Способ бестранспортного перемешивания жидкостей

Изобретение относится к перемешиванию жидкостей, паст, расплавов жидких металлов и может использоваться в технологиях химической промышленности, в экспериментальных установках, предназначенных для выявления возможности генерации магнитного поля с использованием в качестве рабочего тела жидкого натрия, а также при приготовлении питательных сред для выращивания микроорганизмов в биотехнологических производствах фармацевтической и пищевой промышленности. Способ бестранспортного перемешивания жидкостей заключается в полном заполнении ими емкости, образованной зазором постоянного размера между стенками коаксиальных сосудов одинаковой формы, цилиндрической или сферической, перемешивании при встречном вращении сосудов внешним приводом, с меняющейся во времени скоростью, соответствующей появлению турбулентности, и последующем удалении готовой смеси, угловые скорости вращения внутреннего и внешнего сосудов модулируют во времени по синусоидальной зависимости, их осредненные значения остаются нулевыми, а мгновенные значения определяются соотношением: Ω₁+Ω₂=0, где Ω₁, Ω₂ - угловые скорости вращения внутреннего и внешнего сосудов. Изобретение обеспечивает увеличение равномерности перемешивания по объему и устранения непрерывной транспортировки жидкостей. 1 табл.

 

Изобретение относится к перемешиванию жидкостей, паст, расплавов жидких металлов и может использоваться в технологиях химической промышленности, в экспериментальных установках, предназначенных для выявления возможности генерации магнитного поля с использованием в качестве рабочего тела жидкого натрия, а также при приготовлении питательных сред для выращивания микроорганизмов в биотехнологических производствах фармацевтической и пищевой промышленности.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ перемешивания высоковязких жидкостей [1]. Согласно этому способу жидкости подают в емкость, образованную зазором постоянного размера между стенками коаксиальных сосудов одинаковой формы, цилиндрической или сферической, перемешивают при встречном вращении сосудов с меняющейся во времени скоростью, соответствующей появлению турбулентности; жидкости подают в емкость до полного ее заполнения, их перемешивают и затем удаляют готовую смесь, причем соотношение радиусов внутреннего и внешнего сосудов составляет 0.44-0.67, а частоту вращения внешнего сосуда f_out модулируют во времени по синусоидальной зависимости с частотой не более 3% от f_out с сохранением постоянных ненулевых значений своих осредненных величин.

Недостатками такого способа являются:

- недостаточная равномерность перемешивания по объему, что вызвано низкой интенсивностью циркуляции в меридиональной плоскости, содержащей ось вращения;

- непрерывная транспортировка перемешиваемых жидкостей, что может оказаться неприемлемым в случае перемешивания жидких питательных сред с микроорганизмами в биотехнологических процессах.

Изобретение направлено на увеличение равномерности перемешивания по объему и устранения непрерывной транспортировки жидкостей. Указанный результат достигается тем, что жидкостями заполняют емкость, образованную зазором постоянного размера между стенками коаксиальных сосудов одинаковой формы, цилиндрической или сферической, жидкости перемешивают при встречном вращении сосудов внешним приводом с меняющейся во времени скоростью, соответствующей появлению турбулентности, готовую смесь затем удаляют, угловые скорости вращения внутреннего и внешнего сосудов модулируют во времени по гармоническому закону (синусоидальной зависимости), осредненные значения угловых скоростей вращения сосудов сохраняются нулевыми, а их мгновенные значения изменяются по соотношению: Ω₁+Ω₂=0,

где Ω₁, Ω₂ - угловые скорости внутреннего и внешнего сосудов соответственно.

Отличительными признаками заявляемого изобретения являются:

- модуляция угловых скоростей вращения внутреннего и внешнего сосудов при их средних нулевых значениях по гармоническому закону (синусоидальной зависимости);

- определенное соотношение между величинами угловых скоростей сосудов;

- определение величин угловых скоростей соотношением Ω₁+Ω₂=0.

Все указанные выше отличительные признаки заявляемого изобретения являются необходимыми для его реализации и способствуют использованию кинетической энергии турбулентного течения для наиболее равномерного перемешивания жидкостей.

Модуляция угловых скоростей вращения внутреннего и внешнего сосудов по гармоническому закону (синусоидальной зависимости) при их средних нулевых значениях обеспечивает переход к турбулентности, необходимой для интенсивного перемешивания жидкостей, без их непрерывной транспортировки. Средние нулевые значения угловой скорости вращения приводят к увеличению относительного влияния циркуляции в меридиональной плоскости, проходящей через ось вращения. При этом увеличивается кинетическая энергия течения в меридиональной плоскости по сравнению с кинетической энергией азимутального движения (вокруг оси вращения). Этим обеспечивается выравнивание равномерности перемешивания по объему.

Как сама возможность перехода к турбулентности, так и вид турбулентности вблизи порога формирования определяются соотношением между величинами угловых скоростей сосудов.

Соотношение угловых скоростей вращения сосудов в виде Ω₁+Ω₂=0 позволяет обеспечить переход к турбулентному режиму течения при средних нулевых величинах угловых скоростей. Такое соотношение угловых скоростей обеспечивает встречное движение сосудов в каждый момент времени, и для достижения турбулентности требуются наименьшие амплитуды и частоты модуляции.

Сущность заявляемого изобретения поясняется нижеследующим описанием.

Заявляемый способ предназначен для перемешивания жидкостей с величиной вязкости от 0.8 до 200·10^-6 м²/с. Интенсивность перемешивания жидкостей зависит от величины коэффициента диффузии. Этот коэффициент определяется, в том числе, видом течения и повышается при переходе к турбулентности [2]. При встречном колебательном вращении сосудов силы трения на поверхности стенок обеспечивают как встречное в азимутальном направлении движение жидкостей, так и повышение интенсивности циркуляции в плоскости, содержащей ось вращения. С увеличением частоты или/и амплитуды модуляции скорости вращения сосудов течение жидкостей в зазоре между сосудами становится турбулентным. Таким образом, перемешивание жидкостей обеспечивается кинетической энергией турбулентных течений, формируемых встречным колебательным вращением сосудов под действием привода.

Отличительные признаки заявляемого изобретения основаны на следующих эффектах.

Первый эффект - в отсутствие среднего течения встречное колебательное вращение сосудов относительно состояния покоя при соотношении угловых скоростей вращения в виде Ω₁+Ω₂=0 обеспечивает переход к турбулентности. Отсутствие среднего течения вокруг оси вращения позволяет уменьшить механическое воздействие на клетки микроорганизмов, что позволяет использовать предлагаемый способ при перемешивании жидких питательных сред с микроорганизмами в биотехнологических процессах.

Второй эффект - встречное колебательное вращение сосудов обеспечивает существенное повышение относительной интенсивности циркуляции в меридиональной плоскости и, следовательно, увеличение интенсивности перемешивания вдоль оси вращения, что приводит к увеличению равномерности перемешивания по объему. Повышение интенсивности меридиональной циркуляции по сравнению с вращением вокруг оси создает более благоприятное для генерации магнитного поля распределение скорости турбулентного течения, что позволяет использовать предлагаемый способ в установках по изучению возможности генерации магнитного поля при вращении проводящей жидкости (жидкого натрия).

Пример осуществления технического решения

Раствор двух прозрачных жидкостей со средней по объему вязкостью 50·10^-6 м²/с заполнял зазор толщиной 0.075 м, образованный двумя прозрачными сферическими поверхностями, радиус внутренней сферы r_i=0.075 м. Проводилась визуализация течений в зазоре между двумя прозрачными сферическими поверхностями за счет наружного освещения течения в зазоре. Переходы к турбулентности определялись по виду течения. Для выявления меридиональной и азимутальной составляющих кинетической энергии турбулентных течений проведен численный эксперимент при указанной выше геометрии сосудов и двух случаев встречного вращения вблизи порога формирования турбулентности. В первом (прототип) рассматривалась модуляция скорости вращения внешнего сосуда при постоянных ненулевых средних скоростях сосудов, средняя величина угловой скорости вращения внутреннего сосуда - Ω_i=3.68 с^-1, внешнего - Ω₀=2.00 с^-1.

Во втором случае - модуляция скорости вращения двух сосудов в противофазе с частотой 0.5 Гц при нулевой средней скорости (появление турбулентности при А=7.5 с^-1). Установлено, что в первом случае превышение азимутальной составляющей кинетической энергии Еφ над меридиональной составляющей Еψ более чем в 5 раз выше, чем во втором. Некоторые результаты приведены в таблице 1, в которой представлены соотношения между Еφ и Еψ.

Указанные выше результаты подтверждают достоверность отличительных признаков, на которых основано заявляемое изобретение. Использование предлагаемого изобретения позволяет проводить процессы равномерного по объему перемешивания жидкостей при отсутствии их транспортировки.

Источники информации

1. Жиленко Д.Ю., Кривоносова О.Э., Забелинский И.Е. Способ перемешивания высоковязких жидкостей // Патент РФ на изобретение №2488433, 27.07.2013, Бюл. №21. (прототип).

2. Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. T.1. М.: Наука, 1965.

Способ бестранспортного перемешивания жидкостей, заключающийся в полном заполнении ими емкости, образованной зазором постоянного размера между стенками коаксиальных сосудов одинаковой формы, цилиндрической или сферической, перемешивании при встречном вращении сосудов внешним приводом с меняющейся во времени скоростью, соответствующей появлению турбулентности, и последующем удалении готовой смеси, отличающийся тем, что угловые скорости вращения внутреннего и внешнего сосудов модулируют во времени по синусоидальной зависимости, их осредненные значения остаются нулевыми, а мгновенные значения определяются соотношением:
Ω₁+Ω₂=0,
где Ω₁, Ω₂ - угловые скорости вращения внутреннего и внешнего сосудов.