сотрудник с 01.01.2016 по настоящее время
Воскресенск, г. Москва и Московская область, Россия
Белгородская область, Россия
студент с 01.01.2018 по настоящее время
С. Тимоново, Белгородская область, Россия
Пгт. Разумное, Белгородская область, Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 55.53 Строительное и дорожное машиностроение
ОКСО 15.04.02 Технологические машины и оборудование
ББК 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
ТБК 50 Технические науки в целом
BISAC TEC046000 Machinery
Качество перемешивания сухих строительных смесей во многом зависит от специализированной техники, которая используется при данном процессе. Для наилучшего смешения сухих строительных смесей используются пневмосмесители непрерывного действия. Пневмосмесители непрерывного действия являются наиболее эффективным оборудованием для получения сухих строительных смесей с более высокой степенью однородности. Именно этот показатель позволяет получить более качественный конечный продукт. В настоящее время существует большое количество пневмосмесителей непрерывного действия, которые активно модернизируются как в нашей стране, так и за рубежом. В статье представлена методика, которая описывает механику взвешенного слоя с полидисперсными частицами в рабочем объеме палитры смещения пневмосмесителя непрерывного действия. Данная методика получена на основании исследований, которые проводились авторами статьи с учетом экспериментальных данных, которые были получены другими учеными. В данном материале обобщен подход к численному моделированию взвешенного слоя с частицами различной дисперсности (на примере для сухих строительных смесей) и плотности. Так же были установлены зависимости границы слоя, его порозности, и скоростных параметров от диаметров частиц, геометрических параметров камеры смешения и иных технологических величин, которые влияют на взвешенный слой внутри камеры. В тексте статьи представлен алгоритм расчета механики взвешенного слоя, который зарекомендовал себя при численном моделировании слоя высокими показателями точности расчетов, что в дальнейшем подтвердилось необходимым количеством экспериментальных данных.
камера смешения, поток, частица, параметр торможения, циркуляция, тангенциальная скорость, порозность слоя
Введение. Вопросы эффективного перемешивания компонентов различной дисперсности ставятся в различных отраслях промышленности. Решение этих вопросов всегда неоднозначно и нетривиально. Это связанно с тем, что в условиях действующих предприятий по выпуску сухих строительных смесей, порошковых красок, пигментов, извести и др. в промышленности строительных материалов широко используются различного типа смесители: лопастные, роторные, планетарные, гравитационные и другие. Однако наряду с высокой надежностью этих агрегатов они имеют и ряд недостатков: высокая металлоемкость, высокие показатели износа рабочих органов, сравнительно невысокие показатели однородности готового продукта.
Коллективом авторов разработаны конструкции пневмосмесителей непрерывного действия [1, 2, 3], которые отвечают современным требованиям, предъявляемым к технологическому оборудованию для гомогенизации полидисперсных компонентов: низкая металлоемкость конструкции (за счет изготовления корпуса смесительного агрегата из мягкого полиуретана); отсутствие в готовом продукте металлических включений; высокая производительность и коэффициент однородности смеси.
За последние годы как у нас в стране [4, 5] так и за рубежом [6, 7] эффективно используются агрегаты с пневматическим принципом перемешивания порошкообразных масс: вертикального исполнения, горизонтального типа, с псевдоожижением слоя компонентов смеси и др. В этом особое место занимают пневмосмесители горизонтального типа непрерывного действия с камерой смешения переменного поперечного сечения. Для использования пневмосмесителей при производстве сухих строительных смесей различной дисперсности, в конструкции которых присутствует камера в виде параболического корпуса, очень важно уделить внимание динамике полидисперсного потока [8]. В виду сложности всех динамических моделей на различных этапах движения компонентов в пневмосмесителе необходимо поддерживать полидисперсный поток во взвешенном состоянии. Именно поэтому очень важно определить характер поведения частиц различного диаметра в рабочем объеме пневмосмесителя. Для этого необходимо описать механику взвешенного слоя в камере смешения с целью управления эффективными режимами эксплуатации пневмосмесителя [9].
Основная часть. Условия механики взвешенного слоя сформулируем так: если критический диаметр частицы 
больше максимального 
для имеющихся в слое частиц, то все частицы будут взвешены [10]. В этом случае аргумент функции распределения частиц 
и 
поэтому из (13) параметр 
, т.е. полностью взвешенный слой не будет тормозить поток о криволинейную поверхность камеры. С уменьшением такого торможения возрастает значение торможения потока с частицами о торцевые днища камеры. Этот вид торможения играет более существенную роль для мелких частиц, взвешенных в газообразном объеме, в камере с параболическими коническими стенками [11]. В соответствии с [12] для полностью взвешенного слоя будем учитывать торможение потока о торцевые поверхности. Рассматривается однородный взвешенный слой цилиндрической формы длиной 
, наружным радиусом 
и внутренним 
[13]. Если 
- масса частиц в слое, то доля объема, занятая средой, т.е. порозность слоя 
, будет:
, (1)
где 
– объем слоя; 
– объем занимаемый средой; 
– объем всех частиц. Тогда среднюю плотность слоя можно записать так:
(2)
Рассмотрим взаимодействие кольцевого взвешенного слоя радиусом 
и шириной 
с торцевыми стенками камеры смешения. Сила воздействия двухфазного потока на единицу площади торцевой поверхности определяется скоростным напором 
, где 
– коэффициент трения потока о стенку [14]. Тогда момент сил взаимодействия кольцевого слоя на две торцевые стенки камеры равен:
, (3)
где 
– циркуляция потока, проходящего через слой; 
– тангенциальная скорость среды и частиц слоя [15].
Этот момент сил приводит к уменьшению потока момента количества движения среды
, проходящей через слой 
:
(4)
Исключая 
из (3) и (4), получаем уравнение
,
после интегрирования которого при граничном условии
на наружном радиусе слоя имеем [16]:
(5)
Так как наружный радиус слоя может быть меньше 
, то в области
циркуляция будет постоянна [17]. Поэтому можно записать
, (6)
Отсюда
(7)
где 
– тангенциальная скорость на периферии ненагруженной камеры смещения.
Выведенные соотношения зависят от коэффициента трения 
. В [11] результате сопоставления расчетов с экспериментом получено
, а [8] для псевдоожиженного слоя по аналогии с дисперсно-кольцевым потоком в трубах предлагается 
. Такого порядка значения для коэффициента сопротивления следуют из формулы Прандтля [8]
(8)
при 
, которая обобщает эксперименты по сопротивлению гладкой пластины. Для камеры смешения 
.
Методика исследований. Последовательность действий для расчёта взвешенного слоя в камере смешения пневмосмесителя:
1. Исходными данными является геометрия камеры смешения, массовый расход полидисперсной воздушной среды, её свойства, свойства частиц и масса слоя М.
2. Определяется максимальный и минимальный диаметр частиц. При известном нормально-логарифмическом распределении эти диаметры рассчитываются с 5%-ной обеспеченностью. Тогда согласно [18]:
(9)
где 
– аргумент функции распределения ; σ-дисперсия; d-диаметр частицы; 
медианный диаметр частицы; и с учётом того, что 
, получаем
(10)
(11)
3. По экспериментальной зависимости в [19]
(12)
где s – параметр торможения потока зондом или слоем частиц; М – средняя масса слоя в смесительной камере; Р – порозность слоя; D – функция распределения от 
; 
коэффициент трения частиц о поверхность камеры;
определяем параметр торможения S. Если S
1, это свидетельствует, что частицы не соприкасаются с поверхностью камеры.
Таблица 1
Входные данные
|
Наименование параметра |
Обозначение |
Величина |
|
Массовый расход газа |
|
.24000E-01(кг/с) |
|
Радиус камеры |
|
.80000Е-01(м) |
|
Радиус выходного отверстия |
|
.27500Е-01(м) |
|
Длина камеры |
|
.20000Е+00(м) |
|
Площадь щелей завихрителя |
|
.36000Е-03(м**2/с) |
|
Угол наклона |
|
.60000Е+02(град) |
|
Вид завихрителя |
|
1 |
|
Кинематическая вязкость |
ν |
.15000Е-04(м**2/с) |
|
Плотность среды |
|
.12600Е+01(кг/м**3) |
|
Плотность частиц |
|
.23200Е+04(кг/м**3) |
|
Медианный диаметр частиц |
|
.10000Е-04(м) |
|
Мин. диаметр частиц |
|
.96272Е-05(м) |
|
Макс. диаметр частиц |
|
.10387Е-04(м) |
|
Логарифм дисперсии распр. |
σ |
.10000Е-01 |
|
Коэф. Отставания частицы |
β |
.10000Е+01 |
|
Масса слоя |
M |
.14600Е+00(кг) |
|
Структура слоя для частиц с |
KOD3 |
1 |
|
Относительная точность |
EPS |
.10000Е-01 |
Таблица 2
Результаты расчетов
|
Наименование параметра |
Обозначение |
Величина |
|
Скорость у стенки камеры |
|
.67976Е+01(м/с) |
|
Средняяпорозность слоя |
ε |
.97354Е+00 |
|
Возможные параметры слоя при А=.45926Е+01 |
||
|
Диаметр частицы на R1 |
|
.95721Е-05(м) |
|
Тангенциальная скорость |
|
.49266Е+01(м/с) |
|
Минимальная танг. скорость |
|
.39925Е+01(м/с) |
|
Радиус |
|
.48710Е-01(м) |
|
Диаметр частицы на |
|
.11812Е-04(м) |
|
Диаметр частицы на |
|
.69374Е-05(м) |
|
Параметры на внутреннем радиусе слоя |
||
|
Диаметр частицы |
|
.96272Е-05(м) |
|
Внутренний радиус слоя |
|
.27762Е-01(м) |
|
Тангенциальная скорость |
|
.48984Е+01(м/с) |
|
Параметры для средней частицы D50 |
||
|
Диаметр D50 |
|
.10000Е-04(м) |
|
На внутренней ветви |
||
|
Радиус траектории |
|
.29633Е-01(м) |
|
Тангенциальная скорость |
|
.47158Е+01(м/с) |
|
На наружной ветви |
||
|
Радиус траектории |
|
.67786Е-01(м) |
|
Тангенциальная скорость |
|
.47158Е+01(м/с) |
|
Параметры на внутреннем радиусе слоя |
||
|
Диаметр |
|
.10387Е-04(м) |
|
Наружный радиус слоя |
|
.65626Е-01(м) |
|
Тангенциальная скорость |
|
.45401Е+01(м/с) |
4. Задаются границы слоя 
и 
(где -начальный радиус камеры, 
-радиус выходного отверстия)
5. По (1) и (2) рассчитывается плотность слоя 
6. По (10) определяется коэффициент трения потока о поверхность .
7. Необходимая тангенциальная скорость частиц в слое на определённом радиусе находится из условия 
(где 
– коэффициент сепарации), из которого из стоксовских частиц получаем:
(13)
здесь v – климатическая вязкость; L – длина камеры; D – диаметр частицы [20].
Как видно, скорость зависит от диаметра частицы и явно не зависит от радиуса
8. Согласно (9) определяется циркуляция 
на периферии слоя
9. Из (5) определяется радиус 
на котором частицы имеют скорость :
(14)
где
(15)
(16)
Здесь 
– тангенсальная скорость слоя на поверхности камеры; 
среднее значение тангенсальной скорости частиц в камере; А – геометрический коэффициент потока со взвешенными частицами; 
– циркуляция слоя в камере. 
– среднее значение начального радиуса камеры.
10. Для
и по (13) и (14) определяются радиусы орбит этих частиц 
11.Задаются новые границы слоя 
, и расчёт повторяется с п.4. Расчёты проводятся до совпадения результатов с необходимой точностью. В итоге данная методика расчёта взвешенного слоя в камере пневмосмесителей позволяет определить границы слоя, его порозность и скоростные параметры его вращения. По данной методике получены расчётные данные о механике взвешенного слоя, которые представлены в таблице 2. Исходные данные для расчёта показаны в таблице 1.
Выводы. В данной статье была разработана методика расчета механики взвешенного слоя, преимуществом которой являются более точные показатели расчетов, что подтверждается экспериментальными данными. Так же были получены зависимости скоростных параметров частиц от параметров камеры смешения и размеров самих частиц.
1. Пат. 102533, Российская федерация, МПК B01 F5/00. Пневмосмеситель непрерывного действия для производства сухих строительных смесей / В.А Уваров, Т.Н. Орехова, С.И. Гордиенко, А.Е Качаев; заявитель и патентообладатель: БГТУ им. В.Г Шухова. № 20101140830; заявл. 05.10.2010; опубл. 10.03.2011, Бюл. №7.
2. Пат. 141488, Российская Федерация, МПК B01 F5/00. Противоточный пневмосмеситель для производства дисперсно-армированных смесей / В.А Уваров, Т.Н. Орехова, С.В. Клюев, А.Е Качаев; заявитель и патентообладатель: БГТУ им. В.Г Шухова. №2013159013; заявл. 30.12.2013; опубл. 10.06.2014, Бюл.№16.
3. Пат. 115682, Российская Федерация, МПК B01 F5/00. Пневмосмеситель многокомпонентных сухих строительных смесей / В.А Уваров, Т.Н. Орехова, С.И. Гордеев, А.Е Качаев; заявитель и патентообладатель: БГТУ им. В.Г Шухова. №2011151913; заявл. 19.12.2011; опубл. 10.05.2012, Бюл.№13.
4. Корнеев В.И. Сухие строительные смеси (состав, свойства). М.: РИФ «Стройматериалы», 2010. 320 с.
5. Банит Ф.Г. Эксплуатация, ремонт и монтаж оборудования промышленности строительных материалов. М.: Стройиздат, 1991. 368 с.
6. Arratia P.E., Muzzio F.J., Godbole P., Reynolds S. A study of the mixing and segregation mechanisms in the Bohle Tote blender via DEM simulations // Powder Technology. 2006. No. 164. Pp. 50-57.
7. Berthiaux H., Mizonov V. Applications of Markov Chains in Particulate Process Engineering: A Review // The Canadian Journal of Chemical Engineering. 2004. No. 6. Pp. 1143-1168.
8. Воляков Э.П., Кардаш А.П. Гидродинамика вихревой гиперболической камеры при наличии твёрдой фазы // Изв.СО РАН СССР. Сер.техн. наук. 1984. № 10. С. 90-98.
9. Anderson L.A., Hasinger, S.H., Turman, B.N. Two-component vortex flow studiess of the colloid core nuclear rocket //J. Spacecrafit and rock. 1972. No. 5. Pp. 311-317.
10. Смульский И.И. Аэродинамика и процессы в вихревых камерах. М.: Новосибирск: ВО "Наука". Сибирская издательская фирма, 1992. 301 с.
11. Uvarov V.A. The counterflow mixer for receiving the disperse reinforced composines // Research Jornal of Applied Scieneces. 2014. No. 12. Pp. 1211-1215.
12. Романович А.А., Орехова Т.Н., Мещеряков С.А., Прокопенко В.С. Технология получения минеральных добавок // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. 2015. № 5. С. 188-192.
13. Орехова Т.Н., Уваров В.А. Определение скорости частиц материала пневмосмесителя сухих строительных смесей // Фундаментальные исследования. 2013. № 4. С. 592-596.
14. Уваров В.А., Орехова Т.Н. Анализ конструкций пневмосмесителей для производства сухих строительных смесей // Интерстроймех. 2010. № 7. С. 91-96.
15. Орехова Т.Н., Агарков А.М., Голубятников А.А. Направления конструктивно-технологического совершенствования пневмосмесителей для производства строительных материалов // Научный альманах. 2015. №3. С. 124-127.
16. Orekhova T.N., Krasnov V.V., Demushkin N.P. Pneumatic Mixer for the production of dispersed-reinforced mixtures // News of Science and Education. 2018. No. 4. Pp. 24-27.
17. Orekhova T.N., Krasnov V.V., Demushkin N.P. Pneumatic vertical mixer // News of Science and Education. 2018. No. 4. Pp. 21-23.
18. Orekhova T.N., Krasnov V.V., Demushkin N.P. Trends in the development of modern technology and technologies for mixing bulk materials // News of Science and Education. 2018. No. 4. Pp. 17-20.
19. Orekhova T.N., Krasnov V.V., Demushkin N.P. Classification of mixing equipment for the construction industry // News of Science and Education. 2018. No. 4. Pp. 13-16.
20. Orekhova T.N., Krasnov V.V., Demushkin N.P. Improvement of devices for mixing dry building mixes // News of Science and Education. 2018. No. 4. Pp. 9-12.
