Роторно-пульсационная установка для производства пенобетона

Щербинин, Игорь Алексеевич

Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)

автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Роторно-пульсационная установка для производства пенобетона

кандидата технических наук: Щербинин, Игорь Алексеевич
город: Белгород
год: 2009
специальность ВАК РФ: 05.02.13

Автореферат диссертации по теме "Роторно-пульсационная установка для производства пенобетона"

РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЕНОБЕТОНА

05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

А 8 'ДО!

Белгород-2009

Работа выполнена на кафедре механического оборудования предприятий промышленности строительных материалов Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

В.А. Уваров.

Официальные оппоненты: д-р техн. наук, дои. С.Ю. Лозовая,

Белгородский инженерно-экономический институт (г. Белгород);

канд. техн. наук И.А. Овчинников, ООО «Архстрой» (г. Липецк).

Ведущая организация: Московская государственная академия

коммунального хозяйства и строительства (г. Москва).

Защита диссертации состоится 02 июля 2009 г. в Ю00 на заседании диссертационного совета Д 212.014.04 при Белгородском государственном технологическом университете имени В.Г. Шухова (308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, главный корпус, ауд. 128).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгородского государственного технологического университета имени В.Г. Шухова.

Автореферат диссертации разослан «_1_» июня 2009г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.А. Уваров

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В связи с определенными экономическими условиями в РФ на современном этапе, в строительном комплексе уже достаточно длительное время ведется интенсивный поиск недорогих и вместе с тем эффективных конструкционных и теплоизолирующих решений при строительстве, как промышленных зданий, так и жилых сооружений. Одним из направлений, удовлетворяющим указанным требованиям, ученые и производственники считают развитие производства безавтоклавного бетона, получившего название «пенобетон».

В настоящее время промышленность уже освоила серийный выпуск достаточно большой номенклатуры установок для производства пенобетона - стационарных и мобильных различного принципа действия. Однако в последние годы все большую популярность приобретают мобильные установки из-за их невысокой цены, простоты обслуживания, возможности быстрого перемещения и сравнительно невысокой энергоемкости. Их применение наиболее эффективно в жилищном строительстве при возведении ограждающих конструкций и устройстве теплоизоляционных слоев с использованием пенобетонов, что возможно двумя способами. Первый - приготовление пенобетона на стационарной установке, расположенной у объекта, и перекачивание готовой смеси по шлангам к месту укладки. Второй - приготовление пенобетона на малогабаритном передвижном механизированном комплексе, который может перемещаться с этажа на этаж и из помещения в помещение через дверные проемы непосредственно к месту заливки.

предложение возможно с помощью роторно-пульсационного способа гомогенизации в установке специальной конструкции, которая до настоящего времени в производстве пенобетона не применялась. Для осуществления предложенного варианта необходимо создать такую установку применительно к получению пенобетонных смесей и разработать математический аппарат для ее расчета при проведении проектно-конструкторских работ, а также изготовить лабораторный образец и провести его исследование и выбор рациональных режимов работы.

Все перечисленное выше, позволяет сделать вывод об актуальности данной проблемы и определяет цель настоящей работы.

Цель работы — разработка математического аппарата для расчета, исследование и получение рациональных конструктивно-технологических параметров роторно-пульсационной установки, обеспечивающей повышение эффективности процесса получения пенобетона.

Задачи исследований:

1. Провести анализ состояния и направлений развития конструкций мобильных установок для получения пенобетона и выявить направления развития данного класса машин.

2. Разработать принципиальную схему исполнения роторно-пульсационной установки, обеспечивающую совмещение в одном аппарате процессов смешивания, аэрации и перекачки пе-нобетонной смеси к месту заливки.

3. Разработать методику аналитического расчета конструктивно-технологических параметров работы установки.

4. Исследовать режимы работы роторно-пульсационной установки в составе производственного комплекса и определить условия их протекания для различных марок пенобетона.

5. Установить методом планирования многофакторного эксперимента регрессионные зависимости плотности, прочности и теплопроводности пенобетонных блоков от входных конструктивно-технологических факторов, и провести экспериментальную проверку в лабораторных условиях разработанных теоретических моделей.

6. Определить критерий оптимальности и методику расчета рациональных конструктивно-технологических параметров роторно-пульсационной установки.

7. Разработать опытно-промышленный вариант мобильной ротор-но-пульсационной установки и апробировать ее в условиях реального производства.

Научная новизна заключается в получении:

- аналитических выражений для расчета окружной и радиальной составляющих компонент скорости движения среды в пространстве между рабочими органами;

- выражения для расчета мощности, потребляемой трубошнеком роторно-пульсационной установки с учетом режима ее работы;

- уравнений, определяющих значения коэффициентов потребляемой мощности для заданных конструктивных и технологических параметров роторно-пульсационной установки;

- зависимостей для определения давления, создаваемого рабочими органами роторно-пульсационной установки;

- уравнений регрессии, позволяющих определить рациональные режимы процесса получения пенобетонной смеси в установке предложенной конструкции.

Практическая значимость работы заключатся в создании на основании теоретических разработок и экспериментальных исследованиях принципиально новой конструкции роторно-пульсационной установки для производства пенобетона, новизна конструктивного решения которой защищена патентом РФ на полезную модель.

Предложенные теоретические модели, конструктивные решения и рекомендации по рациональным рабочим режимам могут быть использованы при расчете и проектировании промышленных роторно-пульсационных установок для производства пенобетона и изделий на его основе.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и практические результаты исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на международных научно-технических конференциях: «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии»; «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии», «Образование, наука, производство» (БГТУ им. В.Г. Шухова, Белгород, 2005, 2007,

2008 г.); «Новые материалы и технологии в машиностроении» (БГИТА, Брянск, 2006 г.); «Вузовская наука - региону» (ВГТУ, Вологда,2007 г.), «Задачи архитектурно-строительного комплекса в повышении качества жизни и устойчивого развития сельских территорий» (Орел ГАУ, Орел,

2009 г.).

Реализация работы.

Теоретические и экспериментальные результаты работы апробированы и внедрены в ООО «Стройпенобетон» (г. Белгород) в технологическом процессе приготовления пенобетонных блоков, в учебном процессе при выполнении курсовых и дипломных проектов на кафедре «Механи-

ческого оборудования предприятий промышленности строительных материалов» БГТУ им. В.Г. Шухова.

Результаты диссертационной работы рассмотрены и одобрены на заседании кафедры «Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций» в апреле 2009 года.

Публикации.

По результатам исследований опубликовано 8 печатных работ, в том числе 1 в центральных изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ, получен 1 патент на полезную модель РФ.

Автор защищает.

1. Принципиальную схему нового конструктивного решения ро-торно-пульсационной установки для производства пенобетона, обеспечивающую совмещение в одном аппарате процессов смешивания, аэрации и перекачки пенобетонной смеси, защищенную патентом РФ на полезную модель.

2. Аналитические выражения для расчета окружной и радиальной составляющей компонент скорости движения среды в пространстве между рабочими органами установки.

3. Уравнения для расчета мощности потребляемой трубошнеком роторно-пульсационной установки с учетом режима ее работы.

4. Зависимости для определения давления, создаваемого рабочими органами роторно-пульсационной установки.

5. Уравнения для определения значений коэффициентов потребляемой мощности, для заданных конструктивных и технологических параметров роторно-пульсационной установки.

6. Регрессионные модели, определяющие влияние основных факторов, обуславливающих протекание процесса получения пенобетонной смеси на прочность, плотность и теплопроводность изделий.

7. Теоретически обоснованное конструктивное решение роторно-пульсационной установки, позволяющее повысить эффективность процесса получения пенобетона.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по результатам работы, списка литературы из 120 наименований. Работа изложена на 168 страницах, в том числе содержит 59 рисунков, 5 таблиц, 7 приложений на 18 страницах.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи работы, указана научная новизна,

практическая ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен анализ способов получения пенобетона и оборудования для их реализации.

Выполнено обоснование возможности и целесообразности применения роторно-пульсационной установки в технологии производства легкого пенобетона.

Приведены конструкция и принцип действия запатентованной конструкции роторно-пульсационной установки, которую предлагается применять в следующей технологической схеме (рис. 1).

V V /

-3

р 1 и — ь-л

Рис. 1. Технологическая схема производства пенобетона I - емкость с водой; 2 - емкость с пенообразователем; 3 — бункера с цементом и наполнителем; 4 - дозатор; 5 - смеситель - активатор; 6 - пе-ногенератор; 7-роторно-пульсационнаяустановка; 8-компрессор

Схема роторно-пульсационной установки представлена на рис. 2.

Она работает следующим образом. После подготовки компонентов пенобетонной смеси (пенообразователя и цементного раствора) они подаются в приемный патрубок 12 загрузочного стакана. Затем компоненты смеси смешиваются и нагнетаются при помощи шнека 5, к рабочему колесу 4 от которого смесь отбрасывается к сегментам ротора 7,8 и статора 5, б. При прохождении зазоров между сегментами ротора и статора за счет разрыва сплошности среды и возникающих пульсаций в их пазах происходит активная гомогенизация и поризация пенобетонной смеси. Для обеспечения необходимого давления при поризации смеси в приводном 10 и загрузочном 11 стаканах предусмотрены штуцеры 16 для подвода сжатого воздуха. Пройдя сквозь пазы, готовая смесь выбрасывается в выходной патрубок 9 и далее по трубопроводу подается к месту

заливки. Подача воздуха обеспечивается при помощи компрессора. Возможна регулировка частоты вращения ротора обеспечиваемая при помощи электропривода, состоящего из электродвигателя 13 и частотно -импульсного преобразователя.

А-А

Рис. 2. Схема роторно-пульсационной установки 1 - корпус; 2 - вал; 3 - шнек; 4 - колесо рабочее; 5 - цилиндр статора малый; 6 - цилиндр статора большой; 7- цилиндр ротора малый; 8- цилиндр ротора большой; 9- патрубок выходной; 10- стакан приводной; 11- стакан загрузочный; 12 — патрубок приемный; 13 - электродвигатель; 14 - муфта; 15 - рама; 16 - штуцер

Таким образом, в одном аппарате реализуется совмещение гомогенизации, поризации и создается необходимый напор готовой смеси на

Подача компонентов

Выход готовой смеси

выходе, обеспечивая тем самым транспортировку пенобетонной смеси к месту заливки.

Поставлены цель и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрено движение среды в роторно-пульсационной установке для производства пенобетонной смеси. Конструктивно рабочие органы роторно-пульсационной установки состоят из шнекового питателя и двух двухрядных коаксиально расположенных цилиндров, один из которых вращается. Рассмотрим движение среды в одном зазоре между ротором и статором. Пусть радиус неподвижного цилиндра (статора) равен Яг, а радиус подвижного (ротора) Я, (Я2>К|).

В процессе разработки математической модели исходим из посылки, что давление создаваемое шнеком и его производительность соответствуют давлению и производительности на выходе из рабочей зоны дисков ротора. В противном случае возникает разрыв потока подаваемой на гомогенизацию и поризацию смеси, что делает процесс неэффективным.

Схема рассматриваемой системы кооплинат представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема расчетной системы координат Лградиус подвижного цилиндра; /?2-радиус неподвижного цилиндра; (},) объемный расход материала, который подают шнеком на рабочее

колесо роторно-пульсационной установки (м3/с); р„ - давление создаваемое в среде (Па); о2 - диаметр винта шнека (м)

Для нахождения аналитических выражений, описывающих распределение радиальной и окружной скоростей течения среды, воспользуемся уравнением Навье - Стокса, которое в векторной форме имеет вид:

— = — егас1Р + \'Аи Ж р6

где и - вектор скорости движения среды (м/с); р - плотность среды (кг/м3); Р - давление, создаваемое в среде (Па). В силу аксиальной симметрии задачи введем цилиндрическую систему координат согласно соотношениям (рис. 1):

х = гсо&<р;

>> = г8т<р;

г = г;

где Г - текущее расстояние от оси вращения (м); (р-текущий угол поворота, отсчитываемый от положительного направления оси ох.

Уравнение Навье -Стокса в скалярных величинах имеет вид:

dt г р dr

d vr

dur ~dr

(3)

Скорость по текущему углу поворота (р:

do и ■ о

d2om 1 dum

и.

dr r dr г

(4)

Уравнение непрерывности в векторной форме имеет вид: divo = 0

(5)

Уравнение непрерывности, преобразованное с помощью уравнений 3, 4 запишется как:

dr г

(6)

Полученные соотношения (3)-(5) можно рассматривать как систему трех уравнений относительно трех неизвестных функций цг> о^ Р* зависящей от одной координаты г.

Если перейти от дифференцирования по времени к дифференцированию по координате «г» согласно следующему соотношению: (I с1 с1г (I

-->----0г —, (7)

(к (1г Л с1г получаем уравнение (6) в следующем виде: - для радиальной составляющей скорости:

Л / ,2 , \

О.

(IV. О,

г йг

Ш — г

1 ар

--^ =----+ у

р с1г

(I иг 1 ¿/иг —---

с/г г йг

- для окружной составляющей скорости:

¿о,„ и -и.. ((12и,

и.

¿г

(1г

¿г

(8)

(9)

ч - — у Проинтефировав уравнение (6), получаем уравнение описывающее зависимость радиальной составляющей скорости от технологических параметров:

(Ю)

Г Я"£>2

здесь <2{) - объемный расход материала, который подают шнеком на

рабочее колесо роторно-пульсационной установки (м3/с); I)2 - диаметр винта шнека (м).

Для проведения дальнейших расчетов вводим следующее обозначение:

2<2„

а = ■

(И)

пОгУ

Тогда окружная составляющая скорости будет находиться из выражения:

¿V, 1 -а ¿и

1 + а

с1г г <1г Г Решение данного уравнения ищем в виде:

и = г7,

(12)

(13)

где у - параметр, значение которого можно найти при подстановке (13) в (12), при этом получаем квадратное уравнение относительно величины у:

у2-ссу-(1 + а) = 0. (14)

Решив уравнение (14) находим два значения:

уг=-1 и у2=а+1. (15)

С учетом соотношений (13) и (14) общее решение дифференциального уравнения (8) можно представить в виде:

= — + с3-г

а+1

(16)

Определение частного решения уравнения (16):

»„(Г = Ъ) = Щ ■> = Кг) = О- О?)

На основании фаничных условий (17) выражение (16) приводит к следующей системе двух линейных алгебраических уравнений с двумя

неизвестными С2 и С^ :

соЯ, =

1+а

(18)

0 =

— + с,ЛГ-

Решая систему, находим:

сз =

(оК

соК

Л2+в

2+а

1 -№Г

с2 — с^Я2 —

(ОЩ

Ч*Г

(19)

(20)

Подстановка (17) и (18) в (14) приводит к следующему выражению для окружной скорости движения среды между ротором и статором:

\1+а

»,<Г) =

соЯ^

/ „ \ 2+а а \2+а

г ь)

(21)

НС

г Я,

Полученное соотношение (21) устанавливает зависимость окружной скорости движения среды в коаксиальном зазоре между двумя цилинд-

рами в зависимости от конструктивных параметров (Л,. К2,02) и технологических (()а, V )•

Ж'

0.326

и ,33 '

Рис. 4. Графики зависимости окружной скорости в щелевом пространстве между ротором и статором: нижняя кривая соответствует 1147 мин"1, а верхняя -1853 мин"1.

Движение среды в коаксиальном зазоре между цилиндрами, из которых вращается только внутренний, можно характеризовать критерием Тейлора:

Исходя из критерия Тейлора (22) выделяют следующие режимы течения среды в кольцевом зазоре:

1- 7а{41,3 -ламинарное течение среды Куэтта.

2. 41,3(7а(400 - ламинарное течение с вихрями Тейлора.

3. 7а)400 - турбулентное течение.

Если подставить найденное значение окружной скорости, конструктивные параметры роторно-пульсационной установки (Я2=0,33 м,

/^=0,32 м); и технологические параметры (£?0=6,6м3/ч, у =0,0025 Па с, л=1147-г 1853 мин"1); то значение критерия Тейлора (22) будет изменяться в пределах 0,24 < Та < 0,35 •

При данных конструктивных и технологических параметрах роторно-пульсационной установки будет протекать ламинарный режим движения среды в межцилиндровом пространстве сегментов ротора и статора.

Формула, описывающая движение вязкой несжимаемой жидкости в элементарном объеме (IV элементарное количество механической энергии потока с!Р переходящее в тепло в единицу времени задается соотношением:

(22)

с1Р = МК(Оу,иг)с1У. Полная мощность роторно-пульсационной установки:

Р = Р, + Р,-

Радиальная и осевая составляющие мощности:

йг

о„

Ыг>

г.-ънг^

гйг •

Вклад радиальной составляющей в потребляемую мощность:

4//Я<2п ,

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

где к,, = х2 -1-

Безразмерному соотношению (28) удобно придать смысл радиального коэффициента мощности, причем безразмерной величине X соответствует:

* = (29)

Таким образом, соотношение (28) характеризует поведение радиальной составляющей мощности в зависимости от отношения радиусов коаксиальных цилиндров.

Формула, описывающая вклад осевой составляющей мощности:

Р^2яНМ{Щ)г-кРг(х). (30)

Окружной коэффициент мощности представим в виде выражения:

Произведя все преобразования, имеем:

ч _ 4х2а+4 (а +1) + (а + 2)2 х2а+г - 8(а + \)ха+2 - а2 (32)

Кр ■ 1 1 ■ ■ 1 1 _ ■■ .

2(хг+а-\)-(а + 1)

Графическая интерпретация данной зависимости представлена на рис. 5.

к,.

Рис. 5. Зависимость окружного коэффициента мощности от отноше-

Анализ приведенной зависимости позволяет сделать вывод, что с увеличением величины зазора между коаксиальными цилиндрами окружной коэффициент мощности уменьшается. А следовательно, радиальная составляющая мощности существенно зависит от радиусов цилиндров ротора и статора.

Для расчета мощности потребляемой трубошнеком роторно-пульсационной установки введем подвижную декартову систему координат х^у^г, связанную с движением элементарного объема жидкости согласно расчетной схеме на рис. 6.

ния радиусов цилиндров

Рис. 6. Расчетная схема к определению мощности, потребляемой трубошнеком

В силу аксиальной симметрии величины (о ) перейдем в подвижной системе координат х,, , г, от декартовых координат к цилиндрическим согласно соотношениям:

X, =рсо$х>

у^ратк

где полярный угол, отсчитываемый от положительного направления оси о]Х1 ■

Формула для определения среднего значения скорости продвижения материала в трубошнеке вдоль оси 2\

И(о

\ а ;

,ГД Сд = Е>2 А, (34)

где А - шаг винта шнека, м; со - частота вращения, мин"1. Расчет мощности в одной секции трубошнека с учетом начальных условий:

я а ' я

Очевидно, что число секций т, которые нужно пройти вязкой жидкости по трубошнеку длиной / (м); будет равно

т = 1/к ■ (36)

Определение полной мощности потребляемой трубошнеком роторно-пульсационной установки установки:

Рг=Ри-т = ^-И21ео2 ■ (37)

Таким образом, на основании (37) можно заключить, что мощность, которую необходимо затратить для прохождения вязкой среды при ее ламинарном движении по трубошнеку является величиной пропорциональной коэффициенту динамической вязкости, длине, квадрату шага винта и квадрату частоты вращения вала трубошнека.

Полное давление, создаваемое рабочими органами роторно-пульсационной установки:

Р = Р1+Рг <38>

Составляющие полного давления, создаваемые центробежной силой за счет вращающегося внутреннего элемента (цилиндра радиуса /?), и

порождаемые наличием отличной от нуля радиальной составляющей скорости среды в установке запишем в виде уравнений:

л г

я,

,2 Ы

-^-(хьы ■ а(а+ [)-х2"*2 (а + 2)2 + 4л-и+2 (а+1) - а)Я

р2=ссур |—

(40)

л, ' -ч

Подставляя (39) и (40) в (38) получаем выражение для полного давления:

1 п2

Ш /с,

(а +!)(,--!) -х2а+2 (а + 2)2 + 4ха*2 (а +1) - а) +

(41)

«V2 '

я,2

V X /

Графическая зависимость выражения (41) изображена на рисунке 7.

Р(Па)

яшаи

оти

I \ \ \

Л, '1 \

Рис. 7. Зависимость давления на выходе из рабочей камеры от отношения радиусов ротора и статора: нижняя кривая соответствует 1853 мин*', а верхняя -1147 мин'1

Предложенные выражения для определения некоторых основных конструктивно-технологических параметров роторно-пульсационной

могут быть реализованы при ее проектировании для промышленного внедрения.

В третьей главе описаны план, программа и методики проведения экспериментальных исследований, описана лабораторная установка, определены характеристики исследуемого материала. Выявлены основные факторы, влияющие на эффективность процесса получения пенобетона в роторно-пульсационной установке, установлены уровни их варьирования, определены параметры оптимизации.

В качестве плана эксперимента выбран план полного факторного эксперимента ЦКОП 24. Основные варьируемые факторы: п (х,) - число оборотов вала ротора, 1147 - 1853 мин р (х2) -давление нагнетаемого воздуха, 0,26 - 0,54 МПа; В/Ц (х3) - водоцементное соотношение, 0,43 - 0,57; с (х4) - концентрация пенообразователя, 1,54 - 1,96 л/м\ В качестве функций отклика на воздействие факторов, определяющих характер протекания процесса, выбраны: плотность р, кг/м3 (по ГОСТ 12730.1-78), теплопроводность Я Вт/(м°С) (по ГОСТ 7076-99) и прочность пенобетонного блока Л, МПа (по ГОСТ 10180-90).

На рис. 8 представлен общий вид лабораторной экспериментальной установки.

Рис. 8. Общий вид экспериментальной установки

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований, получены и проанализированы уравнения регрессии, осуществлен выбор рационального режима процесса получения пенобетона в роторно-пульсационной установке.

Влияние исследуемых факторов на плотность, выражается уравнением регрессии в кодированном виде: р= 201,593 + 0,056208 /1 + 25,26-» + 110,41-5/// + 119,78-е-

(42)

-0,0000253 • п + 0,00624 -п- р- 0,01744 •п-ВЩ+ 0,01248 ■ и • с --83,2- р2 +68,6- р - В/Ц - 6,2-р-с+ 36,8-В/Ц2 -95,73- В/Ц -с--25,87 -с2.

Анализ уравнения регрессии (42) по величине и знакам коэффициентов показывает, что наибольшее влияние на величину плотности пенобетона оказывает В/Ц соотношение. Анализ полученного уравнения регрессии реальному процессу производства пенобетона показывает, например, что увеличение значений факторов х1; х2 ведет к снижению плотности пенобетона при увеличении числа оборотов вала из-за изменения структуры пенобетонной смеси. Знак «минус» перед х2 показывает, что с увеличением объема нагнетаемого воздуха, значение плотности готового пенобетонного блока будет снижаться, так как количественное соотношение пузырьков воздуха и объема цементного камня будет расти в пользу первого.

По полученным уравнениям регрессии были построены графические зависимости. Наиболее характерные из них приведены на рис. 9-11.

Рис. 9. Графические зависимости р ~/(В/Ц) при (n; c)=const и р =f(n) при (р; В/Ц) = const

Из приведенных графиков (рис. 9) следует, что плотность р при увеличении водоцементного соотношения снижается до значений р =367,2 кг/м3 при В/Ц=0,57. В целом, изменение плотности в зависимости от /(В/Ц) наиболее значительно. Следует отметить, что фактор

В/Ц оказывает влияние на плотность пенобетонного блока более чем на 90 % по сравнению с другими варьируемыми факторами.

Из графика р =f(n) при (р; В/Ц) = const (рис. 9) следует, что величина плотности р пенобетонного блока увеличивается до увеличения оборотов л=1450-т-1500 мин"1 для каждого значения концентрации, а при

дальнейшем росте числа оборотов плотность начинает снижаться. Максимального значения плотность достигает при числе оборотов 1450 мин'1 и концентрации пенообразователя 1,75 л/м3 прии фиксированных значениях />=0,4МПа, В/Ц=0,5% , и при этом достигает максимума р =369,7 кг/м3.

Уравнение регрессии, выражающее зависимость прочности готового пенобетонного блока от исследуемых факторов в натуральной форме, имеет вид:

Л = -5,81922 - 0,000264/1-0,13/7 + 29,1433-В/Ц-0,2789-С + +0,0000001-п2-0,00004-л-р - 0,00048-п-В/Ц + 0,00008-л-с + ^ +0,5- р2 +0,2- Р- В/Ц -6,2- р-с-0,2 - В/Ц2 -0,33 - В/Ц -с + +0,111 с2.

Проанализировав уравнение рефессии (43), можно сделать вывод о том, что наибольшее влияние на величину прочности получаемых пено-бетонных блоков в мобильной роторно-пульсационной установке оказывает концентрация пенообразователя, затем В/Ц соотношение и объем нагнетаемого воздуха. Знак «минус» перед величинами коэффициентов (хь х2, х}, Хд) показывает что при увеличении значений этих коэффициентов происходит снижение прочности готовых пенобетонных блоков.

Увеличение коэффициентов при эффектах взаимодействия х|*хз, х,-х2, х2- х4, х^, Х3-х4 свидетельствует о снижении прочности готовых пенобетонных блоков, а при ' х4, х2, х2-х3, х2 увеличение прочности. При этом наибольшее совместное влияние на увеличение прочности оказывают коэффициенты при и х2 • х3.

Графики прочности ^/(с) и R ~/(п) имеют экстремальный характер, экстремум находится в области 1,72-1,77 л/м3 для р=0,3 МПа, при этом значении прочность имеет минимальное значение Я=0,907 МПа. Графики показывают, что с увеличением нагнетаемого воздуха происходит снижение прочности.

И (МПа)

Ш:

7 с (л/м )

п (мин )

Рис. 10. Графические зависимости R =f(c) при (В/Ц; n)=const и R =f(n) при (р; В/Ц) = const

(44)

Уравнение регрессии, выражающее зависимость теплопроводности готовых пенобетонных блоков от исследуемых факторов в натуральной форме, имеет вид:

А = -1,674017 + 0,0000268-л+ 1,1127- р-0,688-Д/// -0,18784-с+

+0,0000000736-и2-0,000112-я- р-0,Ш24-п-В/Ц ~ -0,000024 • л с-0,53-р2 -0,8- Р - В/Ц - 0,0667 • р-с + 1,6-В/Цг --012-Я///-с + 0,0889-с2.

Из уравнения (44) видно, что увеличение любого из параметров приводит к росту теплопроводности, причем доминирующим является фактор х4 - концентрация пенообразователя. Знак «минус» при коэффициентах взаимного влияния при Х| ■ х2, Xj • х3, Xi • х4 свидетельствует о том, что при увеличении числа оборотов и объема нагнетаемого воздуха, а также при росте числа оборотов и В/Ц соотношения и концентрации пенообразователя, теплопроводность готовых пенобетонных блоков снижается.

Графики теплопроводности Л = f (с) и Я = /(В/Ц) имеют нелинейный характер (рис. 11). При этом экстремум теплопроводности находится в области 1,73-1,77 л/м3. При этих значениях теплопроводность достигает своего максимума 0,931 Вт/(м°С) при В/Ц= 0,5. Из графиков видно что на величину теплопроводности концентрация пенообразователя в абсолютных величинах оказывает незначительное влияние также как и В/Ц соотношение.

А Вт/(м"С) Я Вт/(М"С>

1 ; " ! i

vr-1

Ч !

L ^ у !

! "*'' 1

t ■ 1 ! !

-*-eiLt=o,*p

—ьн

—N —~7/1У

-S '—E L-' -А h*-1

i*—

С (л/M*)

Рис. 11. Графические зависимости X =Дс) при (n; p)=const и к = f(B/ll) при (п; с) = const

> В/Ц(%)

С помощью уравнений (42, 43, 44) представляется возможность определить рациональные параметры процесса производства пенобетонной смеси в роторно-пульсационной установке. Поиск экстремумов осуществляется по следующим требованиям: значения плотности и теплопроводности должны стремиться к минимуму, а прочность готового пенобе-тонного блока - к максимуму:

р -> min, R -> max, Л —> min. (45)

Это достигается при следующих значениях факторов: частота вращения вала ротора п = 1200 мин"'; давление нагнетаемого воздуха р = 0,32 МПа; водоцементное соотношение В/Ц = 0,5; концентрация пенообразователя с = 1,87л/м\

¡В пятой главе приведены данные по промышленному внедрению роторно-пульсационной установки в ООО «Стройпенобетон» (г. Белгород).

Фактическая производительность установки составила 6,9 м /час готовой пенобетонной смеси с плотностью 557 кг/м3.

Подтверждено повышение качественных показателей пенобетонных блоков получаемых с использованием роторно-пульсационой установки от 1 до 5% согласно требованиям предъявляемым ГОСТ 24485 - 89, что в итоге дает экономический эффект до 15% от стоимости 1м3 готовых изделий.

Основные результаты и выводы

1. Рассмотрены основные направления развития и совершенствования техники и технологии для производства пенобетонных смесей. Установлено, что в свете современных технологий для производства пенобетонных смесей перспективны мобильные установки, которые наиболее целесообразно применять при относительно малых масштабах строительства, особенно в индивидуальном строительстве. Предложено создать роторно-пульсационную установку, совмещающую при производстве пенобетона в одном аппарате операции смешения, аэрации и перекачивания с высокой эффективностью.

2. На уровне модели разработана и запатентована новая конструкция роторно-пульсационной установки для производства пенобетона.

3. Аналитическим путем получены: выражения для расчета окружной и радиальной составляющей компонент скорости движения среды в пространстве между рабочими органами; зависимости, позволяющие произвести расчет мощности потребляемой трубошнеком роторно-пульсационной установки с учетом режима ее работы; соотношения, определяющие значения коэффициентов потребляемой мощности, для заданных конструктивных и технологических параметров роторно-пульсационной установки; уравнения для определения давления, создаваемого рабочими органами роторно-пульсационной установки.

4. В опытно-промышленных условиях проведена экспериментальная проверка разработанных теоретических моделей.

с на плотность пенобетонного блока р, прочность готовых пенобетон-ных блоков R и теплопроводность Я. Установлена общая область расположения оптимумов по выходным параметрам, что подтверждается адекватностью квадратичных моделей.

6. На основании полученных уравнений регрессии осуществлена оптимизация конструкции и технологических режимов работы роторно-пульсационной установки при условиях, когда выполняется требование р-+тт, /?->тах, Я-»min. Установлено, что для любого набора входных параметров частоты вращения вала ротора п, давления нагнетаемого воздуха р, водоцементного соотношения В/Ц и концентрации пенообразователя с существует предпочтительное их сочетание, когда плотность и теплопроводность стремятся к минимуму при максимальной прочности. Это достигается при следующих значениях факторов: частота вращения вала ротора п = 1200 мин"1; давление нагнетаемого воздуха р =

0.32.МПа; водоцементное соотношение В/Ц = 0,5; концентрация пенообразователя с = 1,87л/м3.

7. Осуществлено промышленное внедрение роторно-пульсационной установки в ООО «Стройпенобетон», показавшее высокую эффективность применения данной установки в производстве пенобетонной смеси, используемой для получения пенобетонных блоков различных типоразмеров. В аккредитованном сертификационном испытательном центре «БГТУ - сертис» подтверждено соответствие качественных показателей, пенобетонных блоков получаемых роторно-пульсационной установкой требованиям предъявляемым ГОСТ 24485 - 89.

8. Проведенные технико-экономические расчеты показали техническую и экономическую целесообразность внедрения новой роторно-пульсационной установки для производства пенобетонной смеси в ООО «Стройпенобетон». Годовой экономический эффект составил 137267,19 руб.

Библиографический список

1. Щербинин И.А Анализ состояния, направления развития техники и технологии производств ячеистого пенобетона / И.А. Щербинин, A.A. Ярыгин, В.А. Уваров, Д.В. Карпачев // Сб. научн. трудов. Новые материалы и технологии производств ячеистого пенобетона: - Брянск: Изд-во Брянской гос. инж.-технологической академии, 2006. - С. 122 - 125.

2. Щербинин И.А Роль сухих строительных смесей в современном производстве / И.А. Щербинин, A.A. Ярыгин, В.А. Уваров, Д.В. Карпачев // Сб. научн. трудов. Новые материалы и технологии производств ячеистого пенобетона: - Брянск: Изд-во Брянской гос. инж.-технологической

академии, 2006. - С. 126 - 128.

3. Щербинин И.А. Оборудование, используемое для транспортирования пенобетонной смеси / И.А. Щербинин, А.А. Ярыгин, В.А. Уваров, Д.В. Карпачев // Сб. докл. Междунар. научно-техн. конф. Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндуст-рии, часть 7: Изд-во БГТУ им. В.Г.Шухова.- Белгород, 2007.- С. 227-230.

4. Щербинин И. А. К вопросу о применении пенобетона / И.А. Щербинин // Сб. докл. V Всероссийской научно-техн. конф. Вузовская наука -региону, том 2: -Изд-во ВГТУ. - Вологда, 2007. - С.246-248.

5. Щербинин И.А. Формирование пены, её стабилизация, устойчивость в пенобетонной смеси / И.А. Щербинин // Межвуз. сб. статей. Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов, выпуск 7: - Изд-во БГТУ им. В.Г.Шухова.-Белгород, 2008,- С. 152-154.

6. Щербинин И.А. / Назначение и область применения пенобетона / И.А. Щербинин // Сб. докл. V Междунар. научно-практич. конф. Задачи архитектурно-строительного комплекса в повышении качества жизни и устойчивого развития сельских территорий: Изд-во Орел ГАУ,- Орел, 2009.- С. 310-315.

7. Щербинин И.А. / Новые технологии в производстве пенобетона / И.А. Щербинин // Сб. докл. V Междунар. научно-практич. конф. Задачи архитектурно-строительного комплекса в повышении качества жизни и устойчивого развития сельских территорий: Изд-во Орел ГАУ,- Орел, 2009.- С. 267-272.

8. Щербинин И.А. К расчету давления создаваемого рабочими органами кавитационной установки для производства пенобетона / И.А. Щербинин // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. Выпуск 2. - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2009. -С. 104 - 107.

9. Патент РФ № 75348, кл. В28С 5/38. Кавитационная установка для производства пенобетона // Щербинин И.А., Уваров В.А., Карпачев Д.В., Шахова Л.Д7 - Опубл. в БИ №22 10.08.2008г.

Подписано в печать 28.05.2009г. Формат 60x84/16

Усл. печ. л. 1,4. Тираж 100 Заказ № 526

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете имени В.Г. Шухова 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Щербинин, Игорь Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1 АНАЛИЗ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЕНОБЕТОНА.

1.1. Способы получения пенобетонных изделий.

1.2. Стационарное оборудование, применяемое для производства пенобетона.

1.3. Использование мобильных комплексов для заливки пенобетона на стройплощадках и его перспективы использования в строительстве.

1.4. Существующие методики расчета.

1.5. Обоснование возможности и целесообразности применения роторно-пульсационной установки в технологии производства легкого пенобетона.

1.6. Цель и задачи исследований.

1.7. Выводы.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО АППАРАТА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ.

2.1. Основные предпосылки и положения.

2.2. Движение среды в роторно-пульсационной установке для производства пенобетонной смеси.

2.3. Определение значений поля скоростей роторно-пульсационной установки при ламинарном режиме работы.

2.4. Расчет мощности роторно-пульсационной установки при ламинарном режиме работы.

2.5. Расчет мощности потребляемой трубошнеком роторно-пульсационной установки.

2.6. Определение давления, создаваемого рабочими органами роторно-пульсационной установки.

2.7. Выводы.

ГЛАВА 3. ПЛАН, ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Основные положения экспериментальных исследований.

3.2. План и программа экспериментальных исследований.

3.3. Описание экспериментального оборудования и средств контроля.

3.4. Методики проведения экспериментальных исследований и измерений.

3.5. Характеристика исследуемых компонентов пенобетонной смеси.

3.6. Выводы.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЕНОБЕТОННОЙ СМЕСИ.

4.1. Уравнения регрессии, описывающие зависимость p,R, Я от варьируемых факторов хь х2, х3, Х4.

4.2. Анализ влияния основных параметров на эффективность процесса производства пенобетонной смеси в роторно-пульсационной установке.

4.3. Определение рациональных параметров процесса производства пенобетонной смеси в роторно-пульсационной установке.

4.4. Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных.

4.5. Выводы.

5. ПРОМЫШЛЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ.

5.1 Описание промышленного комплекса.

5.2. Расчет экономической эффективности.

5.3 Выводы.

Введение 2009 год, диссертация по машиностроению и машиноведению, Щербинин, Игорь Алексеевич

Развитие производства строительных материалов в современных условиях для строительного комплекса РФ предполагает решение ряда задач, одну из которых можно определить как повышение эффективности работы действующего промышленного оборудования и создание новых высокоэффективных по всем современным требованиям технологических комплексов, машин и агрегатов.

В связи с определенными экономическими условиями в РФ на современном этапе, в строительном комплексе уже достаточно длительное время ведется интенсивный поиск недорогих и вместе с тем эффективных конструкционных и теплоизолирующих решений при строительстве, как промышленных зданий, так и жилых сооружений. Одним из направлений, удовлетворяющим указанным требованиям, ученые и производственники считают развитие производства безавтоклавного бетона, получившего название «пенобетон».

Имеющийся на сегодня опыт показывает, что оптимальное направление развития индустрии стеновых материалов из безавтоклавного бетона -создание разветвленной сети малых заводов и цехов по производству стеновых блоков и мелкоштучных изделий различного назначения, а также монолитное домостроение из такого бетона с помощью передвижных установок для заливки стен, перекрытий и теплоизоляции. Реализация данного направления требует создания технологии и оборудования, применимость которых минимально зависит от параметров окружающей среды, квалификации рабочих и качества сырьевых материалов.

В отличие от автоклавного газобетона пенобетон имеет закрытую пористую структуру и поэтому впитывает меньшее количество влаги. Срок службы пенобетона при нормальных условиях эксплуатации не ограничен, т.к. процесс твердения связан с постоянно протекающей гидратацией цемента и со временем он становится только прочнее. По теплоизоляционным свойствам пенобетон близок к пенополистиролу, при этом практически инертен к воздействию огня. Себестоимость пенобетона на 30 - 40% ниже по сравнению с автоклавным газобетоном и значительно ниже стоимости строительного кирпича. Совокупный ряд приведенных преимуществ объясняет повышенный интерес к пенобетону и изделиям на его основе в современных сложных экономических условиях.

В настоящее время промышленность уже освоила серийный выпуск достаточно большой номенклатуры установок для производства пенобетона — стационарных и мобильных различного принципа действия. Однако в последние годы все большую популярность приобретают мобильные установки из-за их невысокой цены, простоты обслуживания, возможности быстрого , перемещения и сравнительно невысокой энергоемкости. Их применение наиболее эффективно в жилищном строительстве при возведении ограждающих конструкций и устройстве теплоизоляционных слоев с использованием пенобетонов, что возможно двумя способами. Первый - приготовление пенобетона на стационарной установке, расположенной у объекта, и перекачивание готовой смеси по шлангам к месту укладки. Второй - приготовление пенобетона на малогабаритном передвижном механизированном комплексе, который может перемещаться с этажа на этаж и из помещения в помещение через дверные проемы непосредственно к месту заливки.

Вместе с тем, существующие способы и оборудование для получения пенобетона в России находятся в стадии постоянного усовершенствования. Особой проблемой для изготовителей и потребителей оборудования является большой набор единиц техники, входящих в стандартный технологический комплекс, а значит повышенные металлоемкость, энергопотребление и, соответственно, стоимость. Так стандартный комплекс обычно включает емкости расходных материалов, питатели-дозаторы, смеситель, пеногенератор, накопительную емкость и перекачивающий насос. Одним из направлений решения указанной выше проблемы может быть совмещение ряда технологических операций в одном аппарате, например: смешения, аэрации и перекачивания. Реализовать данное предложение возможно с помощью роторно-пульсационного способа гомогенизации в установке специальной конструкции, которые до настоящего времени в производстве пенобетона не применялись. Для осуществления предложенного варианта необходимо создать такой аппарат применительно к получению пенобетонных смесей и разработать математический аппарат для его расчета при проведении проектно-конструкторских работ, а также изготовить лабораторный образец и провести его исследование и выбор рациональных режимов работы.

Цель работы - разработка математического аппарата для расчета, исследование и получение рациональных конструктивно-технологических параметров роторно-пульсационной установки, обеспечивающей повышение эффективности процесса получения пенобетона.

Задачи исследований:

2. Разработать принципиальную схему исполнения роторно-пульсационной установки, обеспечивающую совмещение в одном аппарате процессов смешивания, аэрации и перекачки пенобетонной смеси к месту заливки.

3. Разработать методику аналитического расчета конструктивно-технологических параметров работы установки.

7. Разработать опытно-промышленный вариант мобильной роторно-пульсационной установки и апробировать ее в условиях реального производства.

Научная новизна заключается в получении:

- зависимостей для определения давления, создаваемого рабочими органами роторно-пульсационной установки;

Практическая ценность работы заключатся в создании на основании теоретических разработок и экспериментальных исследованиях принципиально новой конструкции роторно-пульсационной установки для производства пенобетона, новизна конструктивного решения которой защищена патентом РФ на полезную модель.

Автор защищает.

1. Принципиальную схему нового конструктивного решения роторно-пульсационной установки для производства пенобетона, обеспечивающую совмещение в одном аппарате процессов смешивания, аэрации и перекачки пенобетонной смеси, защищенную патентом РФ на полезную модель.

4. Зависимости для определения давления, создаваемого рабочими органами роторно-пульсационной установки.

Реализация работы.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы и практические результаты исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на международных научно-технических конференциях: «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии»; «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии», «Образование, наука, производство» (БГТУ им. В.Г. Шухова, Белгород, 2005, 2007, 2008 г.); «Новые материалы и технологии в машиностроении» (БГИТА, Брянск, 2006 г.); «Вузовская наука - региону» (ВГТУ, Вологда,2007 г.), «Задачи архитектурно-строительного комплекса в повышении качества жизни и устойчивого развития сельских территорий» (Орел ГАУ, Орел, 2009 г.).

Публикации.

По результатам работы опубликовано 8 печатных работ, в том числе 1 в центральных изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ, получен 1 патент на полезную модель РФ.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из: введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 120 наименований; работа изложена на 168 страницах, содержит 59 рисунков,5 таблиц, 7 приложений на 24 страницах.

1. АНАЛИЗ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА

ПЕНОБЕТОНА

1.1 Способы получения иенобетонных изделий

В связи с вводом в действие новых жестких требований по теплозащите зданий и сооружений, а также резкого роста цен на традиционно применяемые строительные материалы в последние несколько лет в России и ближнем зарубежье произошел всплеск оправданного интереса к производству новых видов стеновых и одновременно, теплоизолирующих материалов. В ряду этих материалов одним из наиболее перспективных являются ячеистые бетоны, причем приоритетным направлением для разного рода предприятий стало производство неавтоклавного ячеистого цементного бетона — пенобетона [83].

Технология получения пенобетона была разработана в Германии и пользуется успехом во всей Европе и России. Существуют разные технологические способы для изготовления пенобетонных смесей [84]. Способ приготовления формовочных пенобетонных масс зависит от принятой технологии и вида применяемого пенообразователя. Приготовление пенобетонной смеси, независимо от метода вспенивания, основано на получении гетерогенной системы газ — жидкость — твердое и может быть: классической, сухой минерализации, пенобаротехнологии. Их схемы приведены на рисунке 1.1.

Наиболее характерная классическая и часто используемая в производственных условиях технологическая схема для производства мелкоштучных изделий строительного и теплоизоляционного назначения на основе пенобетона представлена на рисунке 1.1 а).

Согласно первому способу специально приготовленную технологическую пену смешивают с цементным тестом или цементно-песчаным раствором, а затем при интенсивном перемешивании массы получают ячеистобетонную смесь, в которой последующее схватывание и твердение вяжущего фиксирует структуру материала Концентрат пенообразователя и часть воды дозируют по объему, затем их смешивают с получением рабочего раствора пенообразователя. Рабочий раствор пенообразователя поступает в пеногенератор для получения пены. Вторую часть воды дозируют по объему, цемент и песок — по массе и из них изготавливают растворную смесь. В пенобетоносмеситель подается пена из пеногенератора и растворная смесь. Пенобетонная смесь, приготовленная в пенобетоносмесителе, насосом транспортируется к месту укладки в форму или монолитные конструкции. Данный способ получил название классический. а) \ Концентрат генообразо- ^ ^ -Цемент Песок вател я 1 [ Вода Вода i • v 1 ^ 4 J

Р абочий раствор пенообразователя

Растворная смесь

Пеногене|шор I

Компрессор

Пенобегономеситель 3

Насос

1 т

МОНОЛИТНЫЙ ФО|)МЫ пенооетон б)

Концентрат пенообразователя

Цемент

Вода

Рабочий растгар пенообразователя

Пеногенератор

Пенобетономеснтель

Компрессор

I1.1COC

Монолнттым пенобетон

Формы

В)

Песок

Концентрат пенообразователя

Цемент

Вода

Песок

Пенооарооетономесмтель

Компрессор

Монолитный пенобетон

Формы

Рисунок 1.1 Схемы способов приготовления пенобетонных смесей а) классическая; б) сухая минерализация; в) пенобаротехнология.

При производстве неавтоклавного конструкционный (в соответствии с ГОСТ 25485-91) пенобетона для крупных стеновых блоков с большой высотой (до 300-400 мм) в состав пенобетона, кроме цемента, молотого заполнителя, пенообразователя и воды, вводится ускоритель схватывания, и твердения пенобетонной смеси - технический сернокислый глинозем.

Объемная масса такого неавтоклавного пенобетона в высушенном состоянии

1 л равен 900-1000 кг/м , на 1м расходуется 350 кг цемента.

Автоклавный пенобетон обладает более ценными физико-механическими свойствами, чем неавтоклавный и может применяться в строительстве для изготовления несущих элементов зданий, вплоть до стеновых крупноразмерных изделий «на комнату». В основу технологии конструкционного пенобетона положено два процесса: введение в его состав тонкомолотого кварцевого песка и автоклавная обработка изделий при давлении пара не менее 0,8 МПа.

Благодаря этому по сравнению с неавтоклавным пенобетоном резко снижается расход цемента (в 1,5-2 раза), ускоряются физико-химические процессы при твердении цементно-песчаного камня и создаются лучшие условия для образования кристаллического гидросиликата кальция. В результате химических реакций, протекающих при автоклавной обработке, прочность пенобетона на портландцементе и тонкомолотом песке в возрасте 2 суток в 3-5 раз больше прочности неавтоклавного пенобетона того же состава, но твердевшего 28 суток в естественно-влажных условиях.

Во втором варианте по технологии «сухой минерализации» пены, представленном на рисунке 1.1 б, приготовление смеси производят путем совмещения сухих компонентов с низкократной пеной, непрерывно подаваемой пеногенераторном. При этом по мнению А.П. Меркина [84], происходит бронирование единичного воздушного пузырька частицами твердой фазы и отсасывание воды из пены. Так образуется высокоустойчивая пенобетонная масса с малым количеством свободной воды. На поверхности пенных пузырьков сорбируются (втягиваются в пленку ПАВ) мелкие и гидрофильные частицы твердой фазы. Высокая насыщенность ПАВ поверхности раздела «воздушная пора — дисперсионная среда» предопределяет формирование гладкой глянцевой поверхности стенок пор. Формируется плотный припоровый слой толщиной 12-30 мкм — слой, называемый зоной подкрепления. В условиях эксплутационных нагрузок на пенобетон объем единичной поры работает как арка и плотный припоровый слой пенобетона «сухой минерализации» может рассматриваться как армированный нижний пояс конструкции.

В следующем варианте (рисунок 1.1 в,) автор И.Б. Удачкин, предусмотрен этап перемешивания полуфабриката под избыточным давлением, так называемая баротехнология. Сущность способа заключается в поризации под избыточным давлением смеси всех сырьевых компонентов. Концентрат пенообразователя и воду дозируют по объему, цемент и песок -по массе (или дозируется по массе специально изготовленная сухая смесь из сухого пенообразователя, цемента и песка). Все компоненты подают в пенобаробетоносмеситель, куда компрессором нагнетается воздух, создавая внутри давление. Пенобетонная смесь, полученная в пенобаробетоносмесителе, под давлением транспортируется из смесителя к месту укладки в формы или монолитную конструкцию, где в результате перепада давлений происходит вспучивание. По этому способу в смесь вводят воздухововлекающие добавки ПАВ и применяют специальный герметичный смеситель.

На рисунке 1.2 представлена схема технологической линии для производства пропаренных поризованных блоков из пенобетона. Пенобетонный раствор приготовляется в специальных машинах пенобетономешалках, куда поступают отдозированные материалы. Пенобетономешалка состоит из трех основных частей: пеновзбивателя, растворного барабана и смесителя, оснащенных вращающимися лопастями. В пеновзбивателе приготовляется пена, в растворном барабане - раствор, а в смесителе смешиваются пена и раствор, образуя ячеистую смесь пенобетона. Иногда растворный барабан и смеситель совмещают в одном барабане, что менее рационально.

Для приготовления пены в пеновзбиватель загружается необходимое количество воды и пенообразователя. Процесс приготовления пены обычно продолжается 3-5 мин. Лопасти пеновзбивателя во время вращения вовлекают воздух в водный раствор пенообразователя, чем создаются благоприятные условия для быстрого образования пены. Для приготовления строительного раствора в растворный барабан загружают цемент, молотый песок и воду в строго отдозированных количествах, установленных при подборе состава ячеистого бетона, и перемешивают их в течение 2-3 мин.

Рисунок 1.2 Линия по изготовлению пенобетона для производства пропаренных поризованных блоков 1 — растворобетоносмеситель; 2,4 - дозаторы; 3 - пенобетоносмеситель;

5 — емкость для пенообразующего раствора; 6 - датчик времени;

7 — пеногенератор; 8 — компрессор; 9 - насос; 10 — пульт управления.

Приготовленные строительный раствор и пену вливают в смеситель (сначала раствор, затем пену) для перемешивания до получения однородной по цвету и составу пенобетонной смеси.

Недостаточная продолжительность перемешивания не обеспечивает получения равномерной структуры пенобетона, а слишком длительное перемешивание приводит к разрыву ячеек смеси, увеличению объемного веса пенобетона а, следовательно, уменьшению его выхода на один замес. Готовая ячеистая смесь выливается из смесительного барабана пенобетономешалки в бункер и затем разливается по формам либо непосредственно из бункера, либо при помощи конвейеров и т. п.

Пенобетон с малым водопотребным отношением в соответствии с общими законами гидратации и твердения гидравлических вяжущих характеризуется ускоренным схватыванием и твердением, а также повышенной прочностью. Последнее, в какой-то мере компенсирует недобор пенобетоном прочности при отказе от автоклавной обработки.

При серийном выпуске мелкоразмерных необъемных пенобетонных изделий (стеновых блоков), применяют специализированные линии. Преимущество технологии - возможность использования в заводских условиях - конвейерный и кассетный способы получения изделий, также непосредственно в монолитном домостроении. Наиболее перспективным способом формирования изделий в заводских условиях является конвейерный, существенно снижающий энерго- и трудозатраты при эксплуатации и обслуживании установок.

Кроме представленных способов следует различать оборудование стационарное и мобильное.

Заключение диссертация на тему "Роторно-пульсационная установка для производства пенобетона"

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Рассмотрены основные направления развития и совершенствования техники и технологии для производства пенобетонных смесей. Установлено, что в свете современных технологий для производства пенобетонных смесей перспективны мобильные установки, которые наиболее целесообразно применять при относительно малых масштабах строительства, особенно в индивидуальном строительстве. Предложено создать мобильную установку совмещающую при производстве пенобетона в одном аппарате операции смешения, аэрации и перекачивания с высокой эффективностью за счет использования явления кавитации.

2. На уровне изобретения разработана и запатентована новая конструкция роторно-пульсационной установки для производства пенобетона.

5. Выявлены закономерности влияния исследуемых параметров: частоты вращения ступенчатого вала п, давления нагнетаемого воздуха р, водоцементного соотношения В/Ц, и концентрации пенообразователя с на плотность пенобетонного блока р, прочность готовых пенобетонных блоков R и теплопроводность 1. Установлена общая область расположения оптимумов по выходным параметрам, что подтверждается адекватностью квадратичных моделей.

6. На основании полученных уравнений регрессии осуществлена оптимизация конструкции и технологических режимов работы роторно-пульсационной установки при условиях, когда выполняется требование р—Mnin, R—»max, Л—»min. Установлено, что для любого набора входных параметров частоты вращения ступенчатого вала п, давления нагнетаемого воздуха р, водоцементного соотношения В/Ц, и концентрации пенообразователя с существует предпочтительное их сочетание, когда плотность и теплопроводность стремятся к минимуму при максимальной прочности. Это достигается при следующих значениях факторов: частота вращения ступенчатого вала п = 1200 мин"1; давление нагнетаемого воздуха р = 0,32 МПа; водоцементное соотношение В/Ц = 0,5; концентрация пенообразователя с = 1,87л/м .

7. Осуществлено промышленное внедрение роторно-пульсационной установки в ООО «Стройпенобетон», показавшее высокую эффективность использования данной установки в производстве пенобетонной смеси, используемой для получения пенобетонных блоков различных типоразмеров. В аккредитованном сертификационном испытательном центре «БГТУ — сертис» подтверждено соответствие качественных показателей, пенобетонных блоков получаемых роторно-пульсационной установкой согласно требованиям предъявляемым ГОСТ 24485 — 89.

8. Проведенные технико—экономические расчеты показали техническую и экономическую целесообразность внедрения новой роторно-пульсационной установки для производства пенобетонной смеси в ООО «Стройпенобетон». Годовой экономический эффект составил 137267,19 руб.

Библиография Щербинин, Игорь Алексеевич, диссертация по теме Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)

1. АвербухД.Д. Процессы и аппараты химической технологии. Ч. 1. / Д.Д. Авербух, Ф.П. Заостровский, Л.Н. Матусевич. Свердловск: изд. УПИ, 1969.- 120 с.

2. Асатурян В.И. Теория планирования эксперимента/ В.И. Асатурян -М.: Радио и связь, 1983. 248 с.

3. Баранова А.Т. Ячеистые бетоны с пониженной объемной массой./ Под ред. А.Т. Баранова и В.В. Макаричева. М.: Стройиздат, 1974.- 118 с.

4. Балабудкш М.А О применении аппаратов роторно пульсационного типа для приготовления диспергированных лекарственных средств. /М.А. Балабудкин., Г.Н. Борисов// - Хим. - фарм. журнал. - 1973. - т.7. -№6. - С. 29-32.

5. Балабудкин М.А. / О закономерностях гидромеханических явлений в РПА. М.А. Балабудкин // «Теоретич. Основы хим. технологии». 1975. - т. 9. - №5. - С. 783-788.

6. Балабудкин М.А. Зависимость частотных характеристик РПА от числа прорезей. / М.А. Балабудкин, О.А. Лошакова, А.А. Барам. —II В сб. трудов Ленингр. технолог, ин-та целлюлозно — бум. пром-сти. Л. -1973. - №31, - С.128-130.

7. Балабудкин М.А. К расчету затрат мощности в РПА. / М.А.Балабудкин -//«Хим. -фарм. журнал».- 1977. т.2. - №3. - С. 123-135.

8. Балабудкин М.А. Исследование процесса мокрого измельчения хрупких тел в многоцилиндровых РПА. / Балабудкин М.А., А.А. Барам // «Известия ВУЗ СССР. Химия и хим. технология». 1972. - т. 15. - №6. -С. 930-933.

9. Балабудкин М.А Исследование процесса получения высококонцентрированных дисперсий газа в жидкости./ М.А Балабудкин, А.А. Барам // В сб. трудов Ленингр. технол. ин — тацеллюлозно бум. пром — ти, №23. - М.: «Лесная пром-сть», 1970. - С. 150-152.

10. Барам А.А., / Расчет мощности аппаратов роторно-пульсационного типа / А.А. Барам, П.П. Дерко, Б.А. Клоцунг // Хим. и нефт. машиностр. 1978. - №4. - С. 5-6.

11. Бай-Ши-И. Турбулентное течение жидкости и газа / Бай-Ши-И. М.: ИЛ, 1962.-344 с.

12. A.Г. Бондарь, Г.А. Статюха, И.А. Потяженко. — Киев: Вища школа, 1980.-264с.18 .Брагинский Л.Н. Перемешивание в жидких средах / Л.Н. Брагинский,

13. B.И. Бегачев, В.М. Барабаш. Физические основы и инженерные методы расчета. -Л.: Химия, 1984. -336 с.

14. Бродский В.З. Введение в факторное планирование эксперимента / В.З. Бродский. М.: Наука, 1976. - 223 с.

15. Воробьев В.П. Теория и практика перемешивания в жидких средах / В.П. Воробьев, В.А. Клипиницер, В.Г. Скворцов, В.В. Кафаров. М.: НИИТЭхим, 1976. - 256 с.

16. Гальперин H.PI. В кн.: Теория и практика перемешивания в жидких средах / Н.И. Гальперин В.А. Пебалк, А.Е. Костанян. М.: НИИТЭхим, 1973.-53 с.

17. Глухое В.П. В кн.:Теория и практика перемешивания в жидких средах / В.П. Глухов, JI.H. Брагинский, И.С. Павлушенко, Н.Г. Павлов, В.И. Бегачев.// М.: НИИТЭхим, 1973. -С. 78-80.

18. Государственный стандарт Союза ССР. БЕТОНЫ Методы определения плотности дата введения 01.01.80г.

19. Государственный стандарт Союза ССР БЕТОНЫ Методы определения прочности по контрольным образцам дата введения 01.01.91г.

20. ГОСТ 10178-85 «Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия»

21. Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Методы испытаний, дата введения 1.04.96

22. ГОСТ 12852.0-77. Бетон ячеистый. Общие требования к методам испытаний.

23. Здасюк О.М. В кн.: Аппаратура с перемешивающими устройствами / О.М. Здасюк М. НИИхиммаш, 1978. вып. 80. - С. 179-187.

24. Каган С.З. Теория и практика перемешивания в жидких средах / С.З. Каган, Ю.Н. Ковалев, В.И. Ильин. М.: НИИТЭхим, 1973. - 318 с.

25. Ландау Л.Д. Механика сплошных сред / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. -М.: Гостехиздат, 1953. 788 с.

26. Лойцянскгш Л.Г. Механика жидкости и газа. / Л.Г. Лойцянский М.: Наука, 1973. 849 с.

27. Медведев В.Д. Создание и внедрение современных аппаратов с активными гидродинамическими режимами для технологических процессов. / В.Д. Медведев, А.С. Идельсон, В.Н Поляков. // Тез. докл. Всесоюзн. науч. техн. совещ. Т.2. - М.: 1977. - С. 221-225.

28. Методические рекомендации по планированию эксперимента в технологии стройматериалов. — Челябинск: УралНИИстромпроект, 1973. 120 с.

29. Методические указания к выполнению курсовой работы по экономике , предприятия для студентов специальности 171600 / Г.А. Петровская,

30. Н.А. Жмуркова, И.В. Сомина. Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 2000. -37 с.

31. Меркин А.П. Научные и практические основы улучшения структуры и свойств поризованных бетонов / А.П Меркин дис. докт. техн. наук. -М., 1971.-270 с.

32. Павлов П.А. Механическое состояние и прочность материалов: Учебное пособие / П.А. Павлов. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1980. -176 с.

33. Павловский А. Н. Измерение расхода и количества жидкостей, газа и пара. Изд. 2-е / А. Н. Павловский. М.: Стандартгиз,1967. — 416 с.

34. Партон В.З. Механика упругопластического разрушения / В.З. Партон, Е.М. Морозов. М.: Наука, 1974.-288 с.

35. Партон В.З. Механика разрушения. От теории к практике / В.З. Партон. М.: Наука, 1990. - 240 с.

36. Пасконов В.М. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена / В.М. Пасконов, В.И. Полежаев, Л.А. Чудов. — М.: Наука, 1984.-288 с.

37. Патент № JP 8299833 кл. В02 С19/06, 1995 г. (Япония).

38. Перов В. А. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых / В.А. Перов, Е.Е. Андреев, Л.Ф. Биленко. М.: Недра, 1990.-301 с.

39. Помольное оборудование фирмы Neumann und Esser (Германия) // Экспресс-информация. Сер.4. Машины и оборудование для промышленности строительных материалов — М.: ЦНИИТЭстроймаш. 1988.-Вып. 2.-С. 10-15.

40. Плескунин В.И. Теоретические основы организации и анализа выборочных данных в эксперименте / В.И. Плескунин, Е.Д. Воронина -Ленинград: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1979. 232 с.

41. A.Дж. Рейнольде. М. Энергия, 1979. - 405 с.

42. Романков П.Г. Массообменные процессы химической технологии / П.Г. Романков, Н.Б. Рашковская. Л.: Химия. 1975. - 333 с.

43. Садовский B.JI. В кн.: Аппаратура с перемешивающими устройствами /

44. B.Л. Садовский, Л.Н. Брагинский, В.М. Барабаш. М.: НИИхиммаш. 1978. вып. 80.-С. 18-21.1А.Сиденко П.М. Измельчение в химической промышленности / П.М. Сиденко. М.: Химия, 1977. - 368 с.

45. Сборник докладов «международная научно-практическая конференция «ПОРОБЕТОН 2005»

46. Свичар JT.K Роторно пульсационные смесители для жидких сред. / Л.И. Свичар, П.А. Онацкий, Г.Л. Гарбузова Экспресс - информация. Серия ХМ - 1. ЦИНТИХИМШФТЕМАШ. -М., 1979, №4. - 20 с.

47. Сшаенков Е.С. Долговечность изделий из ячеистых бетонов. / Е.С. Силаенков.-М.: Стройиздат. 1986. — 175 с.

48. Смирнов Ю.А. Теория и практика перемешивания в жидких средах./ Ю.А. Смирнов, А.О. Белопольский. М.: НИИТЭхим. 1976. - 256 с.

49. Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками. / Ф. Стренк. Пер. с польского под ред. Щупляка И.А. Л.: Химия. 1975. 384 с.

50. ЭНПФ РУБИН, (www.rubin.aaanet.ru)

51. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя / Г. Шлихтинг. Пер. с нем. под ред. Л.Г. Лойцянского. М.: Наука. 1974. - 712 с.

52. Штербачек 3. Перемешивание в химической промышленности / 3, Штербачек, П Тауск. Л.: Госхимиздат. 1963. - 416 с.

53. Щербинин И.А. Роль сухих строительных смесей в современном строительстве. / А.А. Ярыгин, И.А. Щербинин // Новые материалы и технологии в машиностроении: Сб. научных трудов по итогам междунар. научно-технич. конф. — Брянск, 2006. С. 126-128.

54. Щербинин И.А. К вопросу о применении пенобетона / И.А. Щербинин // Вузовская наука — региону: Сб. докл. V Всероссийской научно-технич. конф., том 2 Вологда: ВГТУ, 2007. - С. 246-248.

55. Щербинин И.А. / К расчету давления, создаваемого рабочими органами кавитационной установки для производства пенобетона. / И.А. Щербинин // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. Выпуск 2. -Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2009. -С. 104 107.

56. Blaschke G. Chem. Eng. Sci. // G. Blaschke, K. Schugerl. 1969. V.24. № 10.-P. 1543-1552.

57. Bodman S.W. / Ind. Eng. Chem. Process Des./ S.W. Bodman, D.H. Cortez // Develop., 1969. v. 6. - P. 127-132.

58. Chapman F. Trans. Inst. / F. Chapman, H, Dallenbach, F. Holland. // -Chem., 1964. v.42. P. 398-403.

59. Corrigan T. Chem. Eng. / T. Corrigan, W. Beavers. // Sci., 1968. v. 23.-p. 9.

60. Dolling E. Plastverberbeiter. / E.Dolling, R. Rautenbach. 1971. Bd. 22. № 12.-P. 859-864.

61. Landay J. Coll. Czech. Chem. Conim. / J. Landay, J. Procharka. II 1961. №26.-P. 1976-1978.

62. LiepeF. / Chemishe Technik. / F. Liepe.ll 1971. № 4/5. P. 231-235.

63. Ford D. Process Techn. Int. / D. Ford, E., R.A. Mashalkar, I. Ulbrecht. // 1972. V. 17, № 10. P. 803-807.

64. Menges G. / Gummi-Asbest-Kunststoffe. / G. Menges. 1971. Bd. 25. №9. P. 818-826.

65. Nagata S. Med. Fac. Engng Kyoto Univ./ S. Nagata, T. Jokoyama H. Maeda// 1959. v. 18. №1.-P. 13-21.

66. Soo S. Ind. Eng. Chem., Fund., / S. Soo, G. Trezer, R. Dimir, е. a // 1964. v.3 № l.-P. 98-103.

67. Soo S., / Trans. ASMEJ. Basic Engng. / S. Soo, H. Ihring, Ir. A. Elrouh. 1963. 82D, № 3. P. 609-614.

68. Dimob Chr. Uber die Extraktion von physiologisch aktiven Stoffen aus pflanzlichen Rohstoffen mit Hilte elektrischer Entladungen. Pharmazie. 1978. Bd 33. № 213. P. 105-106.

69. Kuchta K. / Dispergieren unter Berucksirhtigung des Aggregatrustaudes und der Viskontat. / K. Kuchta. // Chemische Industrie. 1976. Bd 28. № 5. P 24-31.

70. Zglav M. Kemiija i industriji. / M. Zglav, P. Zanetich, A. Jurin. 1970. IIP.

Похожие работы

Машиностроение и машиноведение
05.02.00