CC BY
0А.К. Халюшев, канд. техн. наук, доц., e-mail: khaljushev@mail.ru А.А. Чернильник, соискатель, инженер, e-mail: chernila_a@mail.ru Донской государственный технический университет Г.А. Воробьев, инженер, e-mail: grishawrx@ya.ru ООО «Южный метрологический центр» Ю.Н. Лухнева, магистрант, e-mail: yuliya.lukhneva.98@mail.ru В.А. Железняков, магистрант, e-mail: voonehan@mail.ru Донской государственный технический университет г. Ростов-на-Дону
УДК 691.327.333
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛОПАСТЕЙ АКТИВАТОРА НА ОДНОРОДНОСТЬ ПЕНОБЕТОНОННОЙ СМЕСИ И КОЭФФИЦИЕНТ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ ПРИВОДА СМЕСИТЕЛЯ
Для оценки степени влияния наклона лопастей активатора относительно плоскости перпендикулярной оси вращения активатора на однородность структуры пенобетонной смеси и мощность, расходуемую на перемешивание пенобетонной смеси, были проведены экспериментальные исследования. В эксперименте использовался смеситель цилиндрической формы с конической частью. Применялись лопастные активаторы с тремя плоскими лопастями. Анализ полученных данных по исследованию влияния угла наклона лопастей показывает, что однородность пенобетонной смеси снижается при увеличении угла наклона лопастей. Это связано с уменьшением скорости вращения смеси соответственно интенсивности перемешивания. С увеличением угла наклона лопастей мощность, расходуемая на перемешивание, уменьшается. Проведенные исследования показали, что степень воздухо-вовлечения, характер поровой структуры и физико-механические свойства пенобетона зависят от скорости вращения активатора турбулентного смесителя. Получены зависимости качества приготавливаемой пенобетонной смеси от геометрических параметров смесителя, вида и скорости вращения активатора, наличия и характеристик отражательных перегородок. Увеличение скорости вращения активатора от 650 до 1000 об./мин ведет к резкому снижению воздухововлечения пенобетонной смеси. Целесообразно применять скорость вращения активатора от 500 до 650 об./мин. Форма и тип активатора существенно влияют на энергоемкость процесса и качество приготавливаемого пенобетона. Смеситель с лопастным перфорированным активатором оказался наиболее эффективным. Определена степень влияния угла наклона лопастей активатора на удержание частиц вяжущего и заполнителя в объеме пенобетонной смеси в процессе перемешивания. Установлено, что целесообразный угол наклона лопастей составляет 450
Ключевые слова: активатор смесителя, наклон лопастей активатора, однородность пенобе-тонной смеси, потребляемая мощность, воздухововлечение пенобетонной смеси, скорость перемешивания.
A.K. Khalyushev, Cand. Sc. Engeneering, Assoc. Prof.
A.A. Chernil'nik, Applicant, engineer G.A. Vorob'ev, Engineer Yu.N. Lukhneva, Undergraduate V.A. Zheleznyakov, Undergraduate
THE INFLUENCE OF THE PARAMETERS OF THE ACTIVATOR BLADES
ON THE UNIFORMITY OF THE FOAMED CONCRETE MIXTURE AND THE CONSUMPTION COEFFICIENT OF THE DRIVE OF THE MIXER
Experimental studies have been carried out to assess the extent to which the tilt of the activator blades, relative to the plane perpendicular to the axis of rotation of the activator, affects the homogeneity of the structure of the foam concrete mixture and the power spent on mixing the foam concrete mixture. A mixer with a cylindrical shape and conical part was used in the experiment. Vane activators with three flat blades were
used. Analysis of the data obtained on the impact of the blades' inclination shows that the homogeneity of the foam concrete mixture decreases as the blades' inclination increases. This is due to a reduction in the speed of rotation of the mixture, corresponding to the stirring intensity. As the blade pitch increases, the power used for mixing decreases. Studies have shown that the degree of air inlet, the nature of the pore structure and the physical and mechanical properties offoam concrete depend on the speed of rotation of the activator of the turbulent mixer. The quality of the foam concrete mixture produced depends on the geometric parameters of the mixer, the type and speed of rotation of the activator, the presence and characteristics of reflective partitions. An increase in the activator rotation speed from 650 to 1000 rpm leads to a sharp decrease in air intake of the foam concrete mixture. It is advisable to apply an activator rotation speed of500 to 650 rpm. The shape and type of activator have a significant impact on the energy intensity of the process and the quality of the foam concrete mix produced. A mixer with a vane perforated activator proved to be the most efficient. The extent to which the angle of the activator blades influences the retention of binder and aggregate particles in the volume of the foam concrete mixture during the mixing process has been determined. It was determined that a reasonable blade angle is 450.
Key words: mixer activator, inclination of activator blades, homogeneity of foam concrete mixture, power consumption, air intake of foam concrete mixture, mixing speed.
Введение
Препятствующим фактором при формировании методики расчета смесителя служит недостаточная исследованность процессов, протекающих при перемешивании:
- максимально развитая межфазная поверхность для воздухововлечения за счет турбулентной диффузии;
- максимально вероятная частота смены межфазной поверхности;
- устойчивость пузырьков газовой фазы к разрушению;
- равномерное распределение пузырьков и других компонентов смеси по всему объему;
- минимальные энергетические затраты на процесс [1-7].
Для повышения однородности перемешиваемых жидкостей применялись различные модификации смесителей с меняющимися геометрическими параметрами. При этом основным результатом изменений параметров механизмов смесителя являлось именно качество перемешивания (однородность) жидкости и уменьшение энергозатрат [2, 3, 8, 9].
В работе [2] приводится классификация аппаратов для перемешивания жидких сред, их устройства, механизмы и параметры, влияющие на процесс перемешивания.
Авторы [3] рассматривают процессы, происходящие при перемешивании в жидких средах, конструкции перемешивающих органов, их модификации. Рассматриваются варианты расположения механизмов внутри сосудов, их размеров и количества и их влияние на конечный продукт и потребляемую мощность.
Исследование авторов работы [8] направлено на оптимизацию приготовления пенобетонной смеси в рамках одного способа его получения (сухая минерализация). Рассматриваются, в том числе, конструкции пенобетоносмесителей и варианты их конфигурации, улучшающие однородность перемешивания компонентов смеси.
В работе [9] сделан акцент на совершенствовании технологии перемешивания жидких гетерогенных сред за счет разработки конфигурации устройства для высокой эффективности работы и малой энергоемкости и создания методов расчета основных конструктивных и технологических параметров мешалки.
На сегодня в стройиндустрии применяются разнообразные модели смесителей. Объем смесителей варьируется от 10 дм3 до 5 м3. Известны устройства, делающие возможным перемешивание в бетонных сооружениях объемом несколько сотен тысяч кубических метров
[3, 8].
Задача определения роли перемешивания решается наиболее легко, когда проектируемый смеситель назначается для получения смеси с определенной степенью однородности состава. Например, технологическим назначением аппаратов-суспензаторов, обычно устанавливаемых в комплексе с фильтрами, служит суспензирование осадка
(поддержание частиц во взвешенном состоянии перед подачей пульпы на фильтры) путем смешивания частиц [3, 10].
Другим примером является усреднение раствора синтетического каучука, получаемого на нескольких одновременно работающих каскадах полимеризаторов, для уменьшения колебаний концентрации и молекулярно-массового распределения полимера. Действенность усреднения при заданных объеме и производительности аппарата обусловлена только интенсивностью перемешивания. Интенсификация перемешивания - значимый параметр, но не во всех случаях приводит к оптимизации процессов производства и практически постоянно характеризуется увеличением энергозатрат и стоимости оборудования. Именно поэтому выбору конструкции и расчету перемешивающего агрегата должно следовать уяснение роли и требований к интенсивности перемешивания в конкретном технологическом процессе [3, 11-13].
Недостаточная интенсивность перемешивания в основном способствует тому, что даже при необходимых средних значениях концентрации и температуры в смесителе их местные значения в различных областях реакционного объема выйдут за допустимые границы. Поэтому задача перемешивания наряду с интенсификацией массообмена заключается в обеспечении необходимой степени однородности полей концентраций и температуры в аппарате. Выбор условий перемешивания в этом случае выполняется с учетом двух требований:
- обеспечения нужного коэффициента массоотдачи от перемешиваемой среды;
- получения определенной степени равномерности распределения концентраций реагентов и температуры в аппарате [3, 4, 14].
После определения цели перемешивания делается выбор конструктивного типа аппарата и мешалки.
Заблаговременный выбор производственных моделей дает возможность оценить возможные пределы скорости операций, степени однородности поля концентраций и температуры и т. д. Задача пилотных экспериментов при данном подходе определяется в проверке возможности проведения изучаемого процесса в заранее определенном аппарате и в выяснении технологических параметров процесса и требований к перемешиваемой среде [3, 15].
Материалы и методы исследования
Для оценки степени влияния наклона лопастей активатора относительно плоскости перпендикулярной оси вращения активатора на однородность структуры пенобетонной смеси и мощность, затрачиваемую на перемешивание пенобетонной смеси, были проведены экспериментальные исследования. В эксперименте использовался смеситель цилиндрической формы с конической частью V = 250 л, скорость вращения активатора - 500 об./мин, лопастные активаторы с тремя плоскими лопастями. На всех аппаратах лопасти были смонтированы радиально и с наклоном под углами ал = 20, 30, 45, 50 и 60° относительно плоскости, перпендикулярной оси вращения мешалки (для прямых лопастей ал = 0°). Определение плотности и мощности проводились по методике, описанной в [16, 17].
Результаты исследования
Анализ полученных данных (рис. 1) по исследованию влияния угла наклона лопастей на коэффициент однородности Кодн показывает, что однородность пенобетонной смеси снижается при увеличении угла наклона лопастей. Это связано с уменьшением скорости вращения смеси соответственно интенсивности перемешивания.
Рассмотрим влияние угла наклона лопастей активатора ал на коэффициент однородности смеси.
С увеличением угла наклона лопастей мощность, расходуемая на перемешивание, уменьшается (рис. 2).
Кодн Ртт! Ртах 1
«
н о о к ч о а
ё
§ 5
Ь %
§5 ° «
я «
-е -е
г>
£
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4
0 78 5
0,69 3 0,643 ) 0,591 1
0,542 0 ),502
20 30 45
Угол наклона лопастей, °
50
60
Рисунок 1 - Влияние угла наклона лопастей на коэффициент однородности пенобетонной смеси
«
т с о н
3 о
К 2; е
В I I I ¡25
О ^ -е
т
о
1
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3
0 803,
0,69 3
О 3 1 0,60 4
1 0,46 1 0,52
1 0,3( 9
20 30 45
Угол наклона лопастей, °
50
60
Рисунок 2 - Влияние угла наклона ал на коэффициент потребляемой мощности, затрачиваемой на перемешивание пенобетонной смеси
Из представленных результатов (см. рис. 2) следует, что в том случае, когда лопатки наклонены под углом ал = 45° к плоскости вращения мешалки, коэффициент потребляемой мощности вдвое меньше в области турбулентного течения по сравнению с аналогичной мешалкой, имеющей лопатки с углом наклона ал = 0°. При этом влияние на однородность структуры пенобетонной смеси минимальное, что подтверждается результатами, представленными на рисунке 1.
Полученные экспериментальные данные по исследованию влияния угла наклона лопастей активатора на качество пенобетонной смеси и эффективность перемешивания показывают, что рациональный угол наклона лопастей находится в интервале 30.. .45°.
Известно, что коэффициент конструктивного качества (Ак) пенобетона в значительной степени зависит от качества поровой структуры материала [18-20]. Значение коэффициента Ак тем выше (при прочих равных условиях), чем мельче поры материала. Проведенные исследования показали, что степень воздухововлечения, характер поровой структуры и физико-механические свойства пенобетона зависят от скорости вращения активатора турбулентного смесителя (рис. 3).
Рассматривались мешалки с перфорированными и обычными лопастями (рис. 4) в качестве факторов для исследования влияния скорости перемешивания смеси на объем вовлекаемого при перемешивании воздуха. В случае использования при изготовлении мешалок, имеющих перфорацию лопастей, при возрастании скорости перемешивания смеси в диапазоне 250-650 об./мин происходит непрерывное увеличение объема воздухововлечения.
0
0
Рисунок 3 - Поровая структура пенобетона на пенообразователе «Пеностром». Смеси приготовлены в смесителе с конической частью и трехлопастным перфорированным активатором: а - при частоте, равной 250 об./мин; б - при частоте, равной 500 об./мин; в - при частоте, равной 650 об./мин.; г - при частоте, равной 800, 900, 1000 об./мин
Рисунок 4 - Перфорация трехлопастного активатора (составлено авторами)
После достижения вышеуказанного значения вовлечение воздуха снижается. Увеличение числа оборотов до значения 950 об./мин приводит к уменьшению объема вовлеченного в смесь воздуха. Рациональное значение скорости перемешивания смеси для обоих рассмотренных видов мешалок составляет от 500 до 700 об./мин (рис. 5).
Рассмотрим физический механизм процесса вовлечения в смесь воздуха. Над поверхностью смеси имеется некоторое пространство, из которого воздух и вовлекается за счет появления каверн при перемешивании. Величина объема воздухововлечения при малых скоростях имеет небольшое значение. Превышение же рационального значения скорости перемешивания приводит к разрыву пузырьков воздуха и его попадание на поверхность осуществляется более интенсивно, чем образование и дробление новых пузырьков. Таким образом, при необоснованном увеличении числа оборотов в минуту в процессе перемешивания происходит снижение объема воздухововлечения.
Рисунок 5 - Зависимость объема вовлеченного воздуха в пенобетонную смесь от количества оборотов активатора: 1 - активатор с перфорированными лопастями;
2 - активатор без перфорации лопастей
На рисунке 6 графически представлено влияние на величину объема вовлеченного в смесь воздуха длительности ее перемешивания. В процессе перемешивания скорость воздухо-насыщения смеси доходит до своего максимального значения. Впоследствии же становится возможным снижение объема вовлеченного воздуха после перехода через это значение.
В мешалке с перфорированными лопастями область перемешивания, или количество точек соприкосновения лопасти и смеси, растет. За счет этого объем вовлеченного воздуха увеличивается.
1 5 10 15 20 25
Время перемешивания 1, мин
Рисунок 6 - Влияние времени перемешивания на объем вовлекаемого воздуха в пенобетонную смесь: 1 - активатор с перфорированными лопастями; 2 - с лопастями без перфорации
Выводы
1. Получены зависимости качества приготавливаемой пенобетонной смеси от геометрических параметров смесителя, вида и скорости вращения активатора, наличия и характеристик отражательных перегородок.
2. Увеличение скорости вращения активатора от 650 до 1000 об./мин ведет к резкому снижению воздухововлечения пенобетонной смеси. Целесообразно применять скорость вращения активатора от 500 до 650 об./мин.
3. Форма и тип активатора существенно влияют на энергоемкость процесса и качество приготавливаемого пенобетона. Смеситель с лопастным перфорированным активатором оказался наиболее эффективным.
4. Определена степень влияния угла наклона лопастей активатора на удержание частиц вяжущего и заполнителя в объеме пенобетонной смеси в процессе перемешивания. Установлено, что целесообразный угол наклона лопастей составляет 45°.
Библиография
1. Лащинский А.Л., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры.
- Л.: Машиностроение, 1970. - 752 с.
2. Васильцов Э.А., Ушаков В.Г. Аппараты для перемешивания жидких сред. - Л.: Машиностроение, 1979. - 752 с.
3. Брагинский Л.Н., Бегачев В.И., Барабаш В.М. Перемешивание в жидких средах: Физические основы и инженерные методы расчета. - Л.: Химия, 1984. - 336 с.
4. Все о пенобетоне. Реквием. - URL: https://rushkolnik.ru/docs/index-23228545.html
5. Моргун Л.В., Моргун В.Н. Влияние дисперсного армирования на агрегативную устойчивость пенобетонных смесей // Строительные материалы. - 2003. - № 1. - С. 33-35.
6. ШаховаЛ.Д. Технология пенобетона. Теория и практика: монография. - М.: Изд-во АСВ, 2010.
- 248 с.
7. Портик А.А. Все о пенобетоне. - СПб., 2003. - 224 с.
8. 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.
9. Кожевников С.О. Разработка смесителя для перемешивания жидких и гетерогенных сред: дис. ... канд. техн. наук: 05.02.13. - Иваново: Изд-во ИГАСА, 2005. - 140 с.
10. Фадеева B.C. Формирование структуры пластичных паст строительных материалов при машинной переработке. - М.: Стройиздат, 1972. - 222 с.
11. Сахаров Г.П. Новая эффективная технология неавтоклавного поробетона // Строительные материалы, технологии, оборудование XXI века. - 2002. - № 6. - С. 28-29.
12. Перцев В.Т. Управление процессами раннего формирования структуры бетонов: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.23.05. - Воронеж: Изд-во ВГАСУ, 2002. - 41 с.
13. Столяров Ю.Ю. Технология и реологические свойства водных дисперсных систем: дис. ... канд. техн. наук: 05.17.01, 05.13.01 - М., 2005. - 116 с.
14. Кафаров В.В. Основы массопередачи. - М.: Высшая школа, 1972. - 496 с.
15. Кузнецов С.В. Влияние параметров процесса перемешивания на структурообразование и свойства пенобетонных смесей // Материалы междунар. науч.-практ. конф. «Проблемы и достижения строительного материаловедения». - Белгород: Изд-во БГТУ, 2005. - С. 44-45.
16. Шуйский А.И., Кузнецов С.В., Стельмах С.А. и др. О влиянии некоторых геометрических параметров пенобетоносмесителя на качество пенобетонной смеси и потребляемую мощность // Вестник ВСГУТУ. - 2020. - № 2 (77). - С. 51-58.
17. Шуйский А.И., Щербань Е.М., Стельмах С.А. и др. О влиянии режимов перемешивания на качество пенобетонной смеси // Вестник ВСГУТУ. - 2020. - № 3 (78). - С. 69-74.
18. Явруян Х.С., ХолоднякМ.Г., Шуйский А.И. и др. Влияние некоторых рецептурно-технологических факторов на свойства неавтоклавного газобетона // Инженерный вестник Дона. - 2015. - № 4.
19. Павлов А.Н., Гольцов Ю.И., Стельмах С.А. и др. Прочность пенобетона при воздействии переменного электрического поля // Научное обозрение. - 2015. - № 10-1. - С. 147-150.
20. Щербань Е.М., Ткаченко Г.А., Гольцов Ю.И. и др. О влиянии обработки пенобетонной смеси переменным электрическим полем на свойства пенобетона // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 1.
Bibliography
1. Lashchinskii A.L., Tolchinskii A.R. Fundamentals of the design and calculation of chemical equipment. - L.: Mechanical engineering, 1970. - 752 p.
2. Vasil'tsov E.A., Ushakov V.G. Apparatus for mixing liquid media. - L.: Mashinostroyenie, 1979. -
752 p.
3. Braginskii L.N., Begachev V.I., Barabash V.M. Mixing in liquid media: Physical foundations and engineering calculation methods. - L.: Chemistry, 1984. - 336 p.
4. All about foam concrete. Requiem. - https://rushkolnik.ru/docs/index-23228545.html
5. Morgun L.V., Morgun V.N. Influence of dispersed reinforcement on the aggregate stability of foam concrete mixtures // Construction materials. - 2003. - N 1. - P. 33-35.
6. Shakhova L.D. Foam concrete technology. Theory and practice: Monograph. - M.: Publishing house of the ACU, 2010. - 248 p.
7. PortikA.A. All about foam concrete. - SPb., 2003. - 224 p.
8. Rumyantsev B.M., Zudyaev E.A., Kritarasov D.S. Technology and equipment for the production of foam concrete by dry foam mineralization // Building materials, equipment, technologies of the XXI century. - 1999. - N 3-4. - P. 36-37.
9. Kozhevnikov S.O. Development of a mixer for mixing liquid and heterogeneous media: dis. ... cand. tech. sciences: 05.02.13. - Ivanovo: ISAACE, 2005. - 140 p.
10. FadeevaB.C. Formation of the structure of plastic pastes of building materials during machine processing. - M.: Stroyizdat, 1972. - 222 p.
11. Sakharov G.P. New effective technology of non-autoclave porous concrete // Building materials, technologies, equipment of the XXI century. - 2002. - N 6. - P. 28-29.
12. Pertsev V.T. Management of the processes of early formation of the structure of concrete: Diss. ... Dr. tech. Science: 05.23.05. - Voronezh: VGASU, 2002. - 41 p.
13. Stolyarov Yu.Yu. Technology and rheological properties of aqueous dispersed systems: Diss. ... Cand. tech. sciences: 05.17.01, 05.13.01. - M., 2005. - 116 p.
14. Kafarov V.V. Basics of Mass Transfer. - M.: Higher school, 1972. - 496 p.
15. Kuznetsov S.V. Influence of the mixing process parameters on the structure formation and properties of foam concrete mixtures // International scientific-practical conference "Problems and achievements of building materials science". - Belgorod, 2005. - P. 44-45.
16. Shuiskii A.I., Kuznetsov S.V., Stel'makh S.A. et al. On the influence of some geometrical parameters of the foam concrete mixer on the quality of the foam concrete mixture and the power consumption // Bulletin of ESSUTM. - 2020. - N 2 (77). - P. 51-58.
17. Shuiskii A.I., Shcherban'E.M., Stel'makh S.A. et al. On the influence of mixing modes on the quality of foam concrete mixture // Bulletin of ESSUTM. - 2020. - N 3 (78). - P. 69-74.
18. Yavruyan Kh.S., Kholodnyak M.G., Shuiskii A.I. et al. Influence of some recipe-technological factors on the properties of non-autoclave aerated concrete // Engineering Bulletin of the Don. - 2015. - N 4.
19. Pavlov A.N., Gol'tsov Yu.I., Stel'makh S.A. et al. Strength of foam concrete under the influence of an alternating electric field // Scientific review. - 2015. - N 10-1. - P. 147-150.
20. Shcherban'E.M., Tkachenko G.A., Gol'tsov Yu.I. et al. On the influence of processing a foam concrete mixture with an alternating electric field on the properties of foam concrete // Modern problems of science and education. - 2012. - N 1.
