EP.1: CIRCULATION PATTERNS


Home

>

Training

>

EP.1: CIRCULATION PATTERNS

454 views

EP.1: CIRCULATION PATTERNS

ADVANCE MIXING TECHNOLOGY
EP.1: CIRCULATION PATTERNS

ต้องขอกริ่นนำเพื่อเป็นพื้นฐานในการทำความเข้าใจก่อนจะไปในส่วนของ Advance Mixing กันประมาณนึงเลยครับ, ผมเห็นว่า CIRCULATION PATTERNS ควรจะเป็นเรื่องแรกในการทำความเข้าใจเพื่อให้เห็นถึง Patterns ของการไหล หรือ อาจจะเรียกว่า Flow Patterns ของใบกวนแต่ละชนิดก่อน, Impeller Type ที่ต่างกันมีการใช้งานต่าง Mixing Task กันจริงครับ และ หากเราตัดระบบการ Mixing อย่างง่ายออกไป เช่น Liquid-Liquid Mixing, Solid-Liquid Mixing ที่ระบบมีความสามารถในการเข้ากันได้ดี เราจะตระหนักได้ว่า Impeller Selection คือ พื้นฐานที่สำคัญอย่างมากต่อการออกแบบระบบครับ, อาจจะมีคำถามว่าแล้วถ้าเลือกผิดจะเกิดอะไร ผมขอตอบว่า หากเลือกผิดก็จะเกิดสิ่งที่ไม่น่าจะเหมาะสมตามมา อาทิเช่น การสิ้นเปลืองพลังงานโดยเปล่าประโยชน์, เกิดความไม่กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอของอนุภาค, หรือ อาจจะไม่สามารถผสมเข้ากันได้เลย เป็นต้นครับ

จากรูปหน้าปกด้านหน้าแสดงให้เห็นถึง Dimensions ที่จำเป็นต้องพิจารณาเบื้องต้นสำหรับการออกแบบระบบ Mixing ซึ่ง Dimensions เหล่านี้จะถูกนำมาคำนวณ, เลือก และ คาดการณ์รูปแบบของ CIRCULATION PATTERNS ครับ, ค่า Reynolds Number จะถูกใช้เป็นพื้นฐานในการกำหนดว่าช่วงของความปั่นป่วนนั้นอยู่ในระดับใด โดยทั่วไปกาก Re มากกว่า 20,000 เราจะกำหนดได้ว่าเป็น Fully Turbulent, หากน้อยกว่า 10 เราจะกำหนดได้ชัดเจนว่าเป็น Completely Laminar และ ช่วงระหว่างกลางจะเรียกกว่า Transitional Flow (Cr. ADVANCES IN INDUSTRIAL MIXING,  A COMPANION TO THE HANDBOOKOF INDUSTRIAL MIXING, Wiley, P.155) ทั้งนี้มีข้อควรระวังเล็กน้อย คือ การคำนวณดังกล่าวบ่งบอกระดับเฉพาะใกล้ปลายใบกวนเท่านั้นครับ, ทั้งนี้ในพื้นที่การผสมอาจจะมีระดับของความปั่นป่วนตั้งแต่ง 1-3 ประเภทเลยก็ได้

จากรูปด้านบนแสดงให้เห็นถึง Flow Patterns ของ Impeller 3 รูปแบบ จากซ้ายไปขวา ได้แก่ Axial Flow Hydrofoil,  Mixed-Flow Down-Pumping Pitched-Blade Turbine  (PBT) และ Radial Flow Flat-Blade Turbine (Cr. ADVANCES IN INDUSTRIAL MIXING,  A COMPANION TO THE HANDBOOKOF INDUSTRIAL MIXING, Wiley, P.157) ซึ่งผมได้นำรูปของใบกวนจริงของบริษัทฯ มาแนบประกอบเพื่อให้เห็นภาพชัดเจนขึ้น, ทั้งนี้จากรูป Flow Patterns อ้างอิงจากสัดส่วนของ d/T = 0.3 (เส้นผ่านศูนย์กลางใบกวนต่อเส้นผ่านศูนย์กลางถัง), C/T = 0.3 (ระยะจากพื้นถังถึงส่วนปลายล่างของใบกวนต่อเส้นผ่านศูนย์กลางถัง), H = T (ระดับความสูงของของเหลวเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางของถัง) และ B = T/10 (หน้ากว้างของ Baffle Plate เท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางถังหารด้วย 3) (Cr. ADVANCES IN INDUSTRIAL MIXING,  A COMPANION TO THE HANDBOOKOF INDUSTRIAL MIXING, Wiley, P.157) ซึ่งครั้งต่อไปผมจะนำคลิปการทดสอบของ Flow Pattern ทั้งสามประเภทมาแสดงให้เห็นถึงความแตกต่างครับ

สถาพร เลี้ยงศิริกูล
บจก.มิสซิเบิล เทคโนโลยี
 




Blogs

-

High Shear Mixer_Ep.4

อ้างอิงจาก The Effect of Stator Geometry on the Flow Pattern and Energy Dissipation Rate in a Rotor-Stator Mixer / A.Utomo, M.Baker, A.W.Pacek / 2009, ขอแสดงทัศนะให้สอดคล้องจาก Ep ที่ผ่านมาที่ว่าด้วย du/dr ครับ อ้างอิงจากผู้วิจัย ได้ทำการใช้ CFD ในเพื่อศึกษา Vector ของความเร็ว ซึ่งจากรูปจะเห็นได้ว่าการเปลี่ยนแปลงของภาวะของระบบ (ความเร็ว) นั้นบ่งบอกถึงทิศทางและขนาดของภาวะ โดยมี Max.Velocity 6m/sec (จริงๆน้อยนะครับ) แต่ใช้ค่า Max-Min ศึกษาได้, กล่าวคือ Head ของ Stator ที่เป็นรูใหญ่จะสร้าง Velocity Drop น้อย และ รูแบบ Slot, รูแบบเล็ก ตามลำดับ นั่นแสดงว่า Shear Rate ของ Head ที่มีรูขนาดเล็กให้ du ที่มีค่ามากที่สุด (ตัด dr ออกเนื่องด้วย Gab ของ Rotor-Stator จาก CFD มีค่าเท่ากัน) นั่นคือ รูขนาดเล็กสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของระบบในลักษณะ Emulsion ได้ดีที่สุด สอดคล้องกับสมการที่เคยกล่าวมา แต่....จาก Vector ของความเร็วจะเห็นได้ว่า Stator Head ของรูขนาดเล็กก็ทำให้เกิด Dead Zone of Mixing ได้ง่ายเช่นกัน ตรงนี้บ่งบอกอะไร บ่งบอกว่าการเลือกใช้งานสัดส่วน d/D ของ Rotor-Stator นั่นไม่เหมาะกับถังขนาดใหญ่ หรือ หากต้องการใช้ก็จำเป็นต้องมีเครื่องกวนอีกประเภทที่สามารถขจัด Dead Zone of Mixing ได้ ในลักษณะของ Scraper นั่นเองครับ การทำ CFD มีวัตถุประสงค์และประโยชน์ประมาณนี้เลยครับ แต่มักจะเข้าใจผิดกันว่า CFD คือ สิ่งที่สามารถบอก Mixing Time ได้, บอกกำลังของต้นกำลังได้ ไม่ใช่แบบนั้นครับ ปริมาณในเชิง Scalar ต้องคำนวณครับ, ส่วนปริมาณเชิง Vactor ก็เหมาะกับการทำ Simulation และ ในงานของ Fluid Mixing เราจะใช้ CFD ในการดูแนวโน้มของ Flow Pattern ของใบกวนมากที่สุด (เน้นบริเวณใกล้ๆใบกวนด้วยครับ)

Next
-

High Shear Mixer_Ep.3

Ep ก่อนหน้าได้แสดงทัศนะว่า du ส่งผลให้ Shear Rate สูงขึ้นได้อย่างไร ในทำนองเดียวกันคือ dr คือ พื้นที่ช่องว่าระหว่าง Rotorกับ Stator ยิ่งเล็กก็ยิ่งทำให้ Shear Rate สูงขึ้นไปอีก ดังจะเห็นว่า Gab ของ Rotor-Stator นั่นจะมีขนาดเล็กมากนั่นเองครับ แต่จะเล็กเท่าไหร่นั่นไม่มีใครตอบได้ครับ คงต้องออกแบบและทดสอบกับของเหลวนั่นๆมากกว่า เพราะมีอีกปลายปัจจัยที่ส่งผลเอื้อหรือไม่เอื้อต่อ Gab ที่ขนาดเล็ก เช่น Viscosity, Particle Size, %Solid เป็นต้น, ก่อนจะไปเรื่องอื่น อยากชวนกลับมาที่ Impeller Types ที่ให้ Flow Pattern แบบ  Mixed Flow (Tangential Flow)  และ Axial Flow ตามรูปที่ผมได้ทำการทดสอบนะครับ จะเห็นว่าสองรูปทางซ้ายจะมีสามารถเอาชนะแรงดึงดูดระหว่างมวลของน้ำมันได้เลย แต่ สองรูปทางขวาจะมีแรงเอาชนะได้ (จากการทดสอบใช้ Tip Speed Const.@4.0m/Sec) เหตุผลเนื่องจากใบกวน จะมีสัดส่วนของ Axial 30% Radial 10% Tangential 60% และ Axial 100% Radial 0% Tangential 0% ตามลำดับครับ เนื่องด้วย Shear Rate ไม่มากพอจะทำให้อนุภาคของของเหลวย่อยลงและแยกออกจากกันได้ทำให้ไม่เหมาะกับงานลักษณะ High Shear Mixer ด้วยเช่นกัน การอ้างอิงค่า Local energy dissipation หรือ P/V ของเครื่องกวนในลักษณะ High Shear Mixer กับ เครื่องกวนประเภทอื่นๆว่ากี่เท่านั้น โดยทัศนะผมแล้วไม่ควรนำมาเปรียบเทียบอะไรกันเลยครับ เพราะมันมีจุดประสงค์ที่ต่างกันการเทียบแบบนั้นไม่มีประโยชน์และไม่สามารถนำค่าเทียบเคียงมาใช้งานอะไรได้เลยด้วยซ้ำ การนำสมการ Power Absorb มาใช้ก็ต้องระวังมาก (P = Np*Density*Speed^3^d^5) เนื่องด้วยเป็นสมการพื้นฐานของใบกวนแบบที่ใช้งานในกรอบอ้างอิงที่ใหญ่กว่า High Shear Mixer กล่าวคือ กรอบอ้างอิงคือถัง แต่กรอบอ้างอิงของ High Shear Mixer คือ Stator นั่นทำให้การพิจารณาการเปลี่ยนแปลงภาวะของของเหลว (ความเร็ว) นั่นต่างกัน พูดกันตรงไปตรงมาคือ งาน High Shear Mixer อยู่ที่การอ้างอิง Use Case มากกว่า, อีกประเด็นคือ สมการ P = Np*Density*Speed^3^d^5 เราจะใช้ Np (Power Number) ของใบกวนชนิดไหนดีอีก เพราะโดยปกติแล้วกราฟความสัมพันธ์ RE vs Np นั่นมาจากการทดลองที่ไม่มีลักษณะใบกวนแบบ Rotor-Stator เลย (ไม่เอา Radial Impeller มานะครับ คนละชนิดใบกันเพียงแต่ให้ Flow Pattern ในลักษณะ Radial เหมือนกันแค่นั้นเอง)  Ep นี้ขอจบที่ช่วงของ Tip Speed ของ Rotor โดยทั่วไปจะไม่ทำกว่า 30 m/sec และ ไม่เกิน 50 m/sec จากประสบกาณ์และข้อจำกัดของความเร็วรอบของมอเตอร์ที่ใช้งานนั่นเองครับ

Next
-

High Shear Mixer_Ep.2

จาก Ep.1 ผมได้ทำการทดสอบ High Shear Mixer-Head เพื่อแสดงให้เห็นถึงการที่ du มีค่าสูงจะทำให้แรงเอาชนะแรงดึงดูดระหว่างมมวลทำให้อนุภาคของของเหลวที่เป็นน้ำ และ น้ำมัน นั้นมีขนาดเล็กลง และ เกิดการแทรกสอดระหว่างอนุภาคได้ทำให้ในภาวะชั่วขณะน้ำกับน้ำมันสามารถรวมตัวกันได้ จริงๆไม่ได้รวมตัวกันนะครับ เพียงแต่เกิดการแทรกสอดระหว่างกันและด้วยอนุภาคขนาดเล็กทำให้การย้อนกลับไปรวมตัวกันต้องใช้เวลานานประมาณนึงเลยทีเดียว ซึ่งกรณีนี้หากเราเติมสารตัวช่วยประสาน หรือ ที่เรียกกันว่า Emulsifier เข้าไปแล้ว Emulsifier ก็จะเกิดการแทรกสอดระหว่างน้ำกับน้ำมันทำให้น้ำกับน้ำมันไม่สามารถแยกออกมารวมเป็นของเหลวในสมบัติของตัวเองได้อีก, ซึ่ง Ep.2 นี้ แสดงถึงสิ่งที่เกิดขึ้นจากทฤษฎีที่กล่าวมาใน Ep.1 ใน Ep ถัดไปค่อยมาอธิบายเพิ่มเติมถึงผลของคลิปดังกล่าวครับ สถาพร เลี้ยงศิริกูล บจก.มิสซิเบิล เทคโนโลยี

Next