幾種常用型形攪拌器扭矩與攪拌速率線性關(guān)系的研究

孫 昊 孫 波

(天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350)

前言

攪拌器是使液體、氣體介質(zhì)強(qiáng)迫對(duì)流并均勻混合的器件。攪拌器的類型、尺寸及轉(zhuǎn)速，對(duì)攪拌功率在總體流動(dòng)和湍流脈動(dòng)之間的分配都有影響。攪拌作為過程工業(yè)的基礎(chǔ)單元操作,被廣泛用于化工、石油化工、醫(yī)藥、食品、生化、化妝品、膠粘劑、印刷油墨、油漆、涂料等工業(yè),在單元操作中攪拌叫做“混合”(Mixing)。因此,攪拌器也叫做Mixer,或叫做Agitator, Stirrer[1]。

近年來, 攪拌器和攪拌容器獲得飛速發(fā)展的同時(shí),正面臨著必須滿足合理利用資源、節(jié)能降耗和對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]。通過對(duì)常用的幾種型形的攪拌器的攪拌效率進(jìn)行比較研究，以期總結(jié)攪拌器扭矩與攪拌速率的線性關(guān)系，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

選用四種常用的攪拌器，如下所示：

六平直葉圓盤渦輪式攪拌器；

雙片渦輪板式攪拌器；

錨式攪拌器；

六斜葉開啟渦輪式攪拌器。

2 理論計(jì)算

為了確定攪拌器的攪拌效率，需要繪制Re-Ne線性關(guān)系圖。在層流體系中， Re-Ne[2]關(guān)系方程如下 :

Ne=A.Rea， a = -1 (1)

式中：Ne — 牛頓數(shù)(能量傳遞因子)；

Re—雷諾數(shù) ；

N—攪拌速度；

P—攪拌效率。

P=2πN.M (4)

經(jīng)分析可知,IL—6、TNF—α、Hs—CRP、BNP水平隨心功能等級(jí)增加而升高,且任何兩組相比P<0.05,詳見表2。

式中：M— 攪拌軸的扭矩。

依據(jù)上式，可以推導(dǎo)出有關(guān)牛頓數(shù)的簡(jiǎn)化方程[4]：

3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主體為一個(gè)體積為1L的圓形容器，該容器裝備了加熱夾層，并有溫度傳感器用于調(diào)節(jié)加熱功率；可調(diào)式電動(dòng)機(jī)(最快轉(zhuǎn)速1500轉(zhuǎn)/分鐘)；應(yīng)變計(jì)(用于測(cè)量轉(zhuǎn)抽扭矩)；整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置利用實(shí)驗(yàn)室軟件 Labworldsoft進(jìn)行控制[5]。

4 測(cè)定流體性質(zhì)

4.1 六平直葉圓盤渦輪式攪拌器

測(cè)定使用的流體為聚醚(EMkarox HV45)[3],其物理性質(zhì)如下：

ρ =1077 kg/m3

μ = 5,1 Pa.s

其形狀如圖1所示：

圖1 六平直葉圓盤渦輪式攪拌器

其各參數(shù)的測(cè)量結(jié)果如表1所示：

表1 六平直葉圓盤渦輪式攪拌器的各參數(shù)的測(cè)量結(jié)果

其Re-Ne線性關(guān)系圖如圖2 所示：

圖2 Re 與 Ne的線性關(guān)系圖(六平直葉圓盤渦輪式攪拌器)

4.2 雙片渦輪板式攪拌器

其形狀如圖3所示：

圖3 雙片式渦輪板式攪拌器

其各參數(shù)的測(cè)量結(jié)果如表2所示：

表2 雙片式渦輪板式攪拌器的參數(shù)測(cè)量結(jié)果

其Re-Ne線性關(guān)系圖如圖4所示：

圖4 Re 與 Ne的線性關(guān)系圖(雙片渦輪板式攪拌器)

4.3 錨式攪拌器

其形狀如圖5所示：

圖5 錨式攪拌器

其各參數(shù)的測(cè)量結(jié)果如表3所示：

表3 錨式攪拌器的各參數(shù)的測(cè)量結(jié)果

其Re-Ne線性關(guān)系圖如圖6所示：

圖6 Re 與 Ne的線性關(guān)系圖(錨式攪拌器)

4.4 六斜葉開啟渦輪式攪拌器

其形狀如圖7所示：

圖7 六斜葉開啟渦輪式攪拌器

其各參數(shù)的測(cè)量結(jié)果如表4所示：

表4 六斜葉開啟渦輪式攪拌器的各參數(shù)的測(cè)量結(jié)果

其Re-Ne線性關(guān)系圖如圖8所示：

圖8 Re 與 Ne的線性關(guān)系圖(六斜葉開啟渦輪式攪拌器)

5 結(jié)論

依據(jù)所選型的所有攪拌器的雷諾數(shù)與牛頓數(shù)的線性關(guān)系圖，可以看到它們的斜率近似為-1 。這說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算是相吻合的。其中的微小差別可以用實(shí)驗(yàn)誤差來解釋。其中，對(duì)于六平直葉圓盤渦輪式攪拌器和六斜葉開啟渦輪式攪拌器來說，斜率為-1更具有現(xiàn)實(shí)意義，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過程中測(cè)量了更多的點(diǎn)。同樣所產(chǎn)生的誤差也就更明顯。

圖9 不同攪拌器運(yùn)動(dòng)模型的比較

圖9所表示的是對(duì)于不同型形的攪拌器扭矩與攪拌速度的演變過程。如圖所示，六平直葉圓盤攪拌器，六斜葉開啟渦輪式攪拌器以及雙片渦輪板式攪拌器在演變過程中有些區(qū)間是重疊的；而對(duì)于錨式攪拌器，其演變過程則是完全不同的。對(duì)于后者，可以看出低攪拌速度對(duì)于扭矩的增長(zhǎng)更明顯。這說明在低速攪拌時(shí)，錨式攪拌器能提供更多的攪拌動(dòng)能。因此，錨式攪拌器更適用于攪拌粘稠的混合物，如高聚合物等等。綜上，錨式攪拌器在所選型的四種攪拌器中具有較高的效率。

[1]陳登豐.攪拌器和攪拌容器的發(fā)展[J].壓力容器,2008,(2):33-41.

[2]華依青,攪拌器在化工單元設(shè)備中的選用[J].化工設(shè)計(jì),2004,(6):10-13.

[3]張平亮.攪拌器的選擇與設(shè)計(jì)[J].石油化工設(shè)備技術(shù),1996,(2):25-27.

[4]陳希志,謝明輝,周國(guó)忠,等.24種攪拌器的功率曲線[J].化學(xué)工程,2010,(3):38-43.

[5]方鍵,桑芝富,楊全保.側(cè)進(jìn)式攪拌器三維流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].石油機(jī)械,2009,(1):30-34.