攪拌的運行轉(zhuǎn)速應該避開臨界轉(zhuǎn)速多少的范圍,不同的專家有多種看法,比如,《機械設計手冊(第五版)》認為當工作轉(zhuǎn)速低于一階臨界轉(zhuǎn)速時,其工作轉(zhuǎn)速應取N/Nk<0.75,當工作轉(zhuǎn)速高于一階臨界轉(zhuǎn)速時,其工作轉(zhuǎn)速應選在1.4Nk1<N<0.7Nk2。Edward Paul認為應避開臨界轉(zhuǎn)速20%。陳乙崇主編的《化工設備設計手冊-攪拌設備設計》對不同條件下的情況做了細化,HG20569也做了類似的細化,有興趣的讀者可直接去查HG20569中的表格。
《化工設備設計手冊-攪拌設備設計》和HG20569中都提到一般攪拌器應N/Nk<0.7,氣液體系應N/Nk<0.6,對柔性軸,1.3<N/Nk<1.6。新版的HG20569中,又標注上“如果設計者有更準確的計算方法或有效的試驗手段,可以適當放寬。
從前文葉片數(shù)量的影響可知,對槳式攪拌器來說,其葉片數(shù)量為2片,故有0.45<N/Nk<0.55,《化工設備設計手冊-攪拌設備設計》中關(guān)于槳式攪拌器的描述是正確的,HG20569中將槳式攪拌器擴展到葉片式攪拌器的描述則是錯誤的,其提到的葉片式攪拌器包括槳式、開啟渦輪式、三葉后掠式和推進式等,不包括錨式、框式、鼠籠式和螺帶式等。(關(guān)于葉片數(shù)量對臨界轉(zhuǎn)速的影響另文敘述)
對于氣體-液體的攪拌介質(zhì)而言,由于氣體的沖擊,葉輪受到的不平衡力更大,且由于氣體的存在,攪拌軸的阻尼系數(shù)更小,因此,這兩本參考書都針對氣液介質(zhì)取了較低的轉(zhuǎn)速。但是,這里未考慮到氣體的量比較小不會產(chǎn)生較大沖擊的情況,也未考慮到氣體十分均勻的情況。當氣體十分均勻、對攪拌器的沖擊較為平衡時,氣液體系可以和單液相體系做同樣的考慮。
關(guān)于柔性軸,當缺乏二階臨界轉(zhuǎn)速的計算數(shù)據(jù)時,只能根據(jù)一階臨界轉(zhuǎn)速取個大致的結(jié)果,且在不知道二階臨界轉(zhuǎn)速的情況下,轉(zhuǎn)速的上線也盡量取的低些,所以就有了1.3<N/Nk<1.6的說法,但現(xiàn)在的有限元分析方法可以較準確計算出二階臨界轉(zhuǎn)速的情況下,可以使轉(zhuǎn)速各避開兩個臨界轉(zhuǎn)速一定的值,比如:
1.3 Nk1 < N <0.7 Nk2
式中 Nk1——一階臨界轉(zhuǎn)速,rps;
Nk2——二階臨界轉(zhuǎn)速,rps。
另外,當氣體對攪拌器的沖擊較為平衡時,也可使用柔性軸,這在自吸式攪拌機中已有大量成功的工業(yè)應用。自吸式攪拌機吸入氣體后將氣體分散成小氣泡排到液相中,因此氣體的沖擊較平衡,只是氣體對攪拌器的阻尼系數(shù)較小,轉(zhuǎn)速需避開臨界轉(zhuǎn)速更多些。
對固液體系而言,當固含量很高時,或者在固體中啟動時,流體的沖擊也比較大,攪拌轉(zhuǎn)速也許避開臨界轉(zhuǎn)速更多些。文中不同狀態(tài)下的攪拌器水力學系數(shù)也可部分體現(xiàn)流體對攪拌器沖擊力的大小。
綜上所述,結(jié)合作者的經(jīng)驗,作者認為,在一般狀態(tài)下,攪拌器的轉(zhuǎn)速應避開臨界轉(zhuǎn)速20%,即:
N/Nk<0.8
1.2 Nk1 < N <0.8 Nk2
當流體對攪拌器的沖擊力較大或阻尼較小時,比如氣液過程或高固含量過程,攪拌器的轉(zhuǎn)速應避開臨界轉(zhuǎn)速30%,即:
N/Nk<0.7
1.3 Nk1 < N <0.7 Nk2
對設置了底支撐的攪拌軸來說,近似的計算方法得到的結(jié)果誤差更大些,但是由于攪拌軸的撓度變小,攪拌軸可在更接近臨界轉(zhuǎn)速的工作點工作,即使臨界轉(zhuǎn)速的誤差達到10%也不會帶來太大的影響,因此按上述范圍避開臨界轉(zhuǎn)速也已經(jīng)足夠。
另外,攪拌轉(zhuǎn)速越低,流體的雷諾數(shù)越小,流體對攪拌器的阻尼就越大,攪拌軸在臨界轉(zhuǎn)速點進行工作時軸的橫向撓度也未必很大,因此,對低轉(zhuǎn)速攪拌來說,攪拌轉(zhuǎn)速避開臨界轉(zhuǎn)速不需要太多。根據(jù)筆者的經(jīng)驗,轉(zhuǎn)速越低,越可以在接近臨界轉(zhuǎn)速的工作點進行工作,但缺乏有理論性的數(shù)據(jù)與判據(jù),因此此處僅將此概念提出。
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