Идея предложена на основании запроса № 16 от 04.01.2023 года краудсорсинговой площадки изобретателей — поиск инновационных идей уменьшения энергопотребления миксеров для бочек с краской для металлургической компании: ссылка —  КРАУДСОРСИНГОВАЯ ПЛОЩАДКА ИЗОБРЕТАТЕЛЕЙ  

ВСТУПЛЕНИЕ

Все существующие механические способы перемешивания ограничены тем, что используют один общий поток (одномерное течение) сред с тангенциальным, или радиальным, или осевым, или смешанным — спиральным или тороидальным и т.п. течением. 

С точки зрения энергозатрат существующие способы смешивания / перемешивания примерно одинаковы. Для самого процесса смешивания / перемешивания  равнозначно, каким способом будет формироваться поток. 

Например, турбинная мешалка использует меньше времени на перемешивание, чем винтовая, но и потребляемая мощность у турбинной мешалки выше, чем у винтовой. В итоге по энергозатратам все механические способы смешивания / перемешивания примерно одинаковы. Выигрыш только в скорости самого процесса образования нового вещества при смешивании или доведения раствора до требуемой консистенции / однородности при перемешивании. 

С другой стороны, можно и вручную проводить смешивание / перемешивание.  

В любом случае, в пересчёте на энергозатраты — итог будет для всех способов перемешивания / смешивания примерно одинаков. Как было заявлено выше — связано это в первую очередь с тем, что все существующие способы смешивания / перемешивания основываются на формировании одномерного закрученного течения среды по спирали, при котором происходит вращение жидкости (газа) вокруг одной спиральной оси вращения.

ПОЯСНЕНИЯ

Условно одномерное закрученное течение – это открытое (в пространстве) течение среды по спирали вокруг оси, направленной аксиально или радиально или аксиально-радиально. См. рис. № 1.

Условно многомерное закрученное течение — это открытое (в пространстве) течение когда среда вращается вокруг двух и более параллельных осей, которые в свою очередь также вращаются вокруг общего центра вращения аксиально или радиально или аксиально-радиально.  Здесь уместна  грубая аналогия с канатной свивкой. См. рис. № 1.

Рис. № 1. Тороидально-вихревые закрученные течения.

ВВЕДЕНИЕ

Спиральное, или вихревое многомерное движение часто встречается в природе. Движение вращающихся планет, движение отдельных закрученных потоков воды или воздуха в смерчах, торнадо. По спиральным кривым движутся с вращением элементарные частицы в силовых полях. По спиралям растут листья деревьев и лепестки цветов. 

В таких природных многомерных закрученных течениях проявляются следующие интересные эффекты:

• Температурные изменения потоков.
• Формирование самоподдерживающейся вихревой структуры.
• Формирование новых не скомпенсированных сил во вращающейся вихревой структуре.
• Интенсификация химических процессов.
• Интенсификация физических процессов (фильтрация, сепарация, смешивание и т.п.)
• Новые физические эффекты.

ПРЕДЛОЖЕНИЕ

Если предположить, что многомерная форма движения по спирали идеально подходит, чтобы сохранять энергию, то применительно к теме публикации предлагается следующее. 

Смешивание / перемешивание проводить в многомерных спиральных вихревых течениях по типу канатной свивки, в которых каждая жила каната представляет собой отдельный вихревой поток сред или одномерное течение. 

Для этих целей предлагается использовать любой тип формирователя многомерного тороидально-вихревого закрученного течения.

Предполагается, что идея позволит увеличить крутку  и циркуляцию потоков (эффективность процессов смешивания / перемешивания) при одновременном снижении энергопотребления.

ФОРМИРОВАТЕЛЬ МНОГОМЕРНОГО ТОРОИДАЛЬНО-ВИХРЕВОГО ЗАКРУЧЕННОГО ТЕЧЕНИЯ

В разделе сайта ВИХРИ ХАОСА “Закрученные течения перспективных исследований” предложено большое количество различных завихрителей – формирователей многомерных закрученных течений по спирали. 

Все заявленные типы многомерных завихрителей тестировались в основном в воздухе исключительно для целей:  

• формирования температурных изменений потоков.
• формирования самоподдерживающейся вихревой структуры.
• формирования новых, не скомпенсированных сил во вращающейся вихревой структуре.
• исследование новых физических эффектов.

Задача с краудсорсинговой площадки позволила по-новому взглянуть на использование многомерных торовых закрученных течений в жидкостях для целей более эффективного смешивания / перемешивания. База для НИОКР по идее инновационного многомерного смешивания / перемешивания в жидкости была заложена ещё 3 года назад.

Таким образом, для целей инновационного смешивания / перемешивания в жидкостном многомерном торовом закрученном течении предлагается использовать два вида механических завихрителей многомерного тороидально-вихревого закрученного течения.

1. Ленточные многомерные завихрители, см. рис. № 2.

— кольцевой горизонтальный ленточный завихритель ,

— кольцевой вертикальный ленточный завихритель,

— профильный вертикальный ленточный завихритель,

— спиральный ленточный завихритель,

— и т.п.

Рис. № 2.  Ленточные многомерные завихрители.

2. Гребенчатые многомерные завихрители, см. рис. № 3.

— радиальный гребенчатый завихритель,

— кольцевой вертикальный гребенчатый завихритель,

— профильный вертикальный гребенчатый завихритель,

— и т.п.

Рис. № 3. Гребенчатые многомерные завихрители.

На основании проведённых экспериментов, о которых будет заявлено ниже, можно заявить следующее. Приведённые выше примеры различных типов многомерных завихрителей соотносятся друг с другом также, как и классические типы мешалок (лопастная, винтовая, турбинная и т.п.) 

Каждый тип идеально подходит для операций смешивания или перемешивания определённого типа жидкостей, различающихся физическими и химическими характеристиками.  Должен быть уточнён проведением дополнительных ОКР.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Для проверки идеи механического смешивания / перемешивания в многомерном торовом закрученном течении были проведены эксперименты с различными типами формирователей многомерных закрученных течений по спирали. 

Все завихрители имели одну скорость вращения (максимальная скорость вращения сверлильного станка 1500 об/мин.

Тестируемые среды – масляная краска и вода. 

Объёмы тестируемых сред – 5 литров.

Диагностическим маркером эффективности выступали:

1. Потребляемый ток привода формирователя многомерного закрученного о течения по спирали (электродрель). 
2. Визуализация вихревых процессов, одновременно протекающие в исследуемых и эталонных образцах. 

Эталонными образцами для сравнения эффективности для каждого типа формирователей многомерных закрученных течения по спирали — классическая винтовая мешалки и классическая лопастная кольцевая мешалка, см. рис. № 4.  

Рис. № 4. Эталонные образцы классической винтовой и лопастной кольцевой мешалки.

По геометрии проходного сечения классические лопастная и винтовая мешалки были подобраны примерно одинаковыми с формирователями многомерных закрученных течений по спирали. 

ВЫВОД

Исходя из проведённых экспериментальных работ можно оценить роль многомерных вихрей в процессах смешивания / перемешивания:

1. Все предложенные многомерные типы мешалок формирую устойчивый многомерный торовый вихревой поток в жидкости, см. рис. № 5. 

Рис. № 5. Смешивание / перемешивание в многомерном торовом вихревом потоке жидкости.

На рисунке вида наружная часть многомерной воронки / “хобота” торового многомерного закрученного течения. Толщина стенки воронки / “хобота” ориентировочно составляет 1/6 от наружного диаметра “хобота”. 

2. Все известные типы мешалок (винтовая, лопастная, турбинная и т.п.)  формируют устойчивый один или два одномерных торовых вихревых потока в жидкости, см. рис. № 6. 

Рис. № 6. Смешивание / перемешивание в одном одномерном торовом вихревом потоке жидкости.

На рисунке видна классическая одномерная воронка /  одномерный “хобот” торового одномерного закрученного течения. 

3. Для жидкостей с небольшой кинематической вязкостью водных растворов наиболее эффективным является ленточный многомерный кольцевой горизонтальный завихритель, см. рис. № 7.

Рис. № 7. Ленточный многомерный кольцевой горизонтальный завихритель.

4. Для жидкостей с кинематической вязкостью масел и красок эффективным можно назвать ленточный многомерный вертикальный тип  завихрителя, см. рис. № 8.

Рис. № 8. Ленточные многомерные кольцевые вертикальные типы завихрителей.

5. Потребляемый ток электропривода  в установившемся режиме:

— 20,4 мА при работе с многомерной мешалкой.

— 20,7 мА при работе с классической одномерной мешалкой.

6. Обнаружен эффект самобалансировки ротора многомерной  мешалки в установившемся режиме.  В установившемся режиме биение ротора  полностью компенсирует многомерный вихревой поток. 

7. Видеоотчёты экспериментальных работ с различными типами многомерных завихрителей размещены здесь :  ОКР Тест № 1:

Тест № 2:

Тест № 3: