一种基于磁力驱动的粉液搅拌混合装置
阅读说明：本技术 一种基于磁力驱动的粉液搅拌混合装置 (Powder-liquid stirring and mixing device based on magnetic drive ) 是由 程洋 俞建峰 吴炀 罗远洋 黄铭 苑轶 李红昌 于 2021-01-05 设计创作，主要内容包括：一种基于磁力驱动的粉液搅拌混合装置,包括流体混合腔体,流体混合腔体上方具有上方进料流道,流体混合腔体下部具有出料流道,流体混合腔体侧壁上具有切向进料流道,流体混合腔体内具有磁力驱动的扰流组件。本发明在入口处设置了一块钟形分流器,充分利用了混合腔室的空间,增加了流体的混合面积。本发明使用电磁力驱动,不仅能实现磁杆和扰流棒组的转动,而且可以使叶片纵向运动,增大了流体的扰动,进一步促进混合。大大改善流体的上下分层现象,使流体浓度基本均匀。本发明装置巧妙地利用了无刷电机的工作原理,在不使用电机的情况下,实现磁杆的转动效果。减小装置的体积和成本,也避免了由于安装电机所产生的密封等问题。(The utility model provides a powder liquid stirring mixing arrangement based on magnetic drive, includes the fluid mixing cavity, and fluid mixing cavity top has top feeding runner, and fluid mixing cavity lower part has ejection of compact runner, has tangential feeding runner on the fluid mixing cavity lateral wall, has magnetic drive's vortex subassembly in the fluid mixing cavity. According to the invention, the bell-shaped flow divider is arranged at the inlet, so that the space of the mixing chamber is fully utilized, and the mixing area of the fluid is increased. The invention uses electromagnetic force for driving, not only can realize the rotation of the magnetic rod and the spoiler rod group, but also can lead the blade to move longitudinally, increase the disturbance of fluid and further promote the mixing. Greatly improves the upper and lower stratification phenomena of the fluid and ensures that the concentration of the fluid is basically uniform. The device of the invention skillfully utilizes the working principle of the brushless motor, and realizes the rotation effect of the magnetic rod under the condition of not using the motor. The volume and the cost of the device are reduced, and the problems of sealing and the like caused by the installation of the motor are also avoided.)
技术领域
本发明属于搅拌设备技术领域，尤其涉及一种基于磁力驱动的粉液搅拌混合装置。
背景技术
粉液搅拌混合主要应用在食品、药品、化工、环保等行业。例如，特种涂料行业，需要为涂装生产搅拌精细涂料。所谓涂装即指对金属和非金属表面覆盖保护层或装饰层。随着工业技术的发展，涂装已由手工向工业自动化方向发展，而且自动化的程度越来越高，所以涂装生产线的应用也越来越广泛，并深入到国民经济的多个领域。粉液混合技术是制约涂装技术发展的关键。如以陶瓷颗粒为填料对液状环氧树脂进行改性，可以增加环氧树脂固体颗粒的含量，减少易挥发性有机化合物，提高涂层材料的耐腐蚀性和耐磨性。而搅拌装置与油漆喷涂、粉末喷涂、电泳、电镀等涂装方式密不可分，搅拌技术的好坏直接影响涂装的质量。一直以来，搅拌混合因其效率高及适用性好，得到工业界的广泛使用。但现有的搅拌混合装置存在如下缺点，如：
1、公开号为CN111589360A《一种混合搅拌装置》的专利中提供的混合搅拌装置搅拌方向单一，混合效率低，混合效果有限。该装置通过电机带动搅拌桶中设有的搅拌杆转动，从而实现搅拌。电机带动的搅拌杆只能在横向进行运动，搅拌杆无法上下运动。因此，流体只能进行横向混合，混合方向单一，无法同时形成横向混合与纵向对流，降低了混合效率，影响了混合效果。该装置采用的搅拌杆结构搅拌面积小，进一步限制了混合效率。另外，该装置使用了多个传送带、齿轮以及杆件，结构复杂，动平衡较差，制造难度大。同时传动机构的复杂性限制了能源使用率，造成该装置能耗较高。
2、公开号为CN111821886A《一种混合溶液的搅拌装置》的专利中提供的混合搅拌装置同样具有搅拌方向单一，混合效率低的缺点。该装置通过调节搅拌轮片在被搅拌物料中的高度位置和倾斜角度，根据需要对物料进行混合。通过调节搅拌轮片的高度，使流体形成纵向对流混合。但是该装置也难以实现同时进行横向混合与纵向对流，限制了混合效率。另外，三电缸的结构也增加了装置的能耗。
发明内容
【技术问题】
现有的搅拌混合设备容易存在的混合不均匀、混合速度慢、混合效率低下、能耗高等问题。
【技术方案】
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于磁力驱动的搅拌混合装置，包括流体混合腔体，流体混合腔体上方具有上方进料流道，流体混合腔体下部具有出料流道，流体混合腔体侧壁上具有切向进料流道，流体混合腔体内具有磁力驱动的扰流组件。
进一步的，所述上方进料流道内还具有上滑道，上滑道位于上方进料流道与流体混合腔体的交接处，上滑道为圆盘状，上滑道中部具有第一环状凹槽，扰流组件上部具有第一环状凸缘，第一环状凸缘卡在第一环状凹槽内，上滑道的外缘具有辐射状分布的槽孔组成的下滑道，下滑道连通上方进料流道和流体混合腔体；流体混合腔体底部具有第二环状凹槽，扰流组件上部具有第二环状凸缘，第二环状凸缘卡在第二环状凹槽内，扰流组件在磁力驱动下于第一环状凹槽和第二环状凹槽内转动。
进一步的，所述扰流组件包括若干扰流棒，扰流棒的上下两端位于同一圆上，扰流棒的上下两端分别固定在两个扰流棒连接件上，上部扰流棒连接件具有第一环状凸缘，下部扰流棒连接件具有第二环状凸缘，扰流棒上具有若干叶片，相对的扰流棒之间固定有磁杆。
进一步的，所述扰流棒为六根，六根扰流棒等间距固定在上、下部扰流棒连接件上，磁杆为两组，每组三根，两组磁杆分别水平固定在扰流棒的上部和下部，三根磁杆的N极相邻排列，上部三根磁杆与下部三根磁杆一一对应平行，且平行的两根磁杆极性朝向相同。
进一步的，所述流体混合腔体放置在竖直的变化磁场内。
所述叶片为磁性叶片，磁性叶片串在所述扰流棒上并可沿扰流棒上下滑动，所述扰流棒上具有竖直的条状凹槽或条状凸缘，叶片中部具有通孔；当扰流棒上具有竖直的条状凹槽时，通孔内具有凸块，凸块卡在调整凹槽内；当扰流棒上具有竖直的条状凸缘时，通孔的形状与扰流棒的横截面相同。
进一步的，所述上方进料流道内还具有钟形分流器，钟形分流器的外径小于所述上方进料流道的内径。其作用是将从进料流道流入的流体分散，使其均匀地沿钟形分流器外壁流入流体混合腔中，扩大流体在混合腔内的分布面积，从而增大两种流体混合时的接触面积，使混合更加充分。
进一步的，所述切向进料流道的进料口处还具有过滤器。
进一步的，所述出料流道上还具有阀门。
进一步的，所述流体混合腔体外壁等间距分布有三组线圈，三组线圈内的电流大小和/或方向依次交替变化，驱动磁杆转动。
进一步的，所述上方进料流道、切向进料流道和出料流道内还具有温度传感器和压力传感器。
进一步的，所述出料流道为曲折起伏设计，进一步增强流体的混合均匀度。
本发明与现有技术相比，具备以下优点：
(1)优化了进料方式。本发明在入口处设置了一块钟形分流器，流体流入时，在挡板的作用下被分散，流体由原来的中心进料改为从壁面进入混合腔室。将流体“扁平化”，分散在混合腔的侧面上，充分利用了混合腔室的空间，大大增加了流体的混合面积。同时，另一种流体从混合腔切向进料，两种流体在混合腔内壁直接相遇混合，提高了混合效率和混合速度。
(2)本发明使用的驱动方式为电力与磁力驱动，更加环保清洁，节约能源。在磁场力的作用下，本发明装置不仅能实现磁杆和扰流棒组的转动，而且可以使叶片纵向运动，增大了流体的扰动，进一步促进混合。大大改善流体的上下分层现象，使流体浓度基本均匀。本发明装置巧妙地利用了无刷电机的工作原理，在不使用电机的情况下，实现磁杆的转动效果。减小装置的体积和成本，也避免了由于安装电机所产生的密封等问题。
(3)本发明的切向进料口可以有多个，可实现多种流体同时流入混合腔进行混合。不仅可实现混合腔内多种流体的快速混合，避免原料导入的时间差对混合效果的影响，还能够满足流量范围较宽的流体的混合。
(4)本发明在出口处设计了阀门，从而形成闭锁的混合腔结构。使用者可以根据自己的需要控制混合时间，适用性强。
(5)本发明通过磁场促使叶片上下运动，减小了常规叶片搅拌时隔离区(死区)的面积，进一步提高了混合效果。
(6)本发明采用多次混合技术，流体在本发明不同部位可进行四次混合，混合效率更高，混合效果更佳。流体在混合过程中可同时参与纵向混合和横向对流，相较于常规的单独横向对流或单独纵向对流，混合效果显著提高。
附图说明
图1为本发明实施例的基于磁力驱动的搅拌混合装置剖视图；
图2为本发明实施例中的基于磁力驱动的搅拌混合装置去掉钟形分流器和上滑倒后的俯视图；
图3为本发明实施例中的扰流组件俯视图；
图4为本发明实施例中的两种流体流动混合路径示意图；
图5为本发明实施例中不同入口流速下出口处流体的混合强度图。
图中：
1-上方进料流道；2-过滤器；3-切向进料流道；4-流体混合腔体；5-叶片；6-阀门；7-出料流道；8-扰流棒；9：叶片串杆；10-上滑道；11-钟形分流器；13-磁杆；14-扰流棒连接件；15-带线圈绕组的定子。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
实施例1
如图1-3所示，一种基于磁力驱动的搅拌混合装置，包括流体混合腔体4，流体混合腔体4上方具有上方进料流道1，流体混合腔体4下部具有出料流道7，流体混合腔体4侧壁上具有切向进料流道3，切向进料流道3可以根据需要设置多个，流体混合腔体4内具有磁力驱动的扰流组件。
流体混合腔体4包括橡胶层与金属层，内层为金属层，橡胶层为外层，橡胶层覆盖在金属层外面。流体混合腔体4的横截面为圆形，便于与外界流道相连。切向进料流道3的进料口处还具有过滤器2。出料流道7上还具有可自动控制的阀门6。上方进料流道1、切向进料流道3和出料流道7内还具有温度传感器和压力传感器，以测量当前流体的温度及流道的压力。出料流道7为曲折起伏状，以进一步增强流体的混合均匀度。
切向进料流道3为竖直弯管，弯曲角度为90°。切向进料流道3内部设有过滤器2，用于滤去进料流体中的杂质，保证流道的畅通。本发明的一种进料方式为切向进料，切向进入的流体沿着流体混合腔体4内壁螺旋下降，与分散在壁面附近的另一种流体充分混合。
上方进料流道1内还具有钟形分流器11和上滑道10，上滑道10位于上方进料流道1与流体混合腔体4的交接处，上滑道10为圆盘状，上滑道10中部具有第一环状凹槽，上滑道10的外缘具有辐射状分布的槽孔组成的下滑道，下滑道连通上方进料流道1和流体混合腔体4；流体混合腔体4底部具有第二环状凹槽。
钟形分流器11的外径小于上方进料流道1的内径。钟形分流器11的作用是将从进料流道流入的流体分散。钟形分流器11置于上方进料流道1中，其纵向高度为上方进料流道1的65％，底部与上滑道10相连接。钟形分流器11采用壳体设计，内部中空，以减小装置的重量，减轻对上滑道10的压力。流入上方进料流道1的流体流经钟形分流器11后，沿分流器外壁均匀分散在流体混合腔体4内壁区域。大大增加了流体的分布面积，进而扩大混合接触面积，提高混合效率。
扰流组件包括六根扰流棒8，扰流棒8的上下两端位于同一圆上，扰流棒8的上下两端分别固定在两个扰流棒连接件14上，上部扰流棒连接件14具有第一环状凸缘，下部扰流棒连接件14具有第二环状凸缘，扰流棒8上具有若干叶片5，相对的扰流棒8之间固定有磁杆13。磁杆13为两组，每组三根，两组磁杆13分别水平固定在扰流棒8的上部和下部，三根磁杆13的N极相邻排列，上部三根磁杆13与下部三根磁杆13一一对应平行，且平行的两根磁杆13极性朝向相同。第一环状凸缘卡在第一环状凹槽内，第二环状凸缘卡在第二环状凹槽内，扰流组件在磁力驱动下于第一环状凹槽和第二环状凹槽内转动。
流体混合腔体4外壁等间距分布有三组带有线圈绕组的定子15，线圈内的电流大小和/或方向依次交替变化，形成沿环向周期变化的磁场驱动磁杆13转动，带动整个扰流组件转动。
为使流体混合的更加充分，所述切向进料流道3与出料流道7之间的高度差应尽量大。故切向进料流道3应设计在流体混合腔体4靠上部分，而出料流道7应设计在流体混合腔体4靠下部分。为保证较长的混合距离，获得较佳的混合效果，本发明的出料流道7与切向进料流道3对称分布在轴线两侧。
工作原理：
若混合一种粉体和多种液体，则可先在出料流道7连接吸送式输送装置，先将粉体吸入混合腔。此时，过滤器2会将粒径过大的粉体过滤出，对粉体进行筛分。粉体全部送入后，先关闭出料流道7上的阀门6，打开上方进料流道1、切向进料流道3上的进料阀门6，上方进料流道1流入的流体经过钟形分流器11后，沿上方进料流道1的内壁流至流体混合腔体4；切向进料流道3流进的流体则直接流入流体混合腔体4，通过控制进料流速，使得该流体在流体混合腔体4内螺旋下降。此期间多种流体在流体混合腔体4内壁附近发生第一次混合。此时，流体混合腔体4内的液面不断上升，流体混合腔体4中的扰流组件在横向旋转磁场的作用下沿着上下两滑道做圆周运动，使得进入流体混合腔体4的多种流体发生第二次混合，该次混合为主要混合；同时叶片5随扰流棒8转动时亦使得局部的流体发生第三次混合，该次混合影响范围较小且与第二次混合一起发生。由于出料流道7采用外形曲折起伏设计，所以流体在流经出料流道7时会再一次发生混合。当多种流体以及粉体在流体混合腔体4中充分混合后，打开出料流道7上的阀门6，经过三次混合后的流体在出料流道7内发生第四次混合后流出，大大提高混合效率，获得更佳的混合效果。若只混合一种粉体和一种液体，则待粉体全部送入后，再将另一种流体从切向进料流道3流入进行混合。
上述混合过程如图所示，实线与虚线分别表示进入本发明装置的两种流体。两种流体分别从上方进料流道1与且切向进料流道3流入，沿着箭头指示方向进行混合，混合之后的流体最终从出料流道7中流出。图中带点的区域表示混合腔内流体可进入的区域。
实施例2
本实施例与实施例1不同之处在于，流体混合腔体4放置在竖直方向磁场内，且磁场以一定周期变化，比如正弦周期。叶片5为磁性叶片5，磁性叶片5串在所述扰流棒8上并可沿扰流棒8上下滑动，所述扰流棒8上具有竖直的条状凹槽或条状凸缘，叶片5中部具有通孔；当扰流棒8上具有竖直的条状凹槽时，通孔内具有凸块，凸块卡在调整凹槽内；当扰流棒8上具有竖直的条状凸缘时，通孔的形状与扰流棒8的横截面相同。叶片5在流体的冲击力、浮力、自身的重力以及外加磁场的磁力作用下，沿叶片5串杆上的滑槽上下滑动，大大增加了叶片5所在局部流体的纵向混合对流扰动，提升混合均匀性。
实施例3
为探究本发明装置的混合效果，使用COMSOL Multiphysics 5.4软件对整个模型进行仿真模拟。磁杆以及扰流棒组的转速设置为200RPM，使用的磁场强度为0.145T。
选取出口截面对角线的浓度值为数据集，利用混合均匀度以及混合时间对混合强度进行表征。混合均匀度能较好地描述混合腔内流体的混合效果，可通过公式(1)计算得到。
式中：Sc——混合均匀度；N——采样点总数；ci——节点i上的采用归一化浓度；—采样节点归一化浓度的期望值，取0.5。
混合时间可以描述混合的速度，可用公式(2)计算得到。
式中：T——混合时间；Vmix——混合通道总体积；Q——流体总流量。
混合均匀度、混合时间与入口流速的关系如表1所示：
表1混合均匀度与混合时间、入口流速之间的关系表
入口流速/(m/s)
总流量/(m<sup>3</sup>/s)
混合强度
混合时间/s
0.03
0.0058
0.9966
996.740
0.05
0.0098
0.9954
588.077
0.10
0.0196
0.9889
299.022
0.20
0.0393
0.9809
149.511
0.30
0.0589
0.9831
99.674
0.50
0.0981
0.9828
59.804
1.00
0.1963
0.9767
29.902
2.00
0.3925
0.9725
14.951
5.00
0.9813
0.9716
5.980
10.00
1.9625
0.9709
2.990
如图5所示，随着入口流速的增加，混合强度先降低后增加随后趋于平稳，这意味着存在混合方式以扩散为主导转变为以对流为主导的转变。从表1可以看出，在不同入口流速的情况下，本装置都达到了理想的混合效果，混合强度均大于95％。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
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