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May 14, 2023

Diseño y evaluación de sistemas inclinados de alta eficiencia de fabricación aditiva

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 19477 (2022) Citar este artículo

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Desarrollamos un novedoso mezclador de escala milimétrica (unidad de mezcla de alas inclinadas, unidad TWM) basado en el diseño para fabricación aditiva (DfAM). El mezclador de alas inclinadas propuesto se ha diseñado básicamente para tener tres alas separadas que dividen y combinan fluidos para mezclarlos de manera efectiva. Su estructura es simple para facilitar la fabricación: dos parámetros de diseño principales de ángulo entre tres alas y ángulo de conexión entre unidades inclinadas, que se optimizan mediante el análisis de dinámica de fluidos computacional (CFD). A partir del análisis CFD, obtenemos el módulo de mezcla mejor combinado a partir de análisis de varias combinaciones de unidades TWM para una proporción de mezcla altamente efectiva. La proporción de mezcla de tres unidades combinadas alcanza cerca del 100 %, lo que se valida mediante el experimento y el análisis. Creemos que el mezclador de escala milimétrica propuesto se puede utilizar en diversos reactores y mezcladores químicos continuos para minimizar el uso de productos químicos que pueden contaminar el medio ambiente.

La mezcla de fluidos es un proceso importante en ingeniería química1,2, ingeniería alimentaria3, electrónica, minería4 y otros. Hasta ahora, se han realizado muchos estudios para mejorar la eficiencia de la relación de mezcla con diversos diseños de mezcladores3,4. A medida que se plantea el avance de varios campos industriales y problemas ambientales, el proceso de mezcla de productos químicos requiere un alto rendimiento, así como una baja contaminación y seguridad2,3,4,5,6,7. Por ejemplo, el PPO (óxido de polifenileno) es uno de los materiales clave para las antenas de comunicación de quinta generación (5G) con buen rendimiento eléctrico, baja pérdida dieléctrica y pequeño cambio en el rendimiento dieléctrico con una amplia gama de frecuencias. Sin embargo, cuando el PPO se mezcla utilizando un mezclador tipo lote, que generalmente se adopta en las plantas químicas debido al bajo costo de producción, existe el riesgo de explosión y es difícil obtener un alto rendimiento de la mezcla8. Para solucionar las limitaciones de los mezcladores discontinuos, se han reportado muchos trabajos de investigación sobre mezcladores continuos debido a su alto rendimiento de mezcla, seguridad, facilidad de control, escalabilidad y baja generación de contaminantes en comparación con las características de los mezcladores discontinuos9,10. .

Un mezclador continuo tiene algunas condiciones de proceso, como el número de Reynolds (Re), el tipo de fluido y la cantidad de flujo de fluido. En base a las condiciones de mezcla, se han propuesto diversos mezcladores continuos; mezclador caótico11, mezclador de superficie mínima triplemente periódico (TPMS)12, mezclador de tejido horizontal y vertical (HVW)13 y Kenics14. Especialmente, el mezclador basado en estructura de celosía (LSM) ha recibido mucha atención debido a su alta eficiencia de mezcla en comparación con su longitud. Por lo general, consta de barras o varillas complejas que se cruzan (normalmente diez o más), y el fluido se mezcla a medida que pasa a través de una estructura de celosía. Por lo tanto, la forma y la estructura diseñadas del LSM afectan el rendimiento de la mezcla. El diseño conceptual del LSM fue propuesto por primera vez por Sulzer en la década de 1960, donde varias barras dentro del mezclador realizan la división y recombinación de Baker para realizar la mezcla de fluidos15. El LSM se puede diseñar para tener una amplia gama de Re de decenas a miles de flujos de fluidos cambiando el número y la dimensión de las barras para controlar la relación de mezcla.

Desde el primer desarrollo del LSM, aumentar la relación de mezcla y ampliar el ámbito de aplicación ha sido el enfoque principal de muchos investigadores. Arimond et al. realizaron un análisis de mezcla en el campo de los mezcladores pasivos utilizando un mezclador tipo Kenics16, y Fradette et al. realizó un análisis de flujo para un mezclador basado en celosía17. Pianko-Oprych et al. realizó un análisis de mezcla para flujo de dos fases y mostró el efecto de una estructura mezcladora usando dinámica de fluidos computacional (CFD)18, y Li et al. estudió el análisis de flujo de líquidos no newtonianos para ampliar las aplicaciones del LSM19,20. Rauline et al. compararon el desempeño de varios mezcladores usando análisis CFD21, y Zalc et al. dilucidado el principio de mezcla en el LSM por distribución de velocidad22. Heniche et al.23 y Liu et al.24 estudiaron la proporción de mezcla del LSM según la forma de una estructura unitaria. Ghanem et al. resumió estudios previos y compiló las características de forma, los principios de mezcla y los campos de aplicación del LSM25. Hirschberg et al. realizó un cambio de forma para reducir la acumulación de presión del LSM26, y Shahbazi et al. intentó optimizar la forma de los LSM utilizando un algoritmo genético27.

Sin embargo, a pesar del alto rendimiento del LSM, hay muchas varillas de pequeña escala que se cruzan dentro del LSM, lo que dificulta su fabricación23,24. Para resolver el problema de fabricación, utilizamos el proceso de fabricación aditiva (AM) para hacer un mezclador de alto rendimiento, y el análisis CFD se usa para optimizar los parámetros de diseño en la mezcla de líquido a líquido. Con los avances recientes de la tecnología de proceso de fabricación aditiva (AM)28,29,30,31,32, muchos investigadores se centran en el proceso de FA en un mezclador estático. Sin embargo, muchos investigadores diseñaron formas simples como una unidad mezcladora de canales combinados con forma de Y o canal de recombinación dividida32,33. Además, el mezclador de tipo LSM ampliamente utilizado diseñado teniendo en cuenta el proceso AM no es popular34,35. Por lo tanto, en este trabajo, diseñamos nuevamente el LSM con una forma más simple y un mayor rendimiento en la mezcla del mismo fluido viscoso utilizando el mezclador para un tubo pequeño comercial (6,35 mm). Es básicamente una estructura de unidad que consta de tres alas inclinadas para una división y combinación efectivas.

Para validar el mezclador propuesto, realizamos experimentos y comparamos los resultados experimentales y de análisis. Para la visualización, se utilizó en el experimento un fluido (el tipo de pintura) con una viscosidad relativamente alta (3000 mPa·s), pero también se encuentra en la región de flujo laminar. En este trabajo, se describieron todos los procesos, desde el diseño conceptual del mezclador hasta la optimización del diseño, el proceso DfAM y los resultados de las pruebas utilizando el mezclador fabricado. Los contenidos de este documento son los siguientes; "Diseño de mezclador continuo de alas inclinadas (TWM)". Diseño de concepto y validación de unidad de mezcla considerando proceso AM; "Optimización del módulo TWM-FWM". Selección de variables de diseño y optimización del módulo de mezcla sugerido; "Experimentos y discusión". Fabricación de muestras usando AM y resultados de validación CFD.

En este estudio, el rendimiento de mezcla del mezclador se evaluó mediante CFD. Los múltiples fenómenos físicos como el flujo laminar, el flujo de pared, la turbulencia y la mezcla deben considerarse para el modelo CFD del proceso de mezcla. Especialmente, para evaluar la relación de mezcla de un mezclador, es necesario rastrear la fracción de volumen de cada fluido. Por lo tanto, se utilizó Flow-3D (Flow Science Inc., EE. UU.), que se especializa en el análisis de volumen de fracción (VOF)32,33, para realizar análisis de mezcla.

El análisis se realizó en base a la Ec. (1) cuál es la ecuación para la ecuación continuativa del fluido incompresible; y ecuación (2) lo que significa la ecuación de conservación del momento del fluido incompresible considerando fluidos turbulentos; y ecuación (3), que describe el flujo de dos fases; y ecuación (4), que expresa la técnica VOF. En estas ecuaciones, \(\overrightarrow{\mathrm{v}}\) es la velocidad promedio, \(\mathrm{P}\) es la presión, \(\uprho\) es la densidad del fluido, \( \mathrm{g}\) es la aceleración gravitacional, \(\upmu\) es el coeficiente viscoso, \(\mathrm{f}\) es la fracción de volumen, \(\overrightarrow{{\mathrm{v}}_ {1}}\) es la velocidad del fluido 1, \(\overrightarrow{{\mathrm{v}}_{2}}\) es la velocidad del fluido 2, y \(\overline{\overrightarrow{\mathrm {v}}\overrightarrow{\mathrm{v}}}\) es la tensión turbulenta. \(\mathrm{f}\) siempre tiene un valor entre 0 y 1. \(\mathrm{f}=0\) significa que no existe fluido en un área, y \(\mathrm{f}=1\) indica que existe un fluido en un área completa. A pesar de que la Re del mezclador objetivo en este documento es 625, que está en el rango de flujo laminar, puede ocurrir un flujo turbulento local debido a la estructura interna. Por lo tanto, se adoptó el modelo de turbulencia \(\mathrm{k}-\upomega\)36,37.

Como se muestra en la Fig. 1a, la geometría del canal del modelo de análisis tenía forma de Y con dos entradas y una salida. Y los diámetros de las partes de entrada eran de 1/8 de pulgada (3,18 mm), y la parte de salida era de 1/4 de pulgada (6,35 mm), y el ángulo entre las dos entradas era de 90°. En este canal, se colocó un modelo básico con un módulo mezclador de tres alas planas (FWM). El grosor y la longitud total de la estructura de mezcla insertada son de 0,5 mm y 12 mm cada una, y el ancho de las tres alas planas es igualmente de 1/12 pulg. (2,12 mm) en la escala de mili-escala. Como se muestra en el módulo de mezcla FWM de la Fig. 1a, dos unidades dispuestas (unidades de mezcla ⓐ, ⓑ) se colocan en pares y cada unidad se gira en un ángulo de 90°. La rotación entre cada unidad sirve para mejorar el rendimiento de la mezcla27,32.

Análisis de condiciones de mezcla. (a) Condiciones de contorno y geometrías del análisis de mezcla. El modelo de análisis básico constaba de dos entradas (cada una de 3,18 mm de diámetro) y 1 salida (de 6,25 mm de diámetro) con un módulo de mezcla de alas planas (módulo FWM) colocado y (b) los resultados de la convergencia de malla según varias condiciones de malla en punto α mostrado en (a); la condición de convergencia es el número de malla de más de 5 × 105.

Las condiciones de contorno para el análisis mixto se muestran en la Fig. 1a, se seleccionó la presión de salida (que significa límite continuativo en FLOW-3D) en la salida y se despreció la fricción de la pared. El modelo de análisis tiene una aceleración gravitacional en la dirección z. Teniendo en cuenta el tamaño del modelo de mezcla, el área de análisis se fijó en 8 × 20 × 40 mm (dirección x × y × z). Se supuso que la pared estaba en condiciones antideslizantes y se ignoraron los efectos de la transferencia de calor y la rugosidad de la superficie. El tamaño del área de análisis en la dirección z se cambió apropiadamente según el número de unidades de mezcla. Para verificar la calidad de la malla, se realizó un análisis bajo varias condiciones de malla en base a las condiciones de análisis anteriores. Se supuso que ambos fluidos mixtos (Fluido 1, 2) tenían las propiedades materiales del agua (viscosidad y densidad de 1000 kg/m3 y 1 mPa s, respectivamente, por lo tanto tiene una excelente compatibilidad) y se ignora la tensión superficial. Y el caudal de cada entrada fue de 0,1 L/min.

Por lo tanto, el flujo del canal a Re de 668 que es una región de flujo laminar. Como se muestra en la Fig. 1b, se confirmó que en el mismo punto α en la Fig. 1a (salida) convergieron en un número de malla de 5 × 105 o más en estado estacionario. Por lo tanto, se seleccionó un tamaño de malla de 5 × 105 para tener en cuenta el tiempo de análisis.

Un mezclador pasivo continuo general de escala milimétrica logra la mezcla plegando y estirando los fluidos dividiéndolos y recombinándolos. Esto se conoce como proceso de plegado de Baker38. Asimismo, debido a la geometría del FWM, se produce la división y recombinación del flujo para lograr la mezcla (Fig. 2a). En la mezcla de dos fluidos, con el fluido pasando por el FWM, el patrón de mezcla según CFD en la sección transversal del canal se muestra en ①, ②, ③ y ④ en la Fig. 2a26,27,32,34. El color de la sección significa fracción de volumen de mezcla, que es la relación entre el volumen ocupado por cada fluido y el volumen de la malla unitaria.

Mecanismo de mezcla y forma de la unidad de mezcla. (a) Mecanismo de mezcla para unidad FWM y sección transversal; el contorno de color de la sección muestra una fracción de volumen de mezcla. El proceso de plegamiento de Baker (división y recombinación) se realiza debido a la turbulencia causada por las alas de la unidad de mezcla y (b) la coincidencia del rendimiento de mezcla de la unidad FWM y la unidad de ala inclinada (unidad TWM), que tiene \({\theta }_ {T}\) (grado entre alas inclinadas) para aumentar la función de recombinación para mejorar el rendimiento de la mezcla.

Durante el paso paralelo de dos fluidos de la primera unidad FWM, la sección ① muestra que el fluido 1 pasa por el ala central y la sección ② muestra que el fluido 1 fluye desde las partes del ala central hacia la sección del ala lateral y genera un vórtice. Al contrario que el fluido 1 y el fluido 2, fluye en la dirección opuesta (desde el ala lateral hacia el ala central) como se muestra en LSM26,27,32,39. Se trata de dos vórtices giratorios que causan la división del fluido y crean plegamiento basado en dos ejes de plegamiento en la Fig. 2a y se recombinan durante la rotación. Asimismo, mientras la mezcla pasa por el segundo FWM, se produce la división y recombinación de la mezcla generando cuatro ejes de plegamiento17,25,27,32.

Teniendo en cuenta el mecanismo de mezcla descrito anteriormente, el rendimiento de mezcla de la unidad FWM se puede mejorar girando las alas laterales, como se muestra en la unidad mezcladora de alas inclinadas (TWM) en la Fig. 2b. En este trabajo, un mezclador con alas laterales inclinadas se llama TWM para distinguirlo de FWM, el ángulo de posicionamiento entre dos alas inclinadas es θT. El ala inclinada induce un flujo en la dirección transversal y fortalece la función de recombinación. Para confirmar el mecanismo de mezcla de la unidad TWM, se compararon los patrones de flujo de los tipos básicos de unidades FWM y unidades TWM. La Figura 3 muestra la distribución de velocidad en las secciones de la unidad FWM y la unidad TWM. En las secciones A–A′, para la unidad TWM, se produce un flujo direccional transversal de mayor velocidad frente al ala inclinada. Como se muestra en la Fig. 3, esto induce un ensanchamiento de alrededor del 47 % del área de alta velocidad en la unidad TWM en comparación con la unidad FWM en el centro del canal en la sección B'. Y esta gran área central de alta velocidad significa que la unidad TWM puede reforzar la mezcla de fluidos aumentando la recombinación de fluidos a través del flujo direccional transversal.

Distribución de velocidades de la unidad FWM y la unidad TWM; al comparar cada sección ② de la unidad FWM y la unidad TWM, aparece un área de alta velocidad en la parte media de la unidad TWM (47% más grande que la de la unidad FWM). Significa que la unidad TWM tiene una función de recombinación más alta que la unidad FWM.

Para verificar el efecto del TWM en el diseño del módulo de mezcla, el rendimiento de mezcla del mismo debe evaluarse cuantitativamente. Especialmente, como se mencionó anteriormente, el módulo FWM emparejó dos unidades FWM que tienen 90° entre cada unidad. Por lo tanto, se requiere mezclar el rendimiento de los módulos emparejados de las unidades FWM y TWM.

El rendimiento de la mezcla se puede evaluar mediante la cuantificación utilizando la desviación estándar de la fracción de volumen de mezcla (\({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\)) en la ecuación. (5)38,39. La fracción de volumen se puede denominar como la concentración de cada fluido. Por lo tanto, \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) significa la desviación estándar de la concentración, que está directamente relacionada con el rendimiento de la mezcla. Esto significa que \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) se puede utilizar como índice para cuantificar el rendimiento de la mezcla. El proceso de cálculo de \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) es el siguiente. En la ecuación. (5), \({\mathrm{N}}_{\mathrm{t}}\) es el número de puntos de medición (nodos), \({\mathrm{C}}_{\mathrm{i}} \) es la fracción de volumen del Fluido 1 en el i-ésimo punto, y \({\mathrm{C}}_{\mathrm{media}}\) es el promedio de la fracción de volumen de todos los puntos. Cuanto más cerca esté \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) de 0, mejor será el rendimiento de la mezcla porque cada fluido está presente en una proporción similar a la unidad de volumen.

Teniendo en cuenta la unidad FWM y la unidad TWM, existen cuatro combinaciones: FWM-TWM (módulo combinado con la unidad FTM en la parte delantera y la unidad TWM en la parte trasera), TWM-FWM, FWM-FWM y TWM-TWM. El \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) de cada combinación en la parte de salida se enumera en la Tabla 1. Con base en la Tabla 1, se pueden hacer dos observaciones. Primero, cuando la unidad TWM se coloca al frente, la proporción de mezcla aumenta (compare la sección ⑤ de FWM-FWM y TWM-FWM), y cuando TWM se coloca en la parte posterior, la proporción de mezcla disminuye (compare la Sección ⑤ de FWM-FWM y FWM). -TWM). Esto se debe a que la unidad TWM mejora la recombinación de fluidos en lugar de la división de fluidos. En segundo lugar, la relación de mezcla de la unidad TWM disminuye inmediatamente después de mezclar, pero mejora a cierta distancia del mezclador (compare la sección ④ de FWM-FWM, TWM-TWM y la sección ⑤ de FWM-FWM, TWM-TWM). Esto es evidencia de que el flujo en la dirección transversal ocurre debido a la unidad TWM.

Para verificar el mecanismo y diseño de la estructura de mezcla, se compararon los patrones de mezcla de FWM-TWM y TWM-FWM, como se muestra en la Fig. 4. En la Fig. 4, el color de la parte transparente donde aparece la línea de corriente indica el flujo velocidad, y el área roja en las secciones transversales de la Fig. 4 indica el área completamente ocupada por el fluido 1, y el área azul indica el área completamente ocupada por el fluido 2. Si se mezclan las áreas roja y azul, el amarillo o el verde aumenta el área. Los valores indicados a continuación para cada sección transversal representan el \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) para cada sección transversal. Como se mencionó anteriormente, en comparación con la unidad FWM, la unidad TWM aumenta el flujo del área direccional transversal y de alta velocidad, lo que mejora el rendimiento de la mezcla. Sin embargo, como se muestra en la Fig. 4, justo detrás de la unidad TWM, se forma una "zona débil". En esta área, la mezcla no se realiza bien porque no se transmite el impulso. Esta zona débil también se puede confirmar por el hecho de que la línea de corriente apenas aparece inmediatamente después de la unidad TWM ("Línea de corriente diluida" en la Fig. 4). Por lo tanto, el módulo FWM-TWM, que es una unidad TWM, se coloca en la parte trasera y el rendimiento de mezcla es inferior al del módulo FWM-FWM. Sin embargo, el módulo TWM-FWM tiene una mejor relación de mezcla que el módulo FWM-FWM, lo que significa que la unidad FTM colocada en la parte trasera elimina la zona débil de la unidad TWM. En otras palabras, aunque la unidad TWM aumenta el rendimiento de la mezcla en un área determinada, existe un límite para la mejora porque se genera parcialmente una zona débil detrás de la unidad TWM. Sin embargo, la unidad FWM detrás de la unidad TWM elimina la zona débil. Es por eso que el mejor rendimiento de mezcla se logra con el módulo TWM-FWM. En consecuencia, se seleccionó el módulo TWM-FWM como la combinación óptima del módulo de mezcla. La forma del módulo TWM-FWM se optimiza en "Optimización del módulo TWM-FWM".

Agiliza y mezcla el rendimiento del módulo FWM-TWM (combinación de la unidad FWM en la parte delantera y la unidad TWM en la parte trasera) y el módulo TWM-FWM; el flujo de dirección transversal ocurre en la unidad TWM. Por lo tanto, al colocar la unidad TWM en la parte trasera, el rendimiento de mezcla aumenta un 16% en el mezclador con el módulo TWM-FWM.

Las variables de diseño para el módulo TWM-FWM, incluido el TWM, fueron las siguientes: en primer lugar, el ángulo entre las partes del ala de la unidad TWM (θT), en segundo lugar, la relación de ancho del ala lateral (α) y la mitad del ancho de el ala central (β) de la unidad FWM y la unidad TWM (relación de ancho). Luego, se evaluó la relación de mezcla según el número de módulos para el módulo TWM-FWM optimizado.

Como se explica en "Diseño de mezclador continuo de ala inclinada (TWM)", el θT conduce a la generación de impulso en la dirección transversal, pero también se genera una zona débil. Por lo tanto, es necesario generar simultáneamente una zona débil apropiada que pueda distribuir suficientemente el flujo a la unidad FWM y un alto impulso en la dirección transversal a través de un θT apropiado para lograr una alta relación de mezcla. Como resultado, un análisis del módulo TWM-FWM con varios θT reveló que \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) era 0,0804 para θT a aproximadamente 115°, mostrando la relación de mezcla mínima (ver Fig. 5a). Esto es aproximadamente un 21,6 % más alto que el 0,1025 del FWM-FWM simple. En la Fig. 5a, cuando θT es mayor que 115°, apenas se genera momento en la dirección transversal. Por lo tanto, la región que muestra una distribución de alta velocidad disminuye a θT de 150°. En consecuencia, se reduce el efecto de mejorar la relación de mezcla de la unidad TWM, y \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) se reduce a 0,0967 a θT de 150°. Esta es una mejora del 5 % en comparación con la relación de mezcla FWM-FWM, pero es un 16 % inferior al resultado óptimo.

(a) rendimiento de mezcla según θT; Como θT se aleja de 115°, se produce una pequeña área de distribución de alta velocidad, y (b) línea de corriente de acuerdo con la variación de θT; a medida que θT disminuye, la zona débil aumenta (a θT = 60°).

Por el contrario, si θT es inferior a 115°, la zona débil aumenta demasiado y no se puede igualar a través de la unidad FWM, y la relación de mezcla disminuye. Por lo tanto, en la Fig. 5b, la línea de corriente en el punto donde θT es 60°, la línea de corriente apenas se presenta (línea de corriente diluida) debido al pequeño θT de la unidad TWM. En el caso de la relación de mezcla θT a 60° es 0,0826, que es un 19% superior a FWM-FWM, pero es un 2,6% p inferior al resultado óptimo. Además, la relación de mezcla responde más sensiblemente a los cambios en θT cuando θT es grande que cuando θT es bajo en comparación con 115°. Esto sugiere que la disminución en el rendimiento de la mezcla en el caso de θT menor que el valor óptimo se debe a la falla en la eliminación de la zona débil a través de la unidad FWM.

El α/β es la relación de ancho del ala lateral (α) a la mitad del ancho del ala central (β) en función de la sección transversal proyectada en la trayectoria del flujo. Debido a que α/β afecta la relación de mezcla, para seleccionar un α/β apropiado, la relación de mezcla se evaluó de acuerdo con α/β como en la Fig. 6a. En la Fig. 6a, la unidad TWM tiene θT de 115° como se diseñó en "Ángulo θT del módulo TWM-FWM". Como se muestra en la Fig. 6a, la relación de mezcla es mejor cuando α/β tanto de la unidad FWM como de la unidad TWM es 1,4, y la relación de mezcla disminuye cuando α/β se aparta de 1,4. A medida que aumenta el área de la parte del ala (cuando aumenta α/β), el caudal que pasa por el centro del ala disminuye. Esto también puede confirmarse por la aparición de una pequeña región de alta velocidad en el punto alto α/β (α/β de 3.1) en la Fig. 6a. Además, en el caso de la unidad TWM, grandes α/β aumentan excesivamente la zona débil. Esto se puede confirmar en la Fig. 6b, donde la línea de corriente en α/β es 3,1, y la línea de corriente apenas se produce (línea de corriente diluida) debido a la alta α/β.

Rendimiento de mezcla según la relación de α/β; como α/β es igual a 1,4, se genera una pequeña área con una distribución de alta velocidad; (b) líneas de corriente según la relación de α/β. A medida que aumenta α/β, también aumenta el tamaño de la zona débil (a α/β = 3,1).

Por lo tanto, básicamente las disminuciones en la relación de mezcla, en este caso, se deben a la reducción de la función de división debido al flujo desequilibrado en el centro y el ala lateral. Esta es la razón por la que la unidad TWM es más sensible a α/β que la unidad FWM (cuando α/β aumenta en 0,1 (de 1,4 a 1,5), el \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) de la unidad FWM aumenta en 0,001 (de 0,0804 a 0,0814), mientras que la de la unidad TWM aumenta en 0,0018 más (de 0,0804 a 0,0822)). En el caso de α/β pequeño, se observa un efecto similar. A medida que el área de la parte del ala disminuye (cuando α/β disminuye), el caudal que pasa por el ala lateral disminuye, y la función de división también disminuye. Sin embargo, una disminución de α/β genera una pequeña zona débil, una disminución de α/β es menos pronunciada para la relación de mezcla que un aumento.

Generalmente, el mezclador consta de varios módulos de mezcla dispuestos25,26,27,39. Por lo tanto, el número de disposición del módulo de mezcla comercial se selecciona teniendo en cuenta la capacidad de fabricación y el mantenimiento. Sin embargo, debido a que se usa AM, a diferencia del mezclador existente, la cantidad de módulos de mezcla no afecta la capacidad de fabricación en el módulo TWM-FWM, siempre que el tamaño de construcción del equipo lo permita. Sin embargo, dado que es importante seleccionar la cantidad adecuada de mezcladores en términos de mantenimiento y reparación, el rendimiento de la mezcla según la cantidad de módulos de mezcla se analizó en la Fig. 7 con base en el caso óptimo en "Optimización del módulo TWM-FWM". (θT es 115° y la relación de anchura (α/β) es 1,4).

Rendimiento de mezcla según el número de módulos TWM-FWM optimizados; a medida que aumenta el número de módulos TWM-FWM, \({\sigma }_{VF}\) disminuye exponencialmente. Cuando el número de módulo TWM-FWM es tres, \({\sigma }_{VF}\) disminuye en un 98,19 %.

Como se muestra en la Fig. 7, \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) de la tubería cuando no se instaló el módulo de mezcla fue 0.328, y cuando se instaló un módulo TWM-FWM, \({\ upsigma }_{\mathrm{VF}}\) se redujo en un 75,5 %. A medida que aumentó el número de módulos TWM-FWM, \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) disminuyó. Cuando se instalaron cuatro módulos TWM-FWM, \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) fue 0,00168, una reducción del 99,5 %, y cuando se colocaron seis módulos TWM-FWM, \({\upsigma } _ {\mathrm{VF}}\) fue 0,000136, lo que supuso una reducción del 99,96 %. Esto implica que la relación de mezcla según el número de módulos TWM-FWM se puede expresar como una función exponencial como los LSM25,26,27,39. Por lo tanto, es posible estimar la relación de mezcla en función del número de módulos de mezcla con un módulo de mezcla.

Para fabricar la geometría TWM-FWM propuesta, se realizó un cambio de forma para poder utilizar AM. Se deben considerar dos puntos para AM40,41. Primero, todas las partes deben estar conectadas por volumen, no por contactos de superficie o de borde. Las piezas no conectadas pueden causar problemas de fabricación, como pelado y colapso durante la AM. Además, para lograr un mezclador de alta proporción, cada unidad de mezcla debe estar conectada para mantener un ángulo constante. Esto aumenta la necesidad de que todas las estructuras estén conectadas. En segundo lugar, los apoyos deben minimizarse40,41. Los soportes son una estructura que se imprime junto con una pieza durante AM para evitar el colapso estructural y aumentar la disipación de calor. Sin embargo, los soportes afectan negativamente al producto, por ejemplo, reduciendo la rugosidad de la superficie del producto y perjudicando la estética. Además, debido a que el tamaño de la estructura de mezcla sugerida está en la escala de milésimas, existe el riesgo de que la muestra se dañe durante el proceso de extracción de los soportes. Por lo tanto, el diseño de la forma se cambió como se muestra en la Fig. 8a. En la Fig. 8a, las partes de contacto de borde y superficie de cada TWM y FWM están conectadas, y la unidad FWM y la unidad TWM están conectadas a una estructura vinculada. El TWM-FWM de fabricación aditiva (AMed TWM-FWM) que se modifica a través de este proceso se puede fabricar sin soportes si asume una posición adecuada. El AMed TWM-FWM se imprimió utilizando un equipo de fotopolimerización de tina selectiva (Z-rapid, China, SLA300) y un material "similar al ABS". Como se muestra en la Fig. 8b, todas las partes de la muestra están bien impresas y el grosor fabricado estaba en un rango de 0,48 a 0,51 mm. En comparación con su grosor de diseño de 0,5 mm, el error dimensional alcanza aproximadamente el 4 %. Además, la longitud diseñada de la unidad TWM-FWM fue de 12 mm, que es la misma que la del diseño. Por lo tanto, se puede confirmar que la forma diseñada y la muestra se imprimen correctamente sin diferencias significativas.

(a) Modificación del diseño para la fabricación aditiva. Se agregan estructuras de enlace entre unidades, (b) la geometría de diseño y las muestras fabricadas de TWM-FWM de fabricación aditiva (AMed TWM-FWM).

Los experimentos de mezcla se realizaron utilizando las muestras de mezclador impresas, como se muestra en la Fig. 9a. Este sistema experimental constaba de dos bombas inteligentes (FLOM, Japón, UI-22, dos fluidos, un niple en forma de Y, una cámara (Cannon, Japón, EOS 20D) y un controlador (PC). La muestra impresa se insertó en un tubo de teflón transparente para que se observara una línea de flujo de la pared durante la mezcla Los fluidos utilizados en el experimento fueron pinturas al óleo de dos colores (azul y amarillo) que tenían una densidad y viscosidad de 1000 kg/m3 y 3000 mPa s. Se visualizaron y fotografiaron las líneas de corriente que aparecían durante el proceso de mezcla. Con bombas inteligentes, cada fluido fluyó a un caudal de 2 ml/min, y la mezcla se realizó con un mezclador instalado en el interior. Luego se realizó un nuevo análisis considerando la condiciones experimentales, se verificaron comparándolas en la Fig. 9b.

(a) Configuración experimental para la visualización de mezclas; consistía en dos bombas, módulo de mezcla en la tubería de teflón transparente, cámara de monitoreo y controlador, y (b) comparación de resultados de análisis numérico y experimento; cuatro puntos característicos (entrada α, módulo mezclador β, γ, salida δ) muestran patrones similares en el análisis numérico y los resultados experimentales.

La Figura 9b muestra la distribución de la concentración del fluido. Las partes rojas son áreas donde la concentración de fluido-1 es del 100% y las partes azules son áreas donde la concentración de fluido-2 es del 100%. En la Fig. 9b, a la entrada del mezclador, la parte donde el flujo se dobla debido a la unidad TWM (α) muestra el mismo patrón tanto en el análisis numérico como en el experimento. En el área de mezcla, donde se inserta AMed TWM-FWM en el tubo (β, γ), el patrón aerodinámico coincide bien. En particular, se puede observar una zona débil y una mala mezcla en la parte β. Finalmente, si consideramos la región después de la unidad FWM donde el flujo no se mezcla, ya que esa región se extiende (δ), se puede concluir que el análisis y el experimento son consistentes.

Debido a que es difícil implementar el mezclado usando turbulencia en una tubería pequeña que tiene varios mm de diámetro, el diseño del mezclador en este documento no consideró el flujo de la región de flujo turbulento. Sin embargo, en general, el rendimiento de la mezcla mejora cuando se produce turbulencia, por lo que se cree que será suficiente una discusión sobre la región del flujo laminar. Además, la estrategia de diseño presentada en este documento es significativa porque se puede aplicar sin cambios significativos en el diseño de la mezcladora existente y mejora efectivamente el rendimiento de la mezcla al considerar el diseño para la fabricación aditiva.

En este estudio, el diseño se realizó en base a la estructura FWM más básica, una estructura con tres barras, pero este concepto de diseño de mezclador se puede aplicar a la forma de un mezclador existente con una mayor cantidad de barras inclinando la barra exterior. Por lo tanto, al combinar el diseño del mezclador, será posible diseñar un mezclador adecuado para diversos entornos, como flujo con Re más alto. Sin embargo, cuando se mezclan dos fluidos con viscosidades significativamente diferentes, la fuerza del flujo en la dirección transversal puede cambiar a medida que cambia el patrón de mezcla. Por lo tanto, en el caso de mezclar fluidos con diferentes viscosidades, se debe proceder a la optimización de los parámetros de diseño.

Se desarrolló un mezclador continuo de escala milimétrica de alta eficiencia de forma simple (llamado TWM) con un diseño basado en la fabricación aditiva (AM). La nueva unidad de mezcla tiene tres alas inclinadas que se cruzan y que pueden aumentar la relación de mezcla mediante la mejora de la división y la recombinación. Mediante la combinación de la unidad FWM y TWM, optimizamos el mejor módulo de mezcla (TWM frontal - FWM posterior). El mecanismo de mezclado y el rendimiento del mezclador combinado se dilucidaron mediante análisis y experimentos CFD. Durante la mezcla en el TWM, hay zonas de alta y baja velocidad de flujo, y la distribución de la velocidad del flujo cambia en el FWM, por lo que la relación de mezcla aumenta rápidamente mediante la combinación de dos unidades.

Al optimizar el módulo TWM-FWM considerando parámetros de diseño como la relación de ancho de un ala y el ángulo de posicionamiento entre dos unidades (\({\theta }_{T}\)), la eficiencia de mezcla aumentó en aproximadamente un 21 % en comparación con el Solo módulo FWM. El módulo TWM-FWM sugerido se fabricó utilizando el proceso AM y se evaluó el rendimiento experimentalmente. Se compararon los estados de mezcla locales y los resultados mostraron una buena concordancia entre el análisis CFD y el experimento. A través de este trabajo, se desarrolló un mezclador simple y eficaz que se puede utilizar en varios procesos de mezcla química con una pequeña cantidad de productos químicos para reducir la pérdida de material y los contaminantes. Posteriormente, en el futuro se llevará a cabo la optimización de la forma propuesta considerando la viscosidad de varios fluidos y la verificación en varios rangos de flujo.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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Este trabajo fue apoyado por el Programa de Innovación Tecnológica (No. 20011243) financiado por el Ministerio de Comercio, Industria y Energía (MOTIE, Corea), también fue apoyado por la subvención de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiada por el Gobierno de Corea (Nº 2020R1F1A1069374) y (Nº 2021R1A6C101A449).

Instituto de Investigación de Maquinaria y Tecnología, Universidad Nacional de Pusan, Geumjeong-Gu, Busan, 46241, Corea

Seoung Ho Baek

Departamento de I+D de unión avanzada y fabricación aditiva, Instituto de Tecnología Industrial de Corea, Siheung, 15014, Corea

Jung-Ho Yang, Cheol-Woo Ha y Son Yong

G&I Solution Co. Ltd, Siheung, 14922, Corea

Patrick Y. Cuña

Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad Nacional de Pusan, Busan, 46241, Corea

Parque Sang Hu

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S.-HB contribuyó a escribir una versión inicial del manuscrito, J.-HY y C.-WH realizaron análisis FE, PYS y SY administraron este proyecto, S.-HP revisó y modificó el manuscrito.

Correspondencia al Parque Sang-Hu.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Baek, SH., Yang, JH., Ha, CW. et al. Diseño y evaluación de un mezclador continuo de ala inclinada de alta eficiencia fabricado con aditivos. Informe científico 12, 19477 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23809-2

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Recibido: 18 junio 2022

Aceptado: 06 noviembre 2022

Publicado: 14 noviembre 2022

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

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