уровень потребляемой мощности, особенно при наличии отражательных перегородок (критерий мощности достигает 8,4) [Брагинский Л.Н., Бегачев В.И., Барабаш В.М. Перемешивание в жидких средах. Л.: Химия, 1984. 336 с.], а также чрезмерно высокий уровень сдвиговых напряжений вблизи лопаток мешалки, что может приводить к нежелательному повреждению частиц, например, активного ила или клеток микроорганизмов. При снижении частоты вращения турбинной мешалки для уменьшения опасных воздействий на частицы снижается и качество перемешивания.The disadvantages of turbine mixers include: high power consumption, especially in the presence of baffles (the power criterion reaches 8.4) [Braginsky L.N., Begachev V.I., Barabash V.M. Mixing in liquid media. Leningrad: Chemistry, 1984. 336 p.], as well as an excessively high level of shear stress near the mixer blades, which can lead to undesirable damage to particles, such as activated sludge or microorganism cells. When the rotation frequency of the turbine mixer is reduced to reduce hazardous effects on particles, the quality of mixing is also reduced.

Известно также погружное гиперболоидное перемешивающее устройство, описанное в патенте Китая на изобретение №103962050, содержащее стабилизирующее кольцо, воздуховод, гиперболоидную крыльчатку, поплавок, основание, гайку рабочего колеса, выходной вал, редуктор, погружной электродвигатель, трубу подачи воды. Силовой выходной вал погружного электродвигателя соединен с входным валом редуктора, а на выходном валу редуктора установлена гиперболоидная крыльчатка, зафиксированная гайкой рабочего колеса. Погружной электродвигатель и редуктор закреплены на буе. Основание соединено с погружным электродвигателем и с буем.A submersible hyperboloid mixing device is also known, described in Chinese Patent for Invention No. 103962050, containing a stabilizing ring, an air duct, a hyperboloid impeller, a float, a base, an impeller nut, an output shaft, a gearbox, a submersible electric motor, and a water supply pipe. The power output shaft of the submersible electric motor is connected to the input shaft of the gearbox, and a hyperboloid impeller is installed on the output shaft of the gearbox, fixed with a nut of the impeller. The submersible electric motor and gearbox are fixed on a buoy. The base is connected to the submersible electric motor and to the buoy.

Однако известное устройство имеет слишком короткие лопасти, не позволяющие добиться высокого качества перемешивания. Кроме того, техническое решение имеет определенную сложность при изготовлении, особенно при диаметрах больше 0,5 м, типичных для перемешивающих устройств, используемых в очистных сооружениях. Также при транспортировке и монтаже перемешивающих устройств таких больших размеров требуются дополнительные технологические и человеческие ресурсы в виду громоздкости неразборной конструкции.However, the known device has too short blades, which do not allow achieving high mixing quality. In addition, the technical solution has a certain complexity in manufacturing, especially with diameters greater than 0.5 m, typical for mixing devices used in treatment facilities. Also, when transporting and installing mixing devices of such large sizes, additional technological and human resources are required due to the bulkiness of the non-separable design.

Известно перемешивающее устройство для активного ила, описанное в патенте Германии на изобретение №102007037586. Устройство представляет собой прикрепленное к валу перемешивающее тело гиперболоидной формы, на верхней стороне которого предусмотрено несколько транспортных ребер, идущих к периферийному краю перемешивающего тела. При этом транспортные ребра проходят под углом, по меньшей мере, на отдельных участках относительно радиального направления. Наклон транспортных ребер выбирается таким образом, чтобы при движении перемешивающего тела в заданном направлении вращения радиально генерировался от периферийного края поток, направленный в сторону. Для повышения эффективности перемешивающего устройства к валу прикреплена, по меньшей мере, одна крыльчатка, которая при вращении перемешивающего органа осуществляет перемещение в верхнюю часть устройства с созданием направленного потока.A mixing device for activated sludge is known, described in German patent for invention No. 102007037586. The device is a mixing body of hyperboloid shape attached to a shaft, on the upper side of which several transport ribs are provided, extending to the peripheral edge of the mixing body. In this case, the transport ribs extend at an angle, at least in individual sections, relative to the radial direction. The inclination of the transport ribs is selected in such a way that when the mixing body moves in a given direction of rotation, a flow directed to the side is radially generated from the peripheral edge. To increase the efficiency of the mixing device, at least one impeller is attached to the shaft, which, when the mixing element rotates, moves to the upper part of the device, creating a directed flow.

К недостаткам устройства-аналога относятся первые два недостатка, присущие описанному выше устройству. Кроме того, появляется еще один недостаток - снижается механическая прочность устройства за счет использования достаточно ненадежного дополнительного механизма в виде крыльчатки, которая может разрушиться при больших скоростях вращения при попадании потока перемешиваемой среды.The disadvantages of the analogous device include the first two disadvantages inherent in the device described above. In addition, another disadvantage appears - the mechanical strength of the device is reduced due to the use of a fairly unreliable additional mechanism in the form of an impeller, which can be destroyed at high rotation speeds when a flow of the mixed medium hits it.

Наиболее близким аналогом является перемешивающее устройство гиперболоидного типа, описанное в патенте USD735291 на промышленный образец и в международной заявке WO2015086212 на изобретение. Устройство содержит тело в виде гиперболоида вращения, на верхней криволинейной части которого выполнены рабочие органы в виде длинных низкопрофильных лопастей, а на нижней части также выполнены лопасти, при этом в теле вблизи вала выполнено несколько продолговатых отверстий.The closest analogue is a hyperboloid-type mixing device described in patent USD735291 for an industrial design and in international application WO2015086212 for an invention. The device contains a body in the form of a hyperboloid of revolution, on the upper curvilinear part of which the working elements are made in the form of long low-profile blades, and on the lower part there are also blades, while in the body near the shaft there are several oblong holes.

Форма устройства предполагает изготовление преимущественно из металлических деталей с последующим скреплением сваркой, клепкой или резьбовым крепежом, поскольку именно детали из металла позволят обеспечить точность изготовления и сборки устройства такой конструкции. Изготовление из менее прочных материалов, например, пластиков, приведет к существенному увеличению толщины деталей и усложнению пресс-форм, кроме того, из-за снижения точности изготовления могут возникнуть проблемы сборки готового изделия. В то же время, изготовление из доступных по стоимости металлов (углеродистые стали, алюминий) сопряжено с необходимостью их защиты от коррозии. В случае изготовления из металла с последующей защитой, например, покрытием краской или футеровкой пластиком, возникают проблемы с адгезией краски при колебаниях температур (что особенно важно в странах с разными климатическими зонами, например, для России, где транспортировка оборудования происходит зимой при -30°С, а работает оборудование в воде при температуре +5°С). Кроме того, в наиболее близком аналоге не предусмотрена возможность варьирования проходного сечения отверстий, что не позволяет адаптировать скорость циркуляции через них в зависимости от требований технологического процесса. Произвольное увеличение их размера и/или числа может привести к разрушению устройства. Это обстоятельство ограничивает область применения известного устройства.The shape of the device implies its production mainly from metal parts with subsequent fastening by welding, riveting or threaded fasteners, since it is the metal parts that will ensure the accuracy of production and assembly of the device of such a design. Production from less durable materials, for example, plastics, will lead to a significant increase in the thickness of the parts and complication of the molds, in addition, due to the decrease in the accuracy of production, problems with the assembly of the finished product may arise. At the same time, production from affordable metals (carbon steels, aluminum) is associated with the need to protect them from corrosion. In the case of production from metal with subsequent protection, for example, painting or lining with plastic, problems with paint adhesion arise with temperature fluctuations (which is especially important in countries with different climatic zones, for example, for Russia, where the equipment is transported in winter at -30 ° C, and the equipment operates in water at a temperature of + 5 ° C). In addition, the closest analogue does not provide for the ability to vary the flow area of the holes, which does not allow adapting the circulation rate through them depending on the requirements of the technological process. Arbitrary increase of their size and/or number can lead to destruction of the device. This circumstance limits the scope of application of the known device.

Задачей предлагаемого изобретения является улучшение качества перемешивания при упрощении конструкции перемешивающего устройства и обеспечении более простой транспортировки, сборки и монтажа, что особенно актуально для крупногабаритных перемешивающих устройств диаметром 1-2 м и более.The objective of the proposed invention is to improve the quality of mixing while simplifying the design of the mixing device and ensuring simpler transportation, assembly and installation, which is especially important for large-sized mixing devices with a diameter of 1-2 m or more.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в перемешивающем устройстве тело представляет собой гиперболоид вращения с внешней криволинейной поверхностью, на которой выполнены рабочие органы в виде длинных лопастей, профиль которых увеличивается по высоте от внутреннего - меньшего к внешнему - большему диаметру гиперболоида, на внутренней поверхности тела выполнены дополнительные лопасти, имеющие форму, описываемую гиперболоидом вращения с углом закрутки не более 90°, при этом кромка каждой лопасти внешней поверхности вблизи меньшего диаметра оканчивается продолговатым сквозным отверстием, расположенным на соответствующих дополнительных лопастях внутренней поверхности между их кромок.The essence of the claimed invention is that in the mixing device the body is a hyperboloid of revolution with an external curved surface on which working elements are made in the form of long blades, the profile of which increases in height from the internal - smaller to the external - larger diameter of the hyperboloid, on the internal surface of the body additional blades are made, having a shape described by a hyperboloid of revolution with a twist angle of no more than 90°, wherein the edge of each blade of the external surface near the smaller diameter ends with an elongated through hole located on the corresponding additional blades of the internal surface between their edges.

Заявляется также перемешивающее устройство, которое наряду с вышеописанными признаками выполнено из композитного материала.A mixing device is also claimed, which, in addition to the above-described features, done made of composite material.

Техническим результатом предлагаемого изобретения заключается в следующем.The technical result of the proposed invention is as follows.

Повышение эффективности работы устройства заключается в увеличении доли частиц, переходящих во взвешенное (суспендированное) состояние, за счет более интенсивного перемешивания, а также за счет создания меридиональной циркуляции благодаря наличию отверстий на лопастях перемешивающего устройства и их конфигурации. За счет изготовления отверстий на лопастях, а не на самом теле устройства, не страдает прочность изделия в целом, а также увеличивается его насосная производительность. Увеличенная высота лопастей вблизи кромки внешнего диаметра гиперболоида вращения позволяет увеличить эффективность перемешивания за счет сообщения большего количества мощности перемешиваемой среде. При этом сохраняется бережное перемешивание за счет обтекаемой формы лопастей. Также на внутренней поверхности выполнены дополнительные лопасти, имеющие форму описываемую гиперболоидом вращения с оптимально подобранным - обязательно острым углом закрутки, благодаря которым исключается возможность возникновения застойной зоны под самим перемешивающим устройством.The increase in the efficiency of the device consists in increasing the share of particles that pass into a suspended state due to more intensive mixing, as well as due to the creation of meridional circulation due to the presence of holes in the blades of the mixing device and their configuration. Due to the production of holes on the blades, and not on the body of the device itself, the strength of the product as a whole does not suffer, and its pumping capacity increases. The increased height of the blades near the edge of the outer diameter of the hyperboloid of revolution allows increasing the efficiency of mixing due to the transfer of more power to the mixed medium. At the same time, gentle mixing is maintained due to the streamlined shape of the blades. Also on the inner surface there are additional blades having a shape described by a hyperboloid of revolution with an optimally selected - necessarily acute twist angle, due to which the possibility of a stagnant zone under the mixing device itself is excluded.

Перемешивающее устройство может быть изготовлено из композитного материала, что позволяет существенно снизить массу изделия, а также устраняет необходимость нанесения дополнительных защитных покрытий при обеспечении значительной коррозионной стойкости. Меньшая масса также обеспечивает более простую транспортировку и монтаж.The mixing device can be made of a composite material, which allows for a significant reduction in the weight of the product, and eliminates the need for additional protective coatings while providing significant corrosion resistance. Less weight also ensures easier transportation and installation.

Упрощение конструкции перемешивающего устройства достигается за счет возможности изготовления пресс-формы, так как устройство может быть изготовлено из полимерных материалов и его достаточно легко изготовить по готовой матрице.The simplification of the design of the mixing device is achieved due to the possibility of manufacturing a press mold, since the device can be made of polymeric materials and it is quite easy to manufacture it using a ready-made matrix.

Крепежные изделия можно изготавливать из коррозионностойких сталей или других сплавов, а также из любых других пригодных для этих целей материалов.Fasteners can be made from corrosion-resistant steels or other alloys, as well as from any other materials suitable for these purposes.

Более того, при наладке устройства может использоваться частотный преобразователь с целью адаптации к конкретным условиям перемешивания. Обеспечение возможности регулировать циркуляционное течение через отверстия в лопастях устройства также достигается за счет использования частотного преобразователя.Moreover, when setting up the device, a frequency converter can be used to adapt to specific mixing conditions. Providing the ability to regulate the circulation flow through the holes in the blades of the device is also achieved by using a frequency converter.

Изобретение поясняется с помощью Фиг.1-3, на которых изображено:The invention is explained with the help of Figs. 1-3, which show:

Фиг. 1 - общий вид предлагаемого устройства (а - аксонометрия, б - вид сверху, в - вид снизу),Fig. 1 - general view of the proposed device (a - axonometry, b - top view, c - bottom view),

Фиг. 2 - крепление перемешивающего устройства на вал при помощи фланцевого соединения,Fig. 2 - fastening of the mixing device to the shaft using a flange connection,

Фиг. 3 - схема работы предлагаемого устройства и возникновение циркуляционных течений,Fig. 3 - diagram of the operation of the proposed device and the emergence of circulation currents,

и позициями 1-9 обозначены:and positions 1-9 indicate:

1 - тело перемешивающего устройства,1 - mixing device body,

2 - фланец,2 - flange,

3 - лопасть внешней криволинейной поверхности,3 - blade of the outer curved surface,

4 - кромка внешней поверхности вблизи меньшего диаметра,4 - edge of the outer surface near the smaller diameter,

5 - отверстие,5 - hole,

6 - дополнительная лопасть внутренней поверхности,6 - additional blade of the inner surface,

7 - винт,7 - screw,

8 - нижнее циркуляционное течение,8 - lower circulation flow,

9 - верхнее циркуляционное течение.9 - upper circulation flow.

Перемешивающее устройство размещают, например, на вращающемся вертикальном валу. Тело 1 в виде гиперболоида вращения перемешивающего устройства посредством фланца 2 закрепляют на вертикальном валу. На внешней криволинейной поверхности тела 1 размещены рабочие органы - лопасти 3, имеющие изогнутую форму поверхности с образующей, параллельной валу, на внутреннем диаметре, почти совпадающим с наружным диаметром фланца 2, а на внешнем диаметре, не превышающем наружного диаметра тела 1 перемешивающего устройства. Профиль лопастей 3 увеличивается по высоте от внутреннего - меньшего к внешнему - большему диаметру гиперболоида. Кромка каждой лопасти 3 внешней поверхности вблизи меньшего диаметра 4 оканчивается продолговатым сквозным отверстием 5. На внутренней поверхности тела 1 выполнены дополнительные лопасти 6, имеющие форму, описываемую гиперболоидом вращения с углом закрутки не более 90°. Отверстия 5 локализованы на соответствующих дополнительных лопастях 6 внутренней поверхности между их кромок. Присоединение перемешивающего устройства к фланцу 2 может быть осуществлено при помощи резьбовых крепежных элементов - болтов 7. Верхняя кромка лопастей 6 на внутреннем диаметре, практически равном внешнему диаметру отверстий 5, совпадает с гиперболоидом вращения и возрастает к внешнему диаметру гиперболоида.The mixing device is placed, for example, on a rotating vertical shaft. The body 1 in the form of a hyperboloid of rotation of the mixing device is fixed on the vertical shaft by means of a flange 2. On the outer curved surface of the body 1, working members are placed - blades 3, having a curved surface shape with a generatrix parallel to the shaft, on the inner diameter almost coinciding with the outer diameter of the flange 2, and on the outer diameter not exceeding the outer diameter of the body 1 of the mixing device. The profile of the blades 3 increases in height from the inner - smaller to the outer - larger diameter of the hyperboloid. The edge of each blade 3 of the outer surface near the smaller diameter 4 ends in an oblong through hole 5. On the inner surface of the body 1, additional blades 6 are made, having a shape described by a hyperboloid of rotation with a twist angle of no more than 90°. The openings 5 are localized on the corresponding additional blades 6 of the inner surface between their edges. The connection of the mixing device to the flange 2 can be carried out using threaded fasteners - bolts 7. The upper edge of the blades 6 on the inner diameter, practically equal to the outer diameter of the openings 5, coincides with the hyperboloid of revolution and increases towards the outer diameter of the hyperboloid.

Заявляемое перемешивающее устройство работает следующим образом. Перемешивающее устройство устанавливают на вертикальном валу, на другом конце которого размещен привод, как показано на Фиг. 3, и помещают в жидкость, находящуюся, например, в аппарате. При вращении вала вращающий момент передается через фланец 1. При взаимодействии поверхности лопастей 3 и 6 устройства с жидкостью, находящейся в аппарате, телу 1 передается вращательное движение. В аппарате возникает сложное поле скоростей с тремя составляющими: окружной, радиальной и осевой. Окружная скорость намного превышает две другие компоненты скорости. В результате вращательного движения в аппарате возникают центробежные силы инерции, порождающие радиальное движение. За счет типичной прямоугольной формы аппарата для очистных сооружений вблизи стенок вращательное движение существенно затухает, частично переходя в меридиональное (осевое), что способствует созданию меридиональной циркуляции и подъему частиц со дна аппарата, т.е. их взвешиванию (суспендированию).The claimed mixing device operates as follows. The mixing device is mounted on a vertical shaft, at the other end of which a drive is located, as shown in Fig. 3, and placed in a liquid located, for example, in the apparatus. When the shaft rotates, the torque is transmitted through the flange 1. When the surface of the blades 3 and 6 of the device interacts with the liquid located in the apparatus, rotational motion is transmitted to the body 1. A complex velocity field with three components arises in the apparatus: circumferential, radial and axial. The circumferential velocity significantly exceeds the other two velocity components. As a result of the rotational motion, centrifugal inertial forces arise in the apparatus, generating radial motion. Due to the typical rectangular shape of the apparatus for treatment facilities, the rotational motion is significantly damped near the walls, partially turning into meridional (axial), which contributes to the creation of meridional circulation and the rise of particles from the bottom of the apparatus, i.e. their suspension.

Этой же цели служит выполнение в лопастях 3 и 6 отверстий 5. На Фиг. 3 показано возникновение циркуляционных течений в аппарате с жидкостью при работе предлагаемого перемешивающего устройства: нижнее циркуляционное течение 8 в нижней части аппарата, вдоль поверхности дна аппарата и верхнее циркуляционное течение 9 в верхней части аппарата. Циркуляционное течение 8 является более интенсивным, поскольку замкнуто на более коротком пути, и расширение потока происходит не столь значительно, как для течения 9, то есть поперечное сечение потока меньше, а значит, скорости течения выше. В результате интенсивного воздействия циркуляционного течения 9 на частицы осадка происходит его быстрый размыв, большая часть поверхности дна довольно быстро освобождается от частиц, то есть частицы переходят во взвешенное (суспендированное) состояние. При этом благодаря форме лопастей 6 уровень сдвиговых напряжений в жидкости в зоне их движения существенно ниже, чем для известных перемешивающих устройств, например, турбинных или лопастных мешалок с радиальными или пропеллерными лопастями, что позволяет бережно перемешивать чувствительные субстанции, например, активный ил.The same purpose is served by making holes 5 in the blades 3 and 6. Fig. 3 shows the occurrence of circulation flows in the apparatus with liquid during the operation of the proposed mixing device: the lower circulation flow 8 in the lower part of the apparatus, along the bottom surface of the apparatus and the upper circulation flow 9 in the upper part of the apparatus. The circulation flow 8 is more intense, since it is closed on a shorter path, and the expansion of the flow does not occur as significantly as for the flow 9, that is, the cross-section of the flow is smaller, and therefore the flow speeds are higher. As a result of the intense effect of the circulation flow 9 on the sediment particles, it is quickly washed away, a large part of the bottom surface is fairly quickly freed from particles, that is, the particles pass into a suspended state. Moreover, due to the shape of the blades 6, the level of shear stresses in the liquid in the zone of their movement is significantly lower than for known mixing devices, for example, turbine or paddle mixers with radial or propeller blades, which allows for gentle mixing of sensitive substances, for example, activated sludge.

Опытный образец заявляемого устройства успешно был опробован в ходе испытаний на канализационных очистных сооружениях. Разработанное перемешивающее устройство превосходит по своим характеристикам известные аналоги, так как по результатам апробации в зоне его работы полностью отсутствовали залежи активного ила. Кроме того изобретение имеет выгодную стоимость жизненного цикла, в том числе за счет более простой транспортировки, сборки и монтажа.A prototype of the claimed device was successfully tested during tests at sewage treatment facilities. The developed mixing device surpasses known analogues in its characteristics, since according to the results of testing, there were no active sludge deposits in the area of its operation. In addition, the invention has a favorable life cycle cost, including due to simpler transportation, assembly and installation.

Claims

1. A mixing device characterized in that its body is a hyperboloid of revolution with an external curved surface on which working elements are made in the form of long blades, the profile of which increases in height from the inner - smaller to the outer - larger diameter of the hyperboloid, on the inner surface of the body additional blades are made, having a shape described by a hyperboloid of revolution with a twist angle of no more than 90°, wherein the edge of each blade of the outer surface near the smaller diameter ends in an oblong through hole located on the corresponding additional blades of the inner surface between their edges.

2. The mixing device according to item 1, characterized in that it is made of a composite material.