NL8101294A

NL8101294A - Roerder met naar de omtrek oplopende hoofdzakelijk driehoekige, radiale bladen.

Info

Publication number: NL8101294A
Application number: NL8101294A
Authority: NL
Original assignee: Tno
Priority date: 1981-03-17
Filing date: 1981-03-17
Publication date: 1982-10-18
Also published as: US4444510A; EP0060603A1; JPS588541A

Description

815034/Ke/sn

Korte aanduiding: Roerder met naar de omtrek oplopende hoofdzakelijk driehoekige, radiale bladen»

De uitvinding heeft betrekking op een roerder, omvattend een van een aandrijving voorziene as waaraan meerdere roerbladen zijn bevestigd die in hoofdzaak liggen in radiaal gerichte vlakken door de as» 5 Een dergelijke roerder is bekend uit het Franse octxooischrift 1.315.140» Roerders van dit type worden gewoonlijk aangeduid als turbineroerders. Ze worden gebruikt voor het mengen van gassen en/of vloeistoffen, het zogenaamde beluchten van vloeistoffen, of het homogeniseren of in gehomogeniseerde toestand houden van fluïda.

10 De mengwerking van een gewone turbineroerder, in principe bestaande uit een aantal (meestal 4, een enkele maal 6 stuks) radiaal evenwijdig aan een draaiingsas gerichte bladen die met spaken, uithouders o.d. aan die as zijn verbonden, ontstaat door twee verschijnselen: 15 - het opwekken van sterke turbulentie om de bladen, en - het opwekken van een circulatiestroming in het vat als geheel»

Deze circulatiestroming, ook wel pompwerking genaamd, is het gevolg van het centrifugaal krachtenveld in het fluïdum tussen de roterende bladen, waardoor dat fluïdum als het ware tegen de statische druk 20 in naar buiten wordt geslingerd.

De voor het mengen benodigde turbulentie ontstaat door de wervels achter alle randen van de bladen, welke wervels daar afwisselend ontstaan en aangroeien en tenslotte loslaten van het blad en meegespoeld worden met de circulatiestroming. Hiermede wordt dus 25 just het tegendeel bereikt van hetgeen met stroomlijning wordt beoogd; scherpe, hoekige bladen, die min of meer loodrecht op hun vlak worden aangestroomd, hebben een hoge weerstand en doen de vereiste grote turbulentie-intensiteit ontstaan»

Bij de meeste turbineroerders is echter de centrifugaalstroming 30 zwak, waardoor het gebied waarin goede menging optreedt beperkt blijft 8101 294 » · -2- tot de direkte omgeving van de bladen. Verder moet men oppassen voor het ontstaan van cavitatie in en daardoor vullen met gas van de wervels achter de bladranden bij te hoog opvoeren van het toerental waardoor de mengwerking sterk achteruitgaat. Ook is het energiever-5 bruik relatief hoog door de grote weerstand van de bladen bij een geringe pompwerking. Bij grote viscositeit van het te roeren medium is verder de pompwerking in het algemeen ook te gering om voldoende circulatie van alle vloeistof te krijgen.

Het genoemde beperkte menggedrag van de meeste turbineroerders, 10 met verschillende vormen van de roerbladen, is het gevolg van het onregelmatige loslatingspatroon van de wervels aan de randen van de turbinebladen. Daardoor is de centrifugaalwerking ongelijkmatig en is de opgewekte turbulentie zeer chaotisch. Bijgevolg is de pompwerking gering en breken de opgewekte wervels elkaar snel af zodat 15 zij vlug uitdempen*

De bovengenoemde, uit het Franse octrooischrift 1*315.140 bekende, uitvoering met roerbladen die trapezïumvoimig zijn, dus min of meer de vorm hebben van een deltavleugel, heeft ten opzichte van andere turbineroerders reeds het voordeel dat een regelmatig, conisch 20 aangroeiende overslagwervel langs de schuin naar de omtrek aflopende rand van elk blad wordt gevormd, die aan de buitenomtrek met de

V

centrifugaalstroming als een kurketrekkerwervel het blad verlaat.

Door de'gunstige drukverdeling in de wervel wordt cavitatie op de bladen voorkomen. Verder zijn kurketrekkerwervels zeer stabiel zodat 25 zij bij een sterkere circulatie ver in het medium doordringen en voor een goede menging zorgen.

Die sterkere circulatie is een gevolg van de gunstige drukverdeling in de wervels waardoor een verbetering van de pompwerking wordt verkregen. Door de sterkere circulatie en de gunstige turbulen-30 te energieverdeling in het vat wordt het energiegebruik per te mengen volume-eenheid van het produkt ook relatief laag.

De uitvinding beoogt de roerder van het genoemde type te optimaliseren, zowel wat betreft de mengwerking en de pompwerking als 8101294 • f -3- wat betreft het energieverbruik.

Kenmerkend voor de roerder volgens de uitvinding is daartoe dat loodrecht op de as een schijf of stervormig uitgesneden plaat is aangebracht waaraan op één of beide zijden van die schijf of 5 plaat de roerbladen zijn bevestigd in de voim van in hoofdzaak rechthoekige driehoeken met de lange rechthoekszijde radiaal gericht en de korte rechthoekszijde evenwijdig aan de as als buitenrand op de grootste afstand van de as liggend, waarbij a. het aantal roerbladen op één kant van de schijf minstens 8 be-10 draagt en b. de hoogte van de buitenrand van de bladen gelijk is aan 0,5 tot 2 maal de loodrechte afstand van het buiteneinde van het ene blad tot het volgende blad c. de lengte van de bladen gemeten langs hun hypothenusa minstens 15 tweemaal hun hoogte bedraagt.

De uitvindingsgedachte is gebaseerd op het inzicht dat de pompwerking afhangt van de vorm van de bladen en van een relatie tussen de hoogte van de buitenrand van de bladen en de onderlinge afstand van de bladen ter plaatse van die buitenrand. Door driehoekige 20 bladen toe te passen in plaats van trapezïumvoxmige blijken de conische wervel en ook de centrifugaalstroming te worden versterkt.

Door bepaalde voim- en afmetingsverhoudingen van de bladen wordt de 'ruimte tussen twee bladen grotendeels gevuld of afgesloten door de conische overslagwervels, waardoor de pompwerking optimaal wordt. Dit 25 wordt in het bijzonder bereikt wanneer de verhouding tussen de hoogte van de buitenrand en de loodrechte onderlinge afstand komt te liggen tussen 0,8 en 1,25, of, nog beter, wanneer deze afmetingen in hoofdzaak aan elkaar gelijk worden.

Verder is gebleken dat naarmate het aantal bladen wordt ver-30 groot, en dus de(hoek-) afstand tussen de bladen kleiner wordt, de hoogte van de buitenrand van de bladen dienovereenkomstig moet worden verkleind, opdat men dan toch een optimale vulling van de ruimten 8101294 ι * s -4- tussen de bladen met de conische wervels verkrijgt. Het blijkt geen zin te hebben om bij een bepaalde afstand tussen de bladen een veel grotere randhoogte toe te passen. De conische wervels zakken dan namelijk niet diep genoeg tussen de bladen waardoor zij elkaar gaan 5 beïnvloeden, zodat hun sterkte kleiner wordt en de pompwerking achteruitgaat.

Als de randhoogte veel kleiner wordt dan de onderlinge afstand, komt een relatief gering deel van de over de bladrand slaande vloeistof in de conische wervel terecht, waardoor ook de pompwerking ach-10 teruit gaat.

De effectiviteit van de menging blijkt echter te worden verhoogd door vergroting van het aantal bladen doordat daarmede ook het aantal gevormde kurketrekkerwervels wordt vergroot. Zo is gebleken dat een vergroting van het aantal bladen van 8 tot 12 stuks, of zelfs tot 15 18 stuks, een verdere verbetering van de mengwerking ten gevolge heeft.

Tenslotte is gebleken, dat bij een zelfde aantal bladen en lengte en hoogte der bladen de verhouding tussen de sterkte van de afgaande kurketrekkerwervels en de centrifugaal- of pompwerking be-20 invloed kan worden door de vorm van de bladen te wijzigen en wel op de twee volgende wijzen: door de hypothenusa of bovenrand van de bladen niet recht maar enigszins bol te maken wordt de centrifugaalwerking vergroot en door haar hol te maken, verkleind. Hierdoor wordt dus de circulatie beïnvloed. 25 Door de bladen niet zuiver radiaal, maar enigszins voorover of achterover te richten of te buigen ten opzichte van de draairichting van de roerder wordt daarentegen de sterkte van de overslagwervel beïnvloed en daarmede dus de intensiteit van de menging.

Iets dergelijks kan ook worden bereikt door de bladen in de 30 verticale richting -, d.w.z. loodrecht op de schijf, - iets voorover of achterover uit het radiale vlak te buigen.

Een belangrijke toepassing van de uitvindingsgedachte ligt bij een centrifugaalwaaier. Dit is een bekende inrichting die bevestigd 8101294 ί Μ -5- is ααη het einde van een aangedreven holle as voor toevoer van een fluïdum, en eindigend in een smalle omtreksspleet waardoor, bij draaiing, het aangevoerde fluïdum de waaier verlaat.

Die waaier kan worden voorzien van roerbladen zoals hierboven 5 genoemd, waarbij de radiale lengte van de bladen in hoofdzaak gelijk is aan de radiale afmeting van de centrifugaalwaaier*

Met deze centrifugaalroerder kan op efficiënte wijze een zeer goede menging, beluchting of suspendering verkregen worden. De dunne film vloeistof of lucht welke aan de smalle omtreksspleet van de 10 waaier naar buiten treedt wordt namelijk door het tussen de roerbladen naar buiten geslingerde en met kurketrekkerwervels gevulde fluïdum opgebroken in zeer kleine deeltjes die snel gelijkmatig worden gedispergeerd.

Indien zeer visceuze vloeistoffen gemengd of begast moeten 15 worden is het voordelig gebleken om dit te doen in een vat waarin enige van de roerders volgens de uitvinding op één aandrijfas boven elkaar zijn aangebracht, en wel op een onderlinge afstand van een è twee roerdiameters zodat een meervoudige of muitiroerder ontstaat. Daardoor wordt het vat in hoogterichting als het ware opgedeeld in 20 compartimenten met in elk daarvan een bepaalde sterkte van de circu-latiestroming.

Zoals algemeen gebruikelijk moeten aan de binnenwand van het vat gelijkmatig over de omtrek verdeeld enige verticale schotten zijn aangebracht om te voorkomen dat de gehele vatvulling als een 25 vast lichaam met de roerder mee gaat draaien, waardoor de pompwerking en dus ook de menging natuurlijk geheel zouden ophouden.

Bij bepaalde toepassingen van de muitiroerder volgens de uitvinding is het van groot belang gebleken dat hiermede in een bepaald gedeelte van het mengvat een sterkere menging en circulatiestroming 30 kan worden verkregen dan in een ander gedeelte of dat er een versterkte stofuitwisseling tussen de compartimenten wordt bereikt.

Het eerste kan worden bereikt door het aantal bladen aan de beide zijden van de schijf verschillend te maken bijvoorbeeld aan de 8101294 -6- ene zijde 8 hoge bladen en aan de andere zijde 12 of 18 lagere bladen of wel aan één van de zijden in het geheel geen bladen* H± effekt van verschil in mengwerking kan dan nog worden versterkt door de bladen aan de twee zijden verschillende lengten te geven zodat 5 de centrifugaalwerking en dus ook de pompwerking verschillend wordt. Een versterkte stofuitwisseling blijkt te kunnen worden bereikt door de bladen aan beide zijden van de schijf niet in dezelfde radiale vlakken te plaatsen maar bijvoorbeeld die aan de ene zijde midden tussen die aan de andere zijde. De kurketrekkerwervels af-10 komstig van beide zijden van de schijf liggen dan verschoven t.o.v. elkaar waardoor de uitwisseling van fluïdum in de daar aan elkaar grenzende circulateecompartimenten van het mengvat sterk wordt vergroot.

Tenslotte is gebleken, dat het vooral voor zeer visceuze 15 vloeistoffen van voordeel kan zijn als de aan de as rakende punten van de driehoekige bladen worden afgeknot, waardoor rechthoekig trapezïumvormige bladen ontstaan.

De trapezïumzijde tussen de twee rechthoeken welke aan de schijf grenst moet dan nog lang zijn t.o.v. de hoogte aan de buitenomtrek 20 van de roerder, namelijk minstens 1,5 maal zo groot, om voldoende centrifugaalwerking te behouden. Door deze afknotting wordt de toe-en instroming van het visceuze medium tussen de bladen aan de aszijde vergemakkelijkt, zodat een betere pompwerking wordt verkregen.

De uitvinding zal hierna worden toegelicht aan de hand van de 25 bijgaande tekeningen.

Fig. 1 toont schematisch een doorsnede volgens de pijlen I-I in fig. 2 van een in een vat geplaatste roerder volgens de uitvinding; fig. 2 toont een gedeeltelijke doorsnede door het vat met de 30 roerder genomen volgens de pijlen II-II in fig. 1; fig. 3 toont een doorsnede van een centrifugaalwaaier voorzien van roerbladen volgens de uitvinding; fig. 4 toont schematisch een multiroerder in een vat.

8101294 i -» -7-

Men ziet in fig. 1 en 2 een aandrijfas 1 waarop een schijf 2 is verbonden door middel van een pin of borgbout 3. Op deze schijf zijn aan beide zijden een achttal driehoekige bladen 4 radiaal gericht bevestigd· Deze roerder is geplaatst in een in hoofdzaak 5 cylindrisch vat 5 dat aan zijn omtrek voorzien is van een achttal verticale remschotten 6·

In plaats van op een schijf kunnen de bladen ook bevestigd zijn op een stervormig uitgesneden plaat , zoals schematisch aangeduid bij 2'.

W De bladen zijn in hoofdzaak rechthoekige driehoeken waarvan de hoogte h aan de buitenomtrek ongeveer gelijk is aan de loodrechte afstand a van de buitenrand van het ene blad tot het volgende blad*

De hypothenusa of bovenrand L van de bladen is minstens tweemaal de hoogte h„ 15 In fig. 1 is bij 11 en 12 schematisch gestippeld aangegeven dat die bovenrand in plaats van recht ook hol resp. of bol kan zijn uitgevoerd*

In fig. 1 is bij 13 ook schematisch gestippeld aangegeven dat de bladen in plaats van als een plat vlak te zijn uitgevoerd ook 20 in verticale richting gebogen kunnen zijn, en dat zowel tegen als met de draairichting van de roerder mee.

Verder is in fig. 2 bij 9 en 10 schematisch gestippeld aangegeven dat de bladen in plaats van zuiver radiaal ook enigszins tangentieel gericht resp. gekromd kunnen zijn uitgevoerd en dat zowel 25 tegen als met de draairichting van de roerder mee.

In beide figuren is bij 7 schematisch aangegeven dat de bladen aan hun top bij de as afgeknot kunnen zijn. De radiale lengte L van de bladen moet dan echter nog minstens anderhalf maal de bladhoogte h bedragen.

30 Tenslotte is in beide figuren bij 8 schematisch gestippeld aangegeven dat de tilden aan de ene zijde van de schijf verschoven, d.w.Ze in andere radiale vlakken, kunnen zijn geplaatst t.o.v. die aan de andere zijde*.

8101294 -8- I Ί ·

In fig. 3 is aangegeven hoe de roerder kan worden gecombineerd met een centrifugaalwaaier 14 met bladen 15 welke aan het eind zit van een holle as 76. Aan één of beide buitenzijden van deze waaier zijn de roerderbladen 17 aangebracht. Het in het vat aanwezige 5 fluïdum kan met behulp van deze centrifugaalroerder worden gemengd met een gas of vloeistof, die via de holle as wordt aangevoerd en de waaier via de dunne spleet 18 aan de omtrek als een film verlaat. Deze film wordt door het tussen de roerderbladen naar buiten geslingerde fluïdum in fijne deeltjes opgebroken en door de kurketrekker-10 wervels intensief met het fluïdum gemengd.

In fig. 2 en 3 is de stroming tussen de roerderbladen schematisch weergegeven. Langs de bovenrand aan de lijzijde van elk blad ontstaat aan de punt bij de as een overslagwervel, die naar de omtrek toe steeds in sterkte en afmeting groeit. Over deze wervel 15 heen wordt fluïdum naar het onderste deel aan de lijzijde van het bladoppervlak gebracht waarna het door centrifugaalwerking naar buiten wordt geslingerd. Het fluïdum dat in de wervel terecht komt wordt ook door deze centrifugaalwerking maar tevens in sterke mate door het drukverloop in de conische wervel met grote snelheid naar 20 de omtrek van de waaier getransporteerd.

Omdat de pompwerking in de wervel het sterkst is, is het voor de effectiviteit van deze roerder dus het voordeligst indien de wervel de ruimte tussen twee opeenvolgende bladen grotendeels opvult. Hiermede zijn de voor deze vinding genoemde optimale afme-25 tingsverhoudingen van de twee roerderbladen verklaard.

In fig. 4 is schematisch aangegeven hoe meerdere roerders 19, 20 en 21 op één aandrijfas 22 in een vat 23 kunnen zijn aangebracht en zo een multiroerder vormen. Tevens wordt getoond dat deze roerders een verschillend aantal bladen met verschillende afmetingen 30 aan beide zijden van de schijf kunnen hebben. Daardoor kan de circulatie en menging in elk van de compartimenten 24, 25 en 26 van het vat tussen twee opeenvolgende roerders verschillend zijn.

Omdat roerder 19 slechts een "halve"roerder is, d,w,z. slechts 81012 9 4 * #> -9- bladen heeft aan 6én zijde van de schijf, treedt in compartiment 24 geen menging op. In compartiment 25 is enige menging en in compartiment 26 heerst de sterkste circulatie en is de menging ook het snelst. Natuurlijk zijn allerlei combinaties in volgorde van meng-5 werking in compartimenten van een vat te verkrijgen al naar gelang de eisen van het betreffende mengproces»

Dok is het natuurlijk mogelijk dat een of meer roerders zijn uitgevoerd als een centrifugaalroerder waarbij dan weer de toevoer van het bij te mengen fluïdum via de holle aandrijfas plaatsvindt.

- conclusies - 8101294

Claims

10 Roerder, omvattend een van een aandrijving voorziene as waaraan meerdere roerbladen zijn bevestigd die in hoofdzaak liggen in radiaal gerichte vlekken door de as, met het kenmerk dat loodrecht op de as een schijf of stervormig uitge-5 sneden plaat (2) is aangebracht waaraan op één of beide zijden van die schijf of plaat de roerbladen (4) zijn bevestigd in de vorm van in hoofdzaak rechthoekige driehoeken met de lange rechthoekszijde radiaal gericht en de korte rechthoekszijde evenwijdig aan de as als buitenrand op de grootste afstand van de as liggend, waarbij 10 a. het aantal roerbladen op één kant van de schijf minstens 8 bedraagt en b. de hoogte (h) van de buitenrand van de bladen gelijk is aan 0,5 tot 2 maal de loodrechte afstand (a) van het buiteneinde van het ene blad tot het volgende blad 15 c. de lengte (L) van de bladen gemeten langs hun hypothenusa minstens tweemaal hun hoogte (h) bedraagt.

2. Roerder volgens conclusie 1, met het kenmerk dat het aantal roerbladen op één kant van de schijf minstens 12 bedraagt.

3. Roerder volgens conclusie 2, met het kenmerk dat het aantal roerbladen op één kant van de schijf minstens 18 bedraagt.

4. Roerder volgens één der voorgaande conclusies, m e t het kenmerk dat de hoogte (h) van de buitenrand van 25 de bladen 0,8 tot 1,25 maal de genoemde loodrechte afstand (a) bedraagt.

5. Roerder volgens conclusie 4, met het kenmerk dat de hoogte (h) van de buitenrand van de bladen in hoofdzaak gelijk is aan de genoemde loodrechte afstand (a).

6. Roerder volgens één der voorgaande conclusies, met 8101 294 M tt -11- het kenmerk dat de bladen aan de twee zijden van de schijf niet in dezelfde radiale vlekken liggen.

7, Roerder volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het aantal bladen aan de twee zijden 5 van de schijf verschillend is.

8. Roerder volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de lengte van de bladen aan de twee zijden van de schijf verschillend is. 9« Roerder volgens één der voorgaande conclusies, met 10 het kenmerk dat het vlak (9; 10) van de bladen in radiale richting licht voorover of achterover t.o.v. de draairichting uit het zuiver radiale vlak verzet of gebogen is0

10. Roerder volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het vlak (13) van de bladen in verti-15 cale richting loodrecht op de schijf licht voorover of achterover t.o.v. de draairichting uit het zuiver radiale vlak helt of gebogen is,

11. Roerder volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de bovenrand (12) van elk blad, in 20 hoofdzaak verlopend volgens de hypothenusa van de driehoeksvorm, licht bol of hol gebogen is.

12. Roerder volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat van elk blad de aan de as rakende punt is afgeknot, zodat het in hoofdzaak de vorm krijgt van een 25 trapezium met twee rechte hoeken met daartussen een rechthoekszijde die minstens anderhalf maal zo groot is als de zijde aan de omtrek van de roerder.

13. Roerder volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat op dezelfde as meerdere schijven met 30 bladen op een onderlinge afstand van één a twee diameters zijn gemonteerd.

14. Centrifugaalwaaier, bevestigd aan het einde van een aangedreven holle as voor toevoer van een fluïdum, en eindigend in een smalle 8101 294 ι. · v -12- omtreksspleet waardoor, bij draaiing, het aangevoerde fluïdum de waaier verlaat, met het kenmerk dat de waaier (14) voorzien is van roerbladen (17) volgens gén der conclusies 1-12, waarbij de radiale lengte van de bladen in hoofdzaak gelijk 5 is aan de radiale afmeting van de centrifugaalwaaier, 8101294