CC BY
2А.И. Шуйский, канд. техн. наук, доц., e-mail: [email protected] С.В. Кузнецов, инженер, e-mail: [email protected] С.А. Стельмах, канд. техн. наук, доц., e-mail: [email protected] Е.М. Щербань, канд. техн. наук, доц., e-mail: [email protected] Е.А. Торлина, ассистент, e-mail: [email protected] Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону
УДК 691.327.333
О ВЛИЯНИИ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АКТИВАТОРА НА КАЧЕСТВО ПРИГОТАВЛИВАЕМОЙ СМЕСИ И ПОТРЕБЛЯЕМУЮ МОЩНОСТЬ
Выбран приемлемый для перемешивания пенобетонной смеси тип активатора на основании значений вязкости смеси, возможности оперативного регулирования скоростного режима активатора в широком диапазоне и анализа конструктивных особенностей активатора. Проведены экспериментальные исследования влияния геометрических характеристик активатора на однородность и энергоэффективность перемешивания смеси. Определено рациональное количество лопастей принятого активатора, с точки зрения качества приготавливаемой смеси и технологии изготовления конструкции активатора. Установлено, что выбор соотношения диаметра смесителя к диаметру активатора должен выполняться с комплексным учетом потребляемой мощности и качества приготавливаемой смеси, определен оптимальный диапазон значений данного соотношения. Выявлено рациональное значение соотношения длины и ширины лопастей активатора, обеспечивающее максимальную однородность пенобетонной смеси при оптимальных значения коэффициента потребляемой мощности.
Ключевые слова: активатор, лопасть, пенобетонная смесь, однородность перемешивания, потребляемая мощность, коэффициент однородности, коэффициент мощности.
A.I. Shuisky, Cand. Sc. Engeneering, Assoc. Prof.
S.V. Kuznetsov, Engineer S.A. Stelmakh, Cand. Sc. Engeneering, Assoc. Prof.
E.M. Shcherban, Cand. Sc. Engeneering, Assoc. Prof.
E.A. Torlina, Assistant
ON THE INFLUENCE OF THE GEOMETRIC CHARACTERISTICS
OF THE ACTIVATOR ON THE QUALITY OF THE PREPARED MIXTURE
AND CONSUMED POWER
In the article, the authors selected an activator type acceptable for mixing a foam concrete mixture based on the viscosity values of the mixture, the possibility of operational control of the activator speed regime in a wide range, and analysis of the activator design features. Experimental studies of the influence of the geometric characteristics of the activator on the homogeneity and energy efficiency of mixing the mixture are carried out. The rational number of blades of the adopted activator is determinedfrom the point of view of the quality of the prepared mixture and the technology of manufacturing the design of the activator. It was established that the choice of the ratio of the diameter of the mixer to the diameter of the activator should be made with a comprehensive view of the power consumption and quality of the prepared mixture, the optimal range of values for this ratio was determined. The rational value of the ratio of the length and width of the blades of the activator is revealed, which ensures the maximum uniformity of the foam concrete mixture at the optimal values of the coefficient ofpower consumption.
Key words: activator, paddle, foam concrete mixture, mixing uniformity, consumed power, uniformity coefficient, power factor.
Введение
Для приготовления пенобетонной смеси использована одностадийная технология с использованием турбулентных смесителей. В качестве перемешивающего устройства рассмотрены турбулентные смесители. Более 50 % перемешивающих устройств, применяемых в промышленности, используются для перемешивания жидких сред, содержащих твердые частицы. Необходимым условием применимости смесителя служит обеспечение суспендирования частиц в объеме смешения. Рассматриваются особенности перемешивания только таких дисперсных систем «твердая фаза - жидкость», для которых характерны достаточно высокие скорости осаждения частиц и расслоение смеси, что применимо к пенобетонным смесям.
Основные технологические факторы, влияющие на параметры приготавливаемой смеси:
1) геометрические параметры смесителя:
- объем и форма смесителя;
- форма активатора;
- наличие внутренних устройств в смесителе (отражательные перегородки);
2) режим работы смесителя: скорость вращения активатора; время приготовления смеси.
В качестве контролируемых параметров пенобетонной смеси приняты:
1) плотность;
2) подвижность;
3) характер однородности поровой структуры.
Перед проведением экспериментального исследования необходимо было определить тип активатора смесителя для дальнейших экспериментов (рис. 1).
/л,Н - с / м 104 103
Вязкость
102
101
100
10-1
10-2
10-3
пропеллерные
лопастные
турбинные
Тип активатора
Рисунок 1 - Выбор типа активатора в зависимости от вязкости перемешиваемой среды
На основании результатов проведенного анализа [1, 2] основных типов перемешивающих устройств (пропеллерные, лопастные, турбинные) для приготовления пенобетонных смесей в турбулентном режиме установлено, что:
1) специфика приготовления пенобетонной смеси такова, что в процессе воздухововле-чения и поризации смесь изменяет свои реологические характеристики. Вязкость смеси меняется в широком диапазоне. Для таких смесей больше подходят лопастные активаторы, диапазон вязкости которых находится в пределах от 10-3 до 101'5;
2) для оперативного регулирования скоростного режима активатора наиболее приемлемым является лопастной активатор, способный работать при более широком диапазоне скоростей;
3) анализ конструктивных особенностей активаторов показывает, что процесс изготовления лопастных активаторов проще, технологичнее, быстрее и экономичнее.
Из приведенных данных следует, что лопастной тип перемешивающих устройств наиболее рационален для приготовления пенобетонных смесей плотностью от 250 до 1100 кг/м3.
Объекты и методы исследования. Результаты и их обсуждение
Анализировали влияние количества лопастей активатора на однородность смеси и мощность, потребляемую на перемешивание пенобетонной смеси.
Данный анализ показал, что влияние количества лопастей активатора (2) на степень однородности перемешиваемой пенобетонной смеси незначительно в том случае, если 2 > 3 шт. Это показывают проведенные замеры плотности смеси в пенобетоносмесителе после ее приготовления.
Замер плотности пенобетонной смеси в объеме смесителя производился путем отбора проб после приготовления смеси через установленные на корпусе смесителя сбросные краны по всей высоте с шагом 300 мм.
Результаты исследования приведены в таблице.
Таблица
Изменение коэффициента однородности пенобетонной смеси при изменении количества лопастей активатора и скорости вращения
№ п/п Количество Коэффициент однородности пенобетонной смеси одн Ртп /Ртах
лопастей, шт. Скорость вращения активатора, об./мин
200 500 800
1 2 0,51 0,58 0,62
2 3 0,62 0,95 0,97
3 4 0,63 0,95 0,98
4 5 0,64 0,95 0,96
5 6 0,64 0,96 0,95
6 7 0,65 0,95 0,91
8 8 0,64 0,94 0,89
Данные результаты позволяют сделать вывод, что увеличение количества лопастей с 2 до 3 значительно повышает качество приготавливаемой смеси. Дальнейшее увеличение количества лопастей не приводит к существенному повышению качества приготавливаемой смеси.
Таким образом, как с точки зрения качества приготавливаемой смеси, так и с точки зрения технологии изготовления конструкции активатора, рациональным количеством лопастей активатора является 2 = 3.
В литературе [3, 4] рассматривается влияние числа лопастей на мощность, расходуемую на перемешивание, для активаторов с прямыми лопастями. Эти исследования касались совместного влияния количества лопастей и их ширины. В результате исследований автор предложил для расчета мощности, расходуемой на перемешивание, следующую зависимость:
где b - ширина лопасти, d - диаметр активатора, постоянная К и показатель степени n в уравнении (1) зависят от числа лопастей:
К = 13,8, n = 1,23 для Z = 2;
К = 19,4, n = 1,15 для Z = 4;
К = 23,7, n = 1,09 для Z = 6.
Проведенные исследования показали, что с увеличением количества лопастей активатора возрастает мощность, расходуемая на перемешивание пенобетонной смеси. На рисунке 2 представлена зависимость коэффициента потребляемой мощности km от числа оборотов активатора Па и количества лопастей Z при da = const для активатора с прямыми лопастями. Исследования были выполнены для Z = 2...8 лопастей. Результаты эксперимента представлены на рисунке 2.
Характер полученных зависимостей показывает, что увеличение количества лопастей активатора и скорости его вращения приводит к росту мощности, потребляемой на перемешивание. Так, увеличение количества лопастей с 3 до 6 влечет за собой возрастание мощности приблизительно на 30 %. Полученные зависимости могут использоваться при проектировании активаторов турбулентных смесителей. Окончательное решение при выборе количества лопастей активатора должно приниматься с учетом данных рисунка 1 и экономической эффективности принимаемых конструктивных решений.
900 800 700 600 500
ю
0
к
ев
а
1 «
« 400
е
о а о ю О
300 200
Z=2 Z=3 Z=4 Z=5 -Z=6 Z=7 Z=8
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 Коэффициент мощности kN4
0,2 0,1
Рисунок 2 - Влияние количества лопастей на мощность, потребляемую активатором с прямыми лопастями при различных скоростях вращения
Далее исследовали влияние соотношения диаметра смесителя к диаметру активатора (параметра D/d) на однородность пенобетонной смеси и коэффициент потребляемой мощности.
Влияние изменения соотношения диаметра смесителя к диаметру активатора в диапазоне D/da = 1.. .7 на мощность, расходуемую на перемешивание, незначительно в случае отсутствия отражательных перегородок. Это влияние усиливается, если смеситель имеет отражательные перегородки. На основании проведенных исследований выбрано рациональное значение параметра JB/D=0,25. Для этого случая проведены экспериментальные исследования влияния параметра D/d на потребляемую смесителем мощность. При этом смеситель имел количество отражательных перегородок J = 4, шириной В = 0,06D. Результаты исследований представлены на рисунке 3.
1
1
и 0,9
т с о 0,8
н 3 1 0,7
ент мо : NN 0,6 0,5
иц = 5 § ф э о 0,4
0,3 0,2 0,1
График 2 График 1
1 2 4 6 8
Параметр D/d
Рисунок 3 - Зависимость коэффициента мощности kN5 от соотношения D/da. график 1 - смеситель без отражательных перегородок; график 2 - смеситель с отражательными перегородками J=4
Полученные зависимости показали, что увеличение параметра D/da (уменьшение диаметра активатора) снижает потребляемую мощность. Для оценки степени влияния D/da на качество пенобетонной смеси проведен эксперимент на лабораторном смесителе цилиндрической формы D = 150 мм с конической частью акон = 60°. В смесителе устанавливались отражательные перегородки шириной В = 0,06D. Результаты эксперимента представлены на рисунке 4.
Кодн -
и с е м с
и т с о
н
д
о р
о
н
д
о т н
е
и ц
и ф
ф
э о
PmJ Рг 1
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3
1
ikü,868
0,747
0,656
0,562
П
0,435
2 4 6
Параметр D/d
8
Рисунок 4 - Влияние параметра D/da на коэффициент однородности смеси
Данные, приведенные на рисунке 4, показывают, что увеличение соотношения D/da приводит к снижению однородности пенобетонной смеси. Приведенные результаты экспериментов по оценке степени влияния параметра D/da показали, что выбор соотношения диаметра смесителя к диаметру активатора должен выполняться с комплексным учетом потребляемой мощности кы5 и качества приготавливаемой смеси Кодн. Результаты исследований зависимости показывают, что рациональное значение параметра D/da = 4.. .6.
В каждом конкретном случае при выполнении расчета конструкции лопастного смесителя для турбулентного перемешивания рекомендуется пользоваться графиками, приведенными на рисунках 3, 4.
На следующем этапе проводили эксперименты по влиянию размеров лопастей на однородность смеси и коэффициент потребляемой мощности привода смесителя (параметра а/Ь).
Исследования влияния геометрических параметров смесителя на характеристики смеси и потребляемую мощность выявили необходимость учета геометрических параметров активатора. Такими параметрами, в частности, являются размеры лопастей (лопаток). Определяющими размерами являются длина а и ширина Ь, измеренные по проекции на плоскость, проходящую через ось вала мешалки и середину лопатки (рис. 5).
<Ла
*-
Рисунок 5 - Размеры лопаток
В работе [5] рассмотрены открытые турбинные мешалки с разным соотношением а/Ь в диапазоне 1/4, 1/2 при сохранении отношения длины а к ширине Ь лопатки, равного 1,25. С увеличением длины лопатки возрастает мощность, расходуемая на перемешивание смеси. Например, при увеличении длины лопаток от а/Ь = 0,25 до а/Ь = 0,4 происходит увеличение мощности примерно на 100 %.
Анализ представленной информации позволил выявить тот факт, что в работе [5] не учитывалось отдельно влияние параметра Ь, так как лопатки были расширены пропорционально увеличению их длины. Выдвинуто предположение, что именно влияние ширины лопатки было в данном случае решающим. Такое предположение дополнительно подтверждается результатами исследования [6]. Проведенные экспериментальные исследования показали, что как длина, так и ширина лопатки оказывают влияние на однородность пенобетонной смеси (рис. 6) и мощность, расходуемую на перемешивание (рис. 7).
При проведении эксперимента использовались смеситель цилиндрической формы с конической частью, трехлопастной активатор со съемными лопатками. Лопатки выбирались с соотношением а/Ь в пределах от 0,2 до 0,6. Скорость вращения активатора принималась постоянной - 500 об./мин [7-9].
В качестве перемешиваемой среды использовалась пенобетонная смесь со следующим расходом компонентов на 1 м3: цемент = 400 кг; песок = 200 кг; вода = 480 л; пенообразователь = 1 л [10, 11].
Результаты оценки влияния параметра а/Ь на коэффициент однородности представлены на рисунке 6.
Характер кривой изменения коэффициента однородности показывает, что максимальное значение Кодн обеспечивается при значениях а/Ь от 0,35 до 0,45. Это свидетельствует о том, что в указанном интервале а/Ь обеспечивается максимальная интенсивность перемешивания
смеси. Движение смеси переходит из ламинарного режима в турбулентный. Повышается скорость массообмена пенобетонной смеси в осевом направлении.
Код» ~
о о
Н @
В Б
Л g
•е- Э
m О О Рн
М 2
й О
Ршп/Р, 1
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 ОД
ГО9
го 71" .0 ■IM >
Ч> 58) ! Is", J /э п 1Т1
Г(1 11 кЦ;
сл о" 991
'0, 284 >
0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 Параметр а/Ь
Рисунок 6 - Влияние параметра a/b на коэффициент однородности смеси
Для оценки степени влияния параметра a/b на коэффициент кы построен график (рис. 7). Анализ результатов исследования показал, что увеличение значений параметра a/b приводит к росту потребляемой мощности. В интервале a/b от 0,35 до 0,45 наблюдается некоторая стабилизация кы.
1
0,9
I 0,8
и т с о н
3
I >ё
^ ^ 0,7
5 ^ 0 6
к I I 0,6
s J 0,5
ф
э о
0,4 0,3 0,2 0,1
0,8 32
0,7 78
'0, 685
0,5 61
0, 443 0, 506 0,5 38
1 0, 352
1 0, 247
0,2 0,25 0,3
0,35 0,4 0,45 Параметр a/b
0,5 0,55 0,6
Рисунок 7 - Влияние параметра а/Ь коэффициента потребляемой мощности на перемешивание пенобетонной смеси
Из приведенных данных следует, что рациональное значение параметра а/Ь, обеспечивающее максимальную однородность пенобетонной смеси при рациональных значениях кы, находится в интервале а/Ь = 0,35.. .0,45. В каждом конкретном случае при выполнении расчета конструкции активатора рекомендуется пользоваться графиками, приведенными на рисунах 6, 7.
Выводы
На основании результатов всего исследования можно сделать следующие выводы: 1. Для пенобетонных смесей плотностью 250-1100 кг/м3, оперативного регулирования скоростного режима наиболее приемлемым является лопастной активатор, способный работать при более широком диапазоне скоростей, нежели пропеллерный и турбинный, и являющийся более простым, технологичным и экономичным в эксплуатации.
2. Увеличение количества лопастей с 2 до 3 значительно повышает качество приготавливаемой смеси, дальнейшее же увеличение количества лопастей не приводит к существенному повышению качества смеси, следовательно, как с точки зрения качества приготавливаемой смеси, так и с точки зрения технологии изготовления конструкции активатора, рациональным количеством лопастей активатора является Z = 3.
3. Выбор соотношения диаметра смесителя к диаметру активатора должен выполняться с комплексным учетом потребляемой мощности и качества приготавливаемой смеси, установлено, что диапазон рациональных значений параметра Dd = 4.. .6.
4. Рациональное значение параметра a/b (соотношения длины и ширины лопасти), обеспечивающее максимальную однородность пенобетонной смеси при рациональных значениях коэффициента мощности, находится в интервале от 0,35 до 0,45.
Библиография
1. Сахаров Г.П. Новая эффективная технология неавтоклавного поробетона // Строительные материалы, технологии, оборудование XXI века. - 2002. - № 6. - С. 28-29.
2. Перцев В.Т. Управление процессами раннего формирования структуры бетонов: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. - Воронеж: Изд-во ВГАСУ, 2002. - 41 с.
3. НесветаевГ.В. Расчет состава ячеистых бетонов // Популярное бетоноведение. - 2004. - № 2. - С. 75-76.
4. Богатина А.Ю. Конструкционные фибропенобетоны для зданий гражданского типа: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Ростов н/Д.: Изд-во РГСУ, 2005. - 24 с.
5. Румянцев Б.М., Зудяев Е.А., Критарасов Д.С. Технология и оборудование для производства пенобетонов методом сухой минерализации пены // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 1999. - № 3-4. - С. 36-37.
6. Моргун Л.В. Моргун В.Н. Влияние дисперсного армирования на агрегативную устойчивость пенобетонных смесей // Строительные материалы. - 2003. - № 1. - С. 33-35.
7. Shuisky A., Stelmakh S., Shcherban E. et al. Recipe-technological aspects of improving the properties of nonautoclaved aerated concrete // MATEC Web of Conferences - 2017. - N 129, 05011.
8. Щербань Е.М., ГольцовЮ.И., Ткаченко Г.А. и др. Рецептурно-технологические факторы и их роль в формировании свойств пенобетонов, полученных из смесей, обработанных переменным электрическим полем // Инженерный вестник Дона. - 2012. - № 3.
9. Щербань Е.М., Стельмах С.А., Гольцов Ю.И. и др. Эффективность электрофизической активации пенобетонных смесей // Инженерный вестник Дона. - 2013. - № 4.
10. Кузнецов С.В. Влияние параметров процесса перемешивания на структурообразование и свойства пенобетонных смесей // Материалы междунар. науч.-практ. конф. «Проблемы и достижения строительного материаловедения». - 2005. - С. 44-45.
11. Шуйский А.И., Кузнецов С.В. Влияние положения активатора на потребляемую мощность пенобетоносмесителем турбулентного типа // Материалы междунар. науч.-практ. конф. «Строительство 2005». - Ростов н/Д., 2005. - С. 52-53.
Bibliography
1. Sakharov G.P. New effective technology for non-autoclaved aerated concrete // Building materials, technologies, equipment of the XXI century. - 2002. - N 6. - P. 28-29.
2. Pertsev V.T. Management of processes of early formation of concrete structure: Extended abstract of Doct. Diss (Engineering). - Voronezh: VSTU, 2002. - 41 p.
3. Nesvetaev G.V. Calculation of the composition of cellular concrete // Popular Concrete Science. -2004. - N 2. - P. 75-76.
4. Bogatina A.Yu. Structural fiber-reinforced concrete for civil type buildings: Extended abstract of PhD diss. (Engineering). - Rostov on/D.: Rostov State University of Civil Engineering, 2005. - 24 p.
5. Rumyantsev B.M., Zudyaev E.A., Kritarasov D.S. Technology and equipment for the production of foam concrete by the method of dry mineralization of foam // Building materials, equipment, technologies of the XXI century - 1999. - N 3-4. - P. 36-37.
6. Morgun L.V. Morgun V.N. The effect of dispersed reinforcement on the aggregate stability of foam concrete mixtures // Building Materials. - 2003. - N 1. - P. 33-35.
7. Shuisky A., Stelmakh S., Shcherban E. et al. Recipe-technological aspects of improving the properties of nonautoclaved aerated concrete // MATEC Web of Conferences - 2017. - N 129, 05011.
8. Shcherban E.M., Goltsov Yu.I., Tkachenko G.A. et al. Prescription and technological factors and their role in the formation of the properties of foam concrete obtained from mixtures treated with an alternating electric field // Engineering Bulletin of the Don. - 2012. - N 3.
9. Shcherban E.M., Stelmakh S.A., Goltsov Yu.I. et al. The effectiveness of the electrophysical activation of foam concrete mixtures // Engineering Bulletin of the Don. - 2013. - N 4.
10. Kuznetsov S.V. The influence of the parameters of the mixing process on the structure formation and properties of foam concrete mixtures // International scientific-practical conference "Problems and achievements of building materials science". - 2005. - P. 44-45.
11. Shuisky A.I., Kuznetsov S.V. The effect of the activator position on the power consumption by a turbulent foam concrete mixer // Materials of the Intern. Scientific-practical conf. "Construction 2005". - Rostov n/D., 2005. - P. 52-53.
