槳槽式攪拌功率曲線的測繪

槳槽式攪拌功率曲線的測繪

該裝置在化工、輕油、石油等行業(yè)有廣泛的應(yīng)用。利用功率曲線計算攪拌器的功率是一種常用的方法。如果有足夠多的功率曲線,在一定的放大比范圍內(nèi),且嚴格按規(guī)定的方法進行計算,其精確度基本上能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。但目前的情況是功率曲線的品種不夠,各種結(jié)構(gòu)參數(shù)比的修正系數(shù)少,也不夠精確,而且有的書和論文講到用功率曲線計算攪拌器功率時,講得比較簡單,沒有給出測功率曲線設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)比,或給得不全,沒有涉及結(jié)構(gòu)參數(shù)比修正系數(shù)問題,因此算出來的誤差當(dāng)然很大。以致使某些人對這種計算方法產(chǎn)生懷疑。另外,目前常用攪拌器如平槳式、圓盤渦輪式、開啟渦輪式等攪拌器的功率曲線其槳徑與攪拌槽的直徑比基本上都是1∶3,如果要加大槳葉直徑就要進行修正,不但增加工作量,而且也加大了誤差。有的人還誤認為1∶3的比值是標(biāo)準(zhǔn)值,但實際上對有些攪拌器1∶3的比值小了些,加大其比值可以節(jié)省時間,提高設(shè)備的生產(chǎn)能力,降低成本。如用攪拌器粉碎聚四氟乙烯懸浮樹脂時,在耗電量基本相同的情況下,槳徑與槽體直徑比為0.55的比0.33的節(jié)約時間25%。又如醋酸乙烯-乙烯共聚乳液產(chǎn)品貯槽攪拌用的是傾斜角為45°的折槳,原設(shè)備槳槽直徑比為0.38,后改造成0.6,經(jīng)加大了槳葉直徑等措施,明顯地改善了貯槽的攪拌效果。在實際生產(chǎn)裝置和實驗裝置中,槳葉直徑與槽體直徑之比,不少都已大大超過1∶3。所以做大槳槽徑比的攪拌功率曲線是很必要的。對于雙層槳和單層槳的比較,不少人也做了許多工作。如用攪拌器對聚四氟乙烯樹脂進行粉碎,在其他條件相同情況下,達到同樣粉碎效果,當(dāng)物料黏度為0.04Pa·s時,雙層槳所用的時間是單層槳的63%。而能耗只增加0.6%,基本不變。當(dāng)物料黏度為0.2Pa·s時,雙層槳所需時間是單層槳的50%,能耗比單層槳提高12%,還有在文獻中也提到了2層組合槳的混合時間最少,混合效率數(shù)最小,這說明2層槳在很多過程中是有很多優(yōu)點的槳葉,但能滿足設(shè)計使用的2層槳攪拌器的功率曲線很少見到,因此測繪二層槳的功率曲線也是很有必要的。在槳葉上開孔和采用管形槳、半管形槳、弧面槳,與平板槳相比在雷諾數(shù)較大時有攪拌功率低等特點,某些場合用這種槳葉是比較合適的,但這些槳葉的功率曲線尚未見到,因此進行測繪也是很有必要的。1設(shè)計設(shè)備和材料的能譜曲線1.1材料糖漿、甘油、水,分別用于不同雷諾數(shù)的區(qū)域。1.2攪拌槽用?580mm的平底有機玻璃槽體。1.3防雨4塊平擋板,每塊寬度58mm,擋板與槽體之間的間隙8mm。1.4稱重傳感器規(guī)格2,5,10,20Nm。1.5槳葉的直徑和大小攪拌器名稱、結(jié)構(gòu)參數(shù)比及功率曲線的位置見表1。表1中,T為槽體直徑,mm;D為槳葉直徑,mm;b為葉片寬度,mm;C為下槳葉中心距槽底距離,mm;h為2層攪拌槳軸向中心距離,mm;L為圓盤渦輪槳的槳葉長度,mm;H為攪拌流體高度(液深),mm;na為1層槳葉的葉片數(shù)量,個;S為推進式槳葉螺距,mm;θ為折槳槳葉與水平面的傾斜角,(°);α為雙層槳2層槳葉相錯角度,(°);a1為有孔槳最靠近軸中心孔邊緣至軸中心的距離,mm;a2為有孔槳最靠近槳葉直徑孔邊緣至軸中心的距離,mm;R為槳葉半徑,mm;ε為開孔率,ε=F/(b·R·na),%;F為1層槳開孔面積,mm2。1.6槳葉的直徑和尺寸平槳的葉片是用扁鋼制成的,如圖1(a)為二葉平槳。有孔平槳的葉片是在扁鋼制成的葉片上開若干個孔,同一攪拌槳中每個葉片的開孔位置與大小均一致,如圖1(b)為二葉有孔平槳。折槳是將平槳的葉片傾斜一個角度,如圖1(c)為四葉折槳。管形槳是用端頭封閉的圓管做攪拌槳的葉片,管子的外徑等于槳葉的寬度b,又因管子的直徑比扁鋼的厚度大得多,因此管子半徑引起的槳葉直徑的偏差不能忽略,所以管形槳的半徑等于以管子半徑和管子端頭至轉(zhuǎn)動中心距離為直角三角形2個直角邊的三角形的斜邊長,槳葉直徑D按圖1(d)取值。圓盤渦輪槳的葉片只設(shè)置在靠槳葉外徑的一段距離內(nèi),一般用扁鋼制成,靠中心的部位用1個圓盤將葉片連接起來,圖1(e)為六直葉圓盤渦輪槳,其葉片是用扁鋼制成。半管渦輪的葉片是用沿直徑部位劈開的敞開式的半管制成。編號15,17是用半管的凸面迎著流體形成流線型。編號16,18是用半管的凹面迎著流體。葉片的寬度b等于半管的直徑。推進式槳葉葉片見圖1(f)。2層槳是指在同一根攪拌軸上安裝2個槳葉,2個槳葉沿著攪拌軸拉開距離,槳葉形式、尺寸可以相同,也可不同。本文2層槳葉的形式、尺寸完全一樣,但在平面位置上編號20,21的上、下層槳葉分別相錯90°?；∶鏄娜~片是用1/4圓管和角鋼組成,端頭用鋼板封住。葉片的橫截面是一個空心的1/4圓,圓弧面迎著流體轉(zhuǎn)動,并使流體往上翻,見圖1(g)。2按比例的確定內(nèi)容分析攪拌器編號為1,3,7,11,13,17,18,23的功率曲線見圖2。攪拌器編號為2,6,8,9,10,12,19,21的功率曲線見圖3。攪拌器編號為4,5,14,15,16,20,22,24的功率曲線見圖4。圖2—4中橫坐標(biāo)Re為雷諾數(shù),縱坐標(biāo)NP為功率準(zhǔn)數(shù)。(1)本文測繪24種攪拌器的功率曲線,并詳細說明了測繪功率曲線用的設(shè)備結(jié)構(gòu)、形狀,各尺寸參數(shù)比,可供攪拌器設(shè)計時合理地選擇結(jié)構(gòu)提供依據(jù)和功率計算時應(yīng)用。(2)從24條功率曲線中可以看到以下情況的對比,對比的代表性參數(shù)見表2。表2中不同結(jié)構(gòu)攪拌器NP值的對比說明如下:(1)攪拌器編號1與3和2與4的結(jié)構(gòu)對比是攪拌器編號1,2無孔,3,4有孔,其余參數(shù)都一樣,從表中數(shù)據(jù)可知,在低雷諾數(shù)Re=2時功率準(zhǔn)數(shù)NP相接近,無孔比有孔大0.058%或無孔比有孔小3.2%;而在高雷諾數(shù)Re=3×105時,NP值無孔比有孔大34%和30%。(2)攪拌器編號1與5和2與6的結(jié)構(gòu)對比是攪拌器編號1,2是平槳,而5,6是折槳,無論在低雷諾數(shù)區(qū)還是高雷諾數(shù)區(qū),平槳的功率準(zhǔn)數(shù)都比折槳的大。當(dāng)Re=2時平槳的比折槳的大20%和16%。當(dāng)Re=3×105時,平槳的比折槳的大168%和144%。(3)攪拌器編號1與7和2與8的比較是平槳與管形槳的比較,從表2可以看出在低Re區(qū)管形槳的比平槳的NP大,當(dāng)Re=2時,管形槳的比平槳的大20%和23%。在高雷諾數(shù)區(qū)管形槳的比平槳的NP小,當(dāng)Re=3×105時,管形槳的比平槳的小76%和72%。(4)攪拌器編號13與15,16的對比,以及攪拌器編號14與17,18的對比是平面,凸面與凹面的對比,當(dāng)在低雷諾數(shù)區(qū)Re=2時,3種形狀的槳葉在其他參數(shù)相同的情況下,各對比組中,NP值相接近,大多數(shù)情況下平面的最小,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%。在高雷諾數(shù)區(qū),當(dāng)Re=3×105時,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)攪拌器編號3和4是一層有孔平槳,液深H均等于槽徑T,b/D分別為0.164和0.109。攪拌器編號20,21是二層有孔平槳,液深均為1.2倍槽徑,b/D分別為0.103和0.069,比攪拌器編號3,4小,但2層加起來的槳葉寬度分別比攪拌器編號3,4大。攪拌器編號3與20以及攪拌器編號4與21的主要差別是層數(shù)、液深,槳葉寬度不同。從表2可以看出,在低雷諾數(shù)區(qū)當(dāng)Re=2時,2層槳比1層槳的NP值大,分別大55%和75%。而在高雷諾數(shù)區(qū)當(dāng)Re=3×105時的層數(shù)多,液深大,總寬度大的NP值還是大,但大的幅度比Re=2時的小,分別大5.6%和5.2%。(6)攪拌器編號5,6,23,24都屬于軸向流攪拌器,根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)比計算,4個槳葉垂直于槳葉運動方向的葉片投影寬度是相同的,攪拌器編號5和23直徑相同,6與24直徑相同,它們的主要區(qū)別是攪拌器編號5,6是斜面,23,24是非對稱凸弧面,從表2中可知在低雷諾數(shù)區(qū)當(dāng)Re=2時,凸弧面比斜面的NP值大,分別大19%和17%。但是在高雷諾數(shù)區(qū)當(dāng)Re=3×105時,凸弧面的反而比斜面的NP值小,分別小13%和24%。(7)二葉管形槳,在有擋板情況下,在湍流區(qū)Re大到一定數(shù)值后,NP-Re曲線不再維持水平線狀態(tài)。NP值呈大幅度下降,曲線明顯往下傾斜。3結(jié)構(gòu)參數(shù)比對nb值的修正(1)功率準(zhǔn)數(shù)低,不等于性能好,功率準(zhǔn)數(shù)要與攪拌時間、攪拌效果等因素綜合考慮后才能進行攪拌器好與壞的比較。(2)在計算攪拌功率時只有當(dāng)所設(shè)計的攪拌器與本文測功率曲線的攪拌器形狀相同,與表1所列的各結(jié)構(gòu)參數(shù)比(包括液深與槽徑的比例)也相同時(即完全成幾何相似時),才能從圖2—4中直接查得NP值用于計算功率,如果結(jié)構(gòu)參數(shù)比不同,則NP值應(yīng)乘以相關(guān)的修正系數(shù)。這些修正系數(shù)可從有關(guān)攪拌器功率計算的書籍及資料中查找。(3)用NP值算出的攪拌功率,只是代表攪拌流體所消耗的功率,它不等于電機功率,計算電動機功率時還應(yīng)考慮機械傳動效率。4密度對槳葉和管形凹弧面槳比的影響(1)本文測繪了24條攪拌器的功率曲線,并給出了測功率曲線設(shè)備各尺寸參數(shù)比,可供攪拌器設(shè)計時合理地選擇結(jié)構(gòu)提供依據(jù)和計算攪拌功率時使用。(2)有孔攪拌器和無孔攪拌器的NP值在層流低雷諾數(shù)區(qū)當(dāng)Re=2時相接近,而在湍流高雷諾數(shù)區(qū)當(dāng)Re=3×105時,無孔的比有孔的大,在實驗條件下約大32%(實驗平均值,下同)。(3)平槳比折槳的NP值大,在層流低雷諾數(shù)區(qū)當(dāng)Re=2時,在本實驗條件下約大18%,在湍流高雷諾數(shù)區(qū)當(dāng)Re=3×105時約大156%。(4)二葉平槳與二葉管形槳相比,在本實驗條件下,層流低雷諾數(shù)區(qū)當(dāng)Re=2時,管形槳比平槳NP值約大21.5%。在湍流高雷諾數(shù)區(qū)當(dāng)Re=3×105時管形槳的NP值比平槳的約小74%。且二葉管形槳在湍流區(qū)當(dāng)雷諾數(shù)大到一定數(shù)值后NP值繼續(xù)下降,曲線明顯向下傾斜。(5)對于六葉圓盤渦輪槳葉,迎著流體垂直于槳葉轉(zhuǎn)動方向的葉片形狀有平面、管形凸弧面與管形凹弧面3種,在本實驗條件下,層流低雷諾數(shù)區(qū)當(dāng)Re=2時,NP值相接近,但在大多數(shù)情況下平面槳的NP值較小。在湍流高雷諾數(shù)區(qū)當(dāng)