Capitolul 5

AMESTECAREA MATERIALELOR

„„„„ 5.1. Noţiuni introductive

Operaţia unitară, cu transfer de cantitate de mişcare sau impuls, care are drept scopomogenizarea valorilor parametrilor caracteristici ai sistemului format prin aducerea încontact a două sau mai multor materiale gazoase, lichide sau solide poartă numele deamestecare a materialelor. Se reduc astfel gradientul de concentraţie, gradientul detemperatură sau ambele.

Amestecarea se utilizează pentru obţinerea de amestecuri omogene : soluţii de gaze înlichide, amestecuri neomogene: dispersii, spume, emulsii şi amestecuri solide. De asemeneaamestecarea serveşte la: accelerarea reacţiilor chimice sau/şi biochimice; dizolvarea maiactivă a solidelor; separarea fazelor; activarea transferului de căldură etc.

În funcţie de rolul operaţiei în desfăşurarea unui proces sau altul, amestecarea poate fi:

- operaţie independentă;- operaţie auxiliară.

Se consideră că în circa 30 % din cazuri amestecarea este operaţie independentă şi înrestul cazurilor este operaţie auxiliară.

Indiferent dacă amestecarea este folosită ca operaţie auxiliară sau independentă încursul acesteia se disting :

- o acţiune de amestecare locală;- o acţiune de amestecare generală.

Acţiunea de agitare locală şi generală coexistă la toate tipurile de amestecătoare şi îşiau importanţa lor în realizarea operaţiei de amestecare. Importanţa uneia sau celeilalte acţiunivariază după tipul de amestecător.

În industria alimentară acţiunea de amestecare are mai multe aplicaţii şi se realizeazăpentru materiale în toate stările de agregare. Astfel, sunt amestecări în fază lichidă(omogenizarea vinului), amestecări în fază gaz-lichid (hidrogenarea uleiului, carbonatareazemurilor de extracţie), amestecări în fază solidă (înmuierea orzului), amestecări lichid-solidîn cele mai multe şi variate situaţii, amestecare pentru separare de faze (baterea untului),amestecări de materiale pulverulente, granulare sau sub formă de bucăţi pentru a obţineproduse păstoase (industria panificaţiei şi a cărnii) sau amestecuri granulare uniforme.

Sunt multiple posibilităţi de realizare a amestecării. Cele mai răspândite procedee sunt:

- amestecarea pneumatică cu ajutorul aerului comprimat sau a aburului sub presiune;- amestecarea prin curgerea lichidelor;- amestecarea prin recirculare;- amestecarea mecanică cu agitatoare cu palete de diferite forme.Termenul de amestecare este folosit în special pentru amestecarea solidelor. Pentru

amestecarea fluidelor cu corpuri solide, în vederea dizolvării sau formării de suspensii, uzual

se foloseşte termenul de agitare, iar pentru corpurile consistente păstoase se foloseştetermenul de malaxare sau frământare.

„„„„ 5.2. Factorii care influenţează şi caracterizează operaţia de amestecare.

Din categoria factorilor care influenţează şi caracterizează procesul de amestecare sepot lua în considerare următorii :

- starea materialului de prelucrat;- aparatul în care se efectuează procesul;- cantitatea sau debitul de material;- durata operaţiei.

Starea materialului. Sistemele supuse amestecării sunt fie fluide, fie constituite dinparticule solide. Sub aspectul realizării procesului de amestecare fluidele pot fi newtoniene :gaze şi lichide, sau nenewtoniene: unele lichide şi pastele.

Proprietăţile prin care fluidele newtoniene influenţează amestecarea sunt: densitatea,viscozitatea, difuziunea, solubilitatea reciprocă.

Proprietăţile prin care fluidele nenewtoniene influenţează amestecarea sunt: densitateaşi viscozitatea manifestată de cele mai multe ori ca şi consistenţă şi coeziune. În specialcorpurile păstoase au consistenţă şi coeziune mare.

Din punct de vedere hidrodinamic, amestecarea constă în realizarea unei mişcări decele mai multe ori turbulentă. În sisteme fluide newtoniene, turbulenţa se obţine prinrealizarea unei convecţii forţate care la rândul său se realizează printr-o mişcare eficientă afluidului.

Importanţă mare asupra caracterului curgerii o prezintă şi configuraţia geometrică aspaţiului în care are loc aceasta.

Natura curgerii într-un amestecător se determină pe baza criteriului Reynoldsmodificat, în care viteza fluidului se exprimă ca viteza periferică la vârful dispozitivului aflatîn mişcare de rotaţie, iar diametrul dispozitivului aflat în mişcare de rotaţie este consideratdrept dimensiune geometrică caracteristică, astfel că :

Re = w.d! = ".d.n.d

! = ".n.d2! sau Rem = n.d2

! (5-1)În cazul amestecării fluidelor newtoniene, adică a agitării, limita de curgere laminară

determinată experimental este Rem= 10 ... 20 .Luând în considerare fluctuaţia de viteză din spaţiul de amestecare, se pot distinge

două tipuri de turbulenţă : izotropă şi neizotropă.În cazul turbulenţei izotrope, fluctuaţiile de viteză au o probabilitate egală în toate

direcţiile. Fiecare din aceste viteze are în orice moment acelaşi număr de valori pozitive şinegative.

Turbulenţa neizotropă este o stare în care fluctuaţiile de viteză nu sunt nici egal deprobabile şi nici nu au o mărime egală în toate direcţiile.Prandtl a introdus ca măsură a turbulenţei noţiunea de lungime de amestecare, la . Lungimeade amestecare este o măsură a distanţei pe care un virtej o parcurge în fluidul înconjurător dela un strat în mişcare până ce viteza sa devine egală cu a mediului înconjurător, pierzându-şiindividualitatea. Lungimea de amestecare este cu atât mai mare cu cât turbulenţaeste maiintensă. Ea nu este constantă în întreaga masă a fluidului.

Lungimea de amestecare se defineşte prin ecuaţia lui Prandtl :

# t = −$.la2. dwx

dy2

(5-2)

în care τt este tensiunea tangenţială de turbulenţă; ρ densitatea fluidului; dwx/dy gradientul deviteză în punctul considerat.

Luând în considerare relaţia care exprimă tensiunea tangenţială în cazul curgeriilaminare, tensiune produsă de viscozitate este:

# = −$.!. dwxdy (5-3)

şi comparând relaţiile (5-2) şi (5-3), rezultă că:! t = la

2. dwxdy

în care νt este viscozitatea cinematică de turbulenţă.Tensiunea tangenţială de turbulenţă va avea forma :

# t = −$.!t.dwxdy (5-4)

Tensiunea tangenţială totală, într-un proces turbulent, se va exprima ca sumă întretensiunea tangenţială produsă de viscozitate în curgerea laminară şi cea produsă de turbulenţă.

# = −(! + !t ).$.dwxdy sau # = −(% + %t ).

dwxdy (5-5)

Viscozitatea de turbulenţă nu este o constantă pentru un fluid la o temperatură dată, civariază în funcţie de mărimea gradientului de viteză, pornind de la valori mici la pereteleaparatului până la valori relativ ridicate în centrul curentului.

Deoarece viscozitatea lichidelor scade cu creşterea temperaturii, odată cu creştereatemperaturii se îmbunătăţesc condiţiile de agitare. Pe aceste considerente, în practică, dacătehnologia permite acest lucru, agitarea lichidelor se face la cald.

Materialele pulverulente, ca de exemplu făina, sunt caracterizate prin consistenţă şicoeziune slabă sau chiar lipsite de consistenţă. Dar din cauza frecărilor dintre particule apardeseori forţe de coeziune importante cu influenţă considerabilă asupra mersului şi eficienţeiamestecării.

Materialele plastice sau păstoase, ca de exemplu aluatul, diferitele paste de carne, suntcaracterizate prin consistenţă şi forţe de coeziune considerabile. De aceea la alegerea tipuluide malaxor sau frământător trebuie luate în considerare condiţiile concrete de realizare aoperaţiei precum şi scopul urmărit.

Aparatul în care se desfăşoară operaţia influenţează modul de realizare a operaţieiprin forma şi dimensiunile sale. De asemenea, forma şi poziţia dispozitivului de amestecarefaţă de axul aparatului sunt de o deosebită importanţă la amestecare. Organul de amestecaretrebuie să iniţieze în cât mai multe puncte ale aparatului amestecări locale intense şi sămenţină în suspensie straturi limită cât mai subţiri care să producă o turbulenţă pronunţată aîntregului conţinut al vasului. Curenţii ce se formează în aparat trebuie să atragă mereu noicantităţi de material în zona dispozitivului de agitare, astfel încât operaţia să se desfăşoare cueficacitate maximă.

În multe cazuri asperităţile existente pe pereţii aparatului în care se efectueazăamestecarea influenţează în mare măsură modul de realizare a acesteia, în sens pozitiv, însăcu consum de energie ridicat.

Cantitatea de materiale ce se prelucrează poate să influenţeze mai mulţi factori aioperaţiei printre care: durata de amestecare, eficacitatea etc. În cazul în care se prelucreazăcantităţi mari de materiale, sunt necesare în mod corespunzător, aparate de dimensiuni mari,dispozitive mari de agitare. Pe de altă parte, pentru a obţine o eficacitate mare a operaţiei seimpune ca materialul să fie prelucrat un timp mai îndelungat. De multe ori este mai raţionalsă se construiască mai multe aparate de dimensiuni mai mici decât un aparat mare,îmbunătăţindu-se astfel o serie de indici funcţionali.

Durata operaţiei are o influenţă în primul rând asupra consumului de energie. Acestparametru, de regulă, se stabileşte pe cale experimentală pe aparatul original sau prin

prelucrarea datelor obţinute în laborator. Pentru ca operaţia să decurgă cât mai economic estenecesar ca agitatorul să lucreze în astfel de condiţii încât rezultatul necesar al amestecării săse obţină într-un timp cât mai scurt. La aprecierea consumului de energie trebuie să se ia înconsiderare consumul total pe durata necesară obţinerii rezultatului scontat. Astfel, se impunedeterminarea duratei minime de amestecare. Aceasta, depinde, în afara tipului de agitator, dediametrul lui, de turaţie precum şi de proprietăţile lichidului adică de densitatea şiviscozitatea lui. În cazul în care componenţii au diferenţe mari de densitate, hotărâtoare va fiinfluenţa acestui parametru adică a lui ∆ρ.

„„„„ 5.3. Eficacitatea amestecării

Una din problemele cele mai dificile ale tehnicii amestecării o constituie stabilireaunui criteriu care să caracterizeze calitatea amestecării într-un sistem dat (eficacitateaamestecării). Când amestecarea este folosită ca operaţie auxiliară, se poate apreciaeficacitatea acesteia după efectul tehnologic din operaţia principală. În alte cazuri însă estegreu de stabilit acest indice. Din această cauză s-au propus o serie de metode dintre careenumerăm :a) - metoda bazată pe măsurarea concentraţiei în diverse puncte în cazul a două lichideinsolubile reciproc;b) - metoda bazată pe folosirea substanţelor colorante;c) - metoda gradientului de temperatură;d) - metoda conductibilităţii electrice;e) - metoda bazată pe măsurarea căldurii de dizolvare;f) - metoda bazată pe măsurarea diferenţei de densitate;g) - metoda atomilor marcaţi;h) - metoda elementului indicator.

Metoda măsurării concentraţiei în diferite puncte, propusă de Kafarov, constă încolectarea mai multor probe la diverse nivele şi distanţe de axul agitatorului, deci din diferitepuncte convenţionale, şi analiza lor cu privire la conţinutul c în procente de volum al unuiadin componenţi. Conţinutul mediu al componentului din amestec se notează cu c0. Dacă ceste mai mic decât c0, atunci procentul de amestecare se exprimă prin relaţia:

x = cc0 .100 (5-6)

Dacă c este mai mare decât c0 procentul de amestecare este dat de relaţia :x = 100−c

100−c0.100 (5-7)

Astfel, procentul de amestecare indică raportul dintre conţinutul de component carese află în cantitate mai mică în punctul dat şi conţinutul mediu al acestui component.Valoarea lui x este întotdeauna mai mică decât 100 %.

Indicele de amestecare, respectiv eficacitatea operaţiei, se determină ca mediearitmetică a procentelor locale de amestecare din toate punctele convenţionale alese din cares-au luat probele, adică:

E = x1+x2+x3+...+xnn (5-9)

în care n este numărul de probe.Celelalte metode se găsesc descrise în literatura de specialitate.

„„„„ 5.4. Aparate de amestecare

Tipurile de amestecătoare utilizate în industria alimentară sunt numeroase. Funcţie deoperaţiile pe care le realizează, ele se pot grupa în trei categorii mari luând în considerarestarea materialelor supuse amestecării :- amestecătoare pentru materiale în stare fluidă;- amestecătoare (malaxoare) pentru materiale aduse în stare păstoasă;- amestecătoare pentru materiale pulverulente.

Din punct de vedere constructiv şi după modul de acţionare, amestecătoarele pot ficlasificate în :- amestecătoare fără elemente mobile;- amestecătoare mecanice;

În grupa amestecătoarelor fără elemente mobile se includ :- amestecătoare pneumatice sau prin barbotare;- amestecătoare în formă de injectoare şi duze;- amestecătoare prin curgerea fluidelor;- amestecătoare mixte (barbotare şi curgerea fluidelor).

În grupa amestecătoarelor mecanice se includ :- amestecătoare cu braţe drepte şi în formă de ancoră;- amestecătoare cu elice şi spirală;- amestecătoare cu construcţii diverse.

!!!! 5.4.1. Amestecătoare fără elemente mobile

"""" 5.4.1.1. Amestecătoare pneumatice sau prin barbotare.

Amestecarea se realizează făcând să treacă prin produsul supus amestecării, de regulăun lichid sau o suspensie de particule solide în lichid, aer, un gaz oarecare sau abur subpresiune. Regimul de curgere şi amestecare este generat de gazul care pătrunde în lichid subforma unor bule mici, care având densitate mai mică decât a lichidului se deplasează sprepartea superioară a acestuia antrenând particulele de lichid învecinate într-o mişcareascensională, silind astfel restul lichidului să circule într-un sens mai mult sau mai puţindirijat în interiorul vasului. Ascensiunea unui volum de gaz de la fundul vasului spresuprafaţă corespunde deplasării unui volum egal de lichid, producând în momentul iniţial oumflare a stratului, care rămâne constantă pe perioada cât debitul de gaz barbotat se menţineconstant.

Dispozitivul prin care se introduce faza gazoasă se numeşte barbotor. Acţiunea deagitare locală produsă în jurul barbotorului este slabă. Acţiunea de agitare generală este şi mairedusă.

Prin barbotare bulele de gaz produc curgerea în lichidul înconjurător prin transferulunei cantităţi de mişcare. Energia necesară pentru acest proces este furnizată de presiuneagazului în momentul barbotării, care trebuie să fie mai mare sau cel puţin egală cu presiuneahidrostatică a lichidului la locul de intrare al gazului.

Energia transmisă de bulele de gaz în curs de dilatare lichidului înconjurător este egalăcu energia eliberată la destinderea izotermă a gazului de la presiunea cu care gazul estebarbotat la presiunea de la suprafaţa lichidului.

Cantitatea de mişcare transmisă se poate exprima prin relaţia :

N = p1.Qv1 . ln p2p1 (5-9)

în care:N este puterea transmisă către gaz,W;p1 - presiunea gazului la suprafaţa liberă a lichidului, Pa;p2 - presiunea gazului în barbotor la nivelul orificiului, Pa;Qv1 - debitul volumic al gazului măsurat în condiţii de presiune de la suprafaţa liberă, m3/s.

Presiunea gazului sau a aburului necesară operaţiei de barbotare se determină dintr-unbilanţ energetic întocmit între punctul de barbotare şi suprafaţa liberă a lichidului, rezultândcondiţia :

p2 ! $l.g.h + p1 + w2

2 $g(1 +&') (5-10)în care :p1,p2 au semnificaţiile anterioare;h - înălţimea coloanei de lichid prin care se realizează barbotarea,m;ρl - masa specifică a lichidului, kg/m3;ζ - coeficient de rezistenţă locală;w - viteza gazului în orificiile de barbotare, m/s;ρg - masa specifică a gazului, kg/m3.Se consideră că ρg este constant de-a lungul drumului de barbotare.

Amestecarea prin barbotare este indicată în special în cazul în care gazul cu care serealizează trebuie să reacţioneze chimic cu un component din lichid(hidrogenarea uleiului cuH2, carbonatarea zemurilor în industria zahărului cu CO2) când favorizează o anumită acţiunebiologică (înmulţirea drojdiilor)etc. Amestecarea cu abur este intrebuinţată în cazurile în carepe lângă amestecare este necesară şi o încălzire.

Barbotorul, de obicei este construit dintr-un sistem de ţevi aşezate în apropiereafundului vasului. Ţevile sunt prevăzute cu orificii prin care gazele pătrund în masa de lichid.Diametrele orificiilor variază între 3 şi 6 mm, determinând într-o oarecare măsurădimensiunile iniţiale ale bulelor. Găurile mai mici de 3 mm se înfundă uşor iar cele mai maride 6 mm sporesc prea mult consumul de gaz.

Raza bulei de gaz care se formează se poate calcula cu relaţia :

rb =3 3.r.(2.$.g (5-11)

în care :r este raza orificiului prin care gazul pătrunde în lichid ;σ - tensiunea superficială a lichidului;ρ - densitatea lichidului;g - acceleraţia gravitaţională.

La proiectarea agitatoarelor cu aer trebuie avut grijă ca traseul bulelor prin lichid să fiecât mai lung. Din cauza aceasta orificiile în mod normal se efectuează la partea inferioară aţevii, vertical în jos sau înclinat la 450 în jos, aşa cum se precizează în figura 5.1.

���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

45o

Fig. 5.1. Poziţia orificiilor practicate în ţevile barbotoarelor.

Viteza gazului la ieşirea din orificiul barbotorului trebuie să asigure energia cineticănecesară învingerii rezistenţei lichidului care se găseşte la suprafaţa orificiului, pentruevitarea inundării barbotorului cu lichid.

Distribuirea orificiilor şi ramificaţiilor ţevii barbotorului trebuie astfel făcută încât săasigure o amestecare cât mai uniformă în toată masa lichidului. Este indicat să nu se lasedistanţe mai mari de 500 mm între diferitele ramuri ale barbotorului.

Ţevile care în ansamblu alcătuiesc barbotorul trebuie să fie montate perfect orizontalpentru ca gazul la ieşirea din orificii să aibă de invins aceaşi rezistenţă.

Barbotorul din figura 5.2. poate fi în forma unui inel, a unor ţevi paralele, a unei cruci,a unei lumânări, clopot cu marginile dinţate etc.

Figura 5.2. Tipuri de barbotoarea - barbotor în formă de inel; b - barbotor în formă de clopot;c - barbotor cu inele concentrice; d - barbotor tip lumânări.

În procesul de barbotare gazul iese din lichid saturat cu vaporii lichidului pe care îlstrăbate. La lichidele volatile pierderile în lichid în procesul de barbotare sunt importantedacă gazele de barbotare sunt evacuate direct în atmosferă. Pentru a evita pierderile înasemenea cazuri este indicat să se facă circulaţia în circuit închis a gazului sau să serecupereze lichidul din gaz prin alte procedee (adsorbţie, absorbţie etc.), înainte ca gazul săajungă în atmosferă. Recircularea gazului este indicată când acesta este valoros, chiar dacălichidul nu este volatil (hidrogenul în cazul hidrogenării uleiurilor). În unele cazuri pentruîmbunătăţirea amestecării se folosesc sisteme combinate, barbotare cu recircularea lichiduluisau barbotare cu agitare cu agitatoare cu palete.

Dimensiunile vasului în care se realizează amestecarea prin barbotare se stabilesc peconsideraţii tehnologice. Volumul util al vaselor cu barbotare este de 60 - 90 % din volumul

total, acesta depinzând de natura lichidului supus amestecării şi a modului în care estecondusă operaţia.În dimensionarea vasului trebuie să se urmărească realizarea unei înălţimi de lichid mai maripentru obţinerea unui efect de barbotare corespunzător.

Debitul de gaz pentru barbotare se determină pe consideraţii tehnologice, în special încazul reacţiilor chimice sau al operaţiilor de încălzire (barbotare de abur). Pentru cazurilecând barbotarea se face numai în scop de amestecare, debitul de gaz este în funcţie desecţiunea vasului, înălţimea lichidului şi intensitatea barbotării.

În tabelul 5.1. se precizează câteva date referitoare la debitele de barbotarerecomandate funcţie de diferitele tipuri de amestecare şi de înălţimea lichidului din vas.

Tabelul 5.1.Debite de barbotare recomandate la diferite înălţimi ale lichidului în vas.

Debitul specific recomandat în m3

/ m2 . min în diferite tipuri deamestecare

Înălţimea, h în m

2,7 1,85 1,0- Amestecare cu intensitate slabă 0,2 0,3 0,4- Amestecare cu intensitate medie 0,4 0,6 0,8- Amestecare intensă 1,0 1,5 2,0

Amestecătoarele prin barbotare prezintă avantajele unor construcţii simple şi ieftinecare se supraveghează uşor. Efectul de amestecare însă este slab în comparaţie cu celelaltetipuri de amestecătoare. Amestecarea prin barbotare poate fi aplicată numai la lichide cu oviscozitate maximă aproximativă de 0,2 Pa.s.

"""" 5.4.1.2. Amestecătoare cu injector sau duză.Se folosesc de obicei pentru amestecarea lichidelor în combinaţie cu o pompă care

extrage o parte de lichid din rezervor, şi-l recirculă prin ajutajul unui injector căruia îi lipseştecamera de amestec, camera de amestec fiind chiar vasul (fig.5.3.). Fluidul care trece prinajutajul injectorului cu viteză mare antrenează din vas în difuzorul injectorului o cantitate delichid pe care îl împinge sub forma unui con, dispersându-l pe măsură ce creşte distanţa deajutaj. Straturile de fluid adiacente conului sunt antrenate într-o mişcare paralelă cu curgerea,ca urmare a transferului unei cantităţi de mişcare de la jetul de lichid către lichidulînconjurător. Acest transfer de cantitate de mişcare se realizează prin tensiunea tangenţialădintre straturile cu viteză mare şi cele stagnante sau cu o mişcare mult mai lentă a fluiduluidin recipient. Dacă se neglijează pierderile prin frecare internă se poate scrie :

m0.w0 " m1.w1 (5-12)

în care : m0 este cantitatea de lichid agent motor, kg sau kg/s;w0 - viteza lichidului agent motor la ieşirea din ajutaj, m/s;m1 = m0 + m - cantitatea de lichid care curge prin ejector, kg sau kg/s;m - cantitatea de lichid din vas antrenat de agentul motor,kg, kg/s;w1 - viteza lichidului prin gâtuitura ejectorului, m/s.

Figura 5.3. Schema ajutajului imersat

Datorită antrenării lichidului, în locul rămas liber se produce o scădere de presiune,care atrage în acest loc o altă cantitate de lichid în mişcare. Antrenarea fluidului de curentulpornit din ajutaj duce la formarea unui strat limită turbulent la periferia conului. Prin aceststrat limită se efectuează amestecarea cea mai puternică. Relaţia dintre debitul din ajutaj şicea de lichid antrenat în con, pentru lichide cu proprietăţi apropiate de ale apei este dată derelaţia empirică (valabilă pentru l ; d) :

Qva = 0, 23( ld − 1).Qvi (5-13)

în care : Qva este debitul volumic antrenat în secţiunea transversală pe direcţia de curgere,m3/s;Qvi - debitul volumic de curgere prin ajutaj, m3/s;d - diametrul ajutajului, m;l - distanţa de la ajutaj până la secţiunea transversală în care se măsoară debitul de curgere, m.

În figura 5.4. se prezintă modul de montare al injectorului în interiorul vasului astfelîncât să se realizeze o amestecare eficientă.

Figura 5.4. Injector pentru amestecare.1 - injector; 2 - vas de amestecare; 3 - pompă.

Distanţa până la care jetul are posibilitatea să antreneze fluid din mediul înconjurătorvariază între 60 - 100 ori diametrul ajutajului, depinzând de viteza iniţială de ieşire din ajutaj.

Amestecarea începe chiar în injector, deoarece la ieşirea din ajutaj şi intrarea îndifuzor lichidul din ajutaj antrenează o cantitate de lichid din vas. Amestecarea continuă apoişi în exterior. În conul jetului are loc acţiunea de amestecare locală, în restul vasului acţiuneade amestecare generală. Efectul maxim de agitare în condiţii economice se obţine la valoareade l / d = 17. Amestecarea cu ajutorul injectorului este mai puternică decât cea prin barbotare.

Amestecarea cu injector se întrebuinţează în special pentru cupajarea vinurilor şi înindustria cazeinei.

"""" 5.4.1.3. Amestecarea prin curgerea fluidelor.Amestecarea se realizează în modul cel mai simplu prin recircularea conţinutului

vasului cu ajutorul unei pompe realizând o turbulenţă dezvoltată local în pompă, în conductăşi cu ocazia pulverizării lichidului din nou în vas, iar amestecarea generală datorită mişcăriiîntregii cantităţi de lichid din vas.

Circulaţia fluidelor se realizează fie prin exteriorul fie prin interiorul vasului deamestecare.

În industria alimentară amestecarea prin curgerea fluidelor ca operaţie simplă seîntrbuinţează pentru cupajarea vinurilor sau ca operaţie de amestecare combinată cubarbotarea la hidrogenarea uleiurilor fig. 5.5. sau la carbonatarea zemurilor din industriazahărului.

Figura 5.5. Instalaţia pentru hidrogenarea uleiului cu barbotare şi recirculare exterioară a uleiului şi a hidrogenului.1 - vas; 2 - barbotor pentru hidrogen; 3 - distribuitor de ulei; 4 - pompă de

recirculare ulei; 5 - circuit pentru ulei; 6 - compresor; 7 - circuit exterior pentru hidrogen; 8 - intrare ulei; 9 - evacuare ulei hidrogenat;10 - intrare hidrogen; 11 - evacuare hidrogen

!!!! 5.4.2. Amestecătoare mecanice.Aceste utilaje realizează amestecarea cu elemente de diferite forme aflate în mişcare

de rotaţie numite : braţe, palete, elice etc. Materialul supus agitării, malaxării, frământării sauamestecării poate fi în stare lichidă, cu consistenţă de aluat sau granular - pulverulentă.

"""" 5.4.2.1. Amestecătoare cu braţe drepte şi braţe în formă de ancorăSe utilizează, de regulă, la amestecarea sau agitarea lichidelor şi a suspensiilor purtând

numele de agitatoare.În funcţie de modul în care agitatorul transmite cantitatea de mişcare către lichid se

deosebesc :- agitatoare care transmit cantitatea de mişcare prin tensiune tangenţială; transmiterea mişcăriiare loc în unghi drept faţă de direcţia de mişcare a agitatorului;- agitatoare care transmit cantitatea de mişcare prin presiunea paletelor exercitată asupralichidului adică în direcţia de mişcare.

Această ultimă categorie este cea mai des întâlnită. Din ea fac parte toate agitatoarelecu paletă. Paletele în mişcare de rotaţie, exercită o presiune asupra lichidului dizlocând o

parte din el şi iniţiind astfel o mişcare de rotaţie în lichid. În spatele paletei apare o cădere depresiune care antrenează lichidul din mediul înconjurător.

În funcţie de direcţiile principale ale liniilor de curent există trei tipuri principale decurgere :- curgere tangenţială, lichidul curge paralel cu traseul paletei; efect mic de amestecare;- curgere radială , lichidul curge radial de la axa de rotaţie spre exterior; efectul deamestecare este mai accentuat faţă de situaţia anterioară;- curgere axială, lichidul intră în dispozitivul de agitare şi-l părăseşte paralel cu axa derotaţie; această curgere este specifică agitatoarelor cu paletă sub formă de elice.În majoritatea cazurilor de agitare apar combinaţii ale acestor tipuri de curgere.

Amestecătoarele cu braţe sunt indicate a fi folosite pentru realizarea operaţiei deamestecare în următoarele situaţii :- în cazul lichidelor miscibile şi cu viscozitate mică;- pentru agitarea lichidelor cu suspensii solide în cazul în care densităţile celor două mediisunt aproximativ egale (emulsionarea drojdiilor, agitarea laptelui, a vinului, a pământurilordecolorante în ulei etc.);- pentru menţinerea în suspensie a substanţelor fibroase (suspensii de azbest);- pentru dizolvări lente (obţinerea soluţiei de NaCl).

Nu este indicată folosirea lor în următoarele cazuri :- la agitarea lichidelor în curgere continuă;-la agitarea lichidelor cu solide când cele două medii au densităţi foarte diferite;- pentru menţinerea în suspensie a particulelor solide cu densitate mare iar lichidul areviscozitate mică sau medie;- pentru evitarea formărilor de straturi;- pentru dizolvări rapide şi dispersii fine.

Amestecătoare (agitatoare) cu braţe drepte.

Figura 5.6. Moduri de montare a braţelor dreptea - cu palete orizontale; b - cu braţe în diferite poziţii; c - cu palete în formă de cadru şi manta; d - cu palete în formă de cadru.

1 - paletă; 2 - ax; 3 - lagăre; 4 - roţi dinţate conice; 5 - roţi pentru curea de transmisie; 6 - vas de amestecare; 7 - reductor; 8 - motorelectric; 9 - manta.

Pot prezenta axul de rotaţie vertical (fig.5.6.) sau orizontal (fig5.7.), cu unul sau maimulte braţe drepte aşezate perpendicular pe ax sau oblic; de asemenea, braţele sau paletele potforma un sistem de cadru de agitare.

Figura 5.7. Partea de malaxare a unui agregat cufuncţionare continuă în care se fabrică unt.

1 - cilindru; 2 - palete; 3 - alimentare; 4 - evacuare;5 - şicane; 6 - motor electric.

În categoria amestecătoarelor cu braţe se încadrează şi unele tipuri de amestecătoarecu mişcări duble, cum ar fi : amestecătoarele planetare (fig.5.8.) şi amestecătoarele cu braţecare se mişcă simultan în sens invers (fig.5.9.).

Figura 5.8. Amestecător planetar1-ax;2-ax planetar; 3-palete; 4-roată dinţată cilindrică fixă; 5-roţi dinţate conice;

6 - roată de curea; 7 - lagăre; 8 - cadru de susţinere.

Figura 5.9. Vas cu braţe de amestecare care se rotesc în sens invers.1 - arbore central; 2 - braţe orizontale; 3 - lagăr; 4 - arbore gol;

5 - braţ pentru fixarea paletelor; 6 - sistem de antrenare cu roţi dinţate conice.

Cel mai simplu agitator cu braţe drepte este cel cu un ax vertical (fig.5.10.) pe caresunt fixate două braţe, palete, drepte, perpendiculare pe ax.

Figura 5.10.Agitator cu două braţe.1-vas;2-ax;3-paletă;4-cadru de susţinere 5-roţi dinţate conice.

Agitatorul este alcătuit din vasul 1, în care este introdus, suspendat, axul vertical 2, pecare sunt montate paletele 3. Suspendarea se realizează prin intermediul unui grup de lagăre.Antrenarea axului în mişcare de rotaţie se face de la un motor electric prin roţile dinţateconice 5.

Pentru a se realiza o funcţionare corectă şi economică, la alegerea unui agitator cubraţe ar trebui să se pornească de la date experimentale obţinute pe modele. Dimensiunilegeometrice de bază (fig.5.11.) ale agitatoarelor simple prezintă valori conform celor precizateîn tabelul 5.2.

Tabelul 5.2. Rapoartele între diferite dimensiuni ale unui amestecător (notaţiile de pe fig.5.11)

Raportul Amestecător Observaţiicu braţe cu elice

d / D 0,5 - 0,9 0,2 - 0,5H / D 0,8 - 1,3 1,2 - 5,00 când se montează mai multe

grupe de elice0,8 - 1,2 când se montează un grup de

eliceh1/ d 0,8 - 0,12 -h2 / d 0,05 - 0,3 0,5 - 1,0 dacă fundul vasului este

drepts / d - 1,0 - 3,0vitezaperifericăm/s

1,25 - 2,00 5,00 - 15,00

Distanţa dintre două braţe consecutive montate pe arbore, funcţie de viscozitatealichidului supus agitării poate varia în domeniul (0,3 ... 0,8)d.

����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

dD

H

n

h1

h2

Figura 5.11. Amestecătoare cu braţe - schemă de notaţii.

Elemente de calcul ale agitatoarelor cu braţe drepteCalculul unui aparat de agitare pentru dizolvare, emulsionare, omogenizare etc.

cuprinde două etape principale şi anume :- stabilirea dimensiunilor vasului;- determinarea consumului de energie.

Stabilirea dimensiunilor vasuluiPentru stabilirea dimensiunilor vasului în care are loc operaţia de agitare trebuie să se

cunoască ca elemente iniţiale de proiectare următoarele :- volumul de lichid dintr-o şarjă;- construcţia agitatorului;- raportul geometric : vas - paletă;- viteza periferică a agitatorului;- parametrii fizici ai fluidului supus agitării ( η, ρ ).

Lichidul aflat în mişcare de rotaţie într-un recipient are tendinţa de a se urca pe pereţiivasului, suprafaţa sa devenind suprafaţa unui paraboloid de rotaţie (vezi cap Centrifugarea).

Figura 5.12. Dimensiunile geometrice ale unui agitator cu palete.

Dimensiunile geometrice caracteristice ale unui agitator cu palete (fig.5.12) sunturmătoarele :

h1 este înălţimea paletei, m;h2 - distanţa de la fundul aparatului la paletă, m;h3 - înălţimea minimă de lichid deasupra paletei, în timpul funcţionării, m;hm = h1 + h2 + h3 - înălţimea minimă de lichid în timpul funcţionării, m;hp - înălţimea paraboloidului de rotaţie, m;hl - înălţimea lichidului din vas în stare de repaus, m;a = 0,1 m - adaos de siguranţă, m;hv - înălţimea totală a vasului, m.Din condiţii de similitudine se impun : h1, h2, h3, d, D.Din volumul Vl de lichid al unei şarje se calculează hl :

hl = 4.Vl"D2 (5-14)

Este necesar să se determine înălţimea paraboloidului de rotaţie, hp , în funcţie demărimile cunoscute pentru ca mai apoi să se determine înălţimea totală a vasului, hv.

Volumul de lichid din jurul paraboloidului de rotaţie, când sistemul este în repaus este:

V = "D2

4 (hl − hm) (5-15)Acelaşi volum, în mişcare de rotaţie va fi egal cu :

V = "D2

4 hp − Vp (5-16)în care : Vp - volumul paraboloidului de rotaţie, m3.Dar :

Vp = "D2

8 hp (5-17)de unde :

V = "D2

4 hp − "D2

8 hp = "D2

8 hp (5-18)iar din relaţiile (5-14) şi (5-17) rezultă :

"D2

4 (hl − hm) = "D2

8 hp (5-19)hp = 2(hl − hm)

Înălţimea totală a vasului hv va fi egală cu :hv = hm + hp + ahv = 2hl − hm + a (5-20)

Înălţimea totală a vasului, hv se mai poate determina şi din relaţia :hv = 4Vv

"D2 = 4Vl")D2 (5-21)

în care : ϕ = 0,6 ... 0,9 - coeficient de umplere.De remarcat că formarea paraboloidului de rotaţie, adică mişcarea ordonată a întregii

mase de lichid constituie un inconvenient în ceea ce priveşte realizarea în condiţii optime aamestecării. Datorită acestui fapt se adoptă diferite soluţii constructive care împiedicămişcarea de rotaţie mărind turbulenţa lichidului cum ar fi : montarea unor şicane, montareaoblică a agitatorului etc.

Consumul de energie la agitarePuterea la arborele motorului care antrenează dispozitivul în mişcare de rotaţie este

dată de relaţia :N = N1+N2+N3

1000.% (5-22)N - puterea necesară la arborele motorului electric, kW;N1 - puterea necesară la arborele agitatorului în scopul realizării amestecării, W;

N2 - puterea necesară pentru acoperirea pierderilor prin frecarea în racorduri, garnituri deetanşare, W;N3 - puterea suplimentară pentru siguranţă, pentru diferite obstacole, W;η - randamentul motorului electric.Mărimea N3 se determină în funcţie de condiţiile de lucru în raport de N1 mai mare în cazulvaselor mici şi mai mică în cazul vaselor mari. De regulă :

N3 = (0, 08...0, 25).N1 (5-23)Valoarea N2 se determină din relaţia :

N2 = f.G.wa (5-24)în care :f = 0,07 - 0,1 este coeficient de frecare, funcţie de construcţia lagărelor şi de sistemul deungere;G - greutatea elementelor în mişcare ale amestecătorului (ax, palete, roţi de antrenare), N;wa - viteza periferică a axului, m/s.

Puterea N1 necesară la arborele agitatorului se determină cu relaţii stabilite pe bazaanalizei matematice a fenomenului hidrodinamic de amestecare, pentru fluide newtoniene.

În cele ce urmează se analizează problema necesarului de putere la un agitator cu unbraţ de agitare.

Figura 5.13. Schiţă pentru calculul puterii necesare acţionării unui braţ drept de agitator.

Forţa necesară învingerii rezistenţei mediului când un corp se mişcă cu vitezăuniformă într-un fluid este dată de ecuaţia lui Newton :

F = '. w2

2 .$.A (5-25)în care :F este forţa necesară pentru mişcarea corpului în fluid, N;ξ - coeficient de rezistenţă, adimensional;w - viteza corpului prin fluid, m/s;ρ - densitatea fluidului, kg/m3;A - aria suprafeţei proiecţiei corpului în mişcare pe un plan perpendicular pe direcţia demişcare, m2.Pentru aplicarea ecuaţiei la un braţ dreptunghiular de agitator trebuie să se ţină seama cădiferitele puncte de pe suprafaţa braţului au viteze diferite.Pentru porţiunea haşurată (fig.5.13.) ecuaţia devine :

dF = 'wx2

2 .$.h.dx (5-26)în care :

h este lăţimea (înălţimea) braţului;x - distanţa porţiunii haşurate de la axa agitatorului variind între r0 şi r;r0 - raza arborelui agitatorului;r - raza cercului descris de braţul agitatorului.Viteza suprafeţei haşurate este :

wx =*.x = 2"nx (5-27)în care :ω - viteza unghiulară a agitatorului, rad/s;n - turaţia agitatorului, rot/s.Puterea necesară dN1 pentru rotirea suprafeţei dA din braţul agitatorului este produsul dintreforţa necesară pentru învingerea rezistenţei mediului şi deplasarea ei în unitatea de timp,adică viteza ei.

dN1 = wx.dF = 'wx3

2 .$.h.dx = h.4"3.n3.'.$x3.dx (5-28)

În urma integrării între limitele r0 şi r se obţine :

N1 = '.h.4"3.n3. !r0

rx3dx = '.h."3.n3.$.(r4 − r0

4 )(5-29)

N1 = '.h."3.n3.$.(r4 − r04 )

Neglijândul pe r40 faţă de r4 ( r0 << r ) şi introducând notaţiile :

a = hd unde d = 2r (5-30)

ecuaţia devine :N1 = a

16'(".n)3.$.d5(5-31)

în care :a - simplex de asemănare geometrică;d - diametrul cercului descris de braţul agitatorului.Pentru mai multe braţe, se însumează puterile corespunzătoare fiecărui braţ.Înglobând toate constantele în ξ1 se ajunge la ecaţia :

N1 = '1.$.n3.d5(5-32)

S-a constatat experimental că ξ1 este funcţie de numărul Reynolds :

'1 = f(ReM ) (5-33)şi că funcţia are forma :

'1 = cReM

m

Numărul ReM pentru agitare se exprimă prin :

ReM = n.d2.$% (5-34)

şi deci rezultă :N1 = c.d5−2m.n3−m.$1−m.%m

(5-35)

Valorile c şi m sunt specifice diferitelor forme de agitatoare şi se determină experimental. Întabelul 5.3 se dau valorile c şi m pentru câteva tipuri mai importante de agitatoare. Putereatotală necesară la arborele agitatorului se stabileşte având în vedere toate paletele existente pearbore.

Tabelul 5.3 Valorile constantelor c şi m din ecuaţia (5-35)Nr.

crt

Tipul agitatorului D/d H/d h1/d c m Observaţii

0 1 2 3 4 5 6 71 Amestecător cu paletă 2,0 2,0 0,36 111,0 1,0 Re : 20

100:Re:5.104

14,35 0,31 Re ; 5.104

ξ = 0,5252 Cu două braţe 3,0 3,0 0,33 6,8 0,203 Cu două braţe

înclinate în jos la 4503,0 3,0 0,33 0,45 0,20

4 Cu patru braţe 3,0 3,0 0,33 8,52 0,205 Cu patru braţe

înclinate în jos la 4503,0 3,0 0,33 5,05 0,20

6 Cu patru braţeînclinate în sus la 450

3,0 3,0 0,33 4,42 0,20

7 Cu patru braţeînclinate în sus la 600

3,0 3,0 0,5 6,30 0,18

7a Cu patru braţeînclinate în sus la 450

3,0 3,0 0,5 3,18 0,15 Re ; 1000

8 Cu şase braţe 1,11 1,11 0,11 12,50 0,259 Cu ancoră 1,11 1,11 0,11 6,20 0,2510 Cu ancoră dublă 1,11 1,11 0,11 6,00 0,2511 Elice cu palete

înclinate la 22,503,0 3,0 0,33 0,985 0,15

12 Elice cu trei palete 3,8 3,5 1,0 2304,631,19

1,670,350,15

Re : 30Re : 30000Re ; 30000

13 Turbină închisă cu treipalete, deschiderecentrală de intrare de37 mm

3,0 3,0 0,33 3,90 0,20

14 Agitator pentrusisteme gaz - lichid şisuspensii

4,0 4,0 0,4 20,8 0,27

15 Turbină cu şase paleteşi stator

2,4 1,78 0,25 5,98 0,15

16 Turbină cu 12 paleteşi stator

2,4 1,78 0,25 10,35 0,15

Relaţia de calcul a puterii N1 necesare în operaţia de amestecare se poate stabili şi prinaplicarea noţiunilor şi procedeelor analizei dimensionale la operaţia sus menţionată. Pentrustabilirea celei mai generale forme a ecuaţiei care descrie amestecarea se iau în considerare :- parametrii care depind de natura materialelor supuse amestecării: viscozitatea, ν, densitatea,ρ, şi uneori tensiunea superficială σ ;- parametrii geometrici ai construcţiei;- caracteristicile hidrodinamice ale sistemului, adică turaţia, n;- acceleraţia gravitaţională, g.

Se obţine : f(d,$, !, n, g, N1 ) = 0

Prin procedeele analizei dimensionale se ajunge la relaţia (5-35).

"""" 5.4.2.2. Amestecătoare(agitatoare) cu braţe tip ancorăÎn cazul vaselor cu fund semisferic sau elipsoidal, când este necesară o amestecare în

apropierea pereţilor vasului se utilizează agitatoarele tip ancoră (fig.5.14). Amestecătorul(agitatorul) cu braţe în formă de ancoră este utilizat în principal pentru amestecarea lichidelorviscoase în vase încălzite, cu manta, în care se urmăreşte evitarea prinderii substanţei viscoasede manta. În vederea realizării acestui scop ancora urmăreşte cât mai aproape forma pereteluiaparatului.

Fig.5.14. Amestecător mecanic cu braţ de amestecare tip ancoră.1-ax; 2-braţ de amestecare tip ancoră; 3-teacă termometru;

4-manta de încălzire-răcire; 5-angrenaj roţi dinţate.

La amestecătoarele cu braţe în formă de ancoră, datorită formei speciale a braţului,calculul puterii necesare pentru braţ trebuie adaptat la forma paletei.

Luând în considerare toate aspectele care apar (fig5.15) se ajunge la :

N1 = '‘.n3.$.(de5 − di

5 ) 23 + cos3+−3 cos+

3 (5-36)

Figura 5.15 Schiţă pentru calculul puterii necesare acţionării unui braţ tip ancoră de agitator.

Prin aplicarea analizei dimensionale la operaţia de amestecare se ajunge la o relaţie decalcul a puterii necesare antrenării amestecătoarelor, de forma :

Eum = K1.Rema .Frm

b(5-37)

Deoarece în cazul agitatoarelor cu braţe drepte sau tip ancoră nu există mişcare peverticală a lichidului, influenţa câmpului de forţe gravitaţionale este neglijabilă.Relaţia devine : Eum = K1.Rem

a(5-38)

în relaţiile anterioare :Eum = N1

$.n3.d5 Rem = n.d2!

1Frm = g

n2.d (5-39)

"""" 5.4.2.3. Amestecătoare cu elice şi spiralăIntensificarea procesului de amestecare se obţine dacă în locul paletelor drepte se

folosesc elice. Cu ajutorul acestora se realizează curgerea axială care este mai eficientă.Paletele amestecătoarelor cu elice reprezintă un element al elicei geometrice, suprafaţa paleteieste o parte a unei suprafeţe elicoidale.

Un amestecător cu elice are în mod normal două palete montate pe un butuc prinintermediul căruia se fixează pe arbore. Pe acelaşi arbore, în funcţie de necesităţi se pot fixamai multe elemente cu elice. La acelaşi butuc se pot fixa două sau trei palete.

Un element geometric important îl constituie pasul elicei, adică distanţa dintremaximele învecinate ale spiralei care formează elicea. Se calculează cu relaţia :

s = 2".r.tg+ (5-40)

în care:s-pasul elicei, m; r-raza paletei, m; α-unghiul de înclinare al paletei, rad.Există : - elice dreaptă - se roreşte în sensul acelor unui ceasornic;

- elice stângă - se roteşte în sensul invers acelor de ceasornic ;- elice cu pas constant - se realizează agitarea în întreg vasul ;- elice cu pas variabil - se realizează agitarea numai în regiunea elicei.Constructiv, amestecătorul cu elice este format din arborele 1 pe care sunt montate

elicele 2 prin intermediul butucului 3 care este fixat pe arbore cu ajutorul panei 4, cuiuluispintecat de siguranţă 5 şi a piuliţei înfundate 6(fig.5.16).

Fig.5.16. Amestecător cu elice.1-arbore; 2-elice; 3-butuc; 4-pană; 5-cui spintecat; 6-piuliţă înfundată.

Efectul de amestecare se obţine prin combinarea mişcării :- curgerea axială a lichidului, provocată de înălţimea de refulare a elicei;- curgerea turbulentă elicoidală a întregului conţinut al recipientului, provocată de gradientulde viteză radială în straturile de lichid aflate la diferite distanţe de dispozitivul de amestecare.

Turaţia elicei trebuie astfel aleasă încât să nu se ajungă la fenomenul de cavitaţie. Înafara reducerii turaţiei, pentru preîntâmpinarea fenomenului de cavitaţie, se mai pot aplicaurmătoarele metode :- montarea axului elicei excentric faţă de axa de simetrie a vasului sau oblic (fig.5.17 b şi c);- montarea axului orizontal, elicea rotindu-se în plan vertical - uneori în industria laptelui;- introducerea de şicane - palete fixe de formă dreptunghiulară montate orizontal sau verticalpe vas.

Figura 5.17 Amestecătoare cu elicea-elice montată axial pe arbore vertical; b-elice montată excentric pe arbore vertical;

c-elice montată pe arbore oblic; d-elice montată pe arbore orizontal; e-elice în difuzor;f-elice cu difuzor din serpentină de încălzire.

1 - vas; 2 - arbore; 3 - elice; 4 - cadru de sprijin; 5 - lagăre; 6 - roţi dinţate conice; 7 - motor electric; 8 - manta; 9 - difuzor; 10 -serpentină de încălzire sub formă de difuzor.

Amestecătoarele cu elice sunt indicate pentru fluide cu viscozitate sub 2Pa.s în modexcepţional putându-se ajunge la 4Pa.s.

Se utilizează la formarea unor emulsii cu viscozitate mică, pentru cazuri de dizolvare,pentru aducerea în suspensie a particulelor când acestea nu reprezintă mai mult de 10%volume.

Avantajul principal al amestecătoarelor cu elice constă în posibilitatea de funcţionarela turaţii mari, prin antrenare directă de la motorul electric. Un alt avantaj constă în aceea căse realizează amestecări mai rapide ca în alte cazuri.

Calculul puterii amestecătoarelor cu elice se face pe baza relaţiilor de calcul pentruamestecătoarele cu braţe drepte particularizate prin intermediul anumitor coeficienţi ce ţinseama de formă şi care se găsesc indicaţi în literatură.

Puterea amestecătoarelor cu elice în funcţie de diametru, turaţie şi pas se poatedetermina şi pe baza unei nomograme (fig.5.18).

Figura 5.18 Nomogramă pentru determinarea puterii necesare la un amestecător cu elice.

Pentru amestecătoarele cu braţe drepte, cu braţe sub formă de ancoră precum şi pentrucele cu elice, se găsesc în tabele (tab.5.3) valorile constantelor c şi m, numai pentru anumitetipuri de amestecătoare şi la acestea numai pentru anumite valori ale simplecşilor geometrici.

Dacă un amestecător cu braţe drepte nu corespunde parametrilor geometrici pentrucare se găsesc valorile constantelor c şi m în tabele, dar respectă următoarele valori alesimplecşilor geometrici :

Dd = 2, 5 − 4 H

d = 0, 6 − 1, 6h1

d = 0, 2 − 0, 67h2

d = 0, 2 − 0, 5 (5-41)

puterea necesară amestecării se calculează cu relaţia (5-35). Valoarea obţinută pentru puterese multiplică cu un factor de corecţie K a cărui valoare se deduce din relaţia :

K = ( D3d )1,1.( H

D )0,6.4h1

D

0,3

(5-42)

Pentru amestecătoare cu elice în vase fără şicane şi care au simplecşii geometriciapropiaţi de valorile :

Dd = 4, 5 H

d = 4, 5h2

d = 1 (5-43)

puterea N1 se calculează cu relaţia (5-32) în care valoarea coeficientului ξ1 se determină dindiagrama din fig.5.19 funcţie de criteriul Rem , viscozitatea dinamică η a lichidului şi turaţiaamestecătorului, n sau din tabelul 5.4.

Figura 5.19 Variaţia lui ξ1 funcţie de Rem ,viscozitatea dinamică a lichidului, η, şi turaţia elicei n.

Tabelul 5.4 Valorile constantei ξ1 pentru determinarea puterii amestecătoarelor cuelice la diferite valori ale criteriului Rem.

Tipulamestecătorului

Caracteristici geometrice Valoarea lui ξ laRem

D/d H/d h2/d B/d 5,0 200,0 1060 1 2 3 4 5 6 7

Elice pe arborevertical în axavasului

3,25 3,9 1,0 1,15 8,3 0,73 0,25

3,25 3,9 1,0 2,0 8,7 1,26 0,524,50 4,50 1,0 1,15 8,4 0,73 0,234,50 4,50 1,0 0,98 8,3 0,75 0,223,00 3,00 1,0 1,10 8,2 0,78 0,222,70 2,70 1,0 1,15 - 0,75 0,33

Elice montatăpe arboreverticalexcentric în vas

3,25 3,90 1,0 1,15 - 0,75 0,33

3,25 3,90 1,0 2,00 - - 1,003,00 3,00 1,0 1,02 8,3 0,77 0,32

Amestecătoarele cu spirală montată liber înlocuiesc amestecătoarele cu elice în specialpentru amestecarea lichidelor nenewtoniene (paste). Amestecătoarele cu spirală liberă sunt deobicei întâlnite ca vase orizontale, utilizându-se drept malaxoare - cristalizoare în industriazahărului, pentru creşterea cristalelor. Amestecătoarele cu spirală în difuzor sunt vasecilindrice verticale utilizate la amestecarea unei game largi de lichide.

"""" 5.4.2.4. Amestecătoare de construcţii diverse.a. Aparate pentru amestecarea materialelor păstoase şi plastice.La amestecarea pastelor şi maselor plastice condiţiile sunt mai complicate decât la

amestecarea lichidelor. Cu cât consistenţa mediului este mai mare, cu atât mişcareamaterialului din cuvă este mai lentă.

Un dispozitiv de amestecare central provoacă o mişcare redusă în cazul pastelor, înspecial în apropierea peretelui recipientului. În utilajele pentru amestecarea corpurilorpăstoase elementul pentru realizarea mişcării produsului şi recipientul formează o unitate delucru cu influenţă reciprocă mult mai mare, comparativ cu celelalte amestecătoare.

Figura 5.20 Forme de braţe ale malaxoarelor cu braţe rotative.

Malaxarea se întâlneşte în industria mezelurilor, biscuiţilor, brânzeturilor şi în moddeosebit a panificaţiei. Malaxarea şi amestecarea materialelor se realizează cu braţe, care potavea diferite forme (fig.5.20).

Malaxoare cu braţe rotative Sigma (fig.5.21)Aceste utilaje se folosesc pentru amestecarea produselor păstoase fiind întâlnite în

special în industria preparatelor din carne şi a produselor făinoase.

Figura 5.21 Malaxor cu braţe rotative Sigma.1-cuvă;2-braţe Sigma;3-arbore;4-roţi dinţate cilindrice;5-roată de curea antrenare.

Cuva, 1, a malaxorului are o formă specială. Fundul este format din două elementesemicilindrice orizontale; restul corpului cuvei este sub forma unei prisme. Cuva este montatăpe un cadru metalic fix sau mobil. Montarea pe cadru mobil crează posibilitatea ridicăriimecanizate sau nemecanizate a cuvei, dintr-o parte şi răsturnării materialului din cuvă.

Pentru realizarea malaxării în interiorul utilajului sunt montate două braţe în formă desigma, 2, care se rotesc în sens de întâmpinare din exterior spre interior, de regulă cu turaţiidiferite, pentru a se arunca materialul de la un braţ la altul. Între dimensiunile geometrice alecuvei şi dimensiunile şi turaţia braţelor trebuie să existe o anumită corelare. În caz contrarpoate să apară fenomenul de neutilizare corespunzătoare a volumului cuvei sau aruncareamaterialului din cuvă. Antrenarea arborilor 3 se realizează prin roţile dinţate cilindrice 4, dediametre diferite şi a roţii de curea 5.

Malaxor cu braţe şi cuvă mobilă

Figura 5.22 Malaxor cu braţe şi cuvă mobilă.1-cuvă; 2-pivot; 3-platformă de transport; 4-roată melcată; 5-arbore; 6-braţe drepte; 7-braţe frânte; 8-corp rabatabil; 9-roată de

manevrare; 10-carcasă fixă care conţine sistemul de antrenare.

În figura 5.22 este prezentată schematic construcţia unui malaxor cu braţe şi cuvămobilă întrebuinţat în diferite ramuri ale industriei alimentare: panificaţie, industriamezelurilor, conserve de carne, brânzeturilor etc.

Caracteristica esenţială este constituită din cuvă care se poate deplasa din construcţiamalaxorului, ceea ce simplifică foarte mult condiţiile de încărcare şi descărcare. Malaxoruleste alcătuit din cuva 1, fixată prin pivotul 2 de platforma de transport 3, prevăzută cu trei roţide deplasare. Pe pivotul 2 al cuvei este fixată o roată melcată 4, care în timpul malaxăriitransmite mişcarea de rotaţie cuvei. Aceste elemente alcătuiesc partea care se deplasează lamalaxor. Mecanismul de malaxare propriu zisă este alcătuit dintr-un arbore 5 care are fixatepe el o serie de palete drepte 6, şi o paletă 7 modelată după forma cuvei. Arborele 5 este fixatîn capul rabatabil 8 care transmite mişcarea de rotaţie şi mişcarea de ridicare şi coborâre abraţului amestecător. Pe carcasa părţii fixe a aparatului este fixată o pârghie a mecanismuluide punere în funcţiune şi o apărătoare. Cu pârghia, prin intermediul roţii 9 se poate ridica atâtarborele cu palete cât şi apărătoarea.

Pentru a asigura o funcţionare corectă, dispozitivul mobil înainte de a se pune înmişcare malaxorul, este solidarizat de partea fixă 10 a aparatului.

Antrenarea se face de la un motor electric care transmite mişcarea atât la capulrabatabil 8 cât şi la roata melcată 4.

În timpul amestecării cuva se învârteşte cu cca. 30 rot/min. pentru a aduce materialulsupus malaxării, în mod continuu, în faţa paletelor şi în acest mod să fie realizată malaxarea.

Malaxorul pentru unt sau putineiul malaxorMalaxorul pentru unt sau putineiul malaxor (fig.5.23) este un utilaj cu funcţionare

discontinuă cu ajutorul căruia se realizează baterea smântânii în vederea separării fazelorgrăsime - apă şi operaţia de malaxare a untului în vederea eliminării fazei apoase, zara.

Figura 5.23 Malaxorul pentru unt.1-cilindru orizontal; 2-capac; 3-arbore gol; 4-arbore plin; 5-cilindru de malaxare; 6-roţi dinţate; 7-picior susţinere; 8-batiu conţinând

sistemul de antrenare în mişcare şi cutia de viteze.

Malaxorul (fig.5.23) este un cilindru orizontal 1 prevăzut pe suprafaţa laterală cu uncapac 2 de umplere şi golire. Cilindrul se sprijină pe suporturile 7 şi 8 prin intermediul a doiarbori solidarizaţi pe fundurile cilindrului. Arborele 3 de la unul din capete este gol îninterior, prin interiorul său trece un al doilea arbore plin 4. Arborele gol are rolul de a asiguramişcarea de rotaţie a malaxorului.

În interiorul corpului cilindric al malaxorului sunt montate una, două sau trei perechide cilindrii 5 care au rolul de malaxare a untului şi au mişcare de rotaţie în perioada demalaxare, primind această mişcare prin intermediul roţilor dinţate 6 de la arborele plin 4. Înfigura 5.24 se prezintă câteva tipuri de cilindrii canelaţi pentru malaxarea untului.

Cilindrii pot fi confecţionaţi din oţel inoxidabil sau din lemn rezistent laumezeală.Mecanismul de acţionare cu cutia de viteze se găsesc în batiul 8. Existăposibilitatea realizării mişcării de rotaţie doar a tamburului la turaţie mare în perioada debatere a smântânii şi la turaţie mică, împreună cu cilindrii 5, în perioada de malaxare auntului.

Figura 5.24 Tipuri de cilindrii canelaţi pentru malaxarea untului.

În perioada de batere a smântânii, tamburul trebuie să prezinte o astfel de turaţie încâtacesta, sub acţiunea forţei centrifuge care apare, să asigure ridicarea smântânii la un unghi de150 - 1750 faţă de verticală (fig.5.25). Şocul rezultat în urma căderii smântânii asigurărealizarea separării fazelor. Această condiţie se realizează la turaţii de regim cuprinse întrelimitele :

0,8

2 R< n < 1

2 R (5-44)

în care R este raza corpului cilindric al malaxorului.

Figura 5.25 Schemă pentru determinarea turaţiei malaxorului.

În perioada de malaxare, turaţia tamburului se micşorează de 10-15 ori faţă de turaţiadin perioada de batere. Turaţia cilindrilor malaxori trebuie să fie de 15-20 ori mai mare decâtturaţia tamburului.

În aceste condiţii untul rămâne la partea inferioară a tamburului în zona de acţiune acilindrilor de malaxare. Pentru realizarea unei bateri corespunzătoare, malaxorul se umple cusmântână până la cca. 30 % din volumul său.

Consumul de energie la amestecarea materialelor păstoaseÎn cazul materialelor păstoase, materiale ce intră în categoria lichidelor nenewtoniene,

noţiunea de viscozitate devine foarte complexă.Comportarea lichidelor nenewtoniene, ale căror proprietăţi reologice sunt

independente de timp, poate fi exprimată prin relaţia generală :#yx = K dwx

dy

a

(5-45)în care :τyx - tensiunea tangenţială, Pa;K - indicele de consistenţă al fluidului, Pa.s;dwx /dy - gradientul de viteză, s-1;a - indicele de comportare la curgere (pentru lichide newtoniene a = 1).

Viscozitatea aparentă la amestecarea lichidelor nenewtoniene independente de timp secalculează cu relaţia :

%a = K(8n)1−a ( 3a+1

4a )a

(5-46)în care :n - turaţia organului de amestecare, rot/s;- celelalte notaţii sunt similare cu cele de la relaţia (5-45).

În acest caz, criteriul de similitudine Reynolds, se exprimă în forma :

Re = d2.n.$ l.(8n)1−a

K ( 4a3a+1 )a

(5-47)

în care :d - diametrul organului de amestecare,m;ρl - densitatea lichidului, kg/m3 ;- celelalte notaţii au semnificaţiile din relaţiile (5-45) şi (5-46).

Pentru lichidele nenewtoniene exponentul a > 1 şi într-un interval mai mare degradienţi de viteză, îşi modifică valoarea.

Puterea consumată la amestecarea lichidelor nenewtoniene se poate calcula cu relaţia :N = 696.%a.n2.d3

(5-48)

obţinută prin dezvoltarea expresiei pentru Re şi introducerea viscozităţii aparente, în care :N - puterea consumată la amestecare, W;- celelalte notaţii păstrându-şi semnificaţiile anterioare.

Relaţia (5-48) se aplică pentru domeniul curgerii laminare (Re mai mic de 20) şipentru valori ale exponentului a în intervalul 0,25 ... 0,45.

Pentru valori ale lui Re mai mici decât 10, relaţia (5-48) se aplică şi lichidelornewtoniene. Rezultă că ea reprezint doar o anumită extindere a valabilităţii relaţiei de bazăpentru agitarea lichidelor newtoniene în domeniul laminar pentru un interval mai mare a luiRe.

b.Aparate pentru amestecarea materialelor pulverulente.Amestecarea propriu-zisă, adică amestecarea materialelor solide granulare şi

pulverulente, are largi aplicaţii în industria alimentară, cum ar fi : în morărit şi panificaţia, înindustria produselor zaharoase etc. Aparatele utilizate în acest scop, din punct de vedereconstructiv se clasifică în :

- aparate de amestecare cu şnec;- amestecătoare cu palete;- amestecătoare tambur.

Amestecătoarele cu şnec (fig.5.26) sunt larg utilizate în industria panificaţiei învederea obţinerii partizilor de făină pentru producţie.

Şnecurile 1,2 şi 3 alimentează cu făină din trei buncăre şnecul 4 care realizeazăamestecarea celor trei sorturi.

Figura 5.26 Amestecător de făină tip şnec cu funcţionare continuă.1,2,3-şnecuri dozatoare; 4-şnec de alimentare; 5-variatoare de turaţie.

Consumul de energie pentru amestecarea materialelor pulverulente nu poate fi calculatcu relaţii precise. În cazul amestecătoarelor tip tambur relaţia de calcul al consumului deenergie este de forma :

N = C1.Rema .Frm

b(5-49)

În cazul amestecătoarelor cu şnec, energia consumată se calculează cu relaţiilespecifice utilizate la calculul energiei consumate pentru transport.

„„„„ 5.5. Alegerea aparatelor de amestecare.

Dată fiind lipsa unei teorii uniforme privind operaţia de amestecare, în momentulactual, pentru un caz concret sau altul se aleg aparate în urma încercărilor efectuate pemodele.

În linii mari, la alegerea unor astfel de aparate trebuie să se aibă în vedere următoareleelmente :- organul de amestecare să iniţieze forţe de forfecare mari şi în cât mai multe puncte din masasupusă operaţiei, menţinând în acelaşi timp în suspensie straturi limită pe cât posibil maisubţiri pe care să le îndepărteze sau rupă;- să fie atras în mod continuu material în punctele active ale dispozitivului de amestecare şi săse asigure o suprafaţă de contact cât mai bună;- amestecarea să fie cât mai uniformă şi să aibă loc într-un timp cât mai scurt pentru a reducela minimum cheltuielile de energie.

Se recomandă ca fiind cea mai raţională, metoda de încercare pe modele, înainte dealegerea unui tip sau a altuia de aparat de amestecare. Din încercările pe model trebuie să sestabilească condiţiile de similitudine geometrică - forma vasului şi rapoartele geometriceoptime dintre dimensiunile acestuia, forma optimă a dispozitivului de amestecare precum şirapoartele geometrice ale acestuia şi dintre agitator şi vas, poziţia organului de amestecare înraport cu axa vasului etc.- şi hidrodinamică - valoarea optimă a turaţiei şi legată de aceastavalorile cifrelor Re şi Fr, condiţiile care asigură un consum minim de energie.