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安裝不同橫截面插閂數量之混合元件的流動分析比較…85

本節討論橫截面安裝不同數量的插閂對流體在溝道內流動的影響,在 數量的選擇上,有三支、九支及十二支,模型幾何示意圖,如圖 35、36、

37,再加上 5.1 節橫截面安裝六支 Square Pineapple 插閂的部分,共有 四種形式來探討。

1. 橫截面安裝三支插閂:由圖 50 來看,流線在流經混合元件時,受 到的擾動情形較上述比較插閂構形的流線減弱了許多,也因插閂 較少,流動阻礙降低,但也由於流線被破壞的程度較低,也沒有 什麼迴流效果。

圖 49 不同混合元件下流動時間比較圖

2. 橫截面安裝六支插閂:此部分已於 5.2 節中討論,因此本節不再 贅述。

3. 橫截面安裝九支插閂:在圖 51 中發現流線受到擾動的情形增加了 許多,流線在經過插閂之間的空間時,也有加速的效果,但因為 插閂彼此之間的空隙變小,當流體通過時遇到插閂阻擋機會也變 高,需要較大之驅動力迫使其繼續前進,所以此時能量消耗的速 度也提高了。

圖 50 橫截面三支 Square Pineapple 插閂之溝道流線圖

4. 橫截面安裝十二支插閂:觀察下頁圖 52 的流線發展,由於所安裝 的插閂最多,流線受插閂的影響,擾動的情況也最多。

圖 51 橫截面九支 Square Pineapple 插閂之溝道流線圖

接下來我們再由下頁之圖 53、54、55,從界面面積比來定量其混合效 果。由圖 53 可以發現,當橫截面混合元件的數量為 6 支、9 支與 12 支時

,混合效果數量 6 支的最好,但三者其實數值差不多,顯示在增加橫截面 安裝數量上,超過一定的數量對混合的效果增加有限。這主要可能是因為 雖然插閂安裝數量增加可以增加流體的混合,但也因為流體流動的空間減 少,相對來說已不易大幅提升其混合的效果。而從能量消耗量上來看也是 如此,故吾人在最佳化設計點上,選擇橫截面 6 支插閂為最佳設計點即可

圖 52 橫截面十二支 Square Pineapple 插閂之溝道流線圖

圖 54 不同橫截面安裝數量之能量消耗量比較圖 圖 53 不同橫截面安裝數量之界面面積比比較圖

5.3 安裝不同插閂軸向間距之混合元件的流動分析比較

在本節以不同的插閂軸向間距來討論對流體在溝道內流動的影響,模 型 幾 何 示 意 圖 , 如 圖 39 、 40 、 41 , 間 距 分 別 有 1/3 D(2.1cm) 、 1/6 D(1.05cm)與 1/8 D(0.7875cm),連同 5.2 節(軸向間距 1/6 D)的部分,

共有四種不同的間距。

圖 55 不同橫截面安裝數量之流動時間比較圖

1. 軸向間距 1/3 D:觀察其流線流動情形,如圖 56,與 5.1 節間距為 1/4D 的流線圖比較,其流動情形相仿,皆在混合元件附近有較大 的迴流和拉伸情況。

2. 軸向間距 1/4 D:此部分已於 5.1 節中討論,因此本節不再贅述。

圖 56 軸向間距為 1/3D 的 Square Pineapple 插閂螺桿之溝道流線圖

3. 軸向間距 1/6 D:觀察其流線流動情形,如圖 57,可看到與 5.1 節間距為 1/4D 的流線圖的流動情形相仿。

圖 57 軸向間距為 1/6D 的 Square Pineapple 插閂之溝道流線圖

4. 軸向間距 1/8 D:從流線圖來看,如圖 58,可明顯看出流線流經 插閂區時,由於插閂軸向間距過短,流線不容易流過,因此一次越 過兩支插閂,使流線受到插閂擾動的情形更是減少了許多,其混合 效果也就不好。

我們再由界面面積比和能量消耗量和流動時間來看,如圖 59、60、61

,不難發現插閂的軸向間距,對混合效率有很大的影響,如圖 59,軸向間 圖 58 軸向間距為 1/8D 的 Square Pineapple 插閂螺桿之溝道流線圖

距由 1/8 D 逐漸拉長到 1/3 D 對混合效率有愈來愈著顯著的影響,距離越 長,界面面積比越大。造成此種現象的原因,應是高分子在流道中,藉助 混合元件的幫忙,提高混合效果,但在插閂兩兩之間也需要一定的距離,

才能讓每個插閂發揮其對高分子流體最大的改變,如此流體得到被切割及 產生重新排列的助益將最大。因此於本節中,我們選擇 1/3 D 為最佳設計 點。

圖 59 不同軸向間距之界面面積比比較圖