CN101003007A - 管道静态混合器的双锥面多流道混合单元体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管道静态混合器的双锥面多流道混合单元体，属于流体混合单元体技术。该混合单元体包括A端面径向形状为一圆管口，B端面形状为：由两个同心虚拟圆的等分圆心角的两条边所夹的小直径圆的圆弧段，与相邻的圆心角的两边所夹的大直径圆的圆弧段以及圆心角的夹边在两圆之间的径向距离线段，连续联接构成的周向齿环口。轴向表面形状为：由锥面凹槽与锥面凸棱相间排列构成流体多通道。本发明的优点在于，结构简单，混合效率高，流动阻力低，流动无死区，对边界层的剥离效果较好。该混合元件可作为通常用途的静态混合器，广泛地应用于管内混合、强化传热及温度均化情况。同时可作应用于平推流反应器的制作，替代全混流搅拌式反应器。
Description
技术领域
本发明涉及一种管道静态混合器的双锥面多流道混合单元体，属于流体混合单元体技术。
背景技术
流体在流动过程中不可避免的产生滞流边界层，当流体流过固体壁面时，根据牛顿粘性定律，在垂直于流体流动方向上便产生了速度梯度，边界层的界限延伸至壁面无穷远处，滞流边界层的存在严重影响流体的传热及传质性能。在传热传质过程中，大部分的阻力集中在滞流边界层中，因此，如何消除或减弱边界层的影响为传质传热过程中一个重要的问题。
在分离滞流边界层的方法中，目前应用较为广泛的为静态混和器。在静态混合器中，流体只要流过静态元件就可以使它们混合均匀。一般来说，构成静态混合器的元件是比较类似的。这些元件一个接一个地排放在管道中；当流体流过它们时，就会被扭转大约90°，而重新分布。流体是否不断的被分割、是否连续的重新分布和汇合都影响着混合的效果。二十世纪七十年代初期，有关静态混合器的研究成果不断地涌现，而且逐年增多。在当前所使用的静态混和器中，比较常用的为KENICS，日本东丽，Sulzer几种，后两种虽然效果较好，但结构复杂，压降比较大，KENICS结构简单，压降小，但效果较差。目前大多数研究的焦点都集中在寻找混合及传热效果与阻力损失的良好的结合点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种管道静态混合器的双锥面多流道混合单元，该混合单元体，用于流体的混合与传热，效率高，压降低。
本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种管道静态混合器的双锥面多流道混合单元体，其特征在于该混合单元体轴向方向的A端面1径向形状为一圆管口；B端面2形状为：由直径大于和小于A端面圆口直径的两个同心虚拟圆的等分圆心角的两条边所夹的小直径圆的圆弧段2-1，与相邻的圆心角的两边所夹的大直径圆的圆弧段2-2以及圆心角的夹边在两圆之间的径向距离线段2-3，连续联接构成的周向齿环口；所述的混合单元体由A端面至B端面的轴向表面形状为：由锥面凹槽3-1与锥面凸棱3-2相间排列构成流体多通道，所述的锥面凹槽，是由A端面圆上的等分圆弧段的两个端点，从该两个端点至B端面至小直径圆上的两条锥母线所夹的条锥面3-1-1，与从该两点分别至B端面上的小直径虚拟圆上圆弧段和大直径虚拟圆上圆弧段的圆锥母线C-C’和C-C″以及D-D’和D-D″之间的两个侧平面3-1-2所构成；所述的锥面凸棱，是由从A端面的分弧段的两个端点至B端面上的大直径虚拟圆上的两条锥母线所夹条锥面3-2-1，与相邻的两个锥面凹槽的侧平面3-1-2构成的流体的散流束通道；由A端面圆口与B端面小直径虚拟圆的构成锥面凹槽的弧段构成流体的主流通道3-3。
上述双锥多流道混合单元体是由2个或2个以上沿管路中心线轴对称的锥面凹槽和相同数目的沿管路中心线轴对称的锥面凸棱以及一个管路中心的圆台状主流道和两个或多个圆柱形的支撑体3-4组成。
上述双锥面多流道混合单元体B端面大直径虚拟圆直径与A端面至B端面的轴向间距之比为0.5-2∶1
上述双锥面多流道混合单元体的A端面直径与B端面大直径虚拟圆直径比为0.5-0.9∶1，A端面直径与B端面小直径圆直径比为1∶0.1-0.9。
上述双锥面多流道混合单元体的A端面圆的分弧段，用于构成椎面凸棱的弧段与用于构成椎面凹槽的弧段对应圆心角之比为0.5-2∶1
本发明的双锥面多流道混合单元体在管内使用时可使流体产生三维流动，流体在经过双锥面多流道混合单元体时，由于主流道沿流动方向截面逐渐减小，一部分液体被挤压至散流束通道中，而随着散流束通道截面逐渐增加，被迫进入散流束通道的液体也逐渐增加，而在主流道外部的液体，由于受到不断扩张的散流束通道条锥面的影响，流体不断汇总到聚流束通道当中，而由于聚流束通道截面的不断增加，也促使了流体向聚流束通道中聚集。当流体流过第一个双锥面多流道混合单元体到达第二个双锥面多流道混合单元体时，聚流束通道的液体一部分进入到主流道中，而在边缘的部分则沿聚流束流道条锥面逐渐进入到中心处，并继续与两侧被散流束流道条锥面挤压过来的流体混合。散流束通道中的液体接近中心处的部分会到主流道中又导流至中心处，外部的液体则如前所述被挤压至聚流束通道中。如此循环下去，液体不仅实现了换位，而且实现了混合，流体不断的在管路中心与边缘区的换位和混合保证了流速的均化，并同时减弱了边界层效应，缩小了停留时间的差距。若应用于加热场合，则可有效地消除热边界层和流体内部的温度梯度，达到强化传热的目的。
为消除条锥面与侧平面之间直接连接造成的负面影响，可在连接处倒角，倒角的大小视双锥面多流道混合单元体的尺寸而定，以使流体的流动消除死角。
本发明的用途广泛，可应用于流体输送管路、传热强化管、温度均化器、高效管道反应器以及萃取、乳化、染色等方面。应用于不同的场合时，可选用不同结构参数。
本发明作为一种新型的静态混合器，具有如下优点：
1.结构简单，制作及安装便利，加工成本低；
2.混合效率高，流体流速均化作用明显，停留时间分部得到良好改善；
3.流动阻力低，达到相同的混合或传热效果的能耗小；
4.流动无死区，不会发生个别流股无法流出混合器的情况；
5.对边界层的剥离效果较好，使流速较高的液体不断导流至壁面处，增强管内对流传热系数，强化传热；
6.可替代机械搅拌釜式反应器，制作连续式反应器；
7.针对不同的应用场合和操作条件，可灵活改变双锥面多流道混合单元体结构参数，达到最优化。
附图说明
1.图1为本发明结构示意图。
2.图2为图1中A端面轴向示意图。
3.图3为图1中B端面轴向示意图。
图中，1是A端面，2-1是小直径圆的圆弧段，2-2是大直径圆的圆弧段2-3是径向距离线段，3-1-1是锥面凹槽条锥面，3-1-2是侧平面，3-2-1是锥面凸棱条锥面，3-4是圆柱状支撑体。C-C’和D-D’是锥面凸棱圆锥母线，C-C″和D-D″是锥面凹槽圆锥母线。
具体实施方式
以下为本发明在强化传热方面的一个实施例，但所述双锥面多流道混合单元体的作用不仅于此，仅举一例说明。
实施例
采用的管道静态混合器的双锥面多流道混合单元长度为0.1m，B端面大直径圆直径为0.1m，它含有四个散流束流道和四个聚流束流道，A端面直径为0.08m，B端面小直径圆直径为0.04m，用于构成椎面凸棱的弧段与用于构成椎面凹槽的弧段对应圆心角之均为45°，元件壁厚为2mm。利用Fluent流体力学计算软件进行模拟传热计算，模拟物理模型为管路直径为0.1m，总长为0.6m。内含五个双锥面多流道混合单元体的。B端面最大直径圆管壁紧密连接，五个混合元件均布在管路中，间距为0.017m。得到的传热效果与相同条件下的空管进行了对比。实验介质为水，流速0.01m/s，进口温度300k，壁面恒定温度273.15k。含双锥混合元件管路出口质量流率平均温度318.7k，出口温度标准差11.4k，传热功率为6247.9w，传热系数为382.4w/m2k，而相同条件下空管的出口质量流率平均温度为305.8k，出口温度标准差20.3k，传热功率为1805.1w，传热系数为111.6w/m2k。在加入双锥面多流道混合单元体后，传热效果约提高了3.45倍，温度的均化程度也要明显好于空管。
Claims (5)
1.一种管道静态混合器的双锥面多流道混合单元体，其特征在于该混合单元体轴向方向的A端面(1)径向形状为一圆管口；B端面(2)形状为：由直径大于和小于A端面圆口直径的两个同心虚拟圆的等分圆心角的两条边所夹的小直径圆的圆弧段(2-1)，与相邻的圆心角的两边所夹的大直径圆的圆弧段(2-2)以及圆心角的夹边在两圆之间的径向距离线段(2-3)，连续联接构成的周向齿环口；所述的混合单元体由A端面至B端面的轴向表面形状为：由锥面凹槽(3-1)与锥面凸棱(3-2)相间排列构成流体多通道，所述的锥面凹槽，是由A端面圆上的等分圆弧段的两个端点，从该两个端点至B端面至小直径圆上的两条锥母线所夹的条锥面(3-1-1)，与从该两点分别至B端面上的小直径虚拟圆上圆弧段和大直径虚拟圆上圆弧段的圆锥母线C-C’和C-C″以及D-D’和D-D″之间的两个侧平面(3-1-2)所构成；所述的锥面凸棱，是由从A端面的分弧段的两个端点至B端面上的大直径虚拟圆上的两条锥母线所夹条锥面(3-2-1)，与相邻的两个锥面凹槽的侧平面(3-1-2)构成的流体的散流束通道；由A端面圆口与B端面小直径虚拟圆的构成锥面凹槽的弧段构成流体的主流通道(3-3)。
2.按权利要求1所述的管道静态混合器的双锥面多流道混合单元体，其特征在于，该混合单元体是由2个或2个以上沿管路中心线轴对称的锥面凹槽和相同数目的沿管路中心线轴对称的锥面凸棱以及一个管路中心的圆台状主流道和两个或多个圆柱形的支撑体(3-4)组成。
3.按权利要求1所述的管道静态混合器的双锥面多流道混合单元体，其特征在于，混合单元体B端面大直径虚拟圆直径与A端面至B端面的轴向间距之比为0.5-2∶1。
4.按权利要求1所述的管道静态混合器的双锥面多流道混合单元体，其特征在于，混合单元体的A端面直径与B端面大直径虚拟圆直径比为0.5-0.9∶1，A端面直径与B端面小直径圆直径比为1∶0.1-0.9。
5.按权利要求1所述的管道静态混合器的双锥面多流道混合单元体，其特征在于，混合单元体的A端面圆的分弧段，用于构成椎面凸棱的弧段与用于构成椎面凹槽的弧段对应圆心角之比为0.5-2∶1。
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