Подкачивающая крыльчатка для содержащих суспензию реакторов и резервуаров - RU2338585C2
Код документа: RU2338585C2
Чертежи
Описание
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к подкачивающей крыльчатке и перемешивающей системе для использования в содержащих суспензию реакторах и резервуарах-хранилищах. Более конкретно, подкачивающая крыльчатка содержит лопатки, которые выполнены криволинейными, проходящими под углом вверх и установленными с наклоном относительно вертикали, что оказывается существенным при создании завихрения внутрь и вниз в веществе суспензии в резервуаре, направляющего твердые частицы, взвешенные в суспензии, к дну и центру резервуара во время слива суспензии.
Уровень техники
Перемешивающие системы в оснащенных мешалками и содержащих суспензию реакторах и резервуарах-хранилищах зачастую содержат подкачивающую (подбрасывающую) крыльчатку в качестве части перемешивающей системы. Подкачивающая крыльчатка установлена на валу мешалки и находится в непосредственной близости к дну резервуара. Назначение подкачивающей крыльчатки состоит в том, чтобы поддерживать твердые частицы взвешенными, а также исключить оседание твердых частиц на дне резервуара. Подкачивающие крыльчатки обычно выполнены в виде ТНЛ - турбин с наклонными лопатками или ТПВЛ - турбин с плоскими вертикальными лопатками, см. фиг.1 и 2 соответственно.
По отношению к основной крыльчатке, которая перемешивает твердые частицы в жидком веществе, подкачивающая крыльчатка выполнена в виде меньшего перемешивающего средства, расположенного на некотором расстоянии под основной крыльчаткой. При опорожнении резервуара, в частности, после того, как уровень суспензии опустился ниже основной крыльчатки, эффективность подкачивающей крыльчатки для взвешивания твердых частиц является важным фактором, позволяющим избежать осаждения твердых частиц, недогрузки насоса и скачков потока из-за засорения всасывающей линии насоса. Как правило, подкачивающие крыльчатки типа ТНЛ или ТПВЛ функционируют около дна резервуара как радиальные крыльчатки, которые обусловливают тенденцию отбрасывать суспензию к стенкам резервуара, т.е. от центрального сопла или слива. В результате, твердые частицы могут прилипать к этой стенке и вызывать необходимость дополнительной работы по удалению посредством сдувания их со стенки струей под давлением. Результатом недогрузки упомянутого сопла перед окончанием слива суспензии из резервуара также могут стать недогрузка насоса и продолжительное время опорожнения.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение относится к подкачивающей крыльчатке и перемешивающей системе для использования в оснащенных мешалками и содержащих суспензию реакторах и резервуарах-хранилищах. В настоящем изобретении также раскрыт способ опорожнения резервуара посредством подкачивающей крыльчатки согласно изобретению. Когда подкачивающая крыльчатка установлена на вертикальном валу, она обеспечивает создание завихрения внутрь и вниз в веществе суспензии, направляющего твердые частицы, взвешенные в суспензии, к дну резервуара и к валу, на котором установлена крыльчатка. Направление частиц, взвешенных в суспензии, вниз и к центру резервуара, осуществляемое вместо отталкивания этих твердых частиц от центра, уменьшает осадки твердых частиц на дне и боковой поверхности резервуара, облегчает опорожнение резервуара и уменьшает засорение сопла и недогрузку насоса.
Угол отклонения лопатки от горизонтали, кривизна лопатки и угол лицевой поверхности лопатки или угол установки лопатки подкачивающей крыльчатки согласно настоящему изобретению существенны для направления твердых частиц, взвешенных в суспензии, вниз и к центру резервуара, что повышает опорожняющую способность крыльчатки. Угол установки лопаток крыльчатки также дает преимущество, заключающееся в уменьшении величины мощности, затрачиваемой на преодоление аэродинамического сопротивления крыльчатки. Подкачивающая крыльчатка согласно настоящему изобретению повышает опорожняющую способность крыльчатки (1) посредством уменьшения количества материала, оставляемого в качестве осадка на дне опорожненного резервуара, и (2) посредством обеспечения меньшего времени опорожнения. Подкачивающая крыльчатка согласно изобретению предназначена для уменьшения времени опорожнения и массы осадка по сравнению с перекачивающей вниз крыльчаткой типа ТНЛ тех же габаритов, совершающей вращение на том же конкретном уровне мощности в той же самой суспензии. Геометрия и форма подкачивающей крыльчатки согласно изобретению таковы, что подкачивающая крыльчатка стандартизирована по размерам и окружающей среде, вследствие чего она имела диаметр 0,28 м (11 дюймов) и была использована в резервуаре диаметром 0,762 м (30 дюймов) с коническим дном, имевшим угол конуса 75° к вертикальной осевой линии, причем эта подкачивающая крыльчатка может оказаться эффективной при уменьшении количества суспензии, остающейся в резервуаре, по меньшей мере, на 10 процентов (%), а обычно - на величину от 15 до 90% по сравнению с перекачивающей вниз крыльчаткой типа ТНЛ диаметром 0,28 м (11 дюймов) в той же системе и может оказаться эффективной при уменьшении времени опорожнения, по меньшей мере, на 10 процентов (%), а обычно - на величину от 30 до 45% по сравнению с перекачивающей вниз крыльчаткой типа ТНЛ диаметром 0,28 м (11 дюймов) в той же системе.
Лопатки подкачивающей крыльчатки установлены на ступицу для осевого вращения на валу, который в основном перпендикулярен горизонтали, с целью перемешивания содержимого резервуара или емкости. Подкачивающая крыльчатка согласно настоящему изобретению содержит, по меньшей мере, два и до двенадцати криволинейных лопаток, которые закруглены на своих концах или законцовках, расположенных напротив ступицы. В предпочтительном варианте подкачивающая крыльчатка имеет три - четыре лопатки. Закругленные законцовки лопаток эффективны для уменьшения сдвига потока на законцовках. Согласно другому предпочтительному варианту края лопаток могут быть закруглены. Закругленный верхний край лопатки, который проходит от ступицы и вала к закругленному концу или законцовке, эффективен при уменьшении возмущения, вносимого подкачивающей крыльчаткой в структуру потока главной крыльчатки, которая распределяет твердые частицы по резервуару. Закругленный нижний край лопатки, противоположный верхнему краю, проходит от ступицы и вала к закругленному концу или законцовке, эффективен при уменьшении величины радиального возмущения, сообщаемого суспензии крыльчаткой, когда уровень суспензии падает ниже законцовки лопатки. Когда уровень суспензии в резервуаре уменьшается, жидкости суспензии сообщается течение, направленное больше внутрь и вниз. Кроме того, лопатки, которые имеют закругленные концы, могут быть покрыты стеклом для некоторых приложений, связанных с проведением перемешивания и/или реакций.
В одном аспекте криволинейные лопатки подкачивающей крыльчатки установлены на вертикальном валу, предпочтительно на одинаковых расстояниях друг от друга. Это уравновешивает лопатку и придает равномерность создаваемой гидравлической силе. Лопатки проходят над дном резервуара и расположены под некоторым углом к горизонтали, равным углу, под которым расположено дно резервуара, или превышающим этот угол. В общем случае лопатки направлены под углом вверх и согласованы с дном (которое в резервуарах-хранилищах, как правило, бывает коническим) по форме или углу таким образом, что линия, касательная к нижнему краю каждой лопатки, параллельна дну резервуара. Лопатки проходят вверх от горизонтали под углом от 0° до угла, меньшего, чем тот, под которым проходит вертикаль, т.е. 90°, и в предпочтительном варианте находящегося в диапазоне от 0° до 75° от горизонтали, и предпочтительно наклонены вверх под углом 15° в резервуаре с коническим дном, угол конуса которого составляет 15°. Наклонные лопатки особенно важны в резервуарах, имеющих коническое или конусообразное дно, потому что угол установки лопаток в этом случае существенен при обеспечении размещения лопаток как можно ближе к дну резервуара. В этом аспекте отметим, что лопатки могут находиться на расстоянии от 1,3·10-2 до 0,1 м (от 0,5 до 4 дюймов) от дна резервуара (в зависимости от размеров частиц и резервуара).
Лопатки подкачивающей крыльчатки согласно настоящему изобретению выполнены криволинейными для создания чашевидной поверхности в перемешиваемой жидкости, которая «раскрывается» в направлении вращения лопаток. Вращение в этом направлении означает вращение подкачивающей крыльчатки таким образом, что вогнутая сторона лопатки оказывается передней, а выпуклая сторона - задней. Каждая из криволинейных лопаток имеет радиус криволинейной поверхности, составляющий от 0,1 диаметра до 10-ти диаметров подкачивающей крыльчатки. Следует также признать, что в предпочтительном варианте лопатки имеют плавную кривизну, но возможно и получение лопаток, кривизна которых претерпевает ступенчатые изменения или которые имеют грани. При эксплуатации вращающиеся лопатки подкачивающей крыльчатки направляют твердые частицы, взвешенные в суспензии, вниз и к центру резервуара.
Криволинейные лицевые поверхности лопаток подкачивающей крыльчатки имеют средний угол установки или угол отклонения от вертикали, составляющий 75° или менее, в одном важном аспекте они имеют средний угол установки от 30° до 60°, а в одном очень важном аспекте они имеют средний угол установки 45°. Угол установки может изменяться по длине лопатки от 10° до 90° и предпочтительно составляет 45°. В еще одном аспекте отношение высоты лопаток к диаметру крыльчатки составляет от 0,05 до 0,75, а в одном важном аспекте - 0,2.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана крыльчатка известной турбины с наклонными лопатками.
На фиг.2 показана крыльчатка известной турбины с плоскими вертикальными лопатками.
На фиг.3 показан один вариант выполнения подкачивающей крыльчатки согласно настоящему изобретению.
На фиг.4 показан схематичный вид резервуара, который снабжен двумя крыльчатками типа ТНЛ и одной подкачивающей крыльчаткой.
На фиг.5а-b показан вид сбоку лопатки подкачивающей крыльчатки согласно настоящему изобретению и угол установки лопатки. На фиг.5b показан вид в перспективе лопатки согласно фиг.5а.
На фиг.6а и 6b показан вариант выполнения ступицы подкачивающей крыльчатки согласно настоящему изобретению.
Осуществление изобретения
Термины «криволинейная лопатка» и «кривизна лопатки» в контексте данного описания означают, что лопатка, если смотреть на нее сверху, имеет в основном серпообразную форму, при этом вогнутая сторона серпа обращена в направлении предусматриваемого вращения лопатки, а выпуклая сторона лопатки расположена позади вогнутой стороны лопатки, когда лопатка вращается. Радиус криволинейной поверхности лопаток обозначен позицией 2 на фиг.3.
Термин «угол отклонения лопаток от горизонтали» в контексте данного описания означает угол, под которым линия, касательная к нижнему краю лопатки, проходит относительно горизонтали и который является таким, что вращающиеся лопатки не сталкиваются с дном емкости или резервуара или не вступают с ним в контакт, а это дно может быть наклонным к горизонтали или криволинейным, вследствие чего получается конусообразное или криволинейное дно. Этот угол обозначен позицией 102 на фиг.4.
Термин «угол установки» в контексте данного описания означает угол, под которым лицевая поверхность лопатки располагается относительно вертикальной оси, обозначенный позицией 4 на фиг.5b.
Подкачивающая крыльчатка 10 согласно настоящему изобретению показана на фиг.3. Подкачивающая крыльчатка 10 содержит три криволинейных лопатки 20, которые установлены на ступице 30. В иллюстрируемом варианте выполнения ступица 30 содержит поясок 32 вала, установочный винт 34 и отверстие 35 под вал, которые обеспечивают установку подкачивающей крыльчатки 10 на вал (такой, как вал 120, показанный на фиг.4) и крепление ее к нему.
Как показано на фиг.6а-b, ступица 30 имеет отверстие 35 под вал, которое обеспечивает расположение подкачивающей крыльчатки 10 на валу, например, таком, как вал 120, показанный на фиг.4. В отверстии 35 под вал может быть установлен съемный поясок 32 вала (показанный на фиг.3).
Как показано на фиг.6а-b, в ступице 30 выполнены приемные пазы 140, которые расположены через одинаковые промежутки вокруг ступицы 30 и которые предназначены для приема криволинейных лопаток 20. Ступица 30 прикреплена к валу посредством, по меньшей мере, одного установочного винта 34, который находится в отверстии 150 под установочный винт, как видно на фиг.6а. Для специалиста очевидно, что лопатки можно установить на ступице, а ступицу можно установить на вал посредством установочных винтов, шпонок, срезных штифтов, или лопатки могут быть выполнены как единое целое со ступицей, например, в виде приваренной, впрессованной или отлитой детали.
Криволинейные лопатки 20 подкачивающей крыльчатки 10 выполнены с возможностью вращения в направлении кривизны, как показано стрелкой 22 на фиг.3, так что вогнутая сторона 70 криволинейной лопатки 20 является передней, а выпуклая сторона 80 - задней. Криволинейные лопатки 20 могут иметь закругленные концы или законцовки 40, а также верхний край 50 и нижний край 60, которые закруглены.
На фиг.4 изображена подкачивающая крыльчатка 10 в резервуаре 100 реактора. В этом варианте выполнения изобретения подкачивающая крыльчатка 10 расположена ниже основной крыльчатки 110 и установлена на том же валу 120, что и вторая крыльчатка 110. Как показано на фиг.4, резервуар 100 реактора имеет конусообразное дно 130, а криволинейные лопатки 20 подкачивающей крыльчатки 110 параллельны конусообразному дну 130. Вышеописанная крыльчатка в общем случае расположена на касательной линии 140, которая является линией, перпендикулярной вертикальным сторонам 142 резервуара в точке, где эти вертикальные стороны соединяются с наклонным основанием 146 конического дна 130 резервуара. Подкачивающая крыльчатка в общем случае размещена ниже упомянутой касательной линии.
Лопатка может быть изготовлена из любого материала, который совместим с содержимым резервуара, например, это может быть химически неактивная пластмасса или нержавеющая сталь.
Нижеследующие примеры иллюстрируют способы осуществления изобретения, и их следует считать иллюстрирующими, а не ограничивающими, объем притязаний изобретения, который охарактеризован в прилагаемой формуле изобретения.
Пример 1: Перемешивание суспензии
Под четырехлопаточными сдвоенными ТНЛ, имеющими наружный диаметр (НД) 0,38 м (15 дюймов), в выполненном из плексигласа резервуаре для перемешивания, имеющем НД 0,76 м (30 дюймов), устанавливали подкачивающие крыльчатки трех разных типов. Это были следующие три подкачивающие крыльчатки:
1. перекачивающая вверх ТНЛ, имеющая НД 0,28 м (11 дюймов), с четырьмя лопатками шевронного типа (угол установки 45°, угол отклонения вверх от горизонтали 15°);
2. перекачивающая вниз ТНЛ, имеющая НД 0,28 м (11 дюймов), с четырьмя лопатками шевронного типа (угол установки 45°, угол отклонения вверх от горизонтали 15°);
3. перекачивающая вниз подкачивающая крыльчатка, имеющая НД 0,28 м (11 дюймов), с серпообразными лопатками шевронного типа (имеющими в общем случае угол установки 45°, угол отклонения вверх от горизонтали 15°); эта подкачивающая крыльчатка отображает один аспект подкачивающей крыльчатки согласно настоящему изобретению.
В процессе испытаний каждой из этих подкачивающих крыльчаток резервуар заполнен на глубину приблизительно 0,41 м (16 дюймов) выше касательной линии 40%-ной суспензией поливинилиденхлоридной смолы SaranTM в воде. Скорость вращения крыльчатки задана так, что ТНЛ диаметром 0,38 м (15 дюймов) в сочетании с подкачивающей крыльчаткой каждого типа требуют создания одного и того же крутящего момента двигателя, составлявшего 2,9 Н·м (26,1 фунт-сил·дюйм). После того, как все «бусинки» суспензии полностью переходили во взвешенное состояние в течение 20 минут (1200 с), резервуар опорожнялся. Процедуру опорожнения записывали на цифровую видеокамеру и измеряли общее время опорожнения и массу смолы, оставшейся в виде осадка на дне резервуара. Результаты испытаний оказались следующими.
Поливинилиденхлоридная смола А марки Saran™
(поставляемая The Dow Chemical Company)
Средний диаметр частиц, определенный с помощью рентгеновского гониометра Саутера, составляет 350 мкм (350·10-6 м), а плотность суспензии составляет 1,4 г/см2.
Поливинилиденхлоридная смола В марки SaranTM
(поставляемая The Dow Chemical Company)
Средний диаметр частиц, определенный с помощью рентгеновского гониометра Саутера, составляет 350 мкм (350·10-6м), плотность суспензии составляет 1,4 г/см2, но в отличие от смолы А поверхность частиц имела покрытие, обусловливающее агломерацию.
При практическом осуществлении настоящего изобретения можно ожидать, что специалисты в данной области техники после рассмотрения вышеизложенного подробного описания изобретения смогут провести многочисленные модификации и изменения, которые следует считать находящимися в рамках объема притязаний нижеследующей формулы изобретения.
Реферат
Настоящее изобретение относится к подкачивающей крыльчатке и перемешивающей системе для использования в содержащих суспензию реакторах и резервуарах-хранилищах. Перемешивающая система с крыльчатками содержит, по меньшей мере, одну крыльчатку, имеющую лопатки крыльчатки, по меньшей мере, одну подкачивающую крыльчатку и вертикальный вал, на котором установлены крыльчатки. Направление частиц, взвешенных в суспензии, вниз и к центру резервуара, осуществляемое подкачивающей крыльчаткой вместо отталкивания этих твердых частиц от центра, уменьшает осадки твердых частиц на дне и боковой поверхности резервуара, облегчает опорожнение емкости и уменьшает засорение сопла и недогрузку насоса. 3 н. и 29 з.п. ф-лы, 6 ил.
