Научен ръководител: проф дтн Серафим Влаев

Заимствайки идеи от съвременната аеродинамиката на самолетните крила, в този раздел са разгледани варианти на формата, реализирани в няколко конструкции, модифициращи известната турбинна бъркачка с наклонени лопатки. Изследвани са две групи: с две и с четири лопатки, като са използвани елементи на екраниране на водещия ръб чрез оформяне на правоъгълен канал (тунел) и вариране на основната работната повърхност. Използван е сравнителен подход, основан на анализа на редица параметри характеризиращи хидродинамичната картина, наблюдавана при отделните модификации с използването на изчислителни и лабораторни техники.

Изследвани бяха три образци двулопаткови разбъркващи устройства с наклонени лопатки. Основните модификации бяха в две направления: редуцирана обща площ чрез специфична трапецовидна форма и екраниране на водещия ръб чрез „надкрилка” с цел изграждане на ускоряващ потока правоъгълен канал между лопатката и шлюза монтиран над нея. Лопатките бяха наклонени на 45º спрямо хоризонталната равнина подобно на конвенционалната бъркачка. Всички разбъркващи устройства бяха тип "възходящ поток" /upflow/. Конструкциите са показани на фиг.13. Валидни са следните съкращения:

• 
  ТB2 – трапецовидна наклонена лопатка;
  
• 
  STB2 – трапецовидна наклонена лопатка с „надкрилка“ над водещия ръб оформяща правоъгълен канал (S:slot) прототип на EKATO Interprop^® (без данни в литературата);
  
• 
  ЕТВ2 – трапецовидна наклонена лопатка с увеличена (E: extended) контактна повърхност прототип на EKATO Viscoprop^® (без данни в литературата);
  
• 
  VETB2 – трапецовидна лопатка с увеличена контактна повърхност и вертикално (V:vertical) разположение на лопатките (добавена с цел сравнение).
  

Фиг. 13 Схема на анализираните конструкции с две лопатки.

Първоначално бяха анализирани скоростните профили (при 600 rpm за вода) съответстващи на вертикална равнина, минаваща през средата на съда и между надлъжните прегради – фиг. 14.

Фиг. 14. Контури на скоростта в надлъжно сечение на съда

Интересният ефект при STB2 най-вероятно се дължи на насочващият канал между крилото и самата лопатка. Преминавайки през него, потокът придобива ускорение, при което се изменя характера на изтласкването и в горната 1/3 от обема потоците се разделят /"разцепват"/ в два циркулационни контура. Това е добре онагледено на фиг.15, представляваща скоростните вектори във вертикална равнина. ETB2 и VETB2 формират еднокръгова осева (в единият случай) и радиална (в другия) циркулация, докато ТB2 показва зараждане на втори циркулационен кръг, който при STB2 е вече ясно очертан и добре оформен.

Данните от скоростните профили и векторните диаграми насочват към един по-детайлен поглед върху скоростните слагаеми и по-специално осевата скорост. За целта бяха намерени визуализирани повърхнините на постоянна осева скорост 0,1 m/s; 0,2 m/s и 0,3 m/s (фиг.16). Паралелно бе изчислена и тяхната повърхност. Информацията е представена в таблица 5.

Фиг.16 Форма и разположение на повърхнинте с постоянна осева скорост.

Таблица 5 Площ на зоните с постоянна осева скорост

Резултатите сочат, че модифицираният образец STB2, благодарение на конструктивно оформения тунел върху горната си повърхност, предизвиква по-равномерно разпределение на скоростите в обема и дава 60% по-голямо разпространение на осевия компонент на скоростта.

По-нататъшният анализ бе насочен към намиране и сравняване на макро параметрите на разбъркване. На табл. 6 са представени критерият на мощност (P_o) и коефициентите на циркулация (F_l) за отделните модификации. Таблицата включва и две отношения – Po/Fl (като индикатор за типа на разбъркващото устройство) и Fl/Po (като показател за интензитета на осевата циркулация за единица безизмерна мощност).

Трябва да се отбележи, че изчислените чрез методите на изчислителната хидродинамика (CFD) критерии на мощност са изключително точни за разлика от експериментално установените такива, при които грешката често е значителна. P_o варира в интервал 0.49 – 1.07, като минималната му стойност съответства на TB2, а максималната - на радиалният VETB2. За сравнение един обикновен пропелер се характеризира с P_o = 0.66. Разглеждайки съотношението P_o/F_l вертикалната модификация VETB2 се идентифицира, като деформационен тип бъркачка (P_o/F_l > 2.5), докато останалите три модификации, могат да бъдат окачествени, като циркулационен тип. По отношение на реципрочната стойност Fl/Po, която може да служи, като оценка на ефективност на осевата циркулация, стойността 0.55 получена при STB2 е 60% по висока от останалите. Това, обединено с вече установената по-горе осева равномерност, дава основание да се твърди, че при екранираните лопатки се постига значително подобрение на работните характеристики. Следователно STB2 би могъл да бъде успешно приложен при процеси на диспергиране.

По-нататък, на базата на скоростните градиенти, бе определена скоростта на деформация, съответно за вътрешната зона около бъркачката () и за зоната обхващаща останалият обем () – Таблица 7. На практика всички модификации поддържат еднаква скорост на деформация в зоната извън бъркачката ~ 11-14 s^-1. Това обаче не важи за вътрешната зона, където крилото над водещият ръб повишава този параметър близо 30%. От гледна точка на вложената мощност е установена различна ефективност e_v по отношение на скоростта на деформация - най-висока при ТB2 и STB2.

Таблица 7 Тангенциална деформация и енергийна ефективност .

Конструкция	ev W/m3	s-1	/ev	s-1	/ev
Осеви
TB2	415	53	0.13	11	0.027
ETB2	490	44	0.09	11	0.022
STB2	578	69	0.12	14	0.024
Радиални
VETB2	892	74	0.083	19	0.023

Изследвани бяха три образци 4-лопаткови разбъркващи устройства с наклонени лопатки. Конструкциите (подобно на т.4.2.1), обхващаха модификации със специфична трапецовидна форма, изменена площ, ъгъл и екраниране на водещия ръб чрез „надкрилка” с цел изграждане на ускоряващ потока правоъгълен канал между лопатката и шлюза монтиран над нея. Всички устройства бяха тип "възходящ поток" /upflow/. Конструкциите са показани на фиг.17. Валидни са следните съкращения:

Фиг.17 Общ изглед на анализираните образци.

Направените конструктивни модификации бяха инициирани от анализ на докладваните тенденции в специализираната литература, като преследваха главно две цели, както следва: 1) намаляване на общата контактна повърхност и ъгъл на атака с цел понижаване на необходимата мощност с очакване за намаляване на съпротивлението чрез редуциране на обратния градиент на налягане от задната страна на лопатката; 2) оформяне на правоъгълен канал (тунел) за предполагаемо допълнително ускоряване на потока в осево направление и изследването на ефекта от неговото въвеждане.

Скоростните контури в централно надлъжно сечение (фиг.18) показват основните качествени различия в разпределението на потоците. Прави впечатление ясно изразения осев поток достигащ до повърхността на съда при образеца STB предизвикан от ускоряването на флуида в канала между лопатката и надкрилката, което доказва първоначалната хипотеза.

Фиг.18 Контури на скоростта в централизирано надлъжно сечение

При останалите разбъркващи устройства също се наблюдава добре оформен осев поток предвид ъгъла на атака, но с по-малка височина достигаща едва до горната 1/3 от съда. На база горната фигура може да се предположи, че в резултат на интензификацията на движението на потоците може да се очакват подобрения при масообмена, което се проверява по-нататък в труда.

Критериите на мощността, като мярка за енергийното потребление на трите модификации е представено на следващата фиг.19. Получените по числен път данни за P_o при PBT съвпадат с литературните. За останалите две модификации освен числен експеримент бе проведен и лабораторен с цел потвърждаване на численото решение. P_o бе установено да варира от 0.2 при TB до 1.4 при PBT. В съпоставка с класическата турбина PBT модификациите дават значително понижение на P_o (седем пъти). Това може да се обясни от една страна с редуцираната форма на лопатката (от правоъгълна към трапецовидна) и от друга с двойно по-малкият ъгъл на атака (от 45° на 20°).

Резултатите получени за P_o биха могли да се обяснят и с анализ на съпротивителната сила която оказва обратните градиенти на налягане от задната страна на лопатката. Подобно на подхода в т.4.1 от тази глава, бяха намерени контурите на безизмерните коефициенти на налягането по задната повърхност на лопатките, показани на фиг.20.

Фиг.19 Критерий на мощност (числено и лабораторно намерен) в съпоставка с Re

Фиг. 20 Контури на коефициентите на налягане от задната страна на лопатката

Черните зони съответстват на тези части от повърхността, където съпротивителното действие на ротиращите течения е най-голямо, т.е. наблюдава се най-неблагоприятен механизъм на вихрообразуване от задната страна на лопатката. Сравнението между трите типа конструкции с наклонени лопатки показва, че зоните с най-ниски стойности на коефициента на налягането заемат повече от половината задна повърхност при конвенционалния образец турбина PBT. При двата модифицирани варианта се наблюдава тенденция към значителното им редуциране, вероятно поради изменение на механизма на обтичане на лопатката. Това създава едно по-равномерно разпределение на подналягането от задната страна на лопатката и от там едно по-малко съпротивление, което довежда и до по малки числа на мощността.

Важен момент от настоящия анализ е проверката, дали понижените енергийни разходи на модификациите не влошават разбъркването по отношение на времето на хомогенизация. За целта бяха проведени експерименти при различни обороти на въртене на разбъркващите устройства по кондуктометричния метод. Резултатите, получени за трите образеца са сравнени на фиг.21. Прави впечатление че STB не само, че не е с влошено време на хомогенизация, а дава най-добри резултати. Това е в потвърждение и на показаното разпределение на потоците с ясно изразен висок осев поток наблюдаван при екранираните лопатки.

Фиг.21 Изменение на безизмерното време на хомогенизация в зависимост от специфичната мощност, P/V

Последният експеримент при 4-лопатковите конструкции бе направен с цел да се провери дали тенденцията за подобряване на работните характеристики при STB се запазва и при масообмена газ-течност. Той бе охарактеризиран количествено, чрез обменния коефициент на масопренасяне K_La по динамичния метод. Резултатите под форма на съпоставка K_La спрямо специфичната мощност (P/V) са представени на фиг.22. Най-висок масообменен коефициент при минимална специфична мощност се наблюдава при STB. При същата специфична мощност при която STB достига максимални стойности за K_La, класическата турбина демонстрира 40% по-нисък коефициент на масопренасяне.

В резюме за 4-лопаткови разбъркващи устройства: анализирани са измененията в хидродинамичното поле породени в резултат на малки модификации във формата; определени и сравнени са: полето на скоростите (характерен тип циркулация), мощността, време на хомогенизация и масообменни коефициенти. Установени са подобрени характеристики на работата при екранираните лопатки, изразени в интензификация на осевия поток, редуциране на зоните с ниско налягане в близост до задната повърхност на лопатките с 20% понижение на консумираната мощност. Отчетено е понижение на времето на хомогенизация (30%) и повишаване на масообмена за единица вложена мощност с 40%.

Фиг.22 Масообменен коефициент газ-течност сравнен със специфичната мощност

Предложени са системи за разбъркване с най-голяма вероятност за подобрена работна характеристика – изследвани са конструктивни изменения предложени в литературата, но и нови системи в различни варианти с прорези и перфорации, надкрилки/оребряване н променена овалност на лопатките. Създадени са геометрични компютърни модели на тези устройства. Установени са основни закономерности на разбъркване при тези системи (за 14 различни вида модификации, тяхното поведение, под формата на характеристики корелирани с локалните хидродинамични изменения в близост до лопатките). За някои от по-перспективните форми са поставени лабораторни експерименти за проверка на закономерностите, получени по числен път. Проверен е числено-експериментален подход на синтез на разбъркващи устройства чрез определяне на коефициенти на налягане на ротиращите елементи. Установено е, че конструктивното постигане на обтекаемост чрез малки модификации във формата, води до положителни изменения на всички характеристики с икономически значим ефект на енергоспестяване, осъществен, чрез намаляване на консумираната мощност при по-ефективното й оползотворяване. Установено е, че отворите, прорезите и надкрилките повишават ефективността чрез осигуряване преразпределяне на налягането, елиминиране на зони на силно подналягане, повишаване на относителният дял на триене в общото съпротивление, което се реализира като повишаване на скоростта на деформация. Този резултат ни дава основание да го представим, като начало за формулиране на числено-експериментален подход за синтез на разбъркващи устройства чрез определяне на коефициенти на подналягане на ротиращите елементи.

• 
  От изследваните седем модификации, перфорираните от тях демонстрират 35% по ниска консумирана мощност при запазено ниво на циркулация.
  
• 
  Открита е корелация между подобренията в работните характеристики и разпределението на налягането в близост до задната страна на лопатките, като при перфорираните образци, зоните с локални ниски налягания са видимо редуцирани и различно разпределени спрямо конвенционалния тип.
  
• 
  Установена е 30% по-висока енергийна ефективност по скоростта на тангенциална деформация спрямо класическата турбинна бъркачка.
  
• 
  Най-високи масообменни коефициенти при значително по-малък енергоразход са наблюдавани при перфорираните модификации PfB и SB2. Данните са в потвърждение на заложената идея за намаляване кавитачния ефект наблюдаван при FB, чрез въвеждане на перфорации, който да променят характера на потока около лопатката с цел редукция на зоните с ниски налягания, както и предотвратяване задавянето на турбината с газови възглавници.
  

• 
  Редуцирането на повърхността чрез изменение на формата, както и намаляването на ъгъла на атака водят до значително понижение на енергийните разходи с 20% спрямо конвенционалния тип;
  
• 
  Въвеждането на канал чрез екраниране на водещия ръб влияе благоприятно на хидродинамичните показатели, като генерира вторичен циркулационен горен контур и повишава с 60% разпространението на осевата скоростна компонента във флуида;
  
• 
  Времето на хомогенизация при екранираната модификация е понижено при минимална специфична мощност с 30%;
  
• 
  Зоните с ниско локално налягане в близост до задната повърхност на лопатките са редуцирани спрямо конвенционалния тип;
  
• 
  Крилото над водещият ръб повишава скоростта на срязване с близо 30%, което от гледна точка на вложената мощност е установена различна ефективност, най-висока при модификацията с надкрилка;
  
• 
  Отчетено е повишаване на масообмена за единица вложена мощност с 40% при модификацията с надкрилка над водещия ръб.
  

1. 
   Georgiev D, Vlaev SD, Flow field variation by minor modification of impeller blades, Proc. 12^th European Conference on Mixing, Bologna, (Editors: F.Magelli, G.Baldi, A.Brucato), 41-48, 2006
   
2. 
   Vlaev SD, Georgiev D, Nikov I, Elqotbi M, Shear analysis of mixing reactors –verification of the CFD approach, Proc. 12^th European Conference on Mixing, Bologna, (Editors: F.Magelli, G.Baldi, A.Brucato), 479-486, 2006
   
3. 
   Georgiev D, Vlaev SD, Flow field characteristics of modified inclined-blade mixing impellers, Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy 41, 45-50, 2006
   
4. 
   Vlaev SD, Georgiev D, Nikov I, Elqotbi M, The CFD approach for shear analysis of mixing reactor: verification and example of use, Journal of Engineering Science and Technology 2(2), 177-187, 2007
   
5. 
   Georgiev D, Vlaev SD, Effect of inclined-blade impeller design on mixing and aeration in stirred vessels, Bulgarian Chemical Communications 40(2), 173-177, 2008
   
6. 
   Georgiev D, Vlaev SD, Flow field properties of slotted flat- and hollow-blade impellers, Chemical & Biochemical Engineering Quarterly 22(3), 267-272, 2008
   
7. 
   Георгиев Д, Изчислително - симулативен подход при охарактеризиране хидро-динамиката на съдове с разбъркване на еднофазни течни системи, Научна конференция на НВУ „В.Левски“ с международно участие, Том 6, 242-251, В.Търново, 2009
   
8. 
   Georgiev D, Vlaev SD, Bioprocess improvement by design-modified bioreactor flow properties, Biotechnol. & Biotechnol. Eq, 2012
   

1. 
   Georgiev D, An example of CFD application in mixing impeller design, First International Course – Computational Engineering under the patronage of a DAAD project in the framework of the Stability Pact for South-Eastern Europe, Pamporovo, Bulgaria, Proc. 26-29, 2005
   
2. 
   Георгиев Д, Влаев СД, Изменение на някой хидродинамични характеристики при разбъркване в зависимост от формата на лопатките, Научна конференция с международно участие – 60 години катедра неорганична химия, София, 2005
   
3. 
   Vlaev SD, Georgiev D, Nikov I, Elqotbi M, Shear analysis of mixing reactors –The CFD approach, South-Eastern Europe Fluent Event, Greece, Proc. Full texts CD, SimTec Ltd, 2005
   

1. 
   Georgiev D, Vlaev SD, CFD Characterization of the flow field of an impeller with flat blades with focus on shear, 10-th International Summer School of Chemical Engineering & International Workshop Bioreactors, Varna, 2004
   
2. 
   Georgiev D, Vlaev SD, Flow Field Characteristics of Modified Flat-Blade Mixing Impellers, Proc. 1^-st South East European Congress of Chemical Engineering, Serbia and Montenegro, 2005
   
3. 
   Georgiev D, Vlaev SD, Flow Field Modification by Minor Changes of Impeller Blades, South-Eastern Europe Fluent Event, Greece, Proc. Full texts CD, SimTec Ltd, 2005