یک همزن صنعتی از 4 قسمت اصلی تشکیل شده است.
1. مخزن یا تانک Vessel
2. همزن Agitator
3. الکتروموتور و گیربکس
4. شاسی یا پایه نگهدارنده
همچنین بخوانید : اتوکلاو و اصول طراحی
قبل از شروع به طراحی لازم است چند مساله ی اساسی را روشن کنیم.
مساله اول
در یک همزن صنعتی مواد مختلف با فشاری که توسط پروانه تولید میشود با هم مخلوط میشوند بسته به جنس مواد که میتوانند مایع باشند یا جامد(به شکل پودر یا گرانول)، شکل هندسی پروانه نیز تغییر خواهد کرد همچنین گران روی Viscosity مواد مایع و سرعتی که باید مایع همزده شود، در طراحی پروانه نقش اساسی دارند. در اینجا باید تفاوت بین Impeller و Propeller را شرح داد که ممکن است هردو در فرآیند میکس کردن استفاده شوند.
همچنین بخوانید : شبیه سازی همزن با سالیدورک
Propeller یک Fan است که سیال را با فشار دادن به آن به حرکت در میآورد و نیروی چرخشی را به نیروی خطی تبدیل میکند در مقابل Rotor Impeller است که نیروی مکشی ایجاد میکند و قسمتی از یک پمپ .میباشد. Impeller ها معمولا در سرعتهای بالای 900 دور بر دقیقه میچرخند. چند ویژگی مشترک برای همه پروانه های همزن وجود دارد:
الگوی جریان :
توصیف حرکت مایع در یک مخزن در اثر چرخش پروانه است
قدرت پروانه:
قدرتی که مورد نیاز است تا پروانه میکسر صنعتی را در قطر مشخص و در سرعت مشخص بچرخاند. سرعت پمپ کردن مایع نرخ سرعت تخلیهی یک پروانه که در یک سرعت مشخص مشغول به کار است. برش سیال : نیرویی که به سیال اعمال میشود موجب تلاطمی در سیال میشود که به صورت برشهای سیال روی تیغه خود را نشان میدهد این عمل است که موجب اختلاط دقیق مواد در مقیاس میکروسکوپی و مولکولی میشود.
به مجموعه ی پروانه و شفت متصل به آن همزن Agitator میگویند که بر حسب کاری که باید انجام دهند دارای اشکال فوق العاده متنوعی هستند میکسر های صنعتی در بسیاری از صنایع مانند صنایع شیمیایی ، غذایی دارویی، آرایشی، استخراج فلزات، صنایع رنگ و جوهر جهت کاربردهایی مانند انجام واکنش شیمیایی عملیات اختلاط برای فیلتراسیون، خشک کردن تبادل حرارت و … استفاده میشوند طبقه بندی کلی پروانههای همزن بر اساس ویژگی الگوی جریان و برشی است.
که در سیال ایجاد میکنند تمام توانی که یک میکسر به سیال میدهد ترکیبی از جریان و برش را تولید میکند. رابطه ی جریان و برش در نمودار زیر نشان داده شده است و همانطور که مشاهده میشود برش در سیال و جریانی که در سیال در اثر حرکت پروانه به وجود میآید با هم رابطه عکس دارند اگر پروانه برش زیادی را ایجاد کند به طبع جریان کمتری را در سیال ایجاد میکند و بالعکس.
همزن ها دو نوع الگوی جریان در سیال تولید میکنند:
1. الگوی جریان محوری :
پروانه های این دسته برای ایجاد جریان از بالا به پایین در سیال ، در یک مخزن بافل دار طراحی میشوند . بافل ها صفحات صاف و بلندی هستند که به داخل مخزن متصل میشوند تا از چرخش اضافی سیال جلوگیری کنند حرکت سیال از بالا به پایین را افزایش دهند اگر این بافلها نباشند حرکت بالا به پایین نخواهیم داشت یا بسیار کم خواهد بود.
از کاربردهای این پروانه میتوان به اختلاط مایع با جریان کنترل شده و تعلیق ذرات جامد درون سیال اشاره کرد. شبیه سازی سرعت سیال و الگوی جریان آن ، زیر فشار یکی از این پروانه ها در شکل زیر نشان داده شده است.
میتوان با بهینه سازی شکل پروانه ها این جریان را بیشتر کرد و همزن بهتری ساخت مانند پروانه زیر که هم جریان بالا
به پایین ایجاد میکند هم سرعت مناسبی به سیال میدهد.
2. الگوی جریان – شعاعی:
پروانه ها در این دسته بندی یک جریان شعاعی چپ و راستی درون سیال ایجاد میکنند. این پروانه ها برش بیشتری نسبت به دسته ی اول در سیال ایجاد میکنند. از کاربردهای این همزن ها جارو کردن کف مخزن است. به طوری که پروانه ها را نزدیک به کف مخزن قرار میدهند. از دیگر کاربردها میتوان به پراکندگی ذرات جامد یا گاز در اثر برش بالا در سیال اشاره کرد شبیه سازی سرعت سیال و الگوی جریان آن ، زیر فشار یکی از این پروانه ها در شکل زیر نشان داده شده است همانطور که مشاهده میشود سرعت سیال در نزدیکی تیغههای پروانه در جهت شعاعی بالاتر از دیگر نقاط سیال است
میتوان با بهینه سازی شکل پروانهها این جریان را بیشتر کرد و همزن بهتری ساخت مانند پروانه زیر که جریان
شعاعی زیادی ایجاد میکند و برش بالایی به سیال میدهد.
در ادامه چند نمونه از همزن های صنعتی مختلف و کاربردهای آنها مطرح میشود
1. همزن های صنعتی توربینی
در این مدل از همزن،ها جریان مواد به صورت محوری وارد پروانه میشود و به صورت شعاعی از آن خارج میشود. این همزن های صنعتی قادر به انجام طیف گستردهای از عملیات اختلاط هستند زیرا میتوانند سیال را با ترکیب حرکت چرخشی و گریز از مرکز به خوبی آشفته کنند. این همزن ها راندمان اختلاط بسیار بالایی دارند و در استخراج فلزات ( جهت انجام واکنشهای شیمیایی ) و در صنایع دارویی گریس و آرایشی و بهداشتی استفاده گسترده دارند.
2. همزن های صنعتی پارویی
یکی از ابتدایی ترین انواع همزن های صنعتی است .این همزن دارای تیغه هایی به شکل پارو است این تیغه ها تا نزدیکی دیواره های مخزن میتوانند ادامه پیدا کنند عمدتا هنگامی که نیاز به جریان آرام و یکنواختی در مایعات داریم و نمیخواهیم برش های بزرگ در مایع ایجاد شود از این همزن ها استفاده میکنیم این نوع همزن مخصوصا برای مواد چسبناک استفاده
میشود.
3. همزن های صنعتی لنگر شکل
تیغه های این همزن صنعتی فاصله ی بسیار کمی با دیواره و کف مخزن دارند و تمام سطح مایع را جاروب میکنند هنگامی که جریان آرامی
از هم خوردن مواد مد نظر باشد از این نوع همزن استفاده میشود.
4. همزن های صنعتی تیغه پروانه ای
پروانه ی این همزن طوری طراحی میشود که نیروی مرکز گرا را به حداقل برساند و جریان محوری را تقویت کند. ( تیغه ها هرچه به سمت محور میروند مخروطی تر میشوند) به این معنی که وقتی این همزن کار میکند حرکت سیال به گونه ای است که جریان ورودی و خروجی موازی با شفت .باشد این خاصیت باعث میشود تا مواد جامد در محلول نتوانند ته نشین شوند این همزن ها عمدتا برای همزدن مایعات با ویسکوزیته پایین استفاده میشوند و در مواردی استفاده میشوند که محلول سوسپانسیون است.
5. همزن های مارپیچی
تیغه های این همزن در ساختاری مارپیچ مانند ساخته میشوند حرکت مایعات در این نوع مخزن از نوع محوری است. به علت وجود تیغه های مارپیچی یک جریان نیرومند درون مایع به وجود میاید که آن را برای صنایع پلیمر و سایر صنایعی که نیاز به استفاده از مواد کاملا چسبناک دارند ایده آل ساخته است.
در شکل زیر اشکال دیگری از همزن ها را مشاهده میکنید که بسته به مادهی مورد نظر و تلاطمی که باید در مایع ایجاد کنند به این شکل درآمده اند اما همگی یا جریان محوری را تقویت میکنند یا جریان شعاعی حرکت مایعات در مخزن به وسیله ی این همزن ها با آنالیز کامپیوتری بهتر درک میشود.
مساله دوم
میکسر باید در چه ابعادی ساخته شود ؟ بسته به حجم و وزن ) و همچنین چگالی ( مایعی که قرار است عملیات روی آن انجام شود، آهنگ بارگیری و تخلیهی ،میکسر، روش تخلیه و … طراحی مخزن Vessel میکسر شروع خواهد شد. گاهی اوقات نیاز است مایع درون مخزن در دمای مشخصی باشد بنابر این این بحث مطرح میشود که آیا لازم است مخزنی دو جداره ساخته شود ؟ یا ضخامت دیوارهی مخزن تغییر پیدا کند ؟ آیا مایع درون مخزن خورنده است؟
بنابراین ورق فلزی باید از چه جنسی انتخاب شود ؟ با توجه به وزن مایع درون مخزن و وزن خود ،مخزن پایه نگهدارنده باید طوری طراحی شود که در طولانی مدت بتواند تنش های مکانیکی ناشی از بارگیری و تخلیه را به خوبی تحمل کند حال نوبت به مشخص کردن نیروی مکانیکی است که برای هم زدن سیال نیاز است.
توجه : از اینجای مقاله به بعد مختص علاقه مندان به مباحث مکانیک سیالات است.
این نیرو به چهار فاکتور بستگی دارد :
1 هندسه ی پروانه ی همزن
2 مساحت تیغه های پروانه
3 سرعت چرخش پروانه
4 مشخصات فیزیکی سیال ( چگالی، گران روی )
قبل از هرچیز باید توضیح کوتاهی در مورد جریان سیال بدهیم رینولدز عددی بی بعد در مکانیک سیالات است که الگوی جریان در حال حرکت را توصیف میکند رینولدز اندک نشان دهنده جریان لایه ای و رینولدز بالا جریان «توربولانس « (Turbulence) را نشان میدهد این عدد به خواص استاتیکی و دینامیکی ،سیال همچون سرعت، چگالی، ویسکوزیته دینامیکی و ابعاد مسیر جریان وابسته است با استفاده از این عدد میتوان تعیین کرد که جریان با توجه به چه الگویی حرکت می کند.
عبارت های استفاده شده در بالا به ترتیب زیر هستند:
p:چگالی سیال kg/m3
V:سرعت سیال m/s
L: طول مشخصه سیال m
v: ویسکوزیته سینماتیکی سیال ms
عدد رینولدز همچنین میتواند توصیف دقیقی را از لزجَت (گران روی) ارائه دهد. در نظر گرفتن عدد رینولدز در طراحی یک میکسر صنعتی مهم است این عدد بر انتخاب هندسه پروانه قطر پروانه قطر مخزن و سرعت چرخش پروانه تاثیر مستقیم دارد. به عنوان مثال برای ایجاد یک جریان آشفته باید از یک پروانه ی هیدروفویل بازده بالا با نیروی محوری استفاده کرد. هرچه در محاسباتمان عدد رینولدز پایین تر باشد باید به طراحی به یک پروانه لنگر شکل یا مارپیچی فکر کنیم (به علت ویسکوزیته بالای سیال)
در ادامه محاسبات پارامترهایی مانند سرعت نوک پره عدد رینولدز عدد ،توان گشتاور قطر ،شفت لنگر خمشی روی پره ها، تنش وارده به پروانه ها ، مدول الاستیسیته پروانه های همزن ، ممان اینرسی انحراف و سرعت بحرانی را بررسی میکنیم.
سرعت نوک :
سرعت مماسی نوک تیغه همزن
عدد رينولدز :
عددی بدون بعد است که نشان دهنده اختلاط / جریان در اطراف همزن دوار است.
عدد توان :
این نیز یک عدد بدون بعد است که برای تخمین توان مصرفی پروانه در حین اختلاط استفاده می.شود عدد توان بر اساس عدد رینولدز متفاوت است.
گشتاور :
گشتاور را میتوان به عنوان نیروی چرخشی تعریف کرد که باعث میشود مخلوط واکنش در امتداد الگوی مربوطه ای که همزن ها ارائه میدهند حرکت / جریان یابد.
لنگر خمشی:
لنگر خمشی چیزی نیست جز واکنش شفت همزن به دلیل نیروی مقاومتی ناشی از مخلوط واکنش، گاهی اوقات به دلیل چسبندگی بیشتر جرم همزن کمی خم میشود گاهی اوقات هم ممکن است شکسته شود.
ممان اینرسی :
اینرسی پروانههای همزن در دور بر دقیقه ای که میچرخند.
سرعت بحرانی :
سرعتی از همزن است که در آن شفت به شدت شروع به ارتعاش میکند و در این سرعت به فرکانس طبیعی میرسد و میشکند.
قطر پروانه :
قطری که در اثر گردش پروانه در مخزن اندازه گرفته میشود
فرمول کلی برای محاسبه ی قدرت الکتروموتور :
Power = Np * n3 * ds * sg * K
که در آن:
Np : عدد توان برای هر نوع همزنی با توجه به عدد رینولدز محاسبه شده است )
n : سرعت دورانی پروانه
D: قطری که در اثر گردش پروانه در مخزن ایجاد میشود.
sg: وزن مخصوص سیال
K : ضریب تصحيح جریان ( ضریب تصحیح جریان با ویسکوزیته سیال مرتبط .است با افزایش ویسکوزیته سیال کاهش می یابد. هنگامی که ویسکوزیته کمتر از 150 میلی متر مربع بر ثانیه است به آرامی تغییر میکند و هنگامی که ویسکوزیته بیش از 150 میلی متر مربع بر ثانیه است به سرعت کاهش می یابد ضریب تصحیح جریان با سرعت دورانی مرتبط است).
مقدار عدد توان بدون بعد (Np) به طراحی پروانه و همچنین چندین فاکتور دیگر از جمله تعداد پروانه،ها محل آنها در مخزن بافل داشتن مخزن و ویسکوزیته
سیال بستگی دارد.
تغییرات کوچک در سرعت و قطر پروانه میتواند تاثیر قابل توجهی بر توان مکانیکی داشته باشد