CN111249941B - 一种用于固体在液体中分散的叶轮组件及使用该组件的固液混合设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于固液混合设备的叶轮组件，包括叶轮本体、叶轮内侧由轴向外延伸出来的若干均匀分布的混合叶片、叶轮外侧沿其径向往外在圆周方向至少设置有两层挡板，相邻两个挡板中的一个与混合设备的腔体固定连接，另一个与叶轮固定连接，且至少有一对相邻挡板满足下列条件：在任意高度的横截面上，该相邻挡板上两个相对的表面对应的曲线都是光滑曲线，且至少有一个表面对应的曲线不是全部落在同一个以轴心为圆心的圆上。在叶轮旋转时，这对相邻挡板之间的间隙会发生周期性变化。这种设计使叶轮组件运转时能够兼顾剪切强度和停留时间，对固液混合物形成强剪切作用，且会造成液体静压力的变化产生微气泡，提高了固体在液体中的分散效率。

Description

一种用于固体在液体中分散的叶轮组件及使用该组件的固液 混合设备

技术领域

本发明涉及用于固体和液体混合设备叶轮组件，尤其涉及一种用于超细固体粉末与液体混合生成高粘度或高浓度悬混液的设备中的叶轮组件以及使用该叶轮组件的固液混合设备。

背景技术

为将超细粉体在少量液体中进行混合分散从而得到高浓度的混合液，其过程可以分为三个阶段，包括打散、浸润和分散。在第一个阶段，经过叶片等结构的搅拌，大团块的粉体被打散为相对较细的粉末状态。接着，粉末状的固体与液体接触，液体充分浸润固体颗粒的表面。最后，在分散阶段，会对经过浸润阶段形成的悬混液再进行分散处理，让粉体颗粒在悬混液中的分布一致性达到生产的要求。在这一阶段，主要是利用强大的剪切力完成对悬混液中可能存在的团块的打散和颗粒团聚体的分散。随着粉体技术和纳米技术的发展，粉体的粒径变小，比表面积增大，粉体表面吸附大量的气体，导致粉体颗粒与液体的充分浸润变得困难，容易出现粉体颗粒在液体中的分布不均匀，甚至会结块，而且超细粉体的颗粒很容易团聚，这种团聚体的分散也会变得困难。为了加强分散效果，一般对叶轮本体的叶片进行改进，比如增加叶片数量，增大叶片面积，采用特殊的叶片形状等。要获得更好的分散效果，则需要采用相对高速旋转且间隙很小的定转子模块。

定转子模块有很多种类型，定转子之间的间隙可以是一个固定值，也可以由于沟槽或突起的存在而出现变化。如果定转子之间的间隙是一个固定值，为了获得很高的剪切强度，就需要把这个间隙设计得很小，这样又会导致分散区的体积变得很小，在流量不变的情况下，悬混液在分散区的停留时间会变得很短，分散效果也不够好，因此只能将间隙设计得稍大一些，在剪切强度和停留时间之间取得一个平衡，这也就限制了分散效果的提高。

CN110394082A公开了一种针对现有设备运行存在问题改进的叶轮组件，该发明所述的叶轮组件采用了双层挡板的结构，最内层挡板上设置了交错的小孔以及在挡板上设置滚花或者开槽，这种结构虽然有较好的分散效果，但仍然存在难以兼顾很小的间隙和足够的停留时间的问题。

如果在定转子上设计很多沟槽或突起，就可以在保持很小间隙的同时获得较大的分散区体积，理论上有利于延长停留时间，提高分散效果。但是本发明的发明人通过仿真计算等一些列研究发现，现有技术所采用的方形沟槽结构(图 1a)并不能有效地提高分散体积，原因如图1b所示，流体在沟槽中的相对流速较慢，并且会出现涡流，该区域的流体所受到的剪切作用较弱且滞留时间较长，这部分体积并非有效的分散体积，甚至可以说是“死区”，反而可能造成分散不均。此外，涡流还会造成能量的损耗，降低了分散效率。

因此，虽然在固体(粉体)和液体混合的领域，尤其是液体与超细粉体混合形成高粘度和高浓度悬混液的领域，由多层挡板形成的定转子模块是很好的解决方案，但是现有技术难以兼顾很小的间隙和足够的停留时间，在分散效果上存在一定的限制，而一些在挡板上设置沟槽的方案对分散效果的提高也帮助不大，反而可能造成分散不均和分散效率的降低。本发明要解决的技术问题是改进定转子模块的结构，兼顾很小的间隙和足够的停留时间，对悬混液中的颗粒产生均匀的强剪切作用，高效分散其中的颗粒团聚体。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种叶轮组件，能够更加迅速打开悬混液中的团聚体，得到分散均匀的悬混液，特别是设备在用于制备超细粉体与液体混合生成高粘度或高浓度悬混液时。

本发明设计了一种用于固体和液体混合设备的叶轮组件，包括叶轮本体、叶轮本体内侧由轴向外延伸出来的若干均匀分布的混合叶片、叶轮本体外侧沿其径向往外在圆周方向至少设置有两层挡板，其特征在于相邻两个挡板中的一个与混合设备的腔体固定连接，另一个与叶轮本体固定连接，且至少有一对相邻挡板满足下列条件：该相邻挡板上两个相对的表面在任意高度的横截面上对应的曲线都是光滑曲线，且至少有一个表面对应的曲线不是全部落在同一个以轴心为圆心的圆上。

该方案中，设置的一对相邻挡板在叶轮本体旋转时，挡板之间的间隙会发生变化(图2a)，这样就有可能在最小间隙很小的同时保持较大的分散体积，而且由于流体可以很好地沿光滑曲面改变速度方向，在流道宽度变化时仍然能够保持层流运动和均匀的速度梯度，不存在涡流和“死区”(图2b)。因此，这种新设计的定转子结构能够很好地兼顾很小的间隙和足够的停留时间，有利于提高分散效果，而且，没有涡流的存在也保证了较高的分散效率。

不仅如此，当间隙平滑变小时，可以有效地在悬混液中造成气蚀，生成很多微气泡(参见发明专利CN110235528A)，从而有助于颗粒团聚体的分散。

在一些实施例中，至少一组相邻挡板的相对表面中的一个设置成具有沿圆周方向周期性起伏的波纹状结构。一方面所述波纹状起伏的表面会引导流体不断改变方向，但仍保持相对均匀的速度梯度，从而对悬混液产生均匀的强剪切力，并且这种波纹状结构有效增大了挡板间的平均间隙，从而增大了分散体积，有利于延长停留时间。另一方面，相对的波纹状起伏的表面会形成宽度不断变化的流道，当流道的宽度不断变小时，流体的流速会不断增大，静压力不断下降，当静压力降低到足够低时会造成气蚀作用，产生很多微小气泡，对悬混液中的颗粒团聚体造成了强烈的冲击，有利于提高分散效果。

特别地，叶轮本体可以设计成截锥状的，这样粉体与液体的混合可以在截锥状本体的上部进行，之后两者形成的悬混液在向下流动的过程中被叶片不断加速，最终到达分散区进行强剪切分散，有利于粉体的浸润和分散。

进一步地，为了保证高的剪切强度，相邻两层挡板之间的最小间隙为 1～5mm。为了保证悬混液能够顺畅地通过多层挡板，挡板顶端与其相对的腔体或者叶轮上的表面之间的间隙为1～10mm。另外，为了提高悬混液的流量，可以在挡板表面设置贯通孔或贯通槽，贯通孔的直径或者贯通槽的宽度为 1～5mm。

特别地，当贯通槽的高度接近甚至达到了整个挡板的高度时，挡板的横截面就变成了由多个横截面为圆形、椭圆形或其它封闭光滑曲线围成的形状按预定的间隙排列形成的梳状结构。此时，悬混液穿过挡板会更顺畅，有利于提高流量，同时，这种结构同样可以引导流体均匀地改变速度方向，不会形成涡流或者“死区”，仍然可以维持良好的分散效果。

另外，为了将通过多层挡板之后的悬混液排出，还可以大致沿叶轮本体径向方向在最外层挡板的外侧设置若干排料叶片，该排料叶片与该叶轮本体固定连接，与叶轮本体同步旋转。

使用含有本发明的固液混合设备具有以下的有益效果：

1、将相邻的两个相对运动的挡板设计成具有如下特征的结构：两个相对的表面在任意高度的横截面上对应的曲线都是光滑曲线，且至少有一个表面对应的曲线不是全部落在同一个以轴心为圆心的圆上。这样当两个挡板相对运动时，两者之间的间隙会不断变化，可以将最小间隙保持在很小来维持很高的剪切强度，同时可以显著增加分散区的体积来保证足够的停留时间，从而获得良好的分散效果。

2、将挡板的表面设计成光滑曲面可以引导流体均匀地改变速度方向，在流道宽度变化时仍然能够保持层流运动和均匀的速度梯度，不存在涡流和“死区”，从而保证了良好的分散效果和分散效率。

3、当两个相邻挡板之间的间隙平滑变小时，悬混液在流道中的速度不断上升，造成静压力不断下降，当静压力降低到足够低时会造成气蚀，产生很多微气泡，对悬混液中的颗粒团聚体造成强烈的冲击，有利于提高分散效果。

附图说明

图1a为现有技术定转子结构的流道示意图；

图1b为现有技术定转子结构简化后的流场仿真示意图；

图2a为本发明定转子结构的流道示意图；

图2b为本发明定转子结构简化后的流场仿真示意图；

图3a为本发明一实施方式叶轮组件示意图；

图3b为本发明一实施方式叶轮组件截面图；

图4a为本发明一实施方式叶轮组件示意图；

图4b为本发明一实施方式叶轮组件截面图；

图4c为包含本发明一实施方式混合设备中弯曲流道示意图；

图5a为本发明一实施方式叶轮组件示意图；

图5b为本发明一实施方式叶轮组件截面图；

图6a为本发明一实施方式叶轮组件示意图；

图6b为本发明一实施方式叶轮组件截面图；

图7a为本发明一实施方式叶轮组件示意图；

图7b为本发明一实施方式叶轮组件截面图；

主要元件符号说明

叶轮组件	10
		叶轮本体	101
混合叶片	102
		挡板	103
波纹状结构	1031
		贯通槽	1032
法兰件	1033
		排料叶片	104
腔体	105

具体实施方式

为了使发明的目的、原理、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

应当理解，正如本发明内容部分所述，此处所描述的具体实施例用以解释本发明，但是本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，本领域的技术人员可以在不违背本发明内涵的基础上做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

本申请可以应用于各种配置有叶轮组件的混合设备中，尤其是用于固液混合的混合设备。具体配置在混合设备的腔体内。

图3为本申请提供的的一种叶轮组件10的示意图。参考图3a，叶轮组件 10包括叶轮本体101、叶轮本体101内侧由轴向外延伸出来的若干均匀分布的混合叶片102、叶轮本体101外侧沿其径向往外在圆周方向依次设置有内、外两层挡板103，其中两个挡板103中的内层挡板与混合设备的腔体105固定连接且其内外表面均具有沿圆周方向周期性起伏的波纹状结构1031，外层挡板与叶轮本体101固定连接且内表面具有沿圆周方向周期性起伏的波纹状结构 1031。应理解，对于同一挡板103，所述的靠近叶轮本体101的一侧为内表面，反之为外表面。当外层挡板随叶轮本体101同步旋转时，内外层挡板相对运动，内外层挡板上两个相对的表面在任意高度的横截面上对应的曲线都是连续的波纹曲线。如图2b的流场仿真示意图所示，所述挡板103上波纹状起伏的表面会引导挡板103间的悬混液在挡板所限定的间隙内流动时不断改变方向，但仍保持相对均匀的速度梯度，从而在内外层挡板的相对运动下，一方面对流道内的悬混液产生均匀的强剪切力，对悬混液进行反复剪切、摩擦和挤压，并且具有所述波纹状结构1031相对表面间限定的间隙大小是连续且均匀变化的---连续的减小后连续增加，再连续减小的周期性变化，有效增大了挡板103间的平均间隙，从而增大了分散体积，且不存在涡流和“死区”，有利于延长悬混液在所述流道内的停留时间，使分散效果更充分。另一方面，波纹状起伏的表面会形成宽度不断变化的流道，使得悬混液在流道中流动时速度不断变化，造成流体的静压力不断变化，当静压力瞬间降低到足够低时会造成气蚀作用，产生很多微气泡，对悬混液中的颗粒团聚体造成了强烈的冲击，有利于提高分散效果。

应当理解，图3的实施例中，与叶轮本体101固定连接的也可以是内层挡板，即只需要内外层挡板二者之一与叶轮本体101固定，二者保持一动一静均属于本申请保护范围。

可选地，为了保证悬混液在所述间隙形成的流道内受到高的剪切强度，所述相邻的内外层挡板之间的最小间隙为1～5mm。

此外，可选地，为了将通过多层挡板103后的悬混液排出，还可以大致沿叶轮本体101径向方向在最外层挡板的外侧设置若干排料叶片104，该排料叶片104与该叶轮本体101固定连接，与叶轮本体101同步旋转。叶轮本体101 上的混合叶片102可以在叶轮本体101的下部水平延伸预定距离，如图3，排料叶片104与混合叶片102在叶轮本体101的下部水平延伸的这部分连为一体。这种固定连接设计，可以对悬混液起到很好的搅拌、导向和加速作用，可以以更高的速度将悬混液甩出。同时，将混合叶片102和排料叶片104连为一体，简化了叶轮组件10的整体结构。

需要说明的是，图3所示的连续的波纹曲线仅为示意性说明，不应对本申请构成限定，任何内外层挡板上两个相对的表面在任意高度的横截面上对应的曲线都是光滑的曲线都在本申请的保护范围内。

图4为本申请实施例提供的一种叶轮组件10的示意图，参考图4a，与图3 所示的叶轮组件的不同之处在于，所述的叶轮本体101可以是截锥状的，这样粉体与液体的混合可以在截锥状本体的上部进行，之后两者形成的悬混液在向下流动的过程中被混合叶片102带动着不断加速，最终到达分散区进行强剪切分散，有利于粉体的浸润和分散。图4b所示的间隙与图3所示的实施例一致。

参考图4c，叶轮本体101在混合设备中的相对位置，挡板103的顶端与腔体105或叶轮本体101上相对应的面之间存在间隙，该挡板103顶端的间隙与相邻挡板103之间的间隙共同形成了悬混液由叶轮本体101内侧向外侧流动的弯曲通道，悬混液在所述的弯曲通道内流动时受到强剪切作用。悬混液在经过所述弯曲流道之后，到达由所述外层挡板与腔体所限定的空间内，在排料叶片 104的作用下排出。

可选地，为了保证悬混液能够顺畅地通过多层挡板103，所述挡板103的顶端与腔体105或叶轮本体101上相对应的面之间的间隙大小为1～10mm。

在其他实施例中，内外层挡板表面上设置有多个贯通孔或贯通槽1032，所述贯通孔或贯通槽1032、所述挡板103顶端与腔体105或叶轮本体101上相对应的面之间的间隙与相邻挡板103之间的间隙共同形成了悬混液由叶轮本体 101内侧向外侧流动的弯曲通道。贯通孔1032的直径或贯通槽1032的宽度越大，悬混液越容易穿过多层挡板，在弯曲通道中的平均停留时间越小，会导致分散效果的降低，因此优选地，为了在提高悬混液流量的同时兼顾分散效果，贯通孔1032的直径或者贯通槽1032的宽度为1～5mm。

图5为本申请提供的另一种叶轮组件10的示意图。叶轮本体101外侧沿其径向往外在圆周方向依次设置有内、外两层挡板103。外层挡板的内表面具有沿圆周方向周期性起伏的波纹状结构1031，其与叶轮本体101固定连接，参考图5a，内层挡板表面的贯通槽1032高度接近外层挡板的高度，内层挡板就设置为在大部分高度的横截面是由圆形按预定的间隙排列形成的不连续曲线，这样内层挡板的表面在横截面上对应的曲线是不连续的光滑曲线。此时，本实施例的挡板结构可以理解为由多个相同的圆柱体按预定的间隙排列形成的梳状结构，柱体间的间隔为1～5mm。应当理解，所述梳状结构的表面光滑，悬混液在经过该结构时速度损失小，所述设置增加了悬混液的流动通道，悬混液穿过内层挡板会更顺畅，有利于提高流量，同时，这种结构同样可以引导流体均匀地改变速度方向，不会形成涡流或者“死区”，仍然可以维持良好的分散效果。应当注意，内层挡板的上端为法兰件1033，稍高于外层挡板，其与混合设备的腔体105固定连接。可选地，当所述贯通槽1032的纵向高度接近甚至达到了整个挡板103的高度时，挡板103在大部分高度上还可以是由多个横截面为椭圆形或其它封闭光滑曲线围成的形状的柱状体按预定的间隙排列形成的梳状结构，典型的有椭圆柱、圆锥等形成的梳状结构，只要保证所述柱状体的表面光滑均为本申请的保护范围。当然，所述内层挡板的梳状结构可以与叶轮本体101 固定连接，外层挡板与腔体固定连接，此时内层挡板的固定连接可以不需要法兰件1033。

需要说明的是，图5所示的实施例并不限定内层挡板必须是所述梳状结构，所述的内、外只是相对于叶轮本体来描述，还可以是内层挡板表面为波纹状结构1031、外层挡板为所述梳状结构等替换方式。

除了上述的2层挡板的叶轮组件，在另一些实施例中，本申请提供的叶轮组件10在叶轮本体101外侧沿其径向往外在圆周方向依次设置更多层挡板。参考图6a，叶轮本体101外侧沿其径向往外在圆周方向依次设置有内、中、外三层挡板。其中，内层挡板和外层挡板与混合设备的腔体105固定连接固定不动且表面光滑，中层挡板内外表面均具有沿圆周方向周期性起伏的波纹状结构 1031并与叶轮本体101固定连接，与叶轮本体101同步旋转运动，中层挡板与内层挡板、中层挡板与外层挡板之间所分别限定的间隙如图6b所示，明显地，所述的波纹状结构1031表面与光滑表面限定的间隙大小也是连续且均匀变化的，可以将最小间隙保持在很小以维持很高的剪切强度，且中层挡板的内表面与内层挡板、中层挡板的外表面与外层挡板之间均形成所述间隙，显著提高了挡板103间的分散区的体积来保证足够的停留时间，从而获得良好的分散效果。优选地，所述最小间隙为1～5mm。同时，当两个相邻挡板103之间的间隙平滑变小时，悬混液在流道中的速度不断变化，造成静压力不断变化，当静压力瞬间降低到足够低时会造成气蚀作用，产生很多微气泡，对悬混液中的颗粒团聚体造成强烈的冲击，有利于提高分散效果。应当理解，内层挡板的外表面、外层挡板的内表面均是具有或部分具有波纹状结构1031时，仍具有上述的效果。

图7为本申请实施例提供的一种叶轮组件10示意图，参考图7a，其与图6 所示的实施例的区别在于中层的挡板与图5实施例中所示的内层挡板相同，内、外层挡板与混合设备的腔体105固定连接保持静止，中层挡板与叶轮固定连接同步旋转，增加了悬混液的流道。图6b为本实施例三层挡板间的间隙所形成的悬混液的流道，这样相邻的两个挡板间的间隙是均匀且连续变化的，可以将最小间隙保持在很小来维持很高的剪切强度，同时可以显著增加分散区的体积来保证足够的停留时间，从而获得良好的分散效果，并且不断变化的流道宽度同样可以造成气蚀作用，产生很多微小气泡，对悬混液中的颗粒团聚体造成强烈的冲击，有利于提高分散效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于固体和液体混合设备的叶轮组件，包括叶轮本体，叶轮本体内侧由轴向外延伸出来的若干均匀分布的混合叶片、叶轮本体外侧沿其径向往外在圆周方向至少设置有两层挡板，其特征在于相邻两层挡板中的一层与混合设备的腔体固定连接，另一层与叶轮本体固定连接，且至少有一对相邻挡板满足下列条件：该相邻挡板上两个相对的表面在任意高度的横截面上对应的曲线都是光滑曲线，且至少有一个表面对应的曲线不是全部落在同一个以轴心为圆心的圆上；

所述一对相邻挡板的两个相对的表面在任意高度的横截面上对应的曲线具有沿圆周方向周期性起伏的波纹状结构；

所述相邻两层挡板之间的间隙最小处为1～5mm；

所述挡板的顶端与腔体或叶轮本体上相对应的面之间存在间隙，该挡板顶端间隙与相邻挡板之间的间隙共同形成了悬混液由叶轮内侧向外侧流动的弯曲通道；

挡板表面上设置有多个贯通孔或贯通槽，所述贯通孔或贯通槽、所述挡板顶端的间隙与相邻挡板之间的间隙共同形成了悬混液由内侧向外侧流动的弯曲通道。

2.如权利要求1所述的叶轮组件，其特征在于所述挡板顶端间隙大小为1～10mm。

3.如权利要求2所述的叶轮组件，其特征在于挡板上的贯通孔的直径或者贯通槽的宽度为1～5mm。

4.如权利要求3所述的叶轮组件，其特征在于至少有一个挡板在预定高度的横截面都是由多个圆形、椭圆形或其它封闭光滑曲线围成的形状按预定的间隙沿圆周方向排列形成的结构。

5.如权利要求4所述的叶轮组件，其特征在于还包括大致沿叶轮本体径向方向设置在最外层挡板外侧的若干排料叶片，所述排料叶片与所述叶轮本体固定连接，与叶轮本体同步旋转。

6.一种用于固液混合的混合设备，其特征在于包含权利要求1或2所述的叶轮组件。

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