Experimental measurement of the efficiency of turbulent mixing for non conventional mixers

Mixing is currently seeing a growing interest from many scientific and industrial sectors. The variety and complexity of the mixing in industrial applications requires careful selection and design to ensure an effective and efficient mixing. This research propose an unconventional configuration of turbulent mixer. This configuration aims to improve the mixing inside a cylindrical container using a twisted slinky spring instead of an impeller as in the classical design. During the rotation the spring is free to move axially compressing and relaxing since it is connected only at the two ends. In this way we want to reduce the drag associate with the mixing increasing it efficiency. We developed an experimental setup to measure the time required for the complete mixing and the electrical power absorbed by an electrical motor as a function of the rotation speed. We used a resistor placed in the upper layer of the cylinder to heat the liquid only by conduction and we acquired the temperature of twenty-six thermocouples placed along the height of the mixer. We imposed the desired variation of the average temperature in the cylinder to fix the amount of energy to mix into the system. We tested three different configurations: free spring, fixed spring, classic propeller. The results of the experiments are satisfactory. For each configuration the correlation between the mixing time and the rotational speed is in agreement with the literature. The configuration with the propeller presents mixing times lower but an electric power consumption higher than the one with spring. While in terms of energy consumption, the propeller system is efficient only at low speed, the spring is more efficient at high speed.

Attualmente il mixing sta vedendo un crescente interesse da parte di numerosi settori scientifici ed industriali. La varietà e la complessità sempre crescente dei processi di miscelazione incontrati nelle applicazioni industriali richiede un'attenta selezione e progettazione per garantire un mixing efficace ed efficiente. Questo lavoro di ricerca propone lo studio di una configurazione non convenzionale di mixer turbolento. Tale configurazione prevede il mixing all’interno di un contenitore cilindrico per opera di una molla slinky al posto di una classica girante. Durante la rotazione, la molla, ritorta e vincolata agli estremi all’albero di rotazione, è libera di muoversi assialmente comprimendosi e distendendosi. In questo modo abbiamo cercato di ridurre la resistenza legata al mixing per renderlo più efficiente. Per qualificare questa configurazione di mixer si è sviluppato un setup sperimentale per misurare il tempo di miscelamento e la potenza elettrica assorbita in funzione della velocità di rotazione. Si è deciso di adottare un sistema basato sulla misurazione della temperatura disponendo ventisei termocoppie lungo tutta l’altezza del mixer. Tramite una resistenza posta nello strato superiore del cilindro è stato possibile riscaldare il liquido per sola conduzione. Imponendo la variazione desiderata di temperatura media nel cilindro è stata fissata la quantità di energia immessa nel sistema. Le prove sono state effettuate per diverse configurazioni (tutte non ottimizzate): molla libera, molla vincolata, elica. I risultati degli esperimenti risultano soddisfacenti. Per ogni configurazione l’andamento del tempo di miscelamento in funzione della velocità di rotazione è di tipo logaritmico in accordo con la letteratura. La configurazione munita di elica presenta tempi di miscelamento inferiori ma consumi in termini di potenza elettrica superiori rispetto a quella con la molla. In termini di energia spesa, adottando l’elica il sistema risulta efficiente alle basse velocità, usando la molla lo è alle alte.