桨槽式搅拌功率曲线的测绘

桨槽式搅拌功率曲线的测绘

该装置在化工、轻油、石油等行业有广泛的应用。利用功率曲线计算搅拌器的功率是一种常用的方法。如果有足够多的功率曲线,在一定的放大比范围内,且严格按规定的方法进行计算,其精确度基本上能满足工业生产的需要。但目前的情况是功率曲线的品种不够,各种结构参数比的修正系数少,也不够精确,而且有的书和论文讲到用功率曲线计算搅拌器功率时,讲得比较简单,没有给出测功率曲线设备的结构参数比,或给得不全,没有涉及结构参数比修正系数问题,因此算出来的误差当然很大。以致使某些人对这种计算方法产生怀疑。另外,目前常用搅拌器如平桨式、圆盘涡轮式、开启涡轮式等搅拌器的功率曲线其桨径与搅拌槽的直径比基本上都是1∶3,如果要加大桨叶直径就要进行修正,不但增加工作量,而且也加大了误差。有的人还误认为1∶3的比值是标准值,但实际上对有些搅拌器1∶3的比值小了些,加大其比值可以节省时间,提高设备的生产能力,降低成本。如用搅拌器粉碎聚四氟乙烯悬浮树脂时,在耗电量基本相同的情况下,桨径与槽体直径比为0.55的比0.33的节约时间25%。又如醋酸乙烯-乙烯共聚乳液产品贮槽搅拌用的是倾斜角为45°的折桨,原设备桨槽直径比为0.38,后改造成0.6,经加大了桨叶直径等措施,明显地改善了贮槽的搅拌效果。在实际生产装置和实验装置中,桨叶直径与槽体直径之比,不少都已大大超过1∶3。所以做大桨槽径比的搅拌功率曲线是很必要的。对于双层桨和单层桨的比较,不少人也做了许多工作。如用搅拌器对聚四氟乙烯树脂进行粉碎,在其他条件相同情况下,达到同样粉碎效果,当物料黏度为0.04Pa·s时,双层桨所用的时间是单层桨的63%。而能耗只增加0.6%,基本不变。当物料黏度为0.2Pa·s时,双层桨所需时间是单层桨的50%,能耗比单层桨提高12%,还有在文献中也提到了2层组合桨的混合时间最少,混合效率数最小,这说明2层桨在很多过程中是有很多优点的桨叶,但能满足设计使用的2层桨搅拌器的功率曲线很少见到,因此测绘二层桨的功率曲线也是很有必要的。在桨叶上开孔和采用管形桨、半管形桨、弧面桨,与平板桨相比在雷诺数较大时有搅拌功率低等特点,某些场合用这种桨叶是比较合适的,但这些桨叶的功率曲线尚未见到,因此进行测绘也是很有必要的。1设计设备和材料的能谱曲线1.1材料糖浆、甘油、水,分别用于不同雷诺数的区域。1.2搅拌槽用ϕ580mm的平底有机玻璃槽体。1.3防雨4块平挡板,每块宽度58mm,挡板与槽体之间的间隙8mm。1.4称重传感器规格2,5,10,20Nm。1.5桨叶的直径和大小搅拌器名称、结构参数比及功率曲线的位置见表1。表1中,T为槽体直径,mm;D为桨叶直径,mm;b为叶片宽度,mm;C为下桨叶中心距槽底距离,mm;h为2层搅拌桨轴向中心距离,mm;L为圆盘涡轮桨的桨叶长度,mm;H为搅拌流体高度(液深),mm;na为1层桨叶的叶片数量,个;S为推进式桨叶螺距,mm;θ为折桨桨叶与水平面的倾斜角,(°);α为双层桨2层桨叶相错角度,(°);a1为有孔桨最靠近轴中心孔边缘至轴中心的距离,mm;a2为有孔桨最靠近桨叶直径孔边缘至轴中心的距离,mm;R为桨叶半径,mm;ε为开孔率,ε=F/(b·R·na),%;F为1层桨开孔面积,mm2。1.6桨叶的直径和尺寸平桨的叶片是用扁钢制成的,如图1(a)为二叶平桨。有孔平桨的叶片是在扁钢制成的叶片上开若干个孔,同一搅拌桨中每个叶片的开孔位置与大小均一致,如图1(b)为二叶有孔平桨。折桨是将平桨的叶片倾斜一个角度,如图1(c)为四叶折桨。管形桨是用端头封闭的圆管做搅拌桨的叶片,管子的外径等于桨叶的宽度b,又因管子的直径比扁钢的厚度大得多,因此管子半径引起的桨叶直径的偏差不能忽略,所以管形桨的半径等于以管子半径和管子端头至转动中心距离为直角三角形2个直角边的三角形的斜边长,桨叶直径D按图1(d)取值。圆盘涡轮桨的叶片只设置在靠桨叶外径的一段距离内,一般用扁钢制成,靠中心的部位用1个圆盘将叶片连接起来,图1(e)为六直叶圆盘涡轮桨,其叶片是用扁钢制成。半管涡轮的叶片是用沿直径部位劈开的敞开式的半管制成。编号15,17是用半管的凸面迎着流体形成流线型。编号16,18是用半管的凹面迎着流体。叶片的宽度b等于半管的直径。推进式桨叶叶片见图1(f)。2层桨是指在同一根搅拌轴上安装2个桨叶,2个桨叶沿着搅拌轴拉开距离,桨叶形式、尺寸可以相同,也可不同。本文2层桨叶的形式、尺寸完全一样,但在平面位置上编号20,21的上、下层桨叶分别相错90°。弧面桨的叶片是用1/4圆管和角钢组成,端头用钢板封住。叶片的横截面是一个空心的1/4圆,圆弧面迎着流体转动,并使流体往上翻,见图1(g)。2按比例的确定内容分析搅拌器编号为1,3,7,11,13,17,18,23的功率曲线见图2。搅拌器编号为2,6,8,9,10,12,19,21的功率曲线见图3。搅拌器编号为4,5,14,15,16,20,22,24的功率曲线见图4。图2—4中横坐标Re为雷诺数,纵坐标NP为功率准数。(1)本文测绘24种搅拌器的功率曲线,并详细说明了测绘功率曲线用的设备结构、形状,各尺寸参数比,可供搅拌器设计时合理地选择结构提供依据和功率计算时应用。(2)从24条功率曲线中可以看到以下情况的对比,对比的代表性参数见表2。表2中不同结构搅拌器NP值的对比说明如下:(1)搅拌器编号1与3和2与4的结构对比是搅拌器编号1,2无孔,3,4有孔,其余参数都一样,从表中数据可知,在低雷诺数Re=2时功率准数NP相接近,无孔比有孔大0.058%或无孔比有孔小3.2%;而在高雷诺数Re=3×105时,NP值无孔比有孔大34%和30%。(2)搅拌器编号1与5和2与6的结构对比是搅拌器编号1,2是平桨,而5,6是折桨,无论在低雷诺数区还是高雷诺数区,平桨的功率准数都比折桨的大。当Re=2时平桨的比折桨的大20%和16%。当Re=3×105时,平桨的比折桨的大168%和144%。(3)搅拌器编号1与7和2与8的比较是平桨与管形桨的比较,从表2可以看出在低Re区管形桨的比平桨的NP大,当Re=2时,管形桨的比平桨的大20%和23%。在高雷诺数区管形桨的比平桨的NP小,当Re=3×105时,管形桨的比平桨的小76%和72%。(4)搅拌器编号13与15,16的对比,以及搅拌器编号14与17,18的对比是平面,凸面与凹面的对比,当在低雷诺数区Re=2时,3种形状的桨叶在其他参数相同的情况下,各对比组中,NP值相接近,大多数情况下平面的最小,凸面比平面大3.8%和2.9%,凹面比平面大3.4%或者凹面比平面小1.7%。在高雷诺数区,当Re=3×105时,凸弧面的比平面的NP值小26%和32%,凹弧面的比平面的NP值小17%和3.4%。(5)搅拌器编号3和4是一层有孔平桨,液深H均等于槽径T,b/D分别为0.164和0.109。搅拌器编号20,21是二层有孔平桨,液深均为1.2倍槽径,b/D分别为0.103和0.069,比搅拌器编号3,4小,但2层加起来的桨叶宽度分别比搅拌器编号3,4大。搅拌器编号3与20以及搅拌器编号4与21的主要差别是层数、液深,桨叶宽度不同。从表2可以看出,在低雷诺数区当Re=2时,2层桨比1层桨的NP值大,分别大55%和75%。而在高雷诺数区当Re=3×105时的层数多,液深大,总宽度大的NP值还是大,但大的幅度比Re=2时的小,分别大5.6%和5.2%。(6)搅拌器编号5,6,23,24都属于轴向流搅拌器,根据结构参数比计算,4个桨叶垂直于桨叶运动方向的叶片投影宽度是相同的,搅拌器编号5和23直径相同,6与24直径相同,它们的主要区别是搅拌器编号5,6是斜面,23,24是非对称凸弧面,从表2中可知在低雷诺数区当Re=2时,凸弧面比斜面的NP值大,分别大19%和17%。但是在高雷诺数区当Re=3×105时,凸弧面的反而比斜面的NP值小,分别小13%和24%。(7)二叶管形桨,在有挡板情况下,在湍流区Re大到一定数值后,NP-Re曲线不再维持水平线状态。NP值呈大幅度下降,曲线明显往下倾斜。3结构参数比对nb值的修正(1)功率准数低,不等于性能好,功率准数要与搅拌时间、搅拌效果等因素综合考虑后才能进行搅拌器好与坏的比较。(2)在计算搅拌功率时只有当所设计的搅拌器与本文测功率曲线的搅拌器形状相同,与表1所列的各结构参数比(包括液深与槽径的比例)也相同时(即完全成几何相似时),才能从图2—4中直接查得NP值用于计算功率,如果结构参数比不同,则NP值应乘以相关的修正系数。这些修正系数可从有关搅拌器功率计算的书籍及资料中查找。(3)用NP值算出的搅拌功率,只是代表搅拌流体所消耗的功率,它不等于电机功率,计算电动机功率时还应考虑机械传动效率。4密度对桨叶和管形凹弧面桨比的影响(1)本文测绘了24条搅拌器的功率曲线,并给出了测功率曲线设备各尺寸参数比,可供搅拌器设计时合理地选择结构提供依据和计算搅拌功率时使用。(2)有孔搅拌器和无孔搅拌器的NP值在层流低雷诺数区当Re=2时相接近,而在湍流高雷诺数区当Re=3×105时,无孔的比有孔的大,在实验条件下约大32%(实验平均值,下同)。(3)平桨比折桨的NP值大,在层流低雷诺数区当Re=2时,在本实验条件下约大18%,在湍流高雷诺数区当Re=3×105时约大156%。(4)二叶平桨与二叶管形桨相比,在本实验条件下,层流低雷诺数区当Re=2时,管形桨比平桨NP值约大21.5%。在湍流高雷诺数区当Re=3×105时管形桨的NP值比平桨的约小74%。且二叶管形桨在湍流区当雷诺数大到一定数值后NP值继续下降,曲线明显向下倾斜。(5)对于六叶圆盘涡轮桨叶,迎着流体垂直于桨叶转动方向的叶片形状有平面、管形凸弧面与管形凹弧面3种,在本实验条件下,层流低雷诺数区当Re=2时,NP值相接近,但在大多数情况下平面桨的NP值较小。在湍流高雷诺数区当