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1、剪切機(jī)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(yīng)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(duì)有關(guān)流體、半流體產(chǎn)品品質(zhì)所必不可少的工藝過程。 國(guó)外在30年前就生產(chǎn)并使用均質(zhì)機(jī)，且應(yīng)用于生產(chǎn)，剪切均質(zhì)機(jī)作為均質(zhì)機(jī)械中的佼佼者，也被廣泛的認(rèn)識(shí)和研究。自從1948德國(guó)FLUKO公司首次發(fā)明了應(yīng)用高剪切原理制成的分散乳化設(shè)備。高剪切已出現(xiàn)了多種系列產(chǎn)品。在世界均質(zhì)機(jī)械行業(yè)處于領(lǐng)先地位。國(guó)外研究制造的剪切機(jī)基本上采用定-轉(zhuǎn)子型機(jī)構(gòu)作為均質(zhì)頭，在電機(jī)的高速驅(qū)動(dòng)下（300-1000r/min），物料在轉(zhuǎn)子和定子之間的

2、間隙高速運(yùn)動(dòng)，形成強(qiáng)烈的液力剪切和湍流，使物料在同時(shí)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(dá)到要求的效果。,美國(guó)和德國(guó)的剪切式均質(zhì)機(jī)的研究和開發(fā)均取得了顯著進(jìn)展。如美國(guó)的IKA-WERKE GMHB CO.KG生產(chǎn)的多系列分散均質(zhì)設(shè)備，美國(guó)ROSS公司研制的，德國(guó)IKA-MASCHINENBAU公司研制的ULTRA分散機(jī)，德國(guó)YSTRAL公司生產(chǎn)的X40型分散攪拌機(jī) ，在國(guó)外均質(zhì)機(jī)研究和應(yīng)用方面，德國(guó)處于領(lǐng)先。,我國(guó)均質(zhì)機(jī)研究是從50年底個(gè)別廠家開始的，最早是上海煙草機(jī)械廠仿制美國(guó)產(chǎn)品，直到80年代才開始逐漸生產(chǎn)均質(zhì)機(jī)，而且大多是傳統(tǒng)的高壓均質(zhì)設(shè)備，隨著國(guó)

3、外剪切式均質(zhì)機(jī)的迅速發(fā)展，近年來，國(guó)內(nèi)許多科研人員、制造和使用廠家也開始重視對(duì)剪切式均質(zhì)機(jī)的研究工作。目前已經(jīng)建立了與國(guó)外廠商聯(lián)營(yíng)、合資研制生產(chǎn)剪切式均質(zhì)機(jī)的公司。如上海弗努克機(jī)電設(shè)備有限公司、中美合資南通羅斯（ROSS）混合設(shè)備有限公司等，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)有許多廠家開始生產(chǎn)高剪切均質(zhì)機(jī)，如東市長(zhǎng)江機(jī)電有限公司、上海環(huán)保設(shè)備總廠、上海威宇機(jī)電有限公司，上海市化工裝備研究所等。,,高剪切機(jī)的剪切原理,一、高剪切如何工作,高速剪切機(jī)的本質(zhì)是顆粒的破碎。要使分散相顆粒破裂，必須對(duì)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(dāng)變形力超過使顆粒維持原狀的界面張力或強(qiáng)度極限時(shí)，顆粒就會(huì)破裂。,研究表明

4、，液滴的變形、破裂及流體力學(xué)的穩(wěn)定性，主要取決與無因次韋伯準(zhǔn)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(huì)發(fā)生變形，其變形程度與韋伯準(zhǔn)數(shù)成比例。,Hinze研究指出，液滴破裂存在一個(gè)臨界韋伯準(zhǔn)數(shù)，當(dāng)在應(yīng)力作用下的韋伯準(zhǔn)數(shù)小于臨界韋伯準(zhǔn)數(shù)時(shí)，則液滴變形，當(dāng)在應(yīng)力作用下的韋伯準(zhǔn)數(shù)大于臨界韋伯準(zhǔn)數(shù)時(shí)，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(huì)受到類似的應(yīng)力作用，當(dāng)這類應(yīng)力超過了使固體維持其完整性的強(qiáng)度極限時(shí)，粒子便發(fā)生變形、破碎。但若固體顆粒的強(qiáng)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(yīng)該增加機(jī)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(dá)到均質(zhì)的目的。 1、使液層產(chǎn)生速度差 2、空穴效應(yīng) 3、機(jī)械力,,,,,A,B,流體的邊界層理論,流體的類型,湍流：當(dāng)流體速度增加到某一速度值時(shí)，高速流體中將引起漩渦而進(jìn)入湍流狀態(tài)。,流動(dòng)型態(tài)是由雷諾數(shù)決定，流體在直管中流動(dòng)時(shí)流動(dòng)狀態(tài)開 始變?yōu)橥牧鲿r(shí)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(dòng)，反之流體就屬于層流流動(dòng)。對(duì) 于高粘度流體，一般均處于層流狀態(tài)，而對(duì)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(yīng)力,層流時(shí)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(dòng)，分別進(jìn)行分析。高粘

6、度物料一般處于層流狀態(tài)。,湍流時(shí)的最大剪切力，分析方法與層流相似。,,層流最大剪切應(yīng)力,槽道內(nèi)流動(dòng)：流體內(nèi)的最大流速及所受到的最 大剪切力與液體流動(dòng)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(dòng)：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(yīng)力,槽道內(nèi)流動(dòng)：與層流類似，湍流運(yùn)動(dòng)的脈動(dòng)特性使其具有傳遞擴(kuò)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(dòng)：同上,,二、高頻壓力波動(dòng),根據(jù)伯努利方程，流體所具有的動(dòng)能和壓力之和是常數(shù)，因此

7、突然的高速流體會(huì)造成壓降，當(dāng)壓力低到工作流體的飽和蒸汽壓時(shí)，就會(huì)沸騰，產(chǎn)生大量的氣泡，當(dāng)壓力升高后，氣泡又會(huì)破裂。產(chǎn)生的高速微射流，速度可以達(dá)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(yīng)。空穴效應(yīng)發(fā)生在粒子旁邊就會(huì)導(dǎo)致粒子的破裂。,三、機(jī)械撞擊、剪切作用,對(duì)于含固體顆粒物料的粉碎均質(zhì)，機(jī)械剪切與撞擊起主導(dǎo)作用，轉(zhuǎn)子高度旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生強(qiáng)大的離心立場(chǎng)，在轉(zhuǎn)子中心形成很強(qiáng)的負(fù)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(yùn)動(dòng)，線速度越來越高，形成極大的壓力梯度場(chǎng)，在該場(chǎng)中，物料收到強(qiáng)大的剪切、摩擦、撞擊以及物料間的相互碰撞、摩擦實(shí)現(xiàn)固相在微粒與液相的乳化。,,,