幾種常用型形攪拌器扭矩與攪拌速率線性關系的研究

孫 昊 孫 波

(天津現代職業技術學院，天津 300350)

前言

攪拌器是使液體、氣體介質強迫對流并均勻混合的器件。攪拌器的類型、尺寸及轉速，對攪拌功率在總體流動和湍流脈動之間的分配都有影響。攪拌作為過程工業的基礎單元操作,被廣泛用于化工、石油化工、醫藥、食品、生化、化妝品、膠粘劑、印刷油墨、油漆、涂料等工業,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展的同時,正面臨著必須滿足合理利用資源、節能降耗和對環境保護要求的嚴峻挑戰[1]。通過對常用的幾種型形的攪拌器的攪拌效率進行比較研究，以期總結攪拌器扭矩與攪拌速率的線性關系，為實際生產提供理論基礎和數據支持。

1 實驗設備

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 理論計算

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

Ne=A.Rea， a = -1 (1)

式中：Ne — 牛頓數(能量傳遞因子)；

Re—雷諾數 ；

N—攪拌速度；

P—攪拌效率。

P=2πN.M (4)

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

式中：M— 攪拌軸的扭矩。

依據上式，可以推導出有關牛頓數的簡化方程[4]：

3 實驗裝置

實驗裝置主體為一個體積為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節加熱功率；可調式電動機(最快轉速1500轉/分鐘)；應變計(用于測量轉抽扭矩)；整個實驗裝置利用實驗室軟件 Labworldsoft進行控制[5]。

4 測定流體性質

4.1 六平直葉圓盤渦輪式攪拌器

測定使用的流體為聚醚(EMkarox HV45)[3],其物理性質如下：

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

其各參數的測量結果如表1所示：

表1 六平直葉圓盤渦輪式攪拌器的各參數的測量結果

其Re-Ne線性關系圖如圖2 所示：

圖2 Re 與 Ne的線性關系圖(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

其各參數的測量結果如表2所示：

表2 雙片式渦輪板式攪拌器的參數測量結果

其Re-Ne線性關系圖如圖4所示：

圖4 Re 與 Ne的線性關系圖(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

其各參數的測量結果如表3所示：

表3 錨式攪拌器的各參數的測量結果

其Re-Ne線性關系圖如圖6所示：

圖6 Re 與 Ne的線性關系圖(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

其各參數的測量結果如表4所示：

表4 六斜葉開啟渦輪式攪拌器的各參數的測量結果

其Re-Ne線性關系圖如圖8所示：

圖8 Re 與 Ne的線性關系圖(六斜葉開啟渦輪式攪拌器)

5 結論

依據所選型的所有攪拌器的雷諾數與牛頓數的線性關系圖，可以看到它們的斜率近似為-1 。這說明實驗結果與理論計算是相吻合的。其中的微小差別可以用實驗誤差來解釋。其中，對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更具有現實意義，因為實驗過程中測量了更多的點。同樣所產生的誤差也就更明顯。

圖9 不同攪拌器運動模型的比較

圖9所表示的是對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間是重疊的；而對于錨式攪拌器，其演變過程則是完全不同的。對于后者，可以看出低攪拌速度對于扭矩的增長更明顯。這說明在低速攪拌時，錨式攪拌器能提供更多的攪拌動能。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展[J].壓力容器,2008,(2):33-41.

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

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

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

[5]方鍵,桑芝富,楊全保.側進式攪拌器三維流場的數值模擬[J].石油機械,2009,(1):30-34.