PL234579B1

PL234579B1 - Dispergating mixer with pulsating heat exchanger

Info

Publication number: PL234579B1
Application number: PL421328A
Authority: PL
Inventors: Sławomir Pietrowicz; Sła Womir Pietrowicz; Przemysław Błasiak; Siak Przemysła W Bła; Cezary Czajkowski; Andrzej Nowak; An Drzej Nowak; Józef Rak; Agnieszka Żuraw; Agn Ieszka Żuraw; Szymon Barylak
Original assignee: Globimix Spolka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia; Politechnika Wroclawska
Priority date: 2017-04-18
Filing date: 2017-04-18
Publication date: 2020-03-31
Also published as: PL421328A1

Abstract

Mieszadło dyspergujące z pulsacyjnym wymiennikiem ciepła przeznaczone do sporządzania w kadziach zawiesin ciał stałych w substancjach płynnych i utworzone z wału (1), w którego dolnym końcu zamocowana jest tarcza dyspergująca (2). Mieszadło wyposażone jest w meandrycznie ukształtowane rurki ciepła (3), które w części parowania (3a) umiejscowione są przyległe do tarczy dyspergującej (2), w części adiabatycznej (3b) umiejscowione są współosiowo do wału (1) a w części skraplania (3c) wprowadzone są do osadzonego na wale (1) wyposażonego w króciec dolotowy (4a) i króciec wylotowy (4b) zbiornika płynu zmiennofazowego (4), w którym wał (1) wraz z rozmieszczonymi wokół niego rurkami ciepła (3) osadzony jest obrotowo, przy czym w części adiabatycznej (3b) rurki ciepła (3) zabezpieczone są termoizolacyjnie.A dispersing mixer with a pulsating heat exchanger intended for preparing suspensions of solids in liquid substances in vats and composed of a shaft (1) with a dispersing disc (2) mounted at its lower end. The mixer is equipped with meander-shaped heat pipes (3), which in the evaporation part (3a) are located adjacent to the dispersing disc (2), in the adiabatic part (3b) they are located coaxially to the shaft (1) and in the condensation part (3c) introduced are to the phase change fluid tank (4) mounted on the shaft (1), equipped with an inlet port (4a) and an outlet port (4b), in which the shaft (1) together with the heat pipes (3) arranged around it are mounted rotatably, in the adiabatic part (3b), the heat pipes (3) are thermally insulated.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest mieszadło dyspergujące z pulsacyjnym wymiennikiem ciepła przeznaczone do sporządzania w kadziach zawiesin ciał stałych w substancjach płynnych i znajdujące zastosowanie przy produkcji farb, lakierów, powłok malarskich, kosmetyków, produktów farmaceutycznych, chemikaliów budowlanych, klejów, spoiw pian poliuretanowych, past PCV i innych produktów im podobnych.The subject of the invention is a dispersing mixer with a pulsating heat exchanger intended for the preparation of suspensions of solids in liquid substances in tanks and used in the production of paints, varnishes, paint coatings, cosmetics, pharmaceutical products, construction chemicals, adhesives, polyurethane foam binders, PVC pastes and others similar products.

Rurka ciepła to wysokiej efektywności proste urządzenie technicznie, służące do transportu ciepła. Cechą charakterystyczną rurki ciepła jest to, że może ona odebrać strumień ciepła o dużej gęstości z ośrodka chłodzonego i przekazać go do górnego źródła ciepła. Rurka ciepła posiada możliwość pracy w zakresie temperatur, od temperatur kriogenicznych (-243°C) do temperatur wysokich rzędu 2000°C. Rurki ciepła mogą być zorientowane w pionie, w poziomie lub pod dowolnym kątem. Przyjmuje się, że dla rurek konwencjonalnych istnieje minimalny kąt, przy którym działają one poprawnie i wynosi on 8°. W swojej konwencjonalnej formie rurka ciepła to wykonana na przykład z miedzi lub aluminium, zamknięta z dwóch stron rura cienkościenna wypełniona płynem roboczym, na przykład amoniakiem, alkoholem etylowym lub rtęcią. Wewnątrz rurki znajduje się materiał porowaty, tak zwany knot, który jest nasycony fazą ciekłą czynnika niskowrzącego. Pozostałą objętość rurki wypełnia jego faza parowa. Ciepło jest absorbowane z dolnego źródła w części zwanej sekcją parownikową, w której następuje odparowanie ciekłego czynnika. Wywołana w ten sposób różnica ciśnień prowadzi do tego, że czynnik w fazie parowej przemieszcza się do sekcji skraplającej, gdzie ulega skropleniu i oddaje ciepło do górnego źródła ciepła. W rurkach grawitacyjnych skroplona ciecz w postaci filmu powraca do sekcji parownikowej pod wpływem sił grawitacyjnych. Jeżeli rurka wyposażona jest w knot, to jego kapilarna struktura powoduje powrót czynnika do sekcji parownikowej i ponowne jego odparowanie. Procesy parowania i skraplania w rurce ciepła odbywają się tak długo, jak długo istnieje różnica temperatur między obydwoma końcami rurki. Znane są również rurki ciepła wyposażone w zawór dławiący. Zasada działania rurki ciepła z dławieniem pary przy użyciu zaworu dławiącego opiera się na zjawisku dławienia przepływu pary pomiędzy sekcją parowania i sekcją skraplania. Przyczynia się to do powstania różnicy ciśnień między tymi dwiema sekcjami, co automatycznie przekłada się na różnicę temperatur. Ciepło zaabsorbowane z dolnego źródła ciepła powoduje podwyższenie temperatury sekcji parownika, co przekłada się na podgrzanie płynu kontrolującego, a tym samym na zamknięcie się zaworu dławiącego. Jeżeli temperatura się obniży, to zawór dławiący zostanie otwarty. Zaletą rurek ciepła z zaworem dławiącym jest to, że nie wyłącza się z pracy żadnej części sekcji skraplającej rurki ciepła. Zawór dławiący jest sterowany warunkami panującymi w części skraplającej, przepływ pary z sekcji parowania do sekcji skraplającej jest nieograniczony, natomiast przepływ w drugą stronę powoduje zamykanie zaworu dławiącego. Zastosowanie rurek ciepła jest wielorakie i tak na przykład:The heat pipe is a high-efficiency, technically simple device used to transport heat. A characteristic feature of the heat pipe is that it can receive a high-density heat flux from the cooled medium and transfer it to the upper heat source. The heat pipe has the ability to operate in a temperature range from cryogenic temperatures (-243 ° C) to high temperatures of 2000 ° C. Heat pipes can be oriented vertically, horizontally or at any angle. Conventional tubing is assumed to have a minimum operating angle of 8 °. In its conventional form, the heat pipe is, for example, copper or aluminum, a thin walled tube closed on two sides and filled with a working fluid, for example ammonia, ethyl alcohol or mercury. Inside the tube is a porous material, a so-called wick, which is saturated with the liquid phase of the low-boiling agent. The remaining volume of the tube is filled by its vapor phase. The heat is absorbed from the ground source in a section called the evaporator section where the liquid refrigerant evaporates. The pressure difference caused in this way leads to the fact that the refrigerant in the vapor phase moves to the condensing section, where it condenses and gives off heat to the upper heat source. In gravity tubes, the condensed liquid in the form of a film returns to the evaporator section under the influence of gravitational forces. If the tube is equipped with a wick, its capillary structure causes the medium to return to the evaporating section and evaporate again. The evaporation and condensation processes in the heat tube continue as long as there is a temperature difference between both ends of the tube. Heat pipes equipped with a throttle valve are also known. The principle of operation of the heat pipe with steam throttling using a throttle valve is based on the phenomenon of throttling the steam flow between the evaporation section and the condensation section. This contributes to the pressure difference between the two sections, which automatically translates into the temperature difference. The absorbed heat from the ground heat source causes an increase in the temperature of the evaporator section, which translates into the heating of the control fluid, and thus into the closure of the throttle valve. If the temperature drops, the throttle valve will open. An advantage of heat pipes with a throttle valve is that no part of the condensing section of the heat pipe is shut down. The throttle valve is controlled by the conditions in the condensing section, the flow of steam from the evaporation section to the condensing section is unrestricted, while the reverse flow causes the throttle valve to close. The use of heat pipes is manifold, for example:

W chińskim zgłoszeniu patentowym CN105458316 rurki ciepła znalazły zastosowanie do odbioru ciepła w nożu ręcznym. W amerykańskim patencie US7547124 rurki ciepła znalazły zastosowanie do odbioru ciepła z instalacji oświetleniowej LED. A w europejskim zgłoszeniu patentowym EP2738006 rurki ciepła znalazły zastosowanie w urządzeniu drukującym do dostarczania ciepła do głowicy drukującej. Ogrzewanie ciepłem z rurki głowicy drukującej powoduje kropelkowe, z góry ustalone wzorem podawanie atramentu.In Chinese patent application CN105458316, heat pipes are used for heat reception in a hand knife. In the American patent US7547124, heat pipes are used to collect heat from LED lighting installations. And in European patent application EP2738006, heat pipes have found use in a printing apparatus for supplying heat to a print head. Heating by heat from the printhead tube produces droplet-like, patterned ink delivery.

Znany jest z powszechnego stosowania mieszalnik farmaceutyczny zbudowany ze zbiornika otoczonego płaszczem grzewczym, w którego górnej części zainstalowany jest króciec wlotowy, a w dolnej króciec wylotowy. Nad zasobnikiem roboczym zainstalowany jest motoreduktor, którego wał wyjściowy połączony jest ze znajdującym się w zbiorniku roboczym mieszadłem dyspergującym.A pharmaceutical mixer is commonly used, made of a tank surrounded by a heating jacket, with an inlet port in the upper part, and an outlet port in the lower part. A motoreducer is installed above the working tank, the output shaft of which is connected to the dispersing agitator located in the working tank.

Znane jest z polskiego wzoru użytkowego Ru.60956 mieszadło dyspergujące posiadające wał ułożyskowany w konsoli zamocowanej na wysięgniku osadzonym na kolumnie i połączony z napędem za pośrednictwem przekładni. Do końca wału umocowana jest tarcza zębata, a pod konsolą, do wału na kompensatorze mieszkowym, zamocowana jest pokrywa kadzi.It is known from the Polish utility model Ru.60956 a dispersing agitator having a shaft mounted in a console mounted on a boom mounted on a column and connected to the drive via a gear. The toothed disk is attached to the end of the shaft, and the ladle cover is attached to the shaft on the bellows compensator under the console.

Znany jest z polskiego opisu patentowego PL 219385 pionowy mieszalnik przepływowy z elementem mieszającym przeznaczony do mieszania płynów, szczególnie układów wielofazowych i prowadzenia procesów kinetycznych, wyposażony w obudowę, rury i turbinki mieszające. Poza tym, mieszalnik zawiera co najmniej jeden człon mieszający oraz dolny człon z pokrywą i rozdzielaczem, wewnętrzny współosiowy wymiennik ciepła i górny człon stożkowy, przy czym człon mieszający zawiera trzy turbinki z co najmniej jedną łopatką, umiejscowione na osiach prostopadłych do osi mieszalnika, umieszczoneKnown from the Polish patent specification PL 219385 is a vertical flow mixer with a mixing element intended for mixing liquids, especially multiphase systems and conducting kinetic processes, equipped with a casing, pipes and mixing turbines. In addition, the mixer includes at least one mixing member and a bottom member with a cover and a distributor, an internal coaxial heat exchanger and an upper conical member, the mixing member including three turbines with at least one blade positioned on axes perpendicular to the axis of the mixer.

PL 234 579 B1 w obudowie, przedzielonej trzema współosiowymi zewnętrznymi rurami z króćcami doprowadzającymi i odprowadzającymi, i zakończonej z obu stron kołnierzami.PL 234 579 B1 in the housing, divided by three coaxial external pipes with inlet and outlet nozzles, and ended on both sides with flanges.

Znany jest z polskiego opisu patentowego PL 220211 mieszalnik statyczny wyposażony w korpus z płaszczem obróbki cieplnej, mieszadło tarczowe, pokrywę i dno oraz króćce. Mieszadło tarczowe zbudowane jest z tarcz wewnętrznych i tarcz zewnętrznych połączonych z piastami i rozmieszczonych na środkowej rurze naprzemiennie jedna nad drugą na całej długości mieszalnika. Tarcza wewnętrzna ma kształt ściętego stożka, który na pobocznicy ma nacięcia w kierunku od mniejszej średnicy do większej średnicy, zaś swobodne końce są skręcone i na mniejszej średnicy tarczy wewnętrznej pr zymocowane są do piasty. Tarcza zewnętrzna ma kształt stożka ściętego, który na pobocznicy ma nacięcia w kierunku od większej do mniejszej średnicy, zaś swobodne końce od strony większej średnicy tarczy zewnętrznej są skręcone.There is known from the Polish patent description PL 220211 a static mixer equipped with a body with a heat treatment jacket, a disk agitator, a cover and a bottom as well as connectors. The disc agitator is made of internal and external discs connected with the hubs and placed on the central pipe alternately one above the other along the entire length of the mixer. The inner disk has the shape of a truncated cone, which is cut on the side surface from the smaller diameter to the larger diameter, and the free ends are twisted and on the smaller diameter of the inner disk are attached to the hub. The outer disc has the shape of a truncated cone, which is incised on the side surface in the direction from the larger to the smaller diameter, and the free ends on the larger diameter side of the outer disc are twisted.

Znany jest z polskiego zgłoszenia patentowego P.403677 mieszalnik statyczny do mieszania cieczy, zawierający zbiornik, płaszcz termostatujący i co najmniej jedno mieszadło osadzone na pręcie montażowym, w osi zbiornika, składające się z piasty, do której przymocowane są krótszymi krawędziami co najmniej dwie wewnętrzne łopatki, których dłuższe, przeciwległe krawędzie przymocowane są do wewnętrznej powierzchni cylindrycznej przegrody. Do zewnętrznej powierzchni cylindrycznej przegrody przymocowane są krótszymi krawędziami co najmniej dwie zewnętrzne łopatki, przy czym wewnętrzne łopatki pochylone są w przeciwną stronę niż zewnętrzne łopatki. Przy dnie zbiornika, w jego osi, umieszczona jest bełkotka składająca się z cylindrycznej przegrody, do wewnętrznej powierzchni, do której przymocowana jest, za pomocą prętów, pierścieniowa, perforowana rura.There is known from the Polish patent application P.403677 a static mixer for mixing liquids, including a tank, a thermostatic jacket and at least one agitator mounted on a mounting bar, in the axis of the tank, consisting of a hub, to which at least two internal blades are attached with shorter edges. the longer, opposite edges of which are attached to the inner surface of the cylindrical partition. At least two outer blades are attached to the outer surface of the cylindrical baffle with their short edges, the inner blades tilted in the opposite direction to the outer blades. At the bottom of the tank, in its axis, a bubbler is placed, consisting of a cylindrical partition, on the inner surface to which an annular, perforated tube is attached with rods.

W kadziach urządzeń mieszalniczych podczas mieszania substancji wytwarzają się wysokie temperatury. Niekontrolowany wzrost temperatur obniża sprawność urządzenia mieszalniczego, może także prowadzić do wypadku, w związku z czym powszechnie urządzenia mieszalnicze wyposaża się w wymienniki ciepła schładzające mieszane substancje. Wadą znanych rozwiązań jest brak chłodzenia bezpośrednio w miejscu generowania się ciepła, a więc przy łopatkach tarczy dyspergującej.High temperatures are generated in the mixing vats of mixing equipment. Uncontrolled temperature rise lowers the efficiency of the mixing device, and can also lead to an accident, therefore mixing devices are commonly equipped with heat exchangers to cool the mixed substances. The disadvantage of the known solutions is the lack of cooling directly at the place of heat generation, i.e. at the blades of the dispersing disc.

Mieszadło dyspergujące z pulsacyjnym wymiennikiem ciepła utworzone z wału, w którego dolnym końcu zamocowana jest tarcza dyspergująca, według wynalazku charakteryzuje się tym, iż wyposażone jest w meandrycznie ukształtowane rurki ciepła, które w części parowania umiejscowione są przylegle do tarczy dyspergującej, w części adiabatycznej umiejscowione są współosiowo do wału, a w części skraplania wprowadzone są do osadzonego na wale i wyposażonego w króciec dolotowy i króciec wylotowy zbiornika płynu zmiennofazowego, w którym wał wraz z rozmieszczonymi wokół niego rurkami ciepła osadzony jest obrotowo, przy czym w części adiabatycznej rurki ciepła zabezpieczone są termoizolacyjnie.The dispersing mixer with a pulsating heat exchanger made of a shaft, at the lower end of which a dispersing disc is mounted, according to the invention is characterized by the fact that it is equipped with meandrically shaped heat pipes, which in the evaporation part are located adjacent to the dispersing disc, in the adiabatic part they are located coaxially to the shaft, and in the condensation part, they are introduced into the phase change fluid reservoir mounted on the shaft and equipped with an inlet and outlet stub, in which the shaft with heat pipes arranged around it is rotatably mounted, while in the adiabatic part of the heat pipes they are thermally insulated.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest odbiór ciepła bezpośrednio w miejscu jego generowania, co przekłada się na wyższą sprawność urządzenia mieszalniczego, w którym mieszadło według wynalazku znajdzie zastosowanie.The advantage of the solution according to the invention is the collection of heat directly at the place of its generation, which translates into a higher efficiency of the mixing device in which the stirrer according to the invention will be used.

Przedmiot wynalazku został uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia mieszadło w widoku z boku w przekroju wzdłuż osi wału, fig. 2 - tarczę dyspergującą w widoku z góry, fig. 3 zbiornik płynu zmiennofazowego w przekroju prostopadłym do osi wału, fig. 4 - dolny fragment mieszadła w przekroju wzdłuż osi wału, a fig. 5 - wał wraz z osadzonymi wokół niego rurkami ciepła w przekroju prostopadłym do osi wału.The subject of the invention has been shown in the drawing, in which fig. 1 shows the stirrer in a side view, sectioned along the shaft axis, fig. 2 - the dispersing disc in a top view, fig. 3 a phase change fluid reservoir in a cross-section perpendicular to the shaft axis, fig. 4 - the lower fragment of the stirrer in a section along the shaft axis, and Fig. 5 - the shaft with heat pipes mounted around it, in a cross section perpendicular to the shaft axis.

Mieszadło dyspergujące z pulsacyjnym wymiennikiem ciepła w przykładzie wykonania według wynalazku utworzone jest z wału 1, tarczy dyspergującej 2 zamocowanej na dolnym końcu wału 1 oraz kilku meandrycznie ukształtowanych rurek ciepła 3, z których każda w części parowania 3a zamocowana jest przyległe do tarczy dyspergującej 2, w części adiabatycznej 3b umiejscowiona jest współosiowo do wału 1, przy jego pobocznicy, a w części skraplania 3c wprowadzona jest do osadzonego na wale 1 zbiornika płynu zmiennofazowego 4 wyposażonego w króciec dolotowy 4a i króciec wylotowy 4b. W części skraplania 3c i w części parowania 3a rurki ciepła 3 zorientowane są prostopadle do osi wzdłużnej wału 1. Rurki ciepła 3 w części adiabatycznej 3b są zaizolowane termicznie poprzez otoczenie ich współosiowo osadzoną na wale 1 tuleją 6 oraz wypełnienie przestrzeni pomiędzy rurkami ciepła 3, wałem 1 i tuleją 6 izolatorem termicznym 5. Wał 1 wraz z rozmieszczonymi wokół niego, symetrycznie, rurkami ciepła 3, osadzony jest obrotowo w zbiorniku płynu zmiennofazowego 4. Obrotowo w zbiorniku płynu zmiennofazowego 4 wał 1 osadzony jest poprzez ułożyskowanie oraz uszczelnienie 7, wprowadzonej wraz z wałem 1 w spodnią ściankę zbiornika płynu zmiennofazowego 4, tulei 6 oraz bezpośrednie ułożyskowanie i uszczelnienie 7, wychodzącego ze zbiornika płynu zmiennofazowego 4 wału 1 w górnej ściance zbiornika płynu zmiennofazowego 4. Rurki ciepła 3 do tarczy dyspergującej 2The dispersing mixer with pulsating heat exchanger in an embodiment according to the invention consists of a shaft 1, a dispersing disc 2 mounted on the lower end of the shaft 1 and several meanderingly shaped heat pipes 3, each of which in the evaporation part 3a is attached adjacent to the dispersing disc 2, in the adiabatic part 3b is located coaxially to the shaft 1, at its side, and in the condensation part 3c, it is introduced into the phase change fluid tank 4 mounted on the shaft 1, equipped with an inlet stub pipe 4a and an outlet stub pipe 4b. In the condensation part 3c and in the vaporization part 3a, the heat pipes 3 are oriented perpendicular to the longitudinal axis of the shaft 1. The heat pipes 3 in the adiabatic part 3b are thermally insulated by surrounding them with a sleeve 6 coaxially mounted on the shaft 1 and filling the space between the heat pipes 3, the shaft 1 and a sleeve 6 with a thermal insulator 5. The shaft 1 with symmetrically arranged around it, heat pipes 3, is rotatably mounted in the phase change fluid reservoir 4. Rotationally in the phase change fluid reservoir 4, the shaft 1 is seated through a bearing and a seal 7 introduced with the shaft 1 to the bottom wall of the phase change fluid reservoir 4, sleeve 6 and the direct bearing and seal 7 of the shaft 1 coming out of the phase change fluid reservoir 4 in the top wall of the phase change fluid reservoir 4. Heat pipes 3 to the dispersing disc 2

PL 234 579 B1 zamocowane są poprzez przylutowanie albo spawanie. Wzdłuż osi wału 1 rurki ciepła 3 mogą być zamocowane wokół niego poprzez osadzenie ich w otaczającej wał 1 tulejowatej matrycy, stanowiącej jednocześnie izolator termiczny 5. Tuleję 6 i izolator termiczny 5 rurek ciepła 3 wytwarza się z materiału o wysokiej elastyczności oraz niskim współczynniku przewodzenia ciepła. Tuleja 6 może być z plastiku, poliuretanu, kauczuku, a izolacja termiczna 5 z pianki z tworzyw sztucznych, pianki kauczukowej, pianki poliuretanowej czy pianki polietylenowej. Mieszadło w urządzeniu mieszającym ułożyskowane jest przy użyciu osadzonych na wale 1 łożysk 8. Uszczelnienie 7 zbiornika płynu zmiennofazowego 4 utworzone jest przy użyciu simmeringów. W rozwiązaniu według wynalazku stosuje się rurki ciepła 3 z zaworem dławiącym, co powoduje, iż mamy do czynienia z pulsacyjną wymianą ciepła. Odbierane w sekcji parowania od tarczy dyspergującej 2 ciepło w sekcji skraplania od rurek ciepła 3 odbierane jest przepuszczanym przez zbiornik płynu zmiennofazowego 4 czynnikiem roboczym, na przykład wodą.They are fixed by soldering or welding. Along the axis of the shaft 1, the heat pipes 3 can be fixed around it by embedding them in a sleeve-like matrix surrounding the shaft 1, which is also a thermal insulator 5. The sleeve 6 and the thermal insulator 5 of the heat pipes 3 are made of a material with high elasticity and low thermal conductivity. The sleeve 6 can be made of plastic, polyurethane, rubber, and the thermal insulation 5 can be made of plastic foam, rubber foam, polyurethane foam or polyethylene foam. The agitator in the mixing device is mounted with the use of bearings 8 mounted on the shaft 1. The seal 7 of the phase change fluid tank 4 is created by means of simmerings. In the solution according to the invention, heat pipes 3 with a throttle valve are used, which results in a pulsatile heat exchange. The heat received in the evaporation section from the dispersion plate 2 from the heat pipes 3 in the condensation section is taken away by a working medium, for example water, passed through the phase change fluid reservoir 4.

Claims

Patent claim

1. A dispersing mixer with a pulsating heat exchanger made of a shaft, at the lower end of which a dispersing disk is mounted, characterized in that it is equipped with meandrically shaped heat pipes (3), which in the evaporation part (3a) are located adjacent to the dispersing disk ( 2), in the adiabatic part (3b) they are located coaxially to the shaft (1), and in the condensation part (3c) they are introduced to the shaft (1) fitted with the inlet stub (4a) and the outlet stub (4b) of the phase change fluid tank ( 4), in which the shaft (1) with the heat pipes (3) arranged around it is rotatably mounted, and the heat pipes (3) are secured in the adiabatic part (3b) with thermal insulation.