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1、剪切機原理介紹,中迅農(nóng)科股份有限公司 彭述明,概述,剪切均質(zhì)技術(shù)作為一種新型微米技術(shù)，已經(jīng)廣泛應用于食品、醫(yī)藥、輕工、微生物等諸多行業(yè)，并得到迅速的發(fā)展，已經(jīng)成為這些行業(yè)對有關流體、半流體產(chǎn)品品質(zhì)所必不可少的工藝過程。 國外在30年前就生產(chǎn)并使用均質(zhì)機，且應用于生產(chǎn)，剪切均質(zhì)機作為均質(zhì)機械中的佼佼者，也被廣泛的認識和研究。自從1948德國FLUKO公司首次發(fā)明了應用高剪切原理制成的分散乳化設備。高剪切已出現(xiàn)了多種系列產(chǎn)品。在世界均質(zhì)機械行業(yè)處于領先地位。國外研究制造的剪切機基本上采用定-轉(zhuǎn)子型機構(gòu)作為均質(zhì)頭，在電機的高速驅(qū)動下（300-1000r/min），物料在轉(zhuǎn)子和定子之間的
2、間隙高速運動，形成強烈的液力剪切和湍流，使物料在同時產(chǎn)生的離心、擠壓、碰撞等綜合作用力的協(xié)調(diào)作用下，得到充分的分散，乳化、破碎，達到要求的效果。,美國和德國的剪切式均質(zhì)機的研究和開發(fā)均取得了顯著進展。如美國的IKA-WERKE GMHB CO.KG生產(chǎn)的多系列分散均質(zhì)設備，美國ROSS公司研制的，德國IKA-MASCHINENBAU公司研制的ULTRA分散機，德國YSTRAL公司生產(chǎn)的X40型分散攪拌機 ，在國外均質(zhì)機研究和應用方面，德國處于領先。,我國均質(zhì)機研究是從50年底個別廠家開始的，最早是上海煙草機械廠仿制美國產(chǎn)品，直到80年代才開始逐漸生產(chǎn)均質(zhì)機，而且大多是傳統(tǒng)的高壓均質(zhì)設備，隨著國
3、外剪切式均質(zhì)機的迅速發(fā)展，近年來，國內(nèi)許多科研人員、制造和使用廠家也開始重視對剪切式均質(zhì)機的研究工作。目前已經(jīng)建立了與國外廠商聯(lián)營、合資研制生產(chǎn)剪切式均質(zhì)機的公司。如上海弗努克機電設備有限公司、中美合資南通羅斯（ROSS）混合設備有限公司等，現(xiàn)在國內(nèi)有許多廠家開始生產(chǎn)高剪切均質(zhì)機，如東市長江機電有限公司、上海環(huán)保設備總廠、上海威宇機電有限公司，上海市化工裝備研究所等。,,高剪切機的剪切原理,一、高剪切如何工作,高速剪切機的本質(zhì)是顆粒的破碎。要使分散相顆粒破裂，必須對顆粒表面提供足夠的外來能量，在此能量作用下顆粒發(fā)生變形，當變形力超過使顆粒維持原狀的界面張力或強度極限時，顆粒就會破裂。,研究表明
4、，液滴的變形、破裂及流體力學的穩(wěn)定性，主要取決與無因次韋伯準數(shù)We，以及分散相粘度與連續(xù)相粘度之比R， 液滴在流體力作用下會發(fā)生變形，其變形程度與韋伯準數(shù)成比例。,Hinze研究指出，液滴破裂存在一個臨界韋伯準數(shù)，當在應力作用下的韋伯準數(shù)小于臨界韋伯準數(shù)時，則液滴變形，當在應力作用下的韋伯準數(shù)大于臨界韋伯準數(shù)時，則液滴破裂。在液一固相分散系中，懸浮的固體顆粒在液體中也會受到類似的應力作用，當這類應力超過了使固體維持其完整性的強度極限時，粒子便發(fā)生變形、破碎。但若固體顆粒的強度極限較高，完全靠液力作用，則很難破碎，并且有一些固體顆粒，如纖維材料，則更難靠完全的液力剪切作用，所以，要有好的均質(zhì)效
5、果，則應該增加機械剪切力作用。,,總結(jié)：高剪切主要靠輸送能量使顆粒破裂達到均質(zhì)的目的。 1、使液層產(chǎn)生速度差 2、空穴效應 3、機械力,,,,,A,B,流體的邊界層理論,流體的類型,湍流：當流體速度增加到某一速度值時，高速流體中將引起漩渦而進入湍流狀態(tài)。,流動型態(tài)是由雷諾數(shù)決定，流體在直管中流動時流動狀態(tài)開 始變?yōu)橥牧鲿r的雷諾數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)，若大于臨界雷諾 數(shù)，則流體就屬于湍流流動，反之流體就屬于層流流動。對 于高粘度流體，一般均處于層流狀態(tài)，而對于非均相流體， 除高粘度流體外大多是處于湍流狀態(tài)。,最大剪切應力,層流時的最大剪切力，液體分別在轉(zhuǎn)定子的槽道里和轉(zhuǎn)定子之間流動，分別進行分析。高粘
6、度物料一般處于層流狀態(tài)。,湍流時的最大剪切力，分析方法與層流相似。,,層流最大剪切應力,槽道內(nèi)流動：流體內(nèi)的最大流速及所受到的最 大剪切力與液體流動方向上的壓力梯度成正比，最大速度在槽道壁面處。,轉(zhuǎn)定子之間流動：液體在轉(zhuǎn)定子之間成為旋轉(zhuǎn)流，轉(zhuǎn) 定子之間存在速度梯度，產(chǎn)生剪切力。轉(zhuǎn)子速度大， 定轉(zhuǎn)子間隙越小，則最大剪切越大。 最大剪切力在轉(zhuǎn)子壁面處。,,湍流最大剪切應力,槽道內(nèi)流動：與層流類似，湍流運動的脈動特性使其具有傳遞擴散性，從而使物料的粉碎過程中能更產(chǎn)生很好的分散，且剪切效果是層流數(shù)倍以上。,轉(zhuǎn)定子之間流動：同上,,二、高頻壓力波動,根據(jù)伯努利方程，流體所具有的動能和壓力之和是常數(shù)，因此
7、突然的高速流體會造成壓降，當壓力低到工作流體的飽和蒸汽壓時，就會沸騰，產(chǎn)生大量的氣泡，當壓力升高后，氣泡又會破裂。產(chǎn)生的高速微射流，速度可以達到100m/s到300m/s這一高度，微射產(chǎn)生的脈沖壓力接近200Mpa，這就是空穴效應?？昭ㄐl(fā)生在粒子旁邊就會導致粒子的破裂。,三、機械撞擊、剪切作用,對于含固體顆粒物料的粉碎均質(zhì)，機械剪切與撞擊起主導作用，轉(zhuǎn)子高度旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生強大的離心立場，在轉(zhuǎn)子中心形成很強的負壓區(qū)，料液從定轉(zhuǎn)子中心被吸入，在離心力的作用下，物料由內(nèi)圈向外圈運動，線速度越來越高，形成極大的壓力梯度場，在該場中，物料收到強大的剪切、摩擦、撞擊以及物料間的相互碰撞、摩擦實現(xiàn)固相在微粒與液相的乳化。,,,
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