Влияние параметров лопастей активатора на однородность пенобетононной смеси и коэффициент потребляемой мощности привода смесителя

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 α л = 20, 30, 45, 50 и 60° относительно плоскости, перпендикулярной оси вращения мешалки (для прямых лопастей α л = 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 К одн 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 α л на коэффициент однородности смеси.

С увеличением угла наклона лопастей мощность, расходуемая на перемешивание, уменьшается (рис. 2).

Рисунок 1 – Влияние угла наклона лопастей на коэффициент однородности пенобетонной смеси

Рисунок 2 – Влияние угла наклона α л 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 α л = 45° к плоскости вращения мешалки, коэффициент потребляемой мощности вдвое меньше в области турбулентного течения по сравнению с аналогичной мешалкой, имеющей лопатки с углом наклона α л = 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 А к 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.

б

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

г

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.

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°.