CC BY
13МЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И МАШИНОСТРОЕНИЕ
Горшков П. С., аспирант Несмеянов Н. П., канд. техн. наук, доц., Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова
НОВЫЕ СПОСОБЫ КОМПЛЕКСНОГО СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗАТРАТ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ СУХИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ ЦЕМЕНТНЫХ СМЕСЕЙ
В статье предложен новый способ стабилизации качества сухих цементных смесей на основе эксергетического анализа и механического способа перемешивания.
Представлено описание принципа действия спирально-лопастного смесителя с разработанной новой конструкцией смесительного барабана.
Дано краткое описание разработанной эксергетической характеристике качества порошка цемента.
Ключевые слова: сухая строительная смесь, смеситель, эксергетическая характеристика, энергетические затраты._
В общей классификации сухих строительных смесей (ССС) цементные смеси являются наиболее распространенными и имеют свою широкую область применения. Понятно, что качество таких смесей в определяющей степени зависит от вида и свойств используемых цементов. Но здесь следует отметить, что даже если вид цемента для конкретной смеси определен, задача достижения максимального качества этой смеси и его стабилизации все равно продолжает оставаться до конца не решенной.
Однородность материала, является основой требуемого качества современных строительных смесей. От того, насколько равномерно отдельные компоненты будут распределены в основном объеме смеси, напрямую зависят эксплуатационные характеристики получаемого продукта. Даже небольшое отклонение содержания малых добавок, вызванное плохим их распределением, может негативно сказаться как на физико-механических, так и на технико-эксплуатационных свойствах строительных материалов.
Основным узлом в технологической цепочке получения сухих строительных смесей является смеситель. С учетом этого на кафедре МО БГТУ имени В.Г. Шухова разработана новая конструкция смесительного барабана [1,2], которая позволит увеличить степень однородности (гомогенизации) готового продукта и сократит время перемешивания сыпучих материалов. Это происходит за счет перемещения исходных ком-
понентов цементной смеси как горизонтальном, так и в вертикальном направлениях внутри барабана смесителя, создавая вихревые потоки и множественные траектории движения материалов.
Поставленная цель достигается за счет того, что спирально-лопастной смеситель для перемешивания сыпучих материалов снабжен трехзаходным винтовым шнеком, закрепленным на внутренней поверхности смесительного барабана (рис. 1) и имеющим разрывы в плоскостях вращения лопастей вала. Оси барабана смесителя и лопастного вала расположены под углом к горизонту. Лопасти, расположенные в верхнем ряду вала, имеют обратный угол установки относительно лопастей нижних рядов.
Трехзаходый винтовой шнек с углом подъема, зависящим от свойств смешиваемых компонентов, поднимает смесь с нижней части смесительного барабана в верхнюю часть. При этом разрывы, имеющиеся в нем, создают турбулентные потоки смеси. Лопасти, расположенные в верхнем ряду вала и имеющие обратный угол установки относительно лопастей нижних рядов, срезают смесь на выходе из шнека и направляют вниз, создавая тем самым встречное вертикальное направление движения смеси. Наклоненный смесительный барабан подает смешиваемые компоненты в зону вращения вала, создавая встречные потоки в горизонтальном направлении. Смещение оси вала относительно оси барабана увеличивает интенсивность воз-
действие лопастей на смешиваемые компоненты, что позволит увеличить скорость движения перемешиваемых компонентов.
Рис. 1. Смесительный барабан спирально-лопастного противоточного смесителя
Все это позволит сократить время смешивания и снизить энергетические и финансовые затраты при производстве сухих строительных смесей.
Кроме этого для достижения оптимальных условий формирования максимального качества смеси и снижении энергетических затрат при ее получении разработан принципиально новый способ формирования этого качества [3], заключающийся в стабилизации эксергии используемого цемента, приводящей к Д(А28)т;п., Д(Е цем)т1гь Д(Ессс)тт. Задача решается здесь путем применения в составе смеси адресного цемента и текущего контроля эксергетических характеристик используемого цемента на выходе мельницы и перед подачей его в смеситель.
Методическую основу нового способа стабилизации качества составляет комплексная математическая модель (1-12), описывающая эк-сергетическое превращение потоков и условия достижения ЕСССтах. Термин «комплексная математическая модель» означает, что отдельные ее составляющие могут использоваться как самостоятельно, так и в совокупности, в зависимости от цели и конкретных задач при анализе процессов технологии получения цемента или смесей.
Ецем [Екл+Е(РЧЭ)] ^ Ецем.тах (1)
Ецем/^ср ^ (Ецем/^ср)тах (2)
Д(Е цем ) ^ Д(Е цем/min (3)
Д(А)=ОД(Ецем)НД(А)тт; А28Т=:Г(ЕцемЯр)Т (4) Е(ССС)=аЕцем+ЬЕзап+сЕнап+ЙЕдоб (5) Д(Ессс)=аД(Ецем)+ЬД(Езап)+сД(Енап)+аД(Едоб) (6)
ЕССС+Епот Ецем+Езап+Енап+Едоб+Еподв (7)
1. Свойства порошка сухой смеси - уравнение (5).
2. Свойства растворной смеси
Ер.с =0,84Ессс+0,16Еводы (8)
3. Свойства затвердевшей растворной смеси
Ез.р.с. Ер.с.+Еусл.прим
(9)
Еводы f('W; Твозд; Тводы), Еусл.пр. f(^^OKp.Cp; Токр.ср.; Р; и т.П.)
ЕССС^ЕССС max=f(E^M. max) (10)
Ессс/dcp^ (Ессс/dcp) max ^Ецем/dcp)max (11)
Д(ЕсСС) ^Д(ЕcСc)min=f[Д(Eцем)min] (12)
Предложенная новая энергетическая характеристика (уравнения 1-4) качества порошка цемента, а именно - эксергия цемента Ецем, его концентрация Ецем/ёср и дисперсия «Д», количественно характеризуют качество каждой конкретной партии цемента. Критерии (1-4) являются здесь определяющими при разработке технического задания на выпуск заказного цемента, входящего в состав сухих строительных смесей (ССС) на основе цемента.
Стабилизация качества смеси осуществляется следующим образом. Постоянно в течение времени подготовки исходной смеси отбирают пробы поступающих в смеситель двух потоков (основного и управляющего) цементов и других компонентов смеси, определяют их эксергетиче-ские характеристики (1 -4) и сравнивают с заданными значениями эксергетических характеристик различных цементов. При их отклонениях рассчитывают время перемешивания, количество поступающих Ц(3)1 и Ц(3)2 и при крайней необходимости - соотношение цемента с песком. Принципиально новым в этой части исследований является использование эксергетиче-
ского анализа (ЭА) при текущем контроле цемента, других компонентов и полученной смеси.
Таким образом, предложен принципиально новый способ стабилизации качества цементных смесей, который гарантированно обеспечивает максимальные значения ЕСССтах. Это стало возможным благодаря использованию:
- нового энергетического критерия качества цемента, а именно эксергия цемента Ецем, его концентрация Ецем/^р и дисперсия Д(Ецем), которые количественно характеризуют качество каждой отобранной пробы цемента;
- в составе смеси специально ориентированного одного адресного цемента, эквивалентного по свойствам исходным, и полученного на цемзаводе по техническому требованию изготовителя смесей;
- новой технологии измельчения цемента в мельницах дискретно-непрерывного действия, включающей циклический способ подачи двух клинкерных потоков и оперативное регулирование процесса по измеренным критериям Ецем/ёср и Д(Ецем), задаваемыми изготовителем смесей;
- раздельной подачи в смеситель двух адресных цементных потоков (основного и управляющего) и текущего контроля их эксергетиче-ских характеристик Ецем/^р и Д(Ецем);
- комплексной математической модели процессов измельчения и смешения и расчету на ее основе времени перемешивания и доли цементов в смеси.
Таким образом, впервые представлена возможность реализовать технологическую обратную связь между готовым изделием потребителя
(ССС) и входящим в его состав основным компонентом - цементом изготовителя. При этом достигаются минимальные энергозатраты и максимальное качество смеси, а так же исключает вероятность получения «некачественных» смесей по вине цемента.
Сочетание эксергетического анализа цемента и механического способа перемешивания позволит получать строительную смесь с высокими потребительскими качествами при одновременном снижении затрат электроэнергии на получение готовой продукции.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Несмеянов, Н.П. Стабилизация качества сухих строительных смесей на основе пневмомеханического способа перемешивания / Н.П. Несмеянов, П.С. Горшков // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2009. - №4. - С. 51.
2. Несмеянов, Н.П. Спирально-лопастной противоточный смеситель для производства сухих строительных смесей / В.П. Воронов, Н.П. Несмеянов, П.С. Горшков // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2012. - №1. - С. 66-69.
3. Системный и эксергетический анализ процессов в стройиндустрии. Современные пути решения проблем цементных заводов: сборник трудов отечественных ученых об эффективности различных способов производства цемента / Гл. ред. М.А. Вердиян. - М.: МАСИ; Белгород: Изд-во БГТУ, 2007. - 384 с.
