CC BY
32
УДК 621.742.4
РАСЧЕТ И ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СМЕШИВАЮЩЕГО АППАРАТА С МЕШАЛКАМИ. ЧАСТЬ I
Т. Сабиров, Е. С. Абдрахманов
Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова
Жумыста жаца munmezi араластыргыш аппараттыц (к,ондыр-гыныц) техникальщ сипаттамасы мен жумыс icmey принциптерi баяндалган. Араластыру кез!нде аппарат багында пайда болатын агындардыц геометриясы талцыланган. Араластыргышк,а конструк-цияльщ e3zepicmep енггзуге усыныстар айтылган.
В работе приведены технические характеристики смесительного аппарата нового типа и принципы его работы. Исследована геометрия потока жидкости, возникающий в баке аппарата во время его работы. Внесены предложения рационализаторского характера.
In work characteristics of the mixing device of new type and principles of its work are given. The geometry of a stream of the liquid, arising in a tank of the device is investigated during its work. Offers of rationalization character are brought.
Работа состоит из четырех частей. В первой части рассмотрены рас-еты параметров смесительного аппарата.
Общие сведения об аппаратах с мешалками Для приведения в кон-акт таких систем, как «жидкость - газ», «жидкость - твердое веще-тво», «газ - твердое вещество», «газ - газ», «твердое вещество - твердое вещество» применяются различные аппараты химической техноло-ии. В зависимости от рассматриваемой системы процессы контактиро-¡ания называются перемешиванием, фильтрованием, центрифугирова-шем, грохочением, газоочисткой и др. [1], [2].
В данной работе рассматривается система «Жидкость - твердое веще-:тво» и, следовательно, процесс перемешивания.
Смеси твердых веществ и жидкостей перемешивают в а~ мешалками различных типов. В зависимости от физических с во батываемых веществ различают перемешивание текучих срел новских и неньютоновских), смешивание паст и смешивание материалов [1], [2].
Перемешивание представляет собой процесс многократного щения частиц текущей среды друг относительно друга во всем аппарата, соз-даваемой механической мешалкой.
Промышленной практике для перемешивания используют, г.: образом, вращающиеся механические мешалки различной констр;.
По конструкции лопастей их подразделяют на аксиальнопото радиальнопоточные механические мешалки [1, с. 116].
К аксиальнопоточным относятся все мешалки, у которых угол ставляемый лопастью с осью вала, меньше 90° (пропеллерные, турб ные, наклонно-лопастные).
К радиальнопоточным относятся все мешалки, лопасти которых тлЛ раллельны оси вала. К этому типу относятся также якорные и рамн ш мешалки.
По производственным характеристикам мешалок делят [2] на
• быстроходные - пропеллерные, трубинные и другие, у которых окружная скорость концов лопастей порядка 10 м/сек, а отношение Ш/):>3
• тихоходные якорные, рамные и иные, у которых, как правило, окружная скорость порядка 1 м/сек, а БМт>2.
Здесь £> - внутренний диаметр бака смесителя, а йт - диаметр мешалки.
Однако единой системы классификации мешалок всех типов пока нет [1], хотя в [2] приведены другие способы классификации.
Аппараты могут отличаться друг от друга не только по выше указанным признакам, но и техническими характеристиками, такими как объемный расход, мощность, напор и др.
Таким образом, при необходимости выбора конструктивного типа аппарата с мешалкой неизбежно встает вопрос о количественных и качественных характеристиках, позволяющих объективно сопоставлять различные мешалки.
Очевидно, что, при одинаковом качестве перемешивания необходимо сравнивать интенсивность и/или эффективность работы мешалок.
Интенсивность характеризуется частотой вращения мешалок или продолжительностью перемешивания. Если при меньшей частоте вра-
продолжительности перемешивания достигает-- :-кий результат, то работа мешалки считает-
гнхе
: —елгляется возможностью достижения заданного >. -. лза при минимальной затрате работы. • их ситуациях вступает в силу законы механики: - -: ивного действия оказывается менее эффективным иагельно, выбор того или иного типа мешалки должен позиций оптимизации производства. . : :разии, ныне действующих производственных пере-. —-ратов [1], [2], существует нечто общее, присущее всем проблема создания турбулентного потока в аппарате, важнейшим фактором интенсификации перемешива-жндкости и/или со средой. Следует отметить, что в работе прямо так и сказано: .Независимо от назначения аппа-гго расчета должен быть гидродинамический расчет, до-чере необходимости расчетами других
эту проблему старается решить путем изменения гео-лстей или установкой отражательных перегородок в рабо-¿ппарата, а также:
г кой мешалки под углом со смешением от центра; е -.трическим расположением мешалки на вертикальном валу; гкой мешалки с лопастями, вращающимися в противоположениях и или другими техническими приемами [1], [2]. выдвигаем другой метод решения этой проблемы. 5 - : :ргм любой действующий смесительный аппарат (как правило аппараты бывают предназначенными для решения конкретных, или -роизводственных задач). Изучим геометрию потока жидкости в ::: чной части этого аппарата, и определим роль того или иного меха-: - мешалки в формирования режима течения. Затем, на основании ртап. исследований, внесем соответствующие предложения для конструк-т-зного изменения в проекте аппарата или нового создаваемого аппара-_ Таким образом, мы можем оптимизировать работу рассматриваемо-: смесительного аппарата. Наша работа относиться к области литейного производства, в частности, к приготовлению глинистых суспензий и противопригарных красок для песчано-глинистых форм, а также к любой отрасли народного хозяйства, где необходимо приготовить суспензии и эссенции.
Целью работы является разработка устройства лопасгнс ;: ля, с установленными параметрами узлов для качественно:: материала при оптимальной интенсификации процесса.
Качество отливок получаемых в песчано-глинистых фор. „ зависит от качества самой смеси, т.е. от уплотняемости, тек • датливости и прочности.
Для приготовления формовочной смеси используемой в лит изводстве необходимы следующие компоненты:
• отработанная оборотная смесь;
• песок кварцевый с содержанием природной глины менее 1К016-1К032;
• глина огнеупорная бентонитовая молотая сухая, порошкооб
• лигносульфанат дня повышения прочности смеси;
• каменноугольная пыль ПЖ дня понижения химического при: разделе фориа-металл.
Эти компоненты являются основными составляющими смеси при шинном уплотнении песчано-глинистых форм.
Усредненный состав смеси для тракторных отливок при машин формовке следующий:
• оборотная смесь « 93%,
• глинистая суспензия « 3%,
• лигносульфанат = 1%,
• асбестовые крошки » 1%,
• свежий кварцевый песок » 2%, причем, при смешивании глину дают в виде водно-глинистой суспензии, так как раздельная их подача снижает их смешиваемость, т.е. равномерность покрытия суспензией поверхность каждой песчинки.
Таким образом, становится очевидным вопрос - «о получении качественной водно-глинистой суспензии» как главный компонент, определяющий прочностные свойства смеси.
Описание смесительного аппарата и принцип его работы Процесс получения глинистой суспензии происходит в смесительных аппаратах, т.е. в аппаратах с перемешивающими устройствами. Один из вариантов таких мешалок как в конструктивном, так и оптимизационном смысле процессов, рассматривается на настоящей работе. Это лопастной смеситель или смесительный аппарат АПТПЖС: аппарат планетарного типа для перемешивания жидких сред.
1С лены схемы исследуемого смесителя - осьевое « Э'нейные размеры аппарата в рисунке не соблю-
из бака 1, требуемой емкости, который имеет окном 3, кран для выпуска готовой продукции 5 В центре бака расположен приводной вал 6 на опор-5 На вал неразъемно прикреплено верхний 7 и ниж-дисками установлены неподвижные, расположен-:руг от друга по 120° оси 9. На эти оси одеты крыль-«г гпьчатка состоит из втулки 11 и приваренных к ней, по -ных 3-х лопаток 10. Внутренний диаметр втулки пригоняется двум диаметрам оси. Такое соотношение выбра-- : при работе смесителя в этот зазор заливается суспензия «: зстным подшипникам уменьшает трение между осями и к :окже шум.
на рабочий вал 6 передается от вала мотор двигателя1 13, -:ъ:м планетарным редуктором, через зубчатое зацепление 1 Вал 6 вращается с необходимой для мотора-двигателя 13 -" об/мин, поэтому мы выбираем одинаковые зубчатые ко-делительного конуса равным 45° Для лучшего сцепления берем их круговыми зубьями. ешп работы данного устройства состоит в следующем: в началь-[: : ент, не растворившиеся частицы глины центробежными силами ; ;я к периферии, где подхватываются вращающимися на своих •тгльчатками. Суспензия, проходя через отверстия лопастей, убы-: лроцесс смешивания. Вращение крыльчаток осуществляется са-юизвольно, т.к. при единой для всей системы угловой скорости глав-: вала точки, лежащие на разных радиусах, не могут совершать оди-:вый путь. Невозможность этого явления и приводит крыльчатки во гуление вокруг своей оси, в противоположном направлении вращения _зною вала.
Расчет параметров лопастного смесителя АПТПЖС В работе приветны расчеты конструкций лопастного смесителя для приг отовления ; успензии, с объемом воды 20 литров. Диаметр нашей бадьи равен 360 мм, это значение было получено исходя из того, что крыльчатка должна совершать 2,5 оборота за один оборот главного вала. Мы выбрали 2,5 обо-
1 В новой разработке АПТПЖС вращение передается непосредственно к крыльчаткам.
рота, потому что меньшее значение не так эффективно при смешивашс-а большее приводит к вспениванию суспензии, что негативно влияет на ее качество. Но все параметры были выбраны в соответствии со следующим расчетом:
1) путь окружной по радиусу К=170 мм равен:
С = 2лЯ = л-340 = 1068 мм,
2) путь точки лежащей на краю лопасти крыльчатки равен:
С = 2рКк = 2-66-р = 415 мм,
3) теперь определим число оборотов крыльчатки за один оборот главного вала:
С 1068 „ „
«ь = — ---2,5.
* Ск 415
4) теперь определим, к какому типу относится аппарат по скоростной характеристике; имеем
V = со-Я = 1 1,7 = 1,7 м/сек, а для концов лопаток крыльчатки имеем
ик = 2и = 3,4 м/сек,
следовательно, аппарат относится к среднеходным, так как скорость вращения больше тихоходного, но меньше быстроходного.
Объем рабочей области бадьи (расстояние от нижней кромки верхнего диска до верхней кромки нижнего диска), рассчитывается из суммы воды, глины, всех элементов смесителя (часть главного вала, три оси, три крыльчатки), конструктивно расположенных в этой рабочей области. Следовательно, для тог о чтобы найти объем тела бадьи необходимо рассчитать и просуммировать все эти объемы, что мы и сделаем.
Объем воды:
V = 20 л = 20000 см3
воды
Объем глины рассчитывается исходя из ее плотности, которая равна 1,25 г/см3 Для 20 литров воды необходимо 8 кг бентонитовой глины, следовательно:
т/ 8000 з
V = -= 6400 см
гшш 125
Объем 9-ти лопастей равен объему этих лопастей без объемов отверстий:
V . = 9-[20-0,3-5,2 - 12-(3.14-0,82-0,3)] =
лопастей 1 ' у
= 9-[31,2 - 12-0,б] = 216 см3
Объем втулок трех крыльчаток:
Ктуяох = НИ4-1,642,7 - 3,14-1,342,7) = = 3-(182,5 - 120,5) = 186 см3
Объем трех осей для крыльчаток:
V , = 3-3,14-0,82-23 = 138,7 см3
осей 77 '
Объем главного вала.
= ЗМ-2,У-23 = 415,2 см3
Теперь рассчитаем сумму всех этих объемов:
1У=УЛ+У + У „+У + У.+ У
воды глины лопастей втулок осей гл. вала
= 20000 + 6400 + 216 + 186 + 138,7 + 451,2 = 27391,9 см3
Далее, учитывая диаметр бадьи и суммарный объем, находим высоту рабочей области смесителя:
„ IV 27391,9
Н = —г- =-V = 26,9 см.
яЯ2 3,14 18
Принимаем высоту рабочей области 27 см.
Учитывая технологические зазоры и высоту рабочей области смесителя, принимаем высоту бака равной -37 см.
Следующим этапом является расчет отверстий на нижнем диске. В первоначальном варианте эти отверстия не предусматривались. Однако изучение гидродинамических характеристик аппарата через геометрию потока показали, что появления этих дырок увеличивают насосные действия аппарата - появляются трехконтурные циркуляционные потоки. Причем, проведенные эксперименты показали, что число дырок на нижней диске 8 зависит от конфигурации лопастей крылчаток.
Ниже приводимые расчеты соответствуют крыльчаткам типа В приложения 2.
Если 5 сечение одного отверстия на лопасти, то суммарное сечние отверстий на одной лопасти определяется:
_ 71(12 71-1,б2 , . 2
=- п =--— 14 = 28 см2,
4 4
где п - число дырок на лопастях крыльчатки2.
Далее будет установлено, что сечение одного отверстия на нижнем диске должно равняться 2$, а общее количество этих отверстий равно количеству крыльчаток, то есть трем. Тогда диаметр этих отверстий определим следующим образом:
2 Дальнейшие исследования показали, что радиус отверстие должен определятся формулой г- ^я(Яг-г2)/3.
56
НАУКА И ТЕХНИКА КАЗАХСГ^-
4 28
= 6 см
V Л V 3,14
Если радиус нижнего диска Янд, а /?,в - радиус главного вала, то конструктивно эти отверстия будут располагаться на радиусе
+
Кд
6 2
образуя между собой по /20°, как показано на рисунке 1
На основании разработки параметров смесителя для 20 литров воль т.е. то, что мы выполнили выше, математически, физико-химически : экспериментально установлены следующие параметры смесителя, являющиеся общими для различных объемов:
1 — = 1,02,-..,1,05, где Н6 и £>в - соответственно высота и внутренний диаметр бака.
2. ^- = 2,5, где с11: диаметр окружности образуемой крыльчаткой во
к
вращении.
3. = + + д +
где Кб - радиус бака,
с1в - внутренний диаметр втулки крыльчаки; с1о - диаметр оси; I - ширина лопасти; 6 - толпщна стенки втулки;
центральный радиус до центров осей; г = технологический зазор.
4. с16Л 6 2
+1+8+2
диаметр главного вала.
5. ^ ^ 4, где Ь - высота лопасти. /
6. Т = б, где Г - толщина лопасти.
р
7 ■=—— = 5, где Ря - площадь лопасти; - сумма площадей перфо-
рированных отверстий.
8. = 4, где 1Го - сумма площадей перфориванных отверстий на
2Л
нижнем диске.
Рис.1. Осьевое и поперечное сечения бака смесительного аппарата АПТПЖС (линейные размеры не сохраним)
1 - бак; 2 -крышка; 3 - окно загрузочное; 4 -кран выпускной; 5 - ножки опорные; - - вал приводной; 7 диск верхний; 8 - диск нижний; 9 - ось; 10 - лопатка, 11-; . ..оса; 12-шестерниконические; 13-мотор-двигатель; 14-кронштейн опорный; 5 подшипники опорные;
Рис. 2. Конфигурация лопастей крыльчатки
Эти отверстия в количестве 3 штук необходимы для усиления насосного действия мешалки, т.е. для усиления циркуляции суспензии из донной части бака вверх.
9. Межосевое расстояние двух радиальных подшипников 15 определяется из номограммы, в зависимости от смешиваемого объема и мощности мотора-двигателя.
10. Для предотвращения вспенивания суспензии число оборотов главного вала должно быть п - 60 об/мин - установлен опытным путем.
11 йв= 2(1 о для того, чтобы суспензия находящаяся между осью и внутренней стенкой втулки крыльчатки, работала как «жидкостной подшипник», предотвращающая трение металла друг о друга и приглушая шум
ЛИТЕРАТУРА
1 ПерриД.Г Справочник инженера -химика. Т.2. - Ленинград: Химия, 1969. 2. Василъцов Э.А., Ушаков В.Г Аппараты для перемешивания жидких сред.- Ленинград: Машиностроение, 1979.
