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Oct 18, 2023

Design und Bewertung additiv gefertigter hocheffizienter Neigungen

Wissenschaftliche Berichte Band 12,

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 19477 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Wir entwickeln einen neuartigen Milli-Scale-Mischer (Tilted-Wings-Mixing-Unit, TWM-Unit) basierend auf dem Design for Additive Manufacturing (DfAM). Der vorgeschlagene Mischer mit geneigten Flügeln ist grundsätzlich so konzipiert, dass er über drei separate Flügel verfügt, die Flüssigkeiten teilen und kombinieren, um sie effektiv miteinander zu vermischen. Seine Struktur ist einfach und erleichtert die Herstellung: zwei wichtige Designparameter, der Winkel zwischen drei Flügeln und der Verbindungswinkel zwischen geneigten Einheiten, die mithilfe der Computational Fluid Dynamics (CFD)-Analyse optimiert werden. Aus der CFD-Analyse erhalten wir aus Analysen verschiedener Kombinationen von TWM-Einheiten das bestkombinierte Mischmodul für ein hochwirksames Mischungsverhältnis. Das Mischungsverhältnis der drei kombinierten Einheiten erreicht nahezu 100 %, was durch Experimente und Analysen bestätigt wird. Wir glauben, dass der vorgeschlagene Mischer im Millimaßstab in verschiedenen chemischen kontinuierlichen Mischern und Reaktoren eingesetzt werden kann, um den Einsatz von Chemikalien zu minimieren, die die Umwelt verschmutzen können.

Das Mischen von Flüssigkeiten ist ein wichtiger Prozess in der Chemietechnik1,2, der Lebensmitteltechnik3, der Elektronik, dem Bergbau4 und anderen. Bisher wurden zahlreiche Studien durchgeführt, um die Effizienz des Mischungsverhältnisses bei verschiedenen Mischerkonstruktionen zu verbessern3,4. Da die Weiterentwicklung verschiedener Industriebereiche und Umweltprobleme auftauchen, erfordert der Mischprozess von Chemikalien eine hohe Leistung sowie geringe Umweltverschmutzung und Sicherheit2,3,4,5,6,7. Beispielsweise ist PPO (Polyphenylenoxid) eines der Schlüsselmaterialien für Kommunikationsantennen der fünften Generation (5G) mit guter elektrischer Leistung, geringem dielektrischen Verlust und geringen Änderungen der dielektrischen Leistung in einem breiten Frequenzbereich. Wenn PPO jedoch mit einem Chargenmischer gemischt wird, der aufgrund der niedrigen Produktionskosten im Allgemeinen in Chemiefabriken eingesetzt wird, besteht Explosionsgefahr und es ist schwierig, eine hohe Mischungsausbeute zu erzielen8. Um die Einschränkungen der diskontinuierlichen Mischer zu überwinden, wurden viele Forschungsarbeiten zu kontinuierlichen Mischern durchgeführt, da diese im Vergleich zu den Eigenschaften der diskontinuierlichen Mischer eine hohe Mischleistung, Sicherheit, einfache Steuerung, Skalierbarkeit und eine geringe Schadstofferzeugung aufweisen9,10 .

Bei einem kontinuierlichen Mischer gelten einige Prozessbedingungen wie die Reynolds-Zahl (Re), der Flüssigkeitstyp und die Menge des Flüssigkeitsflusses. Basierend auf den Mischbedingungen wurden verschiedene kontinuierliche Mischer vorgeschlagen; chaotischer Mischer11, dreifach periodischer Minimaloberflächenmischer (TPMS)12, horizontaler und vertikaler Webmischer (HVW)13 und Kenics14. Insbesondere Gitterstrukturmischer (LSM) haben aufgrund ihrer im Verhältnis zu ihrer Länge hohen Mischeffizienz große Aufmerksamkeit erhalten. Es besteht normalerweise aus komplexen, sich kreuzenden Stäben oder Stäben (normalerweise zehn oder mehr), und die Flüssigkeit vermischt sich beim Durchgang durch eine Gitterstruktur. Daher beeinflussen die entworfene Form und Struktur des LSM die Mischleistung. Der konzeptionelle Entwurf des LSM wurde erstmals in den 1960er Jahren von Sulzer vorgeschlagen, wobei mehrere Stäbe im Inneren des Mischers die Baker-Splittung und -Rekombination durchführen, um das Mischen von Flüssigkeiten zu bewerkstelligen15. Der LSM kann so gestaltet werden, dass er einen breiten Bereich von mehreren zehn bis tausenden Flüssigkeitsströmen abdeckt, indem die Anzahl und Abmessung der Stäbe geändert wird, um das Mischungsverhältnis zu steuern.

Seit der ersten Entwicklung des LSM stand die Erhöhung des Mischungsverhältnisses und die Erweiterung des Anwendungsbereichs im Mittelpunkt vieler Forscher. Arimond et al. führten eine Mischungsanalyse im Bereich der passiven Mischer mit einem Kenics-Mischer16 durch, und Fradette et al. führten eine Strömungsanalyse für einen gitterbasierten Mischer durch17. Pianko-Oprych et al. führten eine Mischungsanalyse für Zweiphasenströmungen durch und zeigten die Wirkung einer Mischerstruktur mithilfe der numerischen Strömungsmechanik (CFD)18, und Li et al. untersuchte die Strömungsanalyse von nicht-Newtonschen Flüssigkeiten, um die Einsatzmöglichkeiten des LSM19,20 zu erweitern. Rauline et al. verglichen die Leistung mehrerer Mischer mithilfe einer CFD-Analyse21 und Zalc et al. erläuterte das Mischprinzip im LSM durch Geschwindigkeitsverteilung22. Heniche et al.23 und Liu et al.24 untersuchten das Mischungsverhältnis des LSM entsprechend der Form einer Einheitsstruktur. Ghanem et al. fasste frühere Studien zusammen und stellte die Formeigenschaften, Mischprinzipien und Anwendungsgebiete des LSM25 zusammen. Hirschberg et al. führten eine Formänderung durch, um den Druckaufbau des LSM26 zu reduzieren, und Shahbazi et al. versuchten, die Form der LSMs mithilfe eines genetischen Algorithmus27 zu optimieren.

Trotz der hohen Leistung des LSM gibt es jedoch viele kleine Stäbe, die sich innerhalb des LSM kreuzen, was seine Herstellung erschwert23,24. Um das Herstellungsproblem zu lösen, nutzen wir den Prozess der additiven Fertigung (AM), um einen Hochleistungsmischer herzustellen, und CFD-Analyse wird verwendet, um Designparameter beim Mischen von Flüssigkeit zu Flüssigkeit zu optimieren. Aufgrund der jüngsten Fortschritte in der Prozesstechnologie der additiven Fertigung (AM)28,29,30,31,32 konzentrieren sich viele Forscher auf den AM-Prozess in einem statischen Mischer. Viele Forscher entwarfen jedoch einfache Formen wie eine kanalkombinierte Mischereinheit mit Y-Form oder einen Split-Recombine-Kanal32,33. Auch der weit verbreitete Mischer vom LSM-Typ, der unter Berücksichtigung des AM-Prozesses entwickelt wurde, ist nicht beliebt34,35. Daher entwerfen wir in dieser Arbeit das LSM neu mit einer einfacheren Form und höherer Leistung beim Mischen derselben viskosen Flüssigkeit unter Verwendung des Mischers für ein handelsübliches kleines Rohr (6,35 mm). Es handelt sich im Wesentlichen um eine Einheitsstruktur, die aus drei geneigten Flügeln besteht, um eine effektive Aufteilung und Kombination zu ermöglichen.

Um den vorgeschlagenen Mischer zu validieren, haben wir Experimente durchgeführt und die Versuchs- und Analyseergebnisse verglichen. Zur Visualisierung wurde im Experiment eine Flüssigkeit (die Art der Farbe) mit relativ hoher Viskosität (3000 mPa·s) verwendet, die allerdings auch im laminaren Strömungsbereich liegt. In dieser Arbeit wurden die gesamten Prozesse vom Konzeptentwurf des Mischers über die Designoptimierung, den DfAM-Prozess bis hin zu Testergebnissen anhand des hergestellten Mischers beschrieben. Der Inhalt dieses Papiers ist wie folgt; „Design eines kontinuierlichen Mischers mit geneigten Flügeln (TWM)“. Konzeption und Validierung einer Mischeinheit unter Berücksichtigung des AM-Prozesses; „Optimierung des TWM-FWM-Moduls“. Auswahl der Designvariablen und Optimierung des vorgeschlagenen Mischmoduls; „Experimente und Diskussion“. Probenherstellung unter Verwendung von AM- und Validierungs-CFD-Ergebnissen.

In dieser Studie wurde die Mischleistung des Mischers mittels CFD bewertet. Für das CFD-Modell des Mischprozesses sollten die vielfältigen physikalischen Phänomene wie laminare Strömung, Wandströmung, Turbulenz und Mischung berücksichtigt werden. Insbesondere zur Beurteilung des Mischungsverhältnisses eines Mischers ist es notwendig, den Volumenanteil jeder Flüssigkeit zu verfolgen. Daher wurde Flow-3D (Flow Science Inc., USA), das auf die Volumenanalyse (VOF)32,33 spezialisiert ist, zur Durchführung von Mischungsanalysen verwendet.

Die Analyse wurde basierend auf Gl. durchgeführt. (1) das sind die Gleichungen für die fortlaufende Gleichung einer inkompressiblen Flüssigkeit; und Gl. (2) was die Impulserhaltungsgleichung einer inkompressiblen Flüssigkeit unter Berücksichtigung turbulenter Flüssigkeiten bedeutet; und Gl. (3), das die Zweiphasenströmung beschreibt; und Gl. (4), das die VOF-Technik zum Ausdruck bringt. In diesen Gleichungen ist \(\overrightarrow{\mathrm{v}}\) die durchschnittliche Geschwindigkeit, \(\mathrm{P}\) der Druck, \(\uprho\) die Dichte der Flüssigkeit, \( \mathrm{g}\) ist die Gravitationsbeschleunigung, \(\upmu\) ist der Viskositätskoeffizient, \(\mathrm{f}\) ist der Volumenanteil, \(\overrightarrow{{\mathrm{v}}_ {1}}\) ist die Geschwindigkeit von Fluid 1, \(\overrightarrow{{\mathrm{v}}_{2}}\) ist die Geschwindigkeit von Fluid 2 und \(\overline{\overrightarrow{\mathrm {v}}\overrightarrow{\mathrm{v}}}\) ist die turbulente Spannung. \(\mathrm{f}\) hat immer einen Wert zwischen 0 und 1. \(\mathrm{f}=0\) bedeutet, dass in einem Bereich keine Flüssigkeit vorhanden ist und \(\mathrm{f}=1\) zeigt an, dass in einem gesamten Bereich eine Flüssigkeit vorhanden ist. Obwohl der in dieser Arbeit angestrebte Re des Mischers bei 625 liegt, was im Bereich der laminaren Strömung liegt, kann es aufgrund der inneren Struktur zu einer lokalen turbulenten Strömung kommen. Daher wurde das \(\mathrm{k}-\upomega\)-Turbulenzmodell übernommen36,37.

Wie in Abb. 1a dargestellt, war die Kanalgeometrie des Analysemodells Y-förmig mit zwei Einlässen und einem Auslass. Und der Durchmesser der Einlassteile betrug 1/8 Zoll (3,18 mm) und der Auslassteil betrug 1/4 Zoll (6,35 mm) und der Winkel zwischen den beiden Einlässen betrug 90°. In diesem Kanal wurde ein Basismodell mit drei Flat Wings Mixer (FWM)-Modulen am Kanal platziert. Die Dicke und die Gesamtlänge der eingesetzten Mischstruktur betragen jeweils 0,5 mm und 12 mm, und die Breite der drei flachen Flügel beträgt ebenfalls 1/12 Zoll (2,12 mm) im Millimaßstab. Wie im FWM-Mischmodul von Abb. 1a dargestellt, werden zwei Einheiten (Mischeinheiten ⓐ, ⓑ) paarweise angeordnet und jede Einheit wird in einem Winkel von 90° gedreht. Die Rotation zwischen den einzelnen Einheiten dient der Verbesserung der Mischleistung27,32.

Analyse der Mischbedingungen. (a) Randbedingungen und Geometrien der Mischungsanalyse. Das grundlegende Analysemodell bestand aus zwei Einlässen (jeder Durchmesser 3,18 mm) und 1 Auslass (Durchmesser 6,25 mm) mit platziertem Flachflügel-Mischmodul (FWM-Modul) und (b) Ergebnissen der Netzkonvergenz entsprechend verschiedenen Netzbedingungen bei Punkt α, dargestellt in (a); Konvergenzbedingung ist eine Maschenzahl von mehr als 5 × 105.

Die Randbedingungen für die gemischte Analyse sind in Abb. 1a dargestellt, der Ausflussdruck (der in FLOW-3D eine fortlaufende Grenze bedeutet) am Auslass wurde ausgewählt und die Reibung der Wand vernachlässigt. Das Analysemodell weist eine Gravitationsbeschleunigung in Z-Richtung auf. Unter Berücksichtigung der Größe des Mischmodells wurde der Analysebereich auf 8 × 20 × 40 mm (x × y × z-Richtung) festgelegt. Es wurde davon ausgegangen, dass sich die Wand in einem rutschfesten Zustand befand, und die Auswirkungen der Wärmeübertragung und der Oberflächenrauheit wurden ignoriert. Die Größe des Analysebereichs in z-Richtung wurde entsprechend der Anzahl der Mischeinheiten entsprechend geändert. Um die Netzqualität zu überprüfen, wurde eine Analyse unter verschiedenen Netzbedingungen basierend auf den oben genannten Analysebedingungen durchgeführt. Es wurde angenommen, dass beide gemischten Flüssigkeiten (Flüssigkeit 1, 2) die Materialeigenschaften von Wasser hatten (Viskosität und Dichte von 1000 kg/m3 bzw. 1 mPa·s, daher ausgezeichnete Verträglichkeit), und die Oberflächenspannung wurde vernachlässigt. Und die Durchflussrate jedes Einlasses betrug 0,1 l/min.

Daher beträgt die Strömung des Kanals einen Re von 668, was einem Bereich laminarer Strömung entspricht. Wie in Abb. 1b gezeigt, wurde bestätigt, dass am gleichen Punkt α in Abb. 1a (Auslass) im stationären Zustand bei einer Maschenzahl von 5 × 105 oder mehr konvergierte. Daher wurde eine Maschenweite von 5 × 105 gewählt, um der Analysezeit Rechnung zu tragen.

Ein allgemeiner kontinuierlicher passiver Mischer im Millimaßstab erreicht das Mischen durch Falten und Strecken von Flüssigkeiten durch Aufteilen und Rekombinieren. Dies ist als Baker-Faltungsprozess bekannt38. Aufgrund der Geometrie des FWM kommt es ebenfalls zu einer Aufspaltung und Rekombination der Strömung, um eine Vermischung zu erreichen (Abb. 2a). Bei der Zwei-Fluid-Mischung, bei der die Flüssigkeit das FWM passiert, ist das Mischungsmuster gemäß CFD im Querschnitt des Kanals bei ①, ②, ③ und ④ in Abb. 2a26,27,32,34 dargestellt. Die Farbe des Abschnitts gibt den Mischungsvolumenanteil an, der das Verhältnis des von jeder Flüssigkeit eingenommenen Volumens zum Volumen des Einheitsnetzes darstellt.

Mischmechanismus und Form der Mischeinheit. (a) Mischmechanismus für FWM-Einheit und Querschnitt; Die Farbkontur des Abschnitts zeigt einen Mischungsvolumenanteil. Der Baker-Faltungsprozess (Aufspaltung und Rekombination) wird aufgrund der durch die Flügel der Mischeinheit verursachten Turbulenzen und (b) der Mischleistung der FWM-Einheit und der geneigten Flügeleinheit (TWM-Einheit) durchgeführt, die \({\theta }_ {T}\) (Grad zwischen geneigten Flügeln) zur Erhöhung der Rekombinationsfunktion zur Verbesserung der Mischleistung.

Beim parallelen Durchströmen der ersten FWM-Einheit mit zwei Fluiden zeigt Abschnitt ①, wie Fluid-1 den Mittelflügel passiert, und Abschnitt ② zeigt, dass Fluid-1 von den Mittelflügelteilen zum Seitenflügelabschnitt fließt und einen Wirbel erzeugt. Im Gegensatz zu Fluid-1 und Fluid-2 strömt es in die entgegengesetzte Richtung (vom Seitenflügel zum Mittelflügel), wie in LSM26,27,32,39 dargestellt. Dabei handelt es sich um zwei rotierende Wirbel, die eine Spaltung der Flüssigkeit bewirken und eine Faltung auf der Grundlage der beiden Faltachsen in Abb. 2a erzeugen und sich während der Rotation wieder verbinden. Während die Mischung das zweite FWM passiert, erfolgt die Aufspaltung und Rekombination der Mischung ebenfalls durch die Erzeugung von vier Faltachsen 17, 25, 27, 32.

Unter Berücksichtigung des oben beschriebenen Mischmechanismus kann die Mischleistung der FWM-Einheit durch Drehen der Seitenflügel verbessert werden, wie in der Tilted Wing Mixer (TWM)-Einheit in Abb. 2b gezeigt. In dieser Arbeit wird ein Mischer mit geneigten Seitenflügeln als TWM bezeichnet, um ihn vom FWM zu unterscheiden. Der Positionierungswinkel zwischen zwei geneigten Flügeln beträgt θT. Der geneigte Flügel induziert eine Strömung in Querrichtung und verstärkt die Rekombinationsfunktion. Um den Mischmechanismus der TWM-Einheit zu bestätigen, wurden die Strömungsmuster der Grundtypen von FWM-Einheiten und TWM-Einheiten verglichen. Abbildung 3 zeigt die Geschwindigkeitsverteilung in den Abschnitten FWM-Einheit und TWM-Einheit. In den Abschnitten A–A′ tritt bei der TWM-Einheit eine Querrichtungsströmung mit höherer Geschwindigkeit vor dem geneigten Flügel auf. Wie in Abb. 3 gezeigt, führt dies zu einer Verbreiterung des Hochgeschwindigkeitsbereichs in der TWM-Einheit um etwa 47 % im Vergleich zur FWM-Einheit in der Mitte des Kanals im Abschnitt B′. Und dieser große zentrale Hochgeschwindigkeitsbereich bedeutet, dass die TWM-Einheit die Vermischung von Flüssigkeiten verstärken kann, indem sie die Rekombination von Flüssigkeiten durch Querrichtungsströmung erhöht.

Geschwindigkeitsverteilung der FWM-Einheit und der TWM-Einheit; Beim Vergleich jedes Abschnitts ② der FWM-Einheit und der TWM-Einheit erscheint im mittleren Teil der TWM-Einheit ein Hochgeschwindigkeitsbereich (47 % größer als der der FWM-Einheit). Das bedeutet, dass die TWM-Einheit eine höhere Rekombinationsfunktion hat als die FWM-Einheit.

Um den Einfluss des TWM auf das Design des Mischmoduls zu überprüfen, sollte dessen Mischleistung quantitativ bewertet werden. Insbesondere hat das FWM-Modul, wie oben erwähnt, zwei FWM-Einheiten gepaart, die jeweils einen Winkel von 90° zueinander aufweisen. Daher ist eine Mischung der Leistung der gepaarten Module der FWM- und TWM-Einheiten erforderlich.

Die Mischleistung kann durch Quantifizierung anhand der Standardabweichung des Mischvolumenanteils (\({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\)) in Gl. bewertet werden. (5)38,39. Der Volumenanteil kann als Konzentration jeder Flüssigkeit bezeichnet werden. Daher bedeutet \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) die Standardabweichung der Konzentration, die in direktem Zusammenhang mit der Mischleistung steht. Dies bedeutet, dass \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) als Index zur Quantifizierung der Mischleistung verwendet werden kann. Der Prozess zur Berechnung von \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) ist wie folgt. In Gl. (5), \({\mathrm{N}}_{\mathrm{t}}\) ist die Anzahl der Messpunkte (Knoten), \({\mathrm{C}}_{\mathrm{i}} \) ist der Volumenanteil von Fluid 1 am i-ten Punkt und \({\mathrm{C}}_{\mathrm{mean}}\) ist der Durchschnitt des Volumenanteils aller Punkte. Je näher \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) an 0 liegt, desto besser ist die Mischleistung, da jede Flüssigkeit in einem ähnlichen Verhältnis zum Einheitsvolumen vorhanden ist.

Betrachtet man die FWM-Einheit und die TWM-Einheit, gibt es vier Kombinationen: FWM-TWM (kombiniertes Modul mit der FTM-Einheit vorne und der TWM-Einheit hinten), TWM-FWM, FWM-FWM und TWM-TWM. Der \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) jeder Kombination am Auslassteil ist in Tabelle 1 aufgeführt. Basierend auf Tabelle 1 können zwei Beobachtungen gemacht werden. Erstens erhöht sich das Mischungsverhältnis, wenn die TWM-Einheit vorne platziert wird (vergleiche Abschnitt⑤ von FWM-FWM und TWM-FWM), und wenn die TWM-Einheit hinten platziert wird, verringert sich das Mischungsverhältnis (vergleiche Abschnitt⑤ von FWM-FWM und FWM). -TWM). Dies liegt daran, dass die TWM-Einheit die Rekombination von Flüssigkeiten und nicht die Aufspaltung von Flüssigkeiten fördert. Zweitens nimmt das Mischungsverhältnis der TWM-Einheit unmittelbar nach dem Mischen ab, verbessert sich jedoch in einem bestimmten Abstand vom Mischer (vergleiche Abschnitt④ von FWM-FWM, TWM-TWM und Abschnitt⑤ von FWM-FWM, TWM-TWM). Dies ist ein Beweis dafür, dass die Strömung in Querrichtung aufgrund der TWM-Einheit erfolgt.

Um den Mechanismus und das Design der Mischstruktur zu überprüfen, wurden die Mischmuster von FWM-TWM und TWM-FWM verglichen, wie in Abb. 4 dargestellt. In Abb. 4 zeigt die Farbe des transparenten Teils, in dem die Stromlinie erscheint, die Strömung an Geschwindigkeit, und der rote Bereich in den Querschnitten von Abb. 4 zeigt den Bereich an, der vollständig von Flüssigkeit 1 eingenommen wird, und der blaue Bereich zeigt den Bereich an, der vollständig von Flüssigkeit 2 eingenommen wird. Wenn die roten und blauen Bereiche gemischt sind, werden die gelben oder grünen Bereiche angezeigt Fläche vergrößert sich. Die unten für jeden Querschnitt angegebenen Werte stellen das ausgewertete \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) für jeden Querschnitt dar. Wie oben erwähnt, erhöht die TWM-Einheit im Vergleich zur FWM-Einheit den Fluss in Querrichtung und im Hochgeschwindigkeitsbereich, was die Mischleistung verbessert. Wie in Abb. 4 dargestellt, bildet sich jedoch direkt hinter der TWM-Einheit eine „Schwachzone“. In diesem Bereich gelingt die Durchmischung nicht gut, da der Impuls nicht übertragen wird. Diese Schwachzone kann auch dadurch bestätigt werden, dass die Stromlinie unmittelbar nach der TWM-Einheit kaum auftritt („Dilute Streamline“ in Abb. 4). Daher ist das FWM-TWM-Modul, bei dem es sich um eine TWM-Einheit handelt, hinten platziert und die Mischleistung ist geringer als die des FWM-FWM-Moduls. Allerdings hat das TWM-FWM-Modul ein besseres Mischungsverhältnis als das FWM-FWM-Modul, was bedeutet, dass die hinten platzierte FTM-Einheit die Schwachstelle der TWM-Einheit beseitigt. Mit anderen Worten: Obwohl die TWM-Einheit die Mischleistung in einem bestimmten Bereich erhöht, gibt es eine Grenze für die Verbesserung, da hinter der TWM-Einheit teilweise eine Schwachzone entsteht. Allerdings beseitigt die FWM-Einheit hinter der TWM-Einheit die Schwachstelle. Deshalb wird mit dem TWM-FWM-Modul die beste Mischleistung erzielt. Dementsprechend wurde das TWM-FWM-Modul als optimale Kombination des Mischmoduls ausgewählt. Die Form des TWM-FWM-Moduls wird in „Optimierung des TWM-FWM-Moduls“ optimiert.

Stromlinien und Mischleistung des FWM-TWM-Moduls (Kombination mit FWM-Einheit vorne und TWM-Einheit hinten) und TWM-FWM-Modul; In der TWM-Einheit tritt Querströmung auf. Durch die Platzierung der TWM-Einheit an der Rückseite erhöht sich die Mischleistung im Mischer mit dem TWM-FWM-Modul um 16 %.

Die Entwurfsvariablen für das TWM-FWM-Modul einschließlich des TWM waren wie folgt: erstens der Winkel zwischen den Flügelteilen der TWM-Einheit (θT), zweitens das Breitenverhältnis des Seitenflügels (α) und die Halbwertsbreite von der Mittelflügel (β) der FWM-Einheit und der TWM-Einheit (Breitenverhältnis). Anschließend wurde das Mischungsverhältnis entsprechend der Anzahl der Module für das optimierte TWM-FWM-Modul bewertet.

Wie in „Design eines kontinuierlichen Mischers mit geneigten Flügeln (TWM)“ erläutert, führt der θT zur Erzeugung von Impuls in Querrichtung, es wird jedoch auch eine Schwachzone erzeugt. Daher ist es notwendig, gleichzeitig eine geeignete Schwachzone zu erzeugen, die die Strömung zur FWM-Einheit und einen hohen Impuls in Querrichtung über ein geeignetes θT ausreichend verteilen kann, damit ein hohes Mischungsverhältnis realisiert werden kann. Als Ergebnis ergab eine Analyse des TWM-FWM-Moduls mit verschiedenen θT, dass \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) für θT bei etwa 115° 0,0804 betrug, was das minimale Mischungsverhältnis zeigt (siehe Abb . 5a). Dies ist etwa 21,6 % höher als die 0,1025 des einfachen FWM-FWM. Wenn in Abb. 5a θT größer als 115° ist, wird kaum ein Impuls in Querrichtung erzeugt. Daher nimmt der Bereich mit einer Hochgeschwindigkeitsverteilung bei θT von 150° ab. Dementsprechend wird der Effekt der Verbesserung des Mischungsverhältnisses der TWM-Einheit verringert, und \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) wird bei θT von 150° auf 0,0967 reduziert. Dies ist eine Verbesserung von 5 % gegenüber dem Mischungsverhältnis FWM-FWM, liegt aber 16 % unter dem optimalen Ergebnis.

(a) Mischleistung gemäß θT; Da θT von 115° entfernt ist, entsteht ein kleiner Bereich mit Hochgeschwindigkeitsverteilung und (b) Stromlinienförmigkeit entsprechend der Variation von θT; Wenn θT abnimmt, nimmt die Schwachzone zu (bei θT = 60°).

Wenn dagegen θT kleiner als 115° ist, nimmt die Schwachzone übermäßig zu, was nicht durch die FWM-Einheit ausgeglichen werden kann, und das Mischungsverhältnis nimmt ab. Daher tritt in Abb. 5b die Stromlinie an dem Punkt, an dem θT 60 ° beträgt, aufgrund des kleinen θT der TWM-Einheit kaum auf (verdünnte Stromlinie). Im Falle des Mischungsverhältnisses beträgt θT bei 60° 0,0826, was 19 % höher als FWM-FWM, aber 2,6 % niedriger als das optimale Ergebnis ist. Darüber hinaus reagiert das Mischungsverhältnis empfindlicher auf Änderungen von θT, wenn θT groß ist, als wenn θT im Vergleich zu 115° niedrig ist. Dies deutet darauf hin, dass die Abnahme der Mischleistung im Fall von θT kleiner als dem optimalen Wert auf das Versagen beim Entfernen der Schwachzone durch die FWM-Einheit zurückzuführen ist.

α/β ist das Breitenverhältnis des Seitenflügels (α) zur Halbbreite des Mittelflügels (β), bezogen auf den auf den Strömungsweg projizierten Querschnitt. Da α/β das Mischungsverhältnis beeinflusst, wurde zur Auswahl eines geeigneten α/β das Mischungsverhältnis gemäß α/β bewertet, wie in Abb. 6a dargestellt. In Abb. 6a hat die TWM-Einheit einen θT von 115°, wie in „Winkel θT des TWM-FWM-Moduls“ entworfen. Wie in Abb. 6a gezeigt, ist das Mischungsverhältnis am besten, wenn α/β sowohl der FWM-Einheit als auch der TWM-Einheit 1,4 beträgt, und das Mischungsverhältnis nimmt ab, wenn α/β von 1,4 abweicht. Wenn die Fläche des Flügelabschnitts zunimmt (wenn α/β zunimmt), nimmt die Strömungsgeschwindigkeit am mittleren Flügel vorbei ab. Dies kann auch durch das Auftreten eines kleinen Hochgeschwindigkeitsbereichs am hohen α/β-Punkt (α/β von 3.1) in Abb. 6a bestätigt werden. Darüber hinaus vergrößern große α/β-Werte im Fall der TWM-Einheit die Schwachzone übermäßig. Dies kann in Abb. 6b bestätigt werden, wo die Stromlinie bei α/β 3,1 beträgt und die Stromlinie aufgrund des hohen α/β kaum auftritt (verdünnte Stromlinie).

Mischleistung entsprechend dem Verhältnis von α/β; Da α/β ab 1,4 gleich groß ist, wird ein kleiner Bereich mit einer Hochgeschwindigkeitsverteilung erzeugt. (b) Stromlinien entsprechend dem Verhältnis von α/β. Mit zunehmendem α/β nimmt auch die Größe der Schwachzone zu (bei α/β = 3,1).

Daher ist die Verringerung des Mischungsverhältnisses in diesem Fall grundsätzlich auf eine Verringerung der Spaltfunktion aufgrund einer unausgeglichenen Strömung in der Mitte und im Seitenflügel zurückzuführen. Aus diesem Grund reagiert die TWM-Einheit empfindlicher auf α/β als die FWM-Einheit (wenn α/β um 0,1 (von 1,4 auf 1,5) zunimmt, wird \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) Der Wert der FWM-Einheit erhöht sich um 0,001 (von 0,0804 auf 0,0814), während der Wert der TWM-Einheit um weitere 0,0018 zunimmt (von 0,0804 auf 0,0822). Bei kleinen α/β wird ein ähnlicher Effekt beobachtet. Wenn die Fläche des Flügelabschnitts abnimmt (wenn α/β abnimmt), verringert sich die Strömungsgeschwindigkeit am Seitenflügel vorbei und die Spaltungsfunktion nimmt ebenfalls ab. Eine Abnahme von α/β erzeugt jedoch eine kleine Schwachzone, eine Abnahme von α/β ist für das Mischungsverhältnis weniger ausgeprägt als eine Zunahme.

Im Allgemeinen besteht der Mischer aus mehreren angeordneten Mischmodulen25,26,27,39. Daher wird die Anordnungsnummer des kommerziellen Mischmoduls unter Berücksichtigung der Herstellbarkeit und Wartung ausgewählt. Da jedoch AM verwendet wird, hat die Anzahl der Mischmodule im Gegensatz zum vorhandenen Mischer keinen Einfluss auf die Herstellbarkeit des TWM-FWM-Moduls, sofern die Baugröße der Ausrüstung dies zulässt. Da es jedoch im Hinblick auf Wartung und Reparatur wichtig ist, die richtige Anzahl an Mischern auszuwählen, wurde in Abb. 7 die Mischleistung entsprechend der Anzahl der Mischmodule anhand des Optimalfalls in „Optimierung des TWM-FWM-Moduls“ analysiert " (θT beträgt 115° und das Breitenverhältnis (α/β) beträgt 1,4).

Mischleistung entsprechend der Anzahl optimierter TWM-FWM-Module; Mit zunehmender Anzahl der TWM-FWM-Module nimmt \({\sigma }_{VF}\) exponentiell ab. Wenn die TWM-FWM-Modulzahl drei beträgt, verringert sich \({\sigma }_{VF}\) um 98,19 %.

Wie in Abb. 7 gezeigt, betrug \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) des Rohrs, wenn das Mischmodul nicht installiert war, 0,328, und wenn ein TWM-FWM-Modul installiert war, \({\ upsigma }_{\mathrm{VF}}\) wurde um 75,5 % reduziert. Mit zunehmender Anzahl der TWM-FWM-Module nahm die \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) ab. Bei der Installation von vier TWM-FWM-Modulen betrug \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) 0,00168, was einer Reduzierung von 99,5 % entspricht, und bei der Anordnung von sechs TWM-FWM-Modulen betrug \({\upsigma } _{\mathrm{VF}}\) betrug 0,000136, was einer Reduzierung um 99,96 % entspricht. Dies impliziert, dass das Mischungsverhältnis entsprechend der Anzahl der TWM-FWM-Module als Exponentialfunktion wie LSMs25,26,27,39 ausgedrückt werden kann. Daher ist es möglich, das Mischungsverhältnis anhand der Anzahl der Mischmodule mit einem Mischmodul abzuschätzen.

Um die vorgeschlagene TWM-FWM-Geometrie herzustellen, wurde eine Formänderung durchgeführt, damit AM verwendet werden konnte. Für AM40,41 sollten zwei Punkte berücksichtigt werden. Erstens sollten alle Teile durch Volumen verbunden sein, nicht durch Oberflächen- oder Kantenkontakte. Nicht verbundene Teile können zu Herstellungsproblemen führen, z. B. zum Ablösen und Kollabieren während der AM. Um einen Mischer mit hohem Verhältnis zu erhalten, muss außerdem jede Mischeinheit angeschlossen werden, um einen konstanten Winkel aufrechtzuerhalten. Dies erhöht die Notwendigkeit, alle Strukturen miteinander zu verbinden. Zweitens sollten die Unterstützungen minimiert werden40,41. Bei den Trägern handelt es sich um eine Struktur, die während der additiven Fertigung zusammen mit einem Teil gedruckt wird, um einen Strukturkollaps zu verhindern und die Wärmeableitung zu erhöhen. Allerdings wirken sich Stützen negativ auf das Produkt aus, indem sie beispielsweise die Oberflächenrauheit des Produkts verringern und die Ästhetik beeinträchtigen. Da die Größe der vorgeschlagenen Mischstruktur im Millibereich liegt, besteht außerdem die Gefahr, dass die Probe beim Entfernen der Träger beschädigt wird. Das Formdesign wurde daher geändert, wie in Abb. 8a gezeigt. In Abb. 8a sind die Kanten- und Oberflächenkontaktteile jedes TWM und FWM verbunden, und die FWM-Einheit und die TWM-Einheit sind zu einer verbundenen Struktur verbunden. Das durch diesen Prozess modifizierte additiv gefertigte TWM-FWM (AMed TWM-FWM) kann bei entsprechender Positionsaufnahme ohne Stützen hergestellt werden. Das AMed TWM-FWM wurde mit einer selektiven Photopolymerisationsanlage (Z-rapid, China, SLA300) und einem „ABS-ähnlichen“ Material gedruckt. Wie in Abb. 8b dargestellt, sind alle Teile der Probe gut bedruckt und die hergestellte Dicke lag im Bereich von 0,48–0,51 mm. Verglichen mit ihrer Konstruktionsdicke von 0,5 mm beträgt der Maßfehler etwa 4 %. Darüber hinaus betrug die geplante Länge der TWM-FWM-Einheit 12 mm, was dem Design entspricht. Daher kann bestätigt werden, dass die entworfene Form und die Probe ordnungsgemäß und ohne signifikante Unterschiede gedruckt werden.

(a) Designänderung für die additive Fertigung. Verbindungsstrukturen zwischen Einheiten werden hinzugefügt, (b) die Designgeometrie und die hergestellten Proben von additiv gefertigten TWM-FWM (AMed TWM-FWM).

Mit den gedruckten Mischerproben wurden Mischexperimente durchgeführt, wie in Abb. 9a dargestellt. Dieses experimentelle System bestand aus zwei intelligenten Pumpen (FLOM, Japan, UI-22), zwei Flüssigkeiten, einem Y-förmigen Nippel, einer Kamera (Cannon, Japan, EOS 20D) und einem Controller (PC). Die gedruckte Probe wurde hineingesteckt ein transparentes Teflonrohr, so dass eine Stromlinie der Wandströmung beim Mischen beobachtet werden konnte. Die im Experiment verwendeten Flüssigkeiten waren Ölfarben in zwei Farben (blau und gelb) mit einer Dichte und Viskosität von 1000 kg/m3 und 3000 mPa s. Die während des Mischvorgangs auftretenden Stromlinien wurden visualisiert und fotografiert. Mit intelligenten Pumpen floss jede Flüssigkeit mit einer Durchflussrate von 2 ml/min, und das Mischen erfolgte mit einem im Inneren installierten Mischer. Anschließend wurde eine erneute Analyse unter Berücksichtigung der durchgeführt Unter experimentellen Bedingungen wurden sie durch Vergleich in Abb. 9b verifiziert.

(a) Versuchsaufbau zur Mischvisualisierung; bestand aus zwei Pumpen, einem Mischmodul im transparenten Teflonrohr, einer Überwachungskamera und einem Controller und (b) Vergleich der Ergebnisse der numerischen Analyse und des Experiments; Vier Merkmalspunkte (α-Einlass, β,γ-Mischermodul, δ-Auslass) zeigen ähnliche Muster in numerischen Analysen und experimentellen Ergebnissen.

Abbildung 9b zeigt die Konzentrationsverteilung der Flüssigkeit. Die roten Teile sind Bereiche, in denen die Konzentration von Flüssigkeit 1 100 % beträgt, und die blauen Teile sind Bereiche, in denen die Konzentration von Flüssigkeit 2 100 % beträgt. In Abb. 9b zeigt der Teil, in dem die Strömung aufgrund der TWM-Einheit (α) am Eingang des Mischers gebogen wird, sowohl in der numerischen Analyse als auch im Experiment das gleiche Muster. Im Mischbereich, wo AMed TWM-FWM in das Rohr eingesetzt wird (β, γ), stimmt das Stromlinienmuster gut überein. Insbesondere im β-Teil sind eine Schwachzone und eine schlechte Durchmischung zu beobachten. Wenn wir schließlich den Bereich nach der FWM-Einheit betrachten, in dem die Strömung nicht gemischt ist, da dieser Bereich erweitert ist (δ), können wir schlussfolgern, dass die Analyse und das Experiment gut konsistent sind.

Da es schwierig ist, ein Mischen mithilfe von Turbulenz in einem kleinen Rohr mit mehreren mm Durchmesser zu implementieren, wurde bei der Mischerkonstruktion in diesem Artikel die Strömung im turbulenten Strömungsbereich nicht berücksichtigt. Im Allgemeinen wird die Mischleistung jedoch verbessert, wenn Turbulenzen auftreten, sodass davon ausgegangen wird, dass eine Diskussion des laminaren Strömungsbereichs ausreicht. Darüber hinaus ist die in diesem Dokument vorgestellte Designstrategie insofern sinnvoll, als sie ohne wesentliche Änderungen am bestehenden Mischerdesign angewendet werden kann und die Mischleistung durch Berücksichtigung des Designs für die additive Fertigung effektiv verbessert.

In dieser Studie wurde der Entwurf auf der Grundlage der grundlegendsten FWM-Struktur, einer Struktur mit drei Stangen, durchgeführt. Dieses Designkonzept des Mischers kann jedoch auf die Form eines vorhandenen Mischers mit einer größeren Anzahl von Stangen angewendet werden, indem die äußere Stange geneigt wird. Daher ist es durch die Kombination des Mischerdesigns möglich, einen Mischer zu entwerfen, der für verschiedene Umgebungen geeignet ist, beispielsweise für Strömungen mit höherem Re. Wenn jedoch zwei Flüssigkeiten mit deutlich unterschiedlichen Viskositäten gemischt werden, kann sich die Stärke der Strömung in Querrichtung ändern, wenn sich das Mischungsmuster ändert. Dementsprechend sollte beim Mischen von Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Viskositäten eine Optimierung der Konstruktionsparameter vorgenommen werden.

Es wurde ein einfach geformter, hocheffizienter Durchlaufmischer im Millimaßstab (genannt TWM) mit einem auf additiver Fertigung (AM) basierenden Design entwickelt. Die neuartige Mischeinheit verfügt über drei sich kreuzende, geneigte Flügel, die das Mischverhältnis durch Verbesserung der Spaltung und Rekombination erhöhen können. Durch die Kombination von FWM- und TWM-Einheit haben wir das beste Mischmodul optimiert (TWM vorne – FWM hinten). Der Mischmechanismus und die Leistung des kombinierten Mischers wurden mithilfe von CFD-Analysen und Experimenten aufgeklärt. Beim Mischen im TWM gibt es Zonen mit hoher und niedriger Strömungsgeschwindigkeit, und die Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit ändert sich im FWM, sodass das Mischungsverhältnis durch die Kombination zweier Einheiten schnell erhöht wird.

Durch die Optimierung des TWM-FWM-Moduls unter Berücksichtigung von Designparametern wie dem Breitenverhältnis eines Flügels und dem Positionierungswinkel zwischen zwei Einheiten (\({\theta }_{T}\)) erhöhte sich die Mischeffizienz im Vergleich zum Nur FWM-Modul. Das vorgeschlagene TWM-FWM-Modul wurde mithilfe des AM-Verfahrens hergestellt und die Leistung experimentell bewertet. Lokale Mischungszustände wurden verglichen und die Ergebnisse zeigten eine gute Übereinstimmung zwischen CFD-Analyse und Experiment. Durch diese Arbeit wurde ein einfacher und effektiver Mischer entwickelt, der in verschiedenen chemischen Mischprozessen mit einer geringen Menge Chemikalien eingesetzt werden kann, um Materialverluste und Verunreinigungen zu reduzieren. Später wird eine Optimierung der vorgeschlagenen Form unter Berücksichtigung der Viskosität verschiedener Flüssigkeiten und eine Überprüfung in verschiedenen Durchflussbereichen durchgeführt.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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Diese Arbeit wurde durch das Technology Innovation Program (Nr. 20011243) unterstützt, das vom Ministerium für Handel, Industrie und Energie (MOTIE, Korea) finanziert wurde, außerdem durch den Zuschuss der National Research Foundation of Korea (NRF), der von der koreanischen Regierung finanziert wurde (Nr. 2020R1F1A1069374) und (Nr. 2021R1A6C101A449).

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Patrick Y. Shim

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Sang-Hu-Park

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S.-HB hat zum Schreiben einer ersten Version des Manuskripts beigetragen, J.-HY und C.-WH haben FE-Analysen durchgeführt, PYS und SY haben dieses Projekt geleitet, S.-HP hat das Manuskript überprüft und geändert.

Korrespondenz mit Sang-Hu Park.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 18. Juni 2022

Angenommen: 06. November 2022

Veröffentlicht: 14. November 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-23809-2

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