CC BY
5БРУЙ А.Е., ХАРЛАМОВ И.В.
интересным и перспективным изоляционным материалом, который должен быть рассмотрен подробно
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. King, B. // Design of Straw Bale Buildings: The State of the Art. Green Building Press - 2006. [Электронный ресурс]. URL: http://greenbuil-dingpress.com/design-of-straw-bale-buildings/ (дата обращения 18.03.2014).
2. Wihan, J. // Humidity in straw bale walls and its effect on decomposition of straw. PhD - 2007. [Электронный ресурс]. URL: http://www.jakubwihan. com/pdf/thesis.pdf/ (дата обращения 18.03.2014).
3. UFI's PRO official site // introduction - 2014 [Электронный ресурс]. URL: http://www.wufi-pro. com/ (дата обращения 18.03.2014).
4. Evrad, A., Louis, A., Biot, B., Ubois, S. // Moisture Equilibrium in Straw Bale Walls - 2012 [Электронный ресурс]. URL: http://www.plea2012. pe/pdfs/T08-20120130-0048.pdf/ (дата обращения 18.03.2014).
Бруй А.Е. - студент, E-mail: bruy1991 @yandex.ru; Харламов И.В. - к.т.н., профессор, E-mail: hiv@mail.altstu.ru, Алтайский государственный технический университет.
УДК 621.926:519
ЛОГИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ И СМЕШИВАНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Ю.А. Веригин, Я.Ю. Веригина
В работе проводится совместный анализ процессов измельчения исходного сырья до ультра дисперсного состояния и смешивания материалов в технологии приготовления бетона с последующей разработкой принципиальной логистической модели.
Предлагаемая логистическая модель позволяет детализировать наблюдаемые процессы и наметить пути их оптимизации.
Ключевые слова: измельчение, слесообразование, логистические модели, параметры измельчения и смешивания материалов.
Для анализа технологического процесса в строительстве, либо рабочего процесса машин и аппаратов при переработке сырья следует учитывать, что любой процесс основан на протекании нескольких взаимно противоположных (конкурирующих) явлениях. Например, таких, как смешивание и сепарация (рисунок 1), диспергирование и агрегация (рисунок 2), уплотнение и рыхление, обводнение и осушение, которым одновременно сопутствуют такие эффекты, как физико-химические проявления при растворении вяжущих, реакции термолиза, либо разрушение внутренних структурных связей вещества и т.п., обеспечивающие выполнение технологических требований к получению готовой продукции.
Опираясь на известные принципы синергетики, можно заключить, что наличие подобных эффектов характерно для несаморазвивающихся сложных, наследственно необратимых систем [1].
Основными признаками таких систем является их развитие на основе внутренних
противоречий, активизирующихся за счет источников энергии и негоэнтропии, подаваемых на вход системы.
Сложность технологических процессов строительства, например, при приготовлении материалов, заключается в том, что исходные сырьевые компоненты, являясь по своему составу дискретными грубодисперсными телами с обширной прерывистой или непрерывной гранулометрией, имеют различную поверхностную энергию (химическую активность и т.п.), по-разному проявляют ее при воздействии рабочего органа машины.
Сложность технологических процессов строительства, например, при приготовлении материалов, заключается в том, что исходные Это требует корректности при выборе технологического оборудования и оптимизации его эксплуатационных параметров.
Смесительный (С) и измельчающий (И) агрегаты - (СИА) образуют с обрабатываемой средой (ОС) единую систему «рабочий орган - обрабатываемая среда» замкнутую в ограниченном объеме аппарата. В результа-
Ср - предельное качество смешения; СН - начальная дисперсия концентрации компонента; Сн.с - начальная дисперсия сепарации; Сс - предельное качество сепарации
16 24
Кинетика растворения, мин.
1 - пептизация, дефлокуляция и диспергирование вяжущего (конденсация и растворение) с последующим образованием коагуляционной тиксотропной структуры в коллоидной водоминеральной составляющей;
2 - процесс распределения заполнителей, образование дисперсной смеси в композиционной среде с упруговяз-копластическими свойствами
Рисунок 1 - Кинетические кривые процессов смешения и сепарации
те действия рабочего органа (РО) машины в элементах системы происходят типовые ме-хано-физико-химические процессы технологического передела материалов, которые составляют самостоятельную единицу первой ступени в иерархической структуре строительного, химического, металлургического и др. видов производств. Детализация этой единицы до уровня простейших эффектов и явлений позволяет рассматривать процесс перемешивания и диспергирования (измельчения) как сложную механо-физико-хими-ческую систему (МФХС). Следуя методике школы проф. Кафарова В.В. [2], можно осуществить анализ структуры (МФХС). Логисти-зация технологического передела носит характер непрерывного процесса через реализацию функций логистического менеджмента: «планирование», «координация», «контроль», «мотивация», операциикоторых тесно взаимосвязаны друг с другом (рисунок 3).
При взаимодействии (РО) с (ОС) в плоскости их контакта сосредотачивается концентрация и сток энергии, поступающей от силовой установки. Подведенная энергия создает в среде напряженно-деформированное состояние, нарушение сплошности и объемного статического равновесия. Это сопровождается переносом элементарных объемов вещества из одного стационарного состояния в другое, образованием плоскостей сдвига и скольжения по поверхности раздела фаз в
Рисунок 2 - Кинетические кривые процессов смешения и диспергирования при приготовлении бетонов нарушенной структуре среды и на поверхностях (РО). Ход массообменных процессов вызывает диссипацию энергии деформации и тепла внутри системы, где наряду с физико-механическими явлениями, характеризующими макроуровень, присутствуют микроэффекты. Их характер определяется поверхностными силами, действующими в локальных объемах, силами взаимодействия между несущей фазой и дисперсиями (силы Архимеда, Стоксова сила трения, силы Жуковского и Магнуса и т.п.), ходом химических реакций и молекулярно-кинетическими эффектами при диспергировании (разрушении) структурных элементов вещества [1].
Совокупность эффектов на макроуровне определяет энергонапряженность в МФХС, которая зависит от гидромеханических, напряжённо-деформационных потоков и их характера, что непосредственно задается конструктивными особенностями и режимами работы смесительных и измельчающих агрегатов (КОСИА) (рисунок 3).
КОСИА - конструктивные особенности смесительных и измельчительных аппаратов; ПВМЭ - подвод внешней механической энергии; ВХПА - входные параметры активации; КЭДРО - кинетическая энергия рабочего органа; МехП - энергия механического переноса массы; ЭД - энергия, расходуемая на диспергирование; СМП - силы молекулярного
Рисунок 3 - Принципиальная модель функций логистического менеджмента
притяжения; СПЭ - свободная поверхностная энергия; РАЗР - эффекты разрушения частиц по дефектам макроструктуры; ОПИ - образование продуктов измельчения-диспергирования; С - образование плоскостей скольжения; ОУД - обеспечение упругих деформаций; ОПД - образование пластических деформаций; ТЭ - диссипация тепловой энер-
гии; АСОСВН - аккумулирование энергии в структурно-обусловленной системе внутренних напряжений локальных объемов среды; ПМ - перенос массы; ПЭ - перенос энергии; ПИ - перенос импульса; АТ - градиент температуры; Ау - градиент скорости; ЭМФВ -электрические, магнитные, вибрационные и другие фоны воздействия; СМ - эффект сме-
шения; ИЭНТ - изменение энтропии сплошной и дисперсной фаз; МЭ - эффекты меха-ноэмиссии; М - эффекты аморфизации и структурных преобразований; КЭ - кинетическая энергия при образовании осколков измельчения; ПФРЧ - плотности функций распределения частиц; ИМФС - изменение свойств межфазового состояния среды; ТР -формирование траектории движения среды; СТ - эффекты столкновения потоков; ТУР -образование турбулизации потоков; ФТПА -формирование топологии движения сред в объеме аппарата; ТРП - траектория переноса; ВО - время обработки среды; ККХП - качественные и количественные характеристики продукции; ФПТА - формирование поля температур в масштабе аппарата; ФМХ - изменение физико-механических характеристик среды (эффекты механо-физико-химической активации); Да - градиент скорости растворения.
Конструктивные особенности агрегата определяют связи 1, 2 - подвод внешней механической энергии (ПВМЭ) к (РО) и тепловые, электрические, магнитные и другие возмущения, вносимые с входящими параметрами для интенсификации или активизации процесса (ВхПА).
Подведенная внешняя механическая энергия к РО трансформируется в ходе рабочего процесса в другие виды [3]: кинетическую энергию движения рабочих органов (КЭДРО), обеспечивающую массоперенос в системе (МехП), диспергирование твердой фазы (ЭД) и обеспечение хода химических реакций - энергия активации (ЭА).
В качественном отношении энергетические затраты можно разделить на два потока:
- энергия, расходуемая на диспергирование (образование новых поверхностей). Этому служат первичные эффекты (ЭД и МехП) и их производные, обеспечивающие преодоление сил молекулярного притяжения (СМП), образования свободной поверхностной энергии (СПЭ), разрушение частиц мелкой фракции (РАЗР) и образование продуктов измельчения - диспергирования (ОПИ);
- энергия, потребляемая на обеспечение смешивания, - это, прежде всего, энергообеспечение упругих и пластических деформаций (ОУД) и (ОПД) по плоскостям раздела скольжения (С) и диссипация выделившейся при этом тепловой энергии (ТЭ), которая расходуется как на внутреннее и внешнее трение (МФХС), так и на аккумулирование в структурно-обусловленной системе внутренних
напряжений (АСОСВН). Явления АСОСВН характеризуются дефектами структуры твердой частицы, которые могут накапливаться в дислокациях и способствовать возникновению разрыва структурной решетки и образованию микротрещин [16]. В случаях непрерывного диспергирования процесс роста и размножения микротрещин является необратимым, а энергия деформации отождествляется с поверхностной энергией микротрещин.
При крупном измельчении размеры дефектов и микротрещин ничтожно малы по сравнению с размерами измельчаемых частиц и разрушение последних происходит по поверхностям с наибольшими напряжениями с последующим раскрытием дефектностей высшего порядка. В рамках тонкого и сверхтонкого измельчения (диспергирования), когда размеры дефектов соизмеримы с размерами частиц, их количество, при той же объемной плотности микротрещин, незначительно. Поэтому получение новых поверхностей идет с образованием дефектов структуры более высшего порядка и требующих более высоких разрушающих напряжений на уровне микроструктуры объекта.
Образованные в результате диспергирования продукты (ОПИ) подвергаются воздействию вторичного механизма переноса массы (ПМ), энергии (ПЭ) и импульса (ПИ) - (связи 19, 20) отдельных частиц и несущей фазы.
На параметры переноса массы, импульса и энергии влияют температурные ДТ и скоростные Д„ неравновесности. При этом влияние температурной неравновесности может служить интенсификации роста трещин и поддержанию эффектов термодинамического измельчения [1]. Эффективность чисто термического измельчения незначительна, поэтому эффект влияния ДТ следует рассматривать как облегчающий механическое разрушение, процессы изменения поровой влаги и являющийся природой диссипации тепловой энергии. Например, при температурных деформациях в покрытии автомобильной дороги [18]. Наличие температурной неравновесности между фазами изменяет кинетику процесса и способствует возбуждению химических проявлений в ультрадисперсных средах, таких технологий как порошковая металлургия, керамическая промышленность и др. [64]. Скоростные градиенты и пульсации Д„ являются следствием макродиффузии - эффекты (С) и служат обеспечению процесса смешивания (СМ - связь 24). Процесс смешивания представляется как случайный с вариациями, характеризующими среду набором
показателей смесеобразования, например, степенью сепарации (рисунок. 1). Эффекты ДТ и Д, обеспечивают перенос энергии (связь 22). Поток энергии ПЭ изменяет содержание энтропии сплошной и дисперсной фаз (МЭНТ), которая определяет состояние физических, термодинамических, механохимических и других характеристик среды, т.е. вязкости, плотности, температуры, механо-физико-химической активности и других МФХ. Такие характеристики как механоэмиссия и механо-активация - МЭ, МА - обуславливаются эффектами ЭА, вызывающими возникновение молекулярно-кинетических и других явлений на уровне кристаллической решетки вещества. Эффекты аморфизации и структурных преобразований (ЭАСП) и кинетической энергии осколков (КЭ) продуктов диспергирования - активации [4]. Поток массы дисперсных фаз из (КЭ) - связь 37 - формирует плотности функций распределения числа частиц в локальном объеме ПФРУЮ, изменяющих меха-но-физико-химические характеристики перерабатываемой системы, что оказывает обратное влияние на эффекты ДТ и Д„ и ОПИ. Это условие отображается обратной связью 38 и может быть проиллюстрировано графиком на рисунке 1 в [3], т.е. служит наращиванию темпов обратных измельчению.
В том случае, когда система содержит химически активный компонент, в ней происходят эффекты растворения и образования новых структур, характеризующиеся неравновесностью поверхностно активной составляющей Да Наличие флуктуаций Да способствует изменению эффектов пептизации, конденсации и растворения вещества, т.е. свойств его межфазного состояния (ИМФС).
Потоки импульса сил (ПИ) формируют траектории движения системы (ТР), т.е. линии тока (связь 41), возможность их столкновения (СТ) и последующее изменение потоков импульса и энергии в (ОС) - связи 43 и 44. Ограниченность геометрической формы корпуса аппарата способствует обеспечению турбулизации потоков (ТР) и приводит к формированию их топологии в масштабе общего объема ФТПА - связь 47. Изменение условий движения и характера гидродинамической структуры потоков ОС их траектории (ТРП) и времени обработки (ВО) влияет на количе-
ственные и качественные характеристики продукции (ККХП). Рассматривая процесс смешивания и диспергирования как необратимый и сложный механо-физико-химический следует учитывать, что эффективность макро- и микроэффектов зависит от формирования поля температур в масштабе аппарата (ФПТА), электрических, магнитных, вибрационных и других фонов (ЭМФВ), служащих для интенсификации процессов смешивания и диспергирования [5]. Каждый уровень структуры технологических процессов строительства может быть проанализирован по изложенной методике и описан соответствующей формой математической модели [3]. При этом конкретно протекающие процессы могут быть детализированы частной формой записи и рассмотрены как элементарные в условиях конкретно принятых ограничений. Например, чистое перемешивание, сухое измельчение материалов, уплотнение грунтов, активация многокомпонентных химически активных, либо инертных систем и т.п.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Веригин Ю.А. Теоретические исследования кинематики и динамики движения загрузки в быстроходной шаровой мельнице с энергообменным устройством / Ю.А. Веригин, А.В. Сартаков // Известия вузов. Строительство. - 2001. - № 7. - С. 8590.
2. Кафаров В.В. Системный анализ процессов химической технологии. Основы стратегии/ В.В. Кафаров, И.Н. Дорохов и др. - М.: Наука, 1976. - 508 с.
3. Веригин Ю.А., Веригина Я.Ю. Теоретические основы процессов измельчения вещества в технологии производства строительных материалов / Ползуновский вестник. - 2013. - № 4-1. - С. 51-54.
4. Молчанов В.И. Физико-химические свойства тонкодисперсных материалов / В.И. Молчанов, Т.С. Юсупов. - М.: Недра, 1981. - С. 100-112
5. Веригин Ю.А. Проблемы расчёта виброизмельчения тоодисперсных сред / Ю.А. Веригин, А.В. Сартаков // Известия вузов. Строительство. -2001. - № 7. - С. 112-115.
Веригин Ю.А. - д.т.н., профессор, Email: xvergin2005@mail.ru; Веригина Я.Ю. -старший преподаватель, x.yanina@mail.ru, Алтайский государственный технический университет.
