Bij de keuze van een bovenaangemonteerde magnetische roerder is motorvermogen slechts een onderdeel van de vergelijking. De roerder moet ook voldoende koppel genereren om de weerstand van de vloeistof te overwinnen en de vereiste impellersnelheid gedurende het gehele proces te handhaven.
Koppel is de rotatiekracht die de impeller in staat stelt de vloeistof in beweging te brengen. Indien het beschikbare koppel ontoereikend is, kan de roerder moeite hebben met opstarten, het doelsnelheidniveau niet bereiken of magnetische koppelingsslip vertonen in ontwerpen waarbij de koppeling onder te grote belasting kan ontkoppelen.
Voor magnetische roerders omvat het selectieproces twee gerelateerde vragen: hoeveel koppel vereist het mengproces, en hoeveel koppel kan de magnetische koppeling betrouwbaar overbrengen onder de beoogde bedrijfsomstandigheden?
De antwoorden hangen af van de vloeistof, het impellerontwerp, de bedrijfssnelheid, de vatconfiguratie en de veranderingen die optreden tijdens opstarten en verwerking.
Vloeistofviscositeit en stromingsweerstand
Viscositeit is een van de belangrijkste factoren die het koppel van een roerder beïnvloeden. Lage-viscositeitsvloeistoffen, zoals waterachtige oplossingen, bieden over het algemeen minder weerstand tegen impellerrotatie dan viskeuze vloeistoffen zoals geconcentreerde siroop, polymeeroplossingen, crèmes en bepaalde chemische tussenproducten.
Naarmate de viscositeit toeneemt, moet de impeller grotere vloeistofweerstand overwinnen om circulatie te handhaven. Het resulterende koppelvereiste hangt niet alleen af van de viscositeitwaarde, maar ook van het door de impeller opgewekte stromingspatroon.
Bij Newtonse vloeistoffen blijft de viscositeit bij een gegeven temperatuur en druk vrijwel constant. Bij niet-Newtonse vloeistoffen kan de schijnbare viscositeit echter variëren met de schuifsnelheid. Een schuifverdunnende formulering bijvoorbeeld kan bij lage schuifsnelheden sterker bewegen tegen dan nadat de circulatie eenmaal is opgebouwd.
Deze onderscheiding is van belang bij de keuze van een magnetische roerder voor cosmetische formuleringen, geconcentreerde biologische oplossingen of andere vloeistoffen met een reologisch gedrag dat afwijkt van dat van water. Een viscositeitwaarde gemeten onder één bepaalde conditie kan de belasting die de impeller tijdens opstarten of bedrijf ondervindt, mogelijk niet volledig weerspiegelen.
Ook de temperatuur dient in aanmerking te worden genomen. Indien een procesvloeistof viskeuzer wordt naarmate deze afkoelt, kan de roerder tijdens een koude opstart een hogere belasting ondervinden dan tijdens normaal bedrijf bij de doeltemperatuur.
Impellerdiameter, -geometrie en bedrijfssnelheid
De impeller bepaalt hoe rotatie-energie aan de vloeistof wordt overgedragen. De diameter, de bladvorm, de bladhoek en de pompkarakteristieken beïnvloeden allemaal het vereiste koppel.
Een grotere impeller interageert over het algemeen met een groter volume vloeistof en kan een aanzienlijke toename van de mengbelasting veroorzaken. Het vergroten van de impellerdiameter is daarom niet eenvoudigweg een manier om de circulatie te verbeteren; het kan ook de mechanische eisen aan het aandrijfsysteem verhogen.
De bedrijfssnelheid heeft een even belangrijke invloed. Een hogere rotatiesnelheid kan de circulatie en dispersie in sommige toepassingen verbeteren, maar verhoogt ook het vermogen dat het mengproces vereist.
Voor turbulent mengen geldt de benaderende relatie:
P=N_P\rho N^3D^5
waarbij:
- (P) het vermogen is dat nodig is voor mengen.
- (N_P) het impellervermogensgetal is.
- (\rho) de vloeistofdichtheid is.
- (N) de rotatiesnelheid is in omwentelingen per seconde.
- (D) de impellerdiameter is.
De vergelijking illustreert waarom impellerdimensies en snelheid samen moeten worden beoordeeld. Ze geldt onder de aannames die horen bij het relevante turbulente stromingsregime en het impellerontwerp; ze mag niet ondoordachte worden toegepast op laminaire of overgangsmenging.
Koppel en vermogen zijn gerelateerd, maar niet uitwisselbaar. Bij een gegeven rotatiesnelheid betekent een hoger vermogenseis een hoger koppelvereiste. Bijgevolg dient de keuze van een impeller- en snelheidscombinatie rekening te houden met zowel de gewenste mengprestatie als de koppelcapaciteit van het aandrijfsysteem.
Vloeistofdichtheid en belading met vaste stoffen
De vloeistofdichtheid beïnvloedt de hoeveelheid vermogen die nodig is om de vloeistof te versnellen en te laten circuleren. Onder verder vergelijkbare turbulentiestromingsomstandigheden vereist een dichtere vloeistof over het algemeen meer mengvermogen, wat bij dezelfde rotatiesnelheid vertaald wordt in een groter koppel.
Het effect wordt complexer wanneer het vat gesuspendeerde vaste stoffen bevat. De roerder moet mogelijk vloeistof en deeltjes samen laten circuleren, bezinking voorkomen of een specifieke suspensietoestand handhaven. De resulterende belasting hangt af van de deeltjesconcentratie, -grootte, dichtheidsverschil en het vereiste suspensieniveau.
Bijvoorbeeld: het oplossen van een kleine hoeveelheid gemakkelijk oplosbaar poeder in water stelt een andere menguitdaging dan het in suspensie houden van een hoge concentratie dichte deeltjes. In het laatste geval kan de roerder een grotere belasting ondervinden, vooral tijdens opstarten indien de vaste stoffen zich op de bodem van het vat hebben afgezet.
Bij de specificatie van een magnetische roerder voor slurrijbereiding of vast-stof/vloeistof-menging dienen ingenieurs de verwachte vaste-stofconcentratie te beoordelen en te bepalen of de installatie na een stilstandperiode opnieuw moet opstarten. Het koppel dat nodig is om een gevestigde suspensie te handhaven, kan aanzienlijk verschillen van het koppel dat nodig is om afgezette materialen in beweging te brengen.
Vatgeometrie en interne stromingsomstandigheden
Koppelvereisten kunnen niet uitsluitend worden bepaald aan de hand van vloeistofeigenschappen en impellerdimensies. Het vat zelf beïnvloedt het stromingspatroon en de weerstand die de impeller ondervindt.
Tankdiameter, vloeistofdiepte, impellerafstand tot de bodem, baffleplaten en de positie van interne componenten beïnvloeden allemaal de circulatie. Baffleplaten bijvoorbeeld kunnen massale werveling onderdrukken en efficiëntere menging bevorderen, maar wijzigen ook het stromingsveld en kunnen onder bepaalde omstandigheden het vereiste vermogen verhogen.
Een impeller die te dicht bij de vatbodem is geplaatst, gedraagt zich anders dan een impeller die op een grotere afstand is geïnstalleerd. In een vat met interne spoelen of andere obstakels kunnen lokale stromingsweerstand en circulatiepatronen eveneens veranderen.
Voor een bovenaangemonteerde magnetische roerder dient de montageopstelling daarom samen met het vatontwerp te worden meegenomen. Het doel is niet eenvoudigweg voldoende koppel te leveren om de impeller te laten draaien, maar het vereiste mengpatroon in het gehele werkvolume op te bouwen.
Opstartkoppel en veranderingen tijdens verwerking
Eén van de meest gemakkelijk over het hoofd gezien factoren is het verschil tussen opstart- en stationair bedrijf.
Tijdens opstarten moet de impeller vanuit rust versnellen en circulatie opbouwen. Het vereiste koppel omvat zowel het koppel dat nodig is om de roterende onderdelen te versnellen als de weerstand die de vloeistof oplegt. In viskeuze systemen of vaten met afgezette vaste stoffen kan de procesbelasting bijzonder zwaar zijn.
De belasting kan ook tijdens een batch veranderen. Een toevoeging van poeder kan de vaste-stofconcentratie tijdelijk verhogen, een reactie kan de viscositeit van de vloeistof wijzigen en afkoeling kan de vloeistofeigenschappen veranderen. Een formulering die in één fase gemakkelijk mengt, kan later een aanzienlijk andere belasting opleggen.
Om deze reden dient de keuze van de roerder rekening te houden met de meest zware verwachte bedrijfsomstandigheid, in plaats van uitsluitend te vertrouwen op de gemiddelde belasting. Ingenieurs dienen te bepalen of de hoogste koppelvraag optreedt tijdens een koude opstart, de initiële poederverdeling, het opschepen van afgezette vaste stoffen of een latere fase van het proces.
Magnetische koppelingcapaciteit en motorkeuze
Een magnetische roerder kent twee belangrijke koppelbegrenzingen: het koppel dat beschikbaar is van het aandrijfsysteem en het koppel dat de magnetische koppeling kan overbrengen.
De motor en eventuele versnellingsbak moeten het vereiste uitgangskoppel leveren bij de beoogde bedrijfssnelheid. Tegelijkertijd moet de magnetische koppeling dat koppel overbrengen zonder de gecertificeerde capaciteit te overschrijden onder de gespecificeerde bedrijfsomstandigheden.
Indien de procesweerstand de overbrengcapaciteit van de koppeling overschrijdt, kunnen sommige magnetische aandrijfconstructies synchronisatie verliezen of koppelingsslip vertonen. Dit kan de menging onderbreken, zelfs als de motor zelf voldoende nominaal vermogen heeft.
Een grotere motor lost het probleem niet automatisch op. Indien de magnetische koppeling te klein is, leidt het vergroten van het motorvermogen alleen niet tot het bereiken van het vereiste koppel bij de impeller. Omgekeerd kan het kiezen van een onnodig grote koppeling en motor zonder evaluatie van de procesbelasting de apparatuurkosten verhogen zonder de daadwerkelijke mengresultaten te verbeteren.
Een verantwoorde specificatie neemt daarom motoruitgang, versnellingsbakverhouding, koppelcapaciteit van de koppeling, bedrijfssnelheid en de verwachte piekbelasting als een gecoördineerd systeem mee. De koppeling- en bedrijfsgrenswaarden van de fabrikant dienen te worden gecontroleerd voor de gekozen configuratie.
Hoe het vereiste koppel voor een magnetische roerder te bepalen
Een praktische koppelbeoordeling begint bij het proces, niet bij de motornameplate.
Eerst worden de vloeistofeigenschappen gedefinieerd over het verwachte temperatuurbereik, inclusief viscositeit, dichtheid en niet-Newtonse gedrag indien van toepassing. Vervolgens worden het werkvolume, de vatdimensies, het impellertype, de diameter en de doelsnelheid vastgesteld.
De procesingenieur identificeert vervolgens de meest zware bedrijfsfase, inclusief opstarten, poedertoegift, vaste-stofsuspensie of viscositeitsveranderingen tijdens verwerking. Voor bestaande impellerontwerpen kunnen geschikte vermogensgetalcorrelaties of gevalideerde berekeningen van de fabrikant helpen bij het inschatten van het mengvermogen. Computergestuurde analyse of praktijktesten kunnen passend zijn bij complexe reologie, ongebruikelijke vatgeometrie of zware suspensietaken.
Zodra het vereiste mengvermogen is geschat, kan het bijbehorende stationaire koppel worden berekend met:
T=\frac{P}{2\pi N}
waarbij (T) het koppel is in newtonmeter, (P) het vermogen in watt en (N) de rotatiesnelheid in omwentelingen per seconde.
Deze relatie beschrijft het koppel dat hoort bij een bepaald vermogen bij een gegeven snelheid. Opstartversnelling, transiënte belastingen, transmissieverliezen en ontwerpmarges dienen afzonderlijk te worden beoordeeld indien van toepassing. De resulterende vereiste dient vervolgens te worden vergeleken met zowel de aandrijfuitgang als de magnetische koppelingcapaciteit.
Het afstemmen van de koppelcapaciteit op het daadwerkelijke proces
De koppelvereiste van een magnetische roerder wordt bepaald door de gecombineerde invloed van vloeistofeigenschappen, impellerontwerp, rotatiesnelheid, vatgeometrie, belading met vaste stoffen en bedrijfsomstandigheden. Deze factoren beïnvloeden elkaar, dus het wijzigen van één ontwerpparameter kan zowel het vereiste koppel als de resulterende mengprestatie beïnvloeden.
Voor bovenaangemonteerde magnetische roerders betekent correct dimensioneren dat de impeller en het aandrijfsysteem worden afgestemd op de procesbelasting, terwijl tegelijkertijd wordt gewaarborgd dat de magnetische koppeling het vereiste koppel kan overbrengen. Deze aanpak helpt ondervermoeide mengsystemen, onnodige overdimensionering en storingen door te grote bedrijfsbelastingen te voorkomen.
Voor toepassingen met viskeuze formuleringen, variabele batchomstandigheden of gesuspendeerde vaste stoffen is het verstrekken van de daadwerkelijke procesgegevens aan de leverancier van de apparatuur een belangrijke stap om een geschikte roerderconfiguratie te selecteren.
