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

ООои"4-' ■

Ибрагимов Дмитрий Вадимович

На правах рукописи

Ль

РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЕНОБЕТОНА

05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 8 ДЕК 2011

Белгород-2011

005004914

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Уваров Валерий Анатольевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Бондаренко Юлия Анатольевна;

кандидат технических наук Хлудеев Виктор Иванович.

Ведущая организация: Московский государственный

строительный университет.

Защита диссертации состоится 27 декабря 2011 г. в 1230 на заседании диссертационного совета Д 212.014.04 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова» (308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, главный корпус, ауд. 242).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова».

Автореферат диссертации разослан « 25 » ноября 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Уваров В.А.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Накопленный на сегодняшний день опыт в строительстве показывает, что перспективным является направление развития индустрии стеновых материалов и утеплителей жесткого типа из пенобетона за счет создания оборудования по производству мелкоштучных изделий различного назначения, а также монолитное домостроение из такого бетона с помощью передвижных установок для заливки ограждающих конструкций и их теплоизоляции. Реализация данного направления требует создания комплексов малогабаритного мобильного класса и соответственно технологии к ним.

Применение таких комплексов в процессе строительства возможно двумя способами. Первый - приготовление пенобетона на стационарной установке, расположенной у объекта, и далее подача смеси по трубопроводам к месту укладки. Второй - приготовление пенобетона в передвижном малогабаритном комплексе, который можно перемещать поэтажно из помещения в помещение непосредственно к месту заливки.

Следует отметить, что оборудование и способы для получения пенобетонных смесей, как в РФ, так и за рубежом постоянно совершенствуются. Однако, такие недостатки как повышенная метало-и энергоемкость, стоимость из-за большого количества комплектующих технологического оборудования для потребителей является сдерживающим фактором в приобретении и применении. Так, например, стандартный комплекс обычно включает емкости расходных материалов, питатели-дозаторы, смеситель, пеногенератор, накопительную емкость и перекачивающий насос. Одним из направлений уменьшения их количества может быть выполнение большинства технологических операций в одной машине, например за счет одновременного смешивания и поризации исходных компонентов с последующим перекачиванием готовой смеси одним универсальным рабочим органом. Для осуществления предложенного совмещенного способа необходимо создать малогабаритный технологический комплекс для получения легких теплоизоляционных пенобетонных смесей, разработать математический аппарат для расчета его конструктивно-технологических параметров, изготовить лабораторный образец, провести его исследование и внедрение, осуществить выбор рациональных режимов работы. Все перечисленное выше, позволяет сделать вывод об актуальности решения поставленной проблемы и определяет цель настоящей работы.

Цель работы - разработка методики расчета, исследование и получение рациональных конструктивно-технологических параметров мобильного роторно-пульсационного комплекса, обеспечивающего

повышение эффективности процесса получения теплоизоляционного

пенобетона.

Задачи исследований:

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

2. Предложить и запатентовать принципиальную схему исполнения роторно-пульсационного комплекса, обеспечивающую совмещение в одном аппарате процессов одновременного смешивания и поризации с последующим перекачиванием готовой смеси к месту заливки одним универсальным рабочим органом.

3. Разработать методику аналитического расчета конструктивно-технологических параметров работы агрегатов комплекса.

4. Исследовать режимы работы роторно-пульсационного комплекса и определить условия их протекания для различных марок теплоизоляционного 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-пульсационного комплекса.

7. Разработать опытно-промышленный вариант мобильного роторно-пульсационного комплекса и апробировать его в условиях реального производства.

Научная новизна заключается в получении:

- аналитических выражений для расчета кинетической энергии турбулентности и скорости ее диссипации в смесительной камере с учетом аксиальной симметрии и постоянства осевой скорости;

- уравнений для вычисления значений поля скоростей роторно-пульсационной установки при турбулентном режиме;

- математической модели движения смеси в зазоре между коаксиальными цилиндрами в условиях турбулентности;

- методики расчета мощности, потребляемой в период пуска роторно-пульсационной установки и мощности при работе в турбулентном режиме с учетом влияния конструктивных параметров;

- выражений для определения консистентности получаемой пенобетонной смеси;

- 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-пульсационного комплекса для производства теплоизоляционного пенобетона, новизна конструктивных решений которого защищена патентами 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 комплексов для производства теплоизоляционного пенобетона и изделий на его основе.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и практические результаты исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на международных научно-практических конференциях: «Интерстроймех - 2010»; «Молодежь и научно-технический прогресс» (Губкин, 2011 г.); «Инновационные технологии и материалы», (БГТУ им. В.Г. Шухова, Белгород, 2011 г.).

Реализация работы. Теоретические и экспериментальные результаты работы апробированы и внедрены в ООО «Шебекинское Строительное Ремонтно-Монтажное Управление» (ООО «ШСРМУ» г. Шебекино, Белгородской обл.) в технологическом процессе приготовления теплоизоляционного пенобетона, в учебном процессе при выполнении курсовых и дипломных проектов на кафедре «Механического 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 октябре 2011 года.

Публикации. По результатам работы опубликовано 6 печатных работ, в том числе 1 в рецензируемых изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ, получено 2 патента РФ на полезную модель.

Автор защищает.

1. Аналитические выражения для расчета кинетической энергии турбулентности и скорости ее диссипации в смесительной камере с учетом аксиальной симметрии и постоянства осевой скорости.

2. Уравнений для вычисления значений поля скоростей роторно-пульсационной установки при турбулентном режиме.

3. Математическую модель движения смеси в зазоре между коаксиальными цилиндрами в условиях турбулентности.

4. Методику расчета мощности, потребляемой в период пуска роторно-пульсационной установки и мощности при работе в турбулентном режиме с учетом влияния конструктивных параметров.

5. Выражения для определения консистентности получаемой пенобетонной смеси

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-пульсационного комплекса защищенное патентами РФ на полезную модель, позволяющее повысить эффективность процесса получения теплоизоляционного пенобетона.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по результатам работы, списка литературы из 125 наименований. Работа изложена на 177 страницах, в том числе содержит 60 рисунков, 5 таблиц, 3 приложения на 25 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 рассмотрено оборудование для производства пенобетонных смесей и основные направления его развития и совершенствования. Сделан вывод о том, что перспективным направлением является разработка оборудования роторно-пульсационного типа, обеспечивающего совмещение в одном комплексе процессов одновременного смешивания и поризации с последующим перекачиванием готовой смеси к месту заливки одним универсальным рабочим органом.

Предложена конструкция мобильного комплекса с универсальным рабочим органом роторно-пульсационного типа, позволяющая повысить эффективность технологического процесса (рис. 1).

Он работает следующим образом. На первой стадии при закрытом клапане 27 мерная доза воды из емкости 22 подается в герметичный бункер 21 с обратным клапаном 28. Роторно-пульсационная часть комплекса приводится во вращение электродвигателем 13, и вода осуществляет циркуляцию по замкнутому циклу при закрытом клапане 27. В циркулирующий поток воды через бункер 21 из емкости 22 дозируется цемент. Здесь компоненты пенобетонной смеси (вода 23 и цемент 24) подаются в герметичный бункер 21, из которого поступают в

приемный патрубок 12 загрузочного стакана 11. Затем компоненты смеси предварительно смешиваются и нагнетаются при помощи шнека 3, к рабочему колесу 4, от которого смесь отбрасывается в перпендикулярном направлении вращающимися лопатками рабочего колеса к вращающимся сегментам ротора 5, 6 и статора 7, 8. При прохождении зазоров между сегментами ротора и статора, обеспечивается механоактивация и гомогенизация компонентов смеси. После этого подготовленный рабочий раствор кратно времени перемешивания выбрасывается через патрубок 9 в герметичный бункер. Далее в пеногенератор 25 подается раствор ПАВ из емкости 24 и сжатый воздух от компрессора 18. Получаемая в пеногенераторе пена через штуцер 17, полый вал 2 с радиальными отверстиями нагнетаются в циркулирующую смесь.

Рис. 1. Роторно-пульсационный комплекс для производства пенобетонной смеси: 1 - корпус; 2 - вал, 3 - шнек; 4 - рабочее колесо; 5 - малый сегмент ротора; 6 - большой сегмент ротора; 7 - малый сегмент статора; 8 - большой сегмент статора; 9- выходной патрубок; 10-приводной стакан; II - загрузочный стакан; 12 - подающий патрубок; 13- электродвигатель; 14- муфта; 15 - частотный преобразователь; 16 - рама; / 7 - штуцер; 18 - компрессор; 19- фланцы; 20 - защитный кожух; 21 - герметичный бункер; 22 - емкость с цементом; 23 - емкость с водой; 24 - емкость с концентратом пены; 25 - пеногенератор; 26-выходной патрубок; 27 - клапан; 28-обратный клапан

Стадия поризации смеси осуществляется в следующем порядке.

Компоненты пенобетонной смеси из бункера 21 нагнетаются при помощи шнека 3, к рабочему колесу 4, от которого смесь отбрасывается в перпендикулярном направлении вращающимися лопатками рабочего колеса к вращающимся сегментам ротора 5, 6 и статора 7, 8. При прохождении зазоров между сегментами ротора и статора, обеспечивается механоактивация компонентов смеси, поризация и гомогенизация смеси, а также создается, необходимое давление получаемой смеси для ее последующей транспортировки без использования дополнительного устройства. Избыточное давление из бункера 21 сбрасывается в атмосферу с помощью обратного клапана 28. По мере готовности смесь поступает в выходной патрубок 26 и далее через открытый клапан 21 по трубопроводу поступает к месту заливки.

Таким образом, использование роторно-пульсационного комплекса для производства пенобетона позволяет повысить производительность и снизить общее количество оборудования участвующего в процессе производства пенобетонной смеси, а также обеспечить транспортирование смеси без использования вспомогательных устройств на расстояние при сохранении её качественных показателей.

Поставлены цель и задачи исследования.

Во второй главе предложено математическое описание турбулентного движения среды в роторно-пульсационной установке.

Рассмотрим движение среды в одном зазоре между ротором и статором. Обозначим радиус неподвижного цилиндра через В.2, а радиус подвижного - Я/, причем Я2> Л/ (рис. 2).

Я, - радиус подвижною цилиндра (м); Н2 - радиус неподвижного цилиндра (.«К - объемный расход материала, который подают шнеком на лопастное колесо (м /с); р0 - давление создаваемое в среде (Па); Т>2 - диаметр лопастного колеса (м)

При турбулентном режиме течения перемешивание смеси

представляет собой результат двух одновременно протекающих процессов: конвективного переноса достаточно крупных элементов объема среды с направленным потоком жидкости и накладывающегося на него пульсационных движений различного масштаба. Направление и скорость этих турбулентных движений переменны во времени и пространстве.

Обозначив осредненное по времени значение составляющей скорости и через П а пульсационную скорость через и' и т.д., получаем следующие равенства для составляющих скорости и давления:

и = П + и\ V = V + V', Ш = V/ + IV', Р = Р + Р', (1)

где 1/ - окружная составляющая скорости, м/с; V - радиальная составляющая скорости, м/с; Ж — осевая составляющая скорости, м/с; Р - давление, Па; П, V, Р - осредненные значения составляющих скорости и давления; {]', V', IV', Р' - пульсационные составляющие скорости и давления.

Осредненные составляющие скорости турбулентного течения удовлетворяют уравнениям:

Л<*г+ »Э - -ЬI*"* (т* + + '-¿У

которые отличаются от соответствующих уравнений Навье-Стокса для ламинарного течения присутствием дополнительных членов, зависящих от трения и определяемых тензором напряжения:

Ч г;у гЦ рйу' РШ\

т'ху (Ту Ту2\ = - ри'У' рУ2 рУ1У' )■ (3)

\т'хг х'уг а г / \рШ рУ'У/' рУУ'2 !

В этих уравнениях Д означает оператор Лапласа. К уравнениям (3) следует добавить уравнение неразрывности:

|£ + |Е + ^ = 0, (4)

дх ду аг

которое описывает закон сохранения массы в элементарном объеме, то есть непрерывность потока жидкости.

Для получения разрешающей системы уравнений сделаем следующие допущения: движение среды установившееся; действие массовых сил не учитывается; составляющая скорости вдоль оси цилиндра постоянна. Перейдем к цилиндрической системе координат на основе соотношений:

{X = ГСОБСр

у = гятр (5)

г = г

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

Тогда система уравнений (2) и условие неразрывности (4) принимают вид:

Уг Эг г дг г р дт \ дт^ т дт дг* гV' Уг аг^Уг дг г ^ г дг ^ дг* гV'

Уг дг 2 дг р дг \ дг2 г дг дгг)

дЦ- дУг Уг + + — = 0, дг дг г

где кинематическую вязкость выразим как: V = уг +

здесь V; - коэффициент ламинарной вязкости, V, - коэффициент турбулентной вязкости, Уг - радиальная составляющая скорости; У2 -осевая составляющая скорости; У(р - окружная составляющая скорости.

Учитывая осевую симметрию задачи и постоянство осевой составляющей скорости движения смеси система уравнений (5) упрощается и принимает вид:

Уг йг г ~ рйг \йгг г йт тV'

Уг иг ^ г 4<1г2 г йг г2> ^

Щ Уг -г~ + — = О, аг г

где = Су у.

Выражения для кинетической энергии турбулентности и скорости ее диссипации с учетом аксиальной симметрии и постоянства осевой скорости принимают вид:

дкт дкт _ (д2кт 1 дкт д2кт\

+ С-е,

,, дс , ,, де (дг£ , 1 де , д2е\ . с , „ ,оч

где диссипативная функция С = Сг + С,,,

'—{К?)4©2]].

Поле скоростей в щелевом пространстве, образованном двумя коаксиальными цилиндрами, определяется двумя составляющими Уг и Уг Осевой составляющей У2 в силу малости ширины камеры пренебрегаем.

Интегрируя уравнение неразрывности, получаем:

1пУг + 1пг = 1пСг (10)

Значение постоянной интегрирования определяем из условия:

°р»г = т уг = %гг {11)

здесь (}0 - объемный расход материала, который подают шнеком на рабочее колесо роторно-пульсационной установки (мэ/с); 02 - диаметр винта шнека (м).

Подставляя (11) в (10) получаем значение радиальной составляющей скорости:

(12)

Подставим выражение для окружной скорости (12) в уравнения (7). После преобразований получим:

/21?(Л2 1 Уу __ _1йр \11D2J г3 г р йг'

йт* + г Лт г2 "Р ^

При течении смеси между двумя коаксиальными цилиндрами, из которых внутренний (ротор) вращается, а внешний (статор) покоится, возникает неустойчивое расслоение смеси, т.к. ее частицы, находящиеся вблизи внутренней стенки стремятся, вследствие большой центробежной силы, переместиться наружу.

Для вычисления значений окружной скорости уравнения (13) необходимо дополнить граничными условиями. В рассматриваемом случае, они будут иметь вид:

приг = Л1 У9 = со0К и г = Я2 У9 = а>0. (14)

Для учета влияния конструкции мешалки на поток смешиваемой среды нет необходимости отдельно рассматривать такие ее характеристики, как число и высоту лопастей. Их можно заменить интегральной характеристикой-коэффициентом гидравлического сопротивления мешалки . Тогда получаем:

5 = (15)

Подставляя значения (15) в (13), окончательно получаем: /2<?о\2 1 V _ _, V

\п02) г3 г г '

Решение системы уравнений (16) совместно с граничными

условиями (14) будем выполнять численно - методом конечных разностей. Для этого построим конечно-разностную схему решения уравнений (16).

(.7)

___.• _ о „ и _

Граничные условия задачи имеют вид:

при ¿=1 Г^шоДь ¿ = в+1 К„,„+1 = 0. (18) При указанном подходе первое уравнение системы (15) удовлетворяется интегрально, т.е. «эпюра» распределения У?, подсчитанных численно будет равна эпюре построенной согласно первому из уравнений системы (16).

По предложенной методике была написана программа расчета окружной скорости У9 на языке МАРЬЕ7 и проведен численный эксперимент для определения окружной скорости Результаты численного эксперимента представлены на рис. 3.

-о ламинарном и — турбулентном

Как видно из графиков, влияние турбулентности на величину окружной скорости при увеличении частоты вращения цилиндра увеличивается. При этом турбулентный или ламинарный режим движения смеси между цилиндрами осуществляется, большого влияния на характер прироста окружной скорости не оказывает. Это объясняется малым зазором между цилиндрами. Характер этого влияния обратно пропорционален увеличению радиуса, что вполне согласуется с

результатами, приведенными в других работах.

Полагая, что пристеночная турбулентность является равновесной, т.е. скорости генерации и диссипации турбулентности равны, граничное условие для кинетической энергии турбулентности кт в узле, ближайшем к стенке, можно записать в виде:

= 0. (19)

йг

Кинетическую энергию турбулентности и скорость ее диссипации на границе задаем по формулам:

, _ 0.2(ш0Д1)2 Кт - ^ .

0,1643к£5 ,~Лч

£ =-;— > (20)

где 1Т= 0,9 масштаб турбулентности.

Таким образом, система дифференциальных уравнений (8)-(9) совместно с граничными условиями (20) представляет собой математическую модель движения смеси в зазоре между коаксиальными цилиндрами. Модель решали численно методом конечных разностей. Конечно-разностная схема решения задачи имеет вид:

/V V 2<?о 1\

где диссипативная функция б, = + , здесь - радиальная и £?Л( - тангенциальная составляющие, которые описываются выражениями:

Краевые условия задачи имеют вид:

ь - °-2(угл+Уул)2

к 1 - I >

ОД643к^'5

еа =---,

1Т

1Т = 0,09/?!, Лп+1 = о,

£п+1 = 0. (23)

Цилиндрическую область между двумя коаксиальными цилиндрами

заменяли дискретным аналогом, состоящим из (л+1) узла в радиальном направлении. Получаем две системы нелинейных алгебраических уравнений относительно узловых значений кинетической энергии турбулентности и скорости диссипации е, , / = 1, п. Причем вычисленные значения к,• использовались как заданные для подсчета скорости диссипации £,. Решение полученных систем алгебраических уравнений выполнялось численно на языке программирования МАРЬЕ7. Результаты вычислений представлены на рис. 4 и 5.

0.14 11.1! И, Ш <№ М

Рис. 4. Значение кинетической энергии при и: О - И47 мин"1; □ -1250 мин"1; О-1500 мин1; • - 1750 мин"1; -^-1853 мин"1

>Л м

Рис. 5. Значение скорости диссипации при п\ О - 1147 мин"1; □ ■ 1250мин'1;О - 1500 мин"1; • - 1750 мин"1; Ж- 1853 мин"1

Таким образом, очевидно, что при увеличении количества оборотов

в пределах для и=1147; 1250; 1500; 1750; 1853 мин"1 при R¡ = 0,14 м, R2 = 0,17 м, значение кинетической энергии растет, а скорость диссипации уменьшается в пристеночных областях коаксиальных цилиндров, достигая максимума и минимума, соответственно, в диапазоне изменения радиуса от 0,152 м до 0,157 м. Этот диапазон и будет являться областью эффективного процесса перемешивания и аэрации.

Расчет мощности, потребляемой роторно-пульсационной установкой, выполняем согласно гидродинамической модели Куэтта. Очевидно, что основная доля энергии затрачивается в межцилиндровом пространстве на преодоление сил вязкого трения и выражается диссипацией энергий. Значение мощности в зазоре смесителя между статором и ротором можно представить в виде:

Р0 = Рг + Р<р (24>

Составляющие мощности радиальной и окружной скоростей потока вязкой жидкости выразим как:

'«i

HÁW<26>

Суммарная затраченная мощность будет равна:

Рг = Р0 + Р1, (2?)

где Р\ - затраты мощности в зазоре между лопастным колесом и ротором, которые определяются выражением:

п - с,«<- (т т" (Т+11 - и!5йг2й] «

здесь С( = 0,8, С2 = 10, д1 = 0,35, д2 = 0,1, д3 = 0,3, = 0,2 -эмпирические коэффициенты; Дец - центробежный критерий Рейнольдса.

Предложена методика определения консистентности смеси. Используя значения У9М вычисленные по точкам (17), численно подсчитываем значение М^-.

Мкр = 2пНр$*1 - И^йг . (29)

Далее вычисляем значения консистентных переменных Рр и \УР из выражения:

М 1

где Рр = ИГ = 2(о0 - консистентные переменные.

Результаты вычислений консистентности к в зависимости от числа оборотов ротора п представлены на рис. 6.

16

к

0,1150,1100,1050,100-W9У

i2bo ' 13&0 ' i^xt " uba ' lebo " i7ba " isba jj ¡ущн"'

Рис. 6. Изменение значения консистентности смеси в зависимости от числа оборотов п, мин"1

Как видно из представленного рисунка консистентность смеси увеличивается с ростом числа оборотов практически линейно. Полученная зависимость позволяет подбором требующегося числа оборотов подвижного диска роторно-пульсационной установки регулировать подвижность (густоту) получаемой смеси, а, значит качественные показатели формируемого массива, производительность, скорость растекания и заполнения форм и заливаемых пространств смесью пенобетона.

Таким образом, предложенные в главе 2 выражения для расчета роторно-пульсационного комплекса позволяют, задав требующиеся параметры смеси, методом обратного пересчета по разработанному программному обеспечению определять конструктивно-технологические параметры установки для производства пенобетона.

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-пульсационном комплексе, установлены уровни их варьирования, определены параметры оптимизации.

В качестве плана эксперимента выбран план полного факторного эксперимента ЦКОП 24. Основные варьируемые факторы: п - число оборотов вала ротора, 1147 - 1853 мин-1, р - давление нагнетаемого воздуха, 0,26 - 0,54 МПа; В/Ц - водоцементное соотношение, 0,43 - 0,57; с - 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 Я, МПа (по ГОСТ 10180-90).

На рис. 7 представлен общий вид лабораторной экспериментальной установки.

Рис. 7.

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

Влияние исследуемых факторов на плотность, выражается уравнением регрессии в натуральном виде:

р =184,3 + 0,0574п + 1,85р + 83,0 В/Ц + 106,6 с - 15,6 с2 + + 0,005п-р - 0,01п В/Ц + 0,0033п с - 60,01р2 + ЮОр В/Ц-12,5рс + + 60,05 В/Ц2 -108,33В/Ц с - 0,000022п2. (31)

Влияние исследуемых факторов на прочность, выражается следующим уравнением:

R = 2,95 - 0,004 п + 3,4р +13,4 В/Ц- 2,66 с +0,9 с2- 0,0005 пр + + 0,0005 п-В/Ц + 0,0007 п-с - 4,25 р2 +3,75р-В/Ц- 0,83 р с --12,0 В/Ц2 - 2,5 В/Ц-с + 9,2-1(Г7п2. (32)

Влияние исследуемых факторов на теплопроводность, выражается уравнением регрессии в натуральном виде:

Я = 0,316 + 0,0002п + 1,07р - 1,1В/Ц- 0,264с + 0,11с--0,00012п р - 0,00033п В/Ц-0,000042п с ~ 0,51р2 - 0,7р В/Ц- 0,0625р с + 1,95В/Ц2 - 0,042В/Ц с + 7,8-1(Г* п2 (33) По уравнениям регрессии (4.1 - 4.3) были построены графические зависимости парного влияния варьируемых факторов на функции отклика. Наиболее характерные из них приведены на рис. 8-10.

Общий вид экспериментальной установки

Рис. 8. Графические зависимости р = /(В/Ц) при (и; c)=const и р = f(n) при (р; В/Ц) = const

Из приведенных графиков р = /(В/Ц) при (п; c)=const (рис. 8) следует, что плотность при увеличении водоцементного соотношения снижается до минимального значения р =332,7 кг/м3 при В/Ц=0,57 и давлении нагнетаемого воздуха р = 0,54 МПа. Максимума р =338,5 кг/м3 достигает при значении В/Ц=0,43 и давлении нагнетаемого воздуха р = 0,28 МПа. Указанные значения свидетельствуют о существенном парном воздействии давления нагнетаемого воздуха и водоцементного соотношения на изменение плотности. Однако в данном случае в большей степени влияние оказывает воздух, поскольку увеличение его давления вызывает рост степени аэрации пенобетонного массива и как следствие снижение плотности.

Из графиков р = f(n) при (р; В/Ц) = const (рис. 8) следует, что величина плотности пенобетонного блока увеличивается до увеличения оборотов и=1500 мин"1 для каждого значения концентрации, а при дальнейшем росте оборотов плотность начинает снижаться. Максимального значения плотность достигает при частоте оборотов 1450 мин"1 и концентрации пенообразователя 1,6 л/м3 при фиксированных значениях р=0,4МПа, В/Ц= 0,5 и достигает максимума р =335,5 кг/м3. Очевидно, что число оборотов ротора оказывает

наиболее значительное влияния на плотность пенобетонного блока за счет влияния на интенсивность перемешивания компонентов смеси.

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

Из приведенных графиков (рис. 9) следует, что зависимость прочности R= f(c) носит обратный характер от плотности, что справедливо, т.к. из научной литературы известно, что изменение величины плотности пенобетона обратно пропорциональна изменению прочности, поскольку на них основное влияние оказывают количество пор, их размеры и структура распределения. В данном случае максимум прочности приходится на с=1,55 л/м3 при р= 0,4 МПа, минимум - при с=1,9 л/м3 и /7=0,54 МПа. Графики показывают, что с увеличением нагнетаемого воздуха происходит снижение прочности.

Зависимость прочности R= f(n) (рис. 9) имеет монотонно убывающий нелинейный характер от /2=1,39 МПа при гс=1150 мин 1 до значения Л=1,11 МПа при и=1500 мин"1. При этом лучшим вариантом является раствор пенообразователя с концентрацией с= 1,54 л/м '. Далее при фиксированных значениях р=0,4 МПа, В/Ц=0,5 и варьировании числа оборотов и концентрации пенообразователя прочность пенобетонного блока несколько повышается, но не достигает начального значения. В этом случае подтверждается справедливость предположения об увеличении числа пор за счет повышения интенсивности перемешивания и, как следствие снижения прочности.

Из графиков (рис. 9) видно, что зависимости X = /(с) имеют нелинейный характер, экстремум, которого находится в точке концентрации пенообразователя 1,75 л/м3. При этих значениях теплопроводность превышает нормативное значение 0,1 Вт/(м С) даже

в

/

......S^ ••• • / s

"V, . „«-^ „

Рис. 10. Графические зависимости X =Дс) при (п; p)=const и X = /(В/Ц) при (и; с) = const

Графики теплопроводности X = ffB/Ц) (рис. 10) имеют экстремальный характер. Здесь на величину теплопроводности оказывает значительное влияние давление нагнетаемого воздуха. Так максимальная теплопроводность достигается при давлении р=0,4 МПа, а меньшее значение теплопроводности отмечается при р=0,54 МПа, что соответствует X =0,11 Вт/(м°С), В/Ц= 0,52 за счет парного воздействии давления воздуха и водоцементного соотношения на поризацию пенобетонного массива.

С помощью уравнений (31), (32), (33) были определены рациональные параметры процесса производства пенобетонной смеси в роторно-пульсационном комплексе. Поиск экстремумов осуществляется по следующим требованиям:

р —»min, R —> max, Л —> min. (34)

Это достигается при следующих значениях факторов: число оборотов ротора п = 1200 мин'1; давление нагнетаемого воздуха р = 0,4 МПа; водоцементное соотношение В/Ц = 0,5; концентрация пенообразователя с = 1,9л/м3.

В ходе проведения экспериментальных исследований на опытно- промышленном образце были выполнены замеры мощности, потребляемой электрическим приводом роторно-пульсационного комплекса. По полученным данным, в координатных осях, сопоставимых с используемыми при построении расчетных значений суммарной мощности, которые были получены по выражениям (24)-(28), в зависимости от изменения числа оборотов и ротора пульсационной установки, была построена экспериментальная зависимость Р± -f(n) (рис. 11).

р-. Вт ________—_——

vaco--------------

_______________Jt

ШЮ- ---------------з#— — '

------------Ж---

IHM------------------

---------rzz---

1КЖ0----------------

-------------

9ОН)------J---¿ИГ"------

saco------------

? J-' т.

?a¡o-----У1"'--------

«¡o----ZZ----------

___./[____________

дао--------------

^^ ---------------

'~U¿Í Ш> И» 1.4» МЮ ИЮ 1- об/мкв

Рис. 11. Графики изменения суммарной мощности в зависимости от числа оборотов ротора пульсационной установки: 1-расчетный, 2-эксперименталъный

Сравнительный анализ кривых показывает, что электродвигатель, установленный на приводном валу и рассчитанный согласно существующей методике, принят с существенным запасом по мощности и установленную мощность комплекса можно снизить на 24 %. Расхождение между расчетными значениями мощности, полученными в главе 2, и значениями, полученными в ходе исследований на опытно-промышленном комплексе, составляет 9,7 %.

f

*

У

У

«V

У,

У

2 •Ч f

/ J

У Т н

iS

Г

/

V

А.

У:

А

i? ю 13 J0 14 № 1J » » 06 Wt» 18

Данное обстоятельство свидетельствует о достаточной сходимости результатов и позволяет сделать вывод о возможности использования разработанного в настоящей работе математического аппарата для расчетов промышленных вариантов роторно-пульсационных комплексов.

В пятой главе приведены данные по опытно-промышленному внедрению роторно-пульсационного комплекса в ООО «Шебекинское Строительное Ремонтно-Монтажное Управление» (ООО «ШСРМУ» г. Шебекино, Белгородской обл.).

Фактическая производительность установки составила 6,1 м3/ч готовой пенобетонной смеси с плотностью 335 кг/м3.

Расчетный экономический эффект от планируемого внедрения мобильного роторно-пульсационного комплекса для производства пенобетонной смеси в условиях ООО «ШСРМУ» составит 330112 руб. (в ценах 2011 года).

Основные результаты и выводы

1. Рассмотрено оборудование для производства пенобетонных смесей и основные направления его развития и совершенствования. Установлено, что для производства теплоизоляционных пенобетонных смесей перспективны мобильные комплексы. Отмечено, что мобильные комплексы наиболее целесообразно применять в строительстве при заливке утепляющих перегородок и покрытий.

2. На основании анализа существующих технологий и оборудования, применяемого для производства пенобетона, сделан вывод о том, что перспективным направлением является разработка оборудования роторно-пульсационного типа, обеспечивающего совмещение в одном комплексе процессов одновременного смешивания и поризации с последующим перекачиванием готовой смеси к месту заливки одним универсальным рабочим органом.

3. На уровне изобретения разработана и запатентована новая конструкция мобильного комплекса с универсальным рабочим органом роторно-пульсационного типа, позволяющая повысить эффективность технологического процесса.

4. Аналитическим путем получены: выражения для расчета кинетической энергии турбулентности и скорости ее диссипации в смесительной камере с учетом аксиальной симметрии и постоянства осевой скорости; уравнения для вычисления значений поля скоростей роторно-пульсационной установки при турбулентном режиме; математическая модель движения смеси в зазоре между коаксиальными цилиндрами в условиях турбулентности; методика расчета мощности, потребляемой в период пуска роторно-пульсационной установки и

мощности при работе в турбулентном режиме с учетом влияния конструктивных параметров; выражения для определения консистентности получаемой пенобетонной смеси, которые позволяют расчетным путем установить необходимое число оборотов подвижного диска роторно-пульсационной установки для регулирования подвижности (густоты) получаемой смеси, а, значит управлять качественными показателями формируемого массива, производительностью, скоростью растекания и заполнения форм и заливаемых пространств смесью пенобетона.

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

6. 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 Я и теплопроводность Я. Установлена общая область расположения оптимумов по выходным параметрам, что подтверждается адекватностью квадратичных моделей.

7. На основании полученных уравнений регрессии осуществлена оптимизация конструкции и технологических режимов работы роторно-пульсационного комплекса при условиях, когда выполняется требование р->тш, Я-тах, А-мтп. Установлено, что для любого набора входных параметров числа оборотов и, 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: число оборотов вала ротора п = 1200 мин"1; давление нагнетаемого воздуха р = 0,4 МПа; водоцементное соотношение В/Ц= 0,5; концентрация пенообразователя с = 1,9 л/м3.

8. Выполнен сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных. Установлено, что расхождение между расчетными значениями суммарной мощности привода по предложенным аналитическим выражениям и фактическими значениями электрической мощности, измеренными в ходе проведения экспериментов на опытно-промышленной установке, составляет 9,7 %.

9. Изготовлен опытно-промышленный образец роторно-пульсационого комплекса для производства теплоизоляционной пенобетонной смеси. Проведены промышленные испытания в промышленных условиях в ООО «Шебекинское Строительное Ремонтно-Монтажное Управление» (ООО «ШСРМУ» г. Шебекино, Белгородской обл.), показавшие его высокую эффективность. Фактическая производительность установки

составила 6,1 м3/ч готовой пенобетонной смеси с плотностью 335 кг/м3. Расчетный экономический эффект от планируемого внедрения мобильного роторно-пульсационного комплекса для производства пенобетонной смеси в условиях ООО «ШСРМУ» составит 330112 руб. (в ценах 2011 года).

10. На основании расчетов и проведенных испытаний мобильный роторно-пульсационный комплекс был рекомендован к внедрению в промышленных условиях для производства теплоизоляционной пенобетонной смеси.

Список литературы

1. Ибрагимов, Д.В. Определение кинетической энергии и скорости ее диссипации в процессе получения пенобетонной смеси // Д.В. Ибрагимов / Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. Выпуск 3. - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2011. -С. 72 - 75.

2. Ибрагимов, Д.В. Обзор технологий производства пенобетона // Д.В. Ибрагимов, И.А. Щербинин / Межвуз. сб. ст. Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов. БГТУ им. В.Г. Шухова. Вып. VIII. -Белгород, 2009. - С.85 - 89.

3. Ибрагимов, Д. В. Малогабаритная установка для производства пенобетона // Д.В. Ибрагимов, И.А. Щербинин / Межвуз. сб. ст. Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов. БГТУ им. В.Г. Шухова. Вып. IX. - Белгород, 2010. - С. 179 - 182.

4. Ибрагимов, Д.В. Совершенствование технологии производства пенобетона с использованием роторно-пульсационной установки // Д.В. Ибрагимов, И.А. Щербинин / Сб. докл. междунар. научно-практич. конф. Интерстроймех. ТЗ- Белгород, 2010. - С. 49 - 52.

5. Ибрагимов, Д.В. Совершенствование подачи воздуха в малогабаритной установке для производства пенобетона // Д.В. Ибрагимов, И.А. Щербинин / Сб. докладов междунар. научно-практич. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. Часть I.- Губкин, 2011r.-C.117-119.

6. Ибрагимов, Д.В. Роторно-пульсационный комплекс для производства пенобетона // Д.В. Ибрагимов / [Электронный ресурс] Междунар. научно-техн. конф. молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова. - Белгород, 2011.

7. Патент РФ № 93732, кл. В28С 5/38. Роторно-пульсационная установка для производства пенобетона // Д.В. Ибрагимов, И.А Щербинин, В .А. Уваров, A.A. Уваров. / -Опубл. в БИ №13 10.05.2010г.

8. Патент РФ № 107503, кл. В28С 5/38. Роторно-пульсационный комплекс для производства пенобетона // Д.В Ибрагимов, O.A. Щербинина, Л.Д. Шахова, И.А. Щербинин, В.А. Уваров. / - Опубл. в БИ №23 20.08.2011г.

Подписано в печать НИ U. Формат 60x84/16

Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 Заказ № 4M

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

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЕНОБЕТОНА И НАПРАВЛЕНИЙ ЕГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ.

1.1. Способы получения пенобетонных изделий.

1.2. Стационарное оборудование, применяемое для производства пенобетона.

1.3. Применение мобильных комплексов для заливки пенобетона на стройплощадках и перспективы их использования в строительстве.

1.4. Существующие методики расчета установок роторно-пульсационного типа.

1.5. Описание технологического комплекса по производству теплоизоляционного пенобетона.

1.6. Цель и задачи исследований.

1.7. Выводы.

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ ДВИЖЕНИЯ СМЕСИ В РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННОЙ УСТАНОВКЕ.

2.1. Построение общих зависимостей, описывающих движение смеси.

2.2. Получение разрешающей системы уравнений для расчёта движения смеси.

2.3. Вычисление значений поля скоростей смеси пенобетона в роторно-пульсационной установке при турбулентном режиме.

2.4. Вычисление значений кинетической энергии турбулентности и скорости ее диссипации.

2.5. Расчет мощности роторно-пульсационной установки при турбулентном режиме.

2.6. Мощность, потребляемая в период пуска роторнопульсационной установки.

2.7 Определение консистентности получаемой смеси.

2.8. Выводы.

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. Характеристики компонентов пенобетонной смеси.

3.6. Выводы.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЕНОБЕТОННОЙ СМЕСИ.

4.1. Получение уравнений регрессии, описывающие зависимость р, Я, Я от варьируемых факторов.

4.2. Анализ влияния варьируемых параметров на эффективность процесса производства пенобетонной смеси в роторно-пульсационном комплексе.

4.3. Определение рациональных параметров процесса производства пенобетонной смеси в роторно-пульсационном комплексе.

4.4. Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных.

4.5. Выводы.

5. ПРОМЫШЛЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ.

5.1 Описание промышленного комплекса.

5.2 Выводы.

Использование пенобетона в строительстве в последние годы резко увеличивается, т.к. предоставляет строительным организациям существенные преимущества в сравнении с традиционно применяемым газосиликатом [96]. При прочих сравнимых характеристиках, пенобетон имеет закрытую пористую структуру, а значит низкое водопоглощение и высокую морозостойкость. При его получении не требуется алюминиевая пудра или известь, применяется природный, а не молотый песок. Высокая подвижность пенобетонной смеси, позволяет заливать в формы и скрытые полости без вибрация укладываемой смеси, что дает возможность заливать тонкие внутренние перегородки в вертикальную опалубку без применения тепловой обработки. Применение пенобетона позволяет выполнить новые, более жесткие нормативы, предъявляемые к теплосохраняющим свойствам ограждающих конструкций зданий и сооружений [79], поскольку высокие теплоизолирующие свойства пенобетона обусловлены уникальностью порообразования с равномерным распределением шарообразных пустот по всему бетонному массиву, причем они имеют практически одинаковые размеры и 100% закрытость. Построенное из пенобетона жилье обладает повышенной комфортабельностью и эксплуатационными свойствами: прохладой в летний зной; отсутствием так называемых «мостиков холода»; высокой звукоизоляцией до 60 дБ; идеальной поверхностью под любой вид декора; высокой огнестойкостью и др. Себестоимость пенобетона на 30 — 40% ниже по сравнению с автоклавным газобетоном и значительно ниже стоимости строительного кирпича. Совокупность приведенных выше преимуществ объясняет повышенный интерес к пенобетону и изделиям на его основе в промышленном и, особенно, в гражданском строительстве.

Накопленный на сегодняшний день опыт в строительстве показывает, что перспективным является направление развития индустрии стеновых материалов и утеплителей жесткого типа из пенобетона за счет создания минизаводов и миницехов по производству мелкоштучных изделий различного назначения, а также монолитное домостроение из такого бетона с помощью передвижных установок для заливки ограждающих конструкций и их теплоизоляции. Реализация данного направления требует создания комплексов малогабаритного мобильного класса и соответственно технологии к ним.

Применение таких комплексов в процессе строительства возможно двумя способами. Первый - приготовление пенобетона на стационарной установке, расположенной у объекта, и далее подача смеси по трубопроводам к месту укладки. Второй - приготовление пенобетона в передвижном малогабаритном комплексе, который можно перемещать поэтажно из помещения в помещение непосредственно к месту заливки.

Следует отметить, что оборудование и способы для получения пенобетонных смесей, как в РФ, так и за рубежом постоянно совершенствуются. Однако, такие недостатки как повышенная метало- и энергоемкость, стоимость из-за большого количества комплектующих технологического оборудования для потребителей является сдерживающим фактором в приобретении и применении. Так, например, стандартный ! комплекс обычно включает емкости расходных материалов, питатели-дозаторы, смеситель, пеногенератор, накопительную емкость и перекачивающий насос. Одним из направлений уменьшения их количества может быть выполнение большинства технологических операций в одной машине, например за счет одновременного смешивания и поризации исходных компонентов с последующим перекачиванием готовой смеси одним универсальным рабочим органом. Для осуществления предложенного совмещенного способа необходимо создать малогабаритный технологический комплекс для получения легких теплоизоляционных пенобетонных смесей, разработать математический аппарат для расчета его конструктивно-технологических параметров, изготовить лабораторный образец, провести его исследование и внедрение, осуществить выбор рациональных режимов работы.

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

Цель работы - разработка методики расчета, исследование и получение рациональных конструктивно-технологических параметров мобильного роторно-пульсационного комплекса, обеспечивающего повышение эффективности процесса получения теплоизоляционного пенобетона.

Задачи исследований:

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

2. Предложить и запатентовать принципиальную схему исполнения роторно-пульсационного комплекса, обеспечивающую совмещение в одном аппарате процессов одновременного смешивания и поризации с последующим перекачиванием готовой смеси к месту заливки одним универсальным рабочим органом.

3. Разработать методику аналитического расчета конструктивно- ~ технологических параметров работы агрегатов комплекса.

4. Исследовать режимы работы роторно-пульсационного комплекса и определить условия их протекания для различных марок теплоизоляционного 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-пульсационного комплекса.

7. Разработать опытно-промышленный вариант мобильного роторно-пульсационного комплекса и апробировать его в условиях реального производства.

Научная новизна заключается в получении:

- аналитических выражений для расчета кинетической энергии турбулентности и скорости ее диссипации в смесительной камере с учетом аксиальной симметрии и постоянства осевой скорости;

- уравнений для вычисления значений поля скоростей роторно-пульсационной установки при турбулентном режиме; математической модели движения смеси в зазоре между коаксиальными цилиндрами в условиях турбулентности;

- методики расчета мощности, потребляемой в период пуска роторно-пульсационной установки и мощности при работе в турбулентном режиме с учетом влияния конструктивных параметров; выражений для определения консистентности получаемой пенобетонной смеси;

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

Практическая ценность работы заключается в создании на основании теоретических разработок и экспериментальных исследований новой конструкции роторно-пульсационного комплекса для производства теплоизоляционного пенобетона, новизна конструктивных решений которого защищена патентами 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 комплексов для производства теплоизоляционного пенобетона и изделий на его основе.

Автор защищает.

1. Аналитические выражения для расчета кинетической энергии турбулентности и скорости ее диссипации в смесительной камере с учетом аксиальной симметрии и постоянства осевой скорости.

2. Уравнения для вычисления значений поля скоростей роторно-пульсационной установки при турбулентном режиме.

3. Математическую модель движения смеси в зазоре между коаксиальными цилиндрами в условиях турбулентности.

4. Методику расчета мощности, потребляемой в период пуска роторно-пульсационной установки и мощности при работе в турбулентном режиме с учетом влияния конструктивных параметров.

5. Выражения для определения консистентности получаемой пенобетонной смеси

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-пульсационного комплекса защищенное патентами РФ на полезную' модель, позволяющее повысить эффективность процесса получения теплоизоляционного пенобетона.

Реализация работы.

Теоретические и экспериментальные результаты работы апробированы и внедрены в ООО «Шебекинское Строительное Ремонтно-Монтажное Управление» (ООО «ШСРМУ» г. Шебекино, Белгородской обл.) в технологическом процессе приготовления теплоизоляционного пенобетона, в учебном процессе при выполнении курсовых и дипломных проектов на кафедре «Механического 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 октябре 2011 года. Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы и практические результаты исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на международных научно-практических конференциях: «Интерстроймех - 2010»; «Молодежь и научно-технический прогресс» (Губкин, 2011 г.); «Инновационные технологии и материалы», (БГТУ им. В.Г. Шухова, Белгород, 2011 г.). Публикации.

По результатам работы опубликовано 6 печатных работ, в том числе 1 в рецензируемых изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ, получено 2 патента РФ на полезную модель. Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из: введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 125 наименований; работа изложена на 177 страницах, содержит 60 рисунков, 5 таблиц, 3 приложения на 25 страницах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Рассмотрено оборудование для производства пенобетонных смесей и основные направления его развития и совершенствования. Установлено, что для производства теплоизоляционных пенобетонных смесей перспективны мобильные комплексы. Отмечено, что мобильные комплексы наиболее целесообразно применять в строительстве при заливке утепляющих перегородок и покрытий. 2. На основании анализа существующих технологий и оборудования, применяемого для производства пенобетона, сделан вывод о том, что перспективным направлением является разработка оборудования роторно-пульсационного типа, обеспечивающего совмещение в одном комплексе процессов одновременного смешивания и поризации с последующим ; перекачиванием готовой смеси к месту заливки одним универсальным рабочим органом.

3. На уровне изобретения разработана и запатентована новая конструкция мобильного комплекса с универсальным рабочим органом роторно-пульсационного типа, позволяющая повысить эффективность, технологического процесса. ' ' :

4. Аналитическим путем получены: выражения для расчета кинетической энергии турбулентности и скорости ее диссипации в смесительной камере с учетом аксиальной симметрии и постоянства осевой, скорости; уравнения для вычисления значений поля скоростей роторно-пульсационной установки при турбулентном режиме; математическая модель движения смеси в зазоре между коаксиальными цилиндрами в условиях турбулентности; методика расчета мощности, потребляемой в период пуска роторно-пульсационной установки и мощности при работе в турбулентном режиме с учетом влияния конструктивных параметров; выражения для определения консистентности получаемой пенобетонной смеси, которые позволяют расчетным путем установить необходимое число оборотов подвижного диска роторно-пульсационной установки для регулирования подвижности (густоты) получаемой смеси, а, значит управлять качественными показателями формируемого массива, производительностью, скоростью растекания и заполнения форм и заливаемых пространств смесью пенобетона.

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

6. 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 Я и теплопроводность Л. Установлена общая область расположения оптимумов по выходным параметрам, что подтверждается адекватностью квадратичных моделей.

7. На основании полученных уравнений регрессии осуществлена оптимизация конструкции и технологических режимов работы роторно-пульсационного комплекса при условиях, когда выполняется требование р—>шт, Я-япах, Я—»тт. Установлено, что для любого набора входных параметров числа оборотов 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: число оборотов вала ротора п = 1200 мин'1; давление нагнетаемого воздуха р = 0,4 МПа; водоцементное соотношение В/Ц = 0,5; концентрация пенообразователя с= 1,9 л/м3.

8. Выполнен сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных. Установлено, что расхождение между расчетными значениями, суммарной мощности привода по предложенным аналитическим выражениям и фактическими значениями электрической мощности, измеренными в ходе проведения экспериментов на опытно-промышленной установке, составляет 9,7 %.

9. Изготовлен опытно-промышленный образец роторно-пульсационого комплекса для производства теплоизоляционной пенобетонной смеси. Проведены промышленные испытания в промышленных условиях в ООО «Шебекинское Строительное Ремонтно-Монтажное Управление» (ООО «ШСРМУ» г. Шебекино, Белгородской обл.), показавшие его высокую эффективность. Фактическая производительность установки составила 6,1 м3/ч готовой пенобетонной смеси с плотностью 335 кг/м3. Расчетный экономический эффект от планируемого внедрения мобильного роторно-пульсационного комплекса для производства пенобетонной смеси в условиях ООО «ШСРМУ» составит 330112 руб. (в ценах 2011 года).

10. На основании расчетов и проведенных испытаний мобильный роторно-пульсационный комплекс был рекомендован к внедрению в промышленных условиях для производства теплоизоляционной пенобетонной смеси.

140

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

2. Адамсон, А. Физическая химия поверхностей / А. Адамсон. М.: Мир, 1979.-436 с.

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

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

5. Балабудкин, 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.

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

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

8. Балабудкин, М.А. К расчету затрат мощности в РПА. / М.А.Балабудкин -//«Хим. -фарм. журнал».- 1977. т.2. - №3.

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

10. Балабудкин, М.А Исследование процесса получения высококонцентрированных дисперсий газа в жидкости./ М.А

11. Балабудкин, A.A. Барам // В сб. трудов Ленингр. технол. ин та целлюлозно -бум. пром -ти, №23. - М.: «Лесная пром-сть», 1970. С. 150-152.

12. Балабудкин, М.А. Роторно пульсационные аппараты в химико -фармацевтической промышленности / М.А Балабудкин - М.: Медицина, 1983. - 160 с.

13. Балясников, В.В. Пенобетон на модифицированных синтетических пенообразователях: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.23.05 / Балясников В.В; Белгор. технол. академия строит, материалов. — Белгород, 2003. 19 с.

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

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

16. Богданов, В.В. Эффективные малообъемные смесители / В.В Богданов и др // Учебник для строительных вузов М.: В-Ш., 1985. -220 с.

17. Бондарь, А.Г. Планирование эксперимента в химической технологии. / А.Г. Бондарь, Г.А. Статюха, И.А. Потяженко. Киев: Вища школа, 1980.-264с.

18. Брагинский, JI.H. Перемешивание в жидких средах / JI.H. Брагинский, В.И. Бегачев, В.М. Барабаш. Физические основы и инженерные методы расчета. -Л.: Химия, 1984. -336 с.

19. Бродский, В.З. Введение в факторное планирование эксперимента / В.З. Бродский. М.: Наука, 1976. - 223 с.21 .Броунштейн, Б.И. Гидродинамика, массо- и теплообмен в дисперсных системах / Б.И. Броунштейн, Г.А Фишбейн. -Л.: Химия, 1977. 280 с.

20. 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.

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

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

23. Государственный стандарт Союза ССР. БЕТОНЫ Методы определенияIплотности дата введения 01.01.80г.

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

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

26. Дерко, П.П. Роторно пульсационные устройства / П.П. Дерко, С.З. Лозовский, Л.И. Свичар. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1974. -302 с.

27. ЪХ.Ерицков, С.М. Математическая теория оптимального эксперимента: учебное пособие / С.М. Ерицков, A.A. Жиглявский. М.: Наука, 1987. -320 с.

28. Зедгинидзе, И.Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем / И.Г. Зедгинидзе. М.: Наука, 1976.-330 с."

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

30. Каган, С.З. Теория и практика перемешивания в жидких средах / С.З. Каган, Ю.Н. Ковалев, В.И. Ильин. М.: НИИТЭхим, 1973. - 318 с.41 .Кафаров, В.В. Процессы перемешивания в жидких средах / В.В. Кафаров. М.: Госхимиздат, 1949. - 230с.

31. Кондратьев, В.В. Структурно-технологические основы получения «сверхлегкого» пенобетона. Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.23.05.— Казань, 2003.-21 с.

32. Копылева, Б.Б. В кн.: Теория и практика перемешивания в жидких средах. / Б.Б. Копылева, И.С Павлушенко. М.: НИИТЭхим, 1973.-72 с.

33. Красовский, Г.И. Планирование эксперимента / Г.И. Красовский, Г.Ф. Филаретов Минск.: Изд-во БГУ, 1982. - 302 с.

34. Лесовик, В. С. Особенности получения теплоизоляционного пенобетона на синтетических пенообразователях // B.C. Лесовик, Л.Д. Шахова / Известия вузов. Строительство. №3, 2008 С. 51-56.48Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973. 849 с.

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

36. Методические рекомендации по планированию эксперимента в технологии стройматериалов. Челябинск: УралНИИстромпроект, 1973.

37. Методические указания к выполнению курсовой работы по экономике предприятия для студентов специальности 171600 / Г.А. Петровская, H.A. Жмуркова, И.В. Сомина. Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 2000. 37 с.

38. Меркин, А.П. Научные и практические основы улучшения структуры и свойств поризованных бетонов: Дис. докт. техн. наук. М., 1971- — 270 с.

39. Налимов, В.В. Теория эксперимента/В.В. Налимов. М.: Наука, 1971. с. 207.

40. Патент №75348 на полезную модель №75348 Кавитационная установка для производства пенобетона. / И.А. Щербинин, В.А. Уваров, Д.В. Карпачев, Л.Д. Шахова 2008.

41. Патент РФ № 2077421 Устройство для аэрации строительного раствора / АЛО Киселев, Ю.П. Трифонов, Э.Х Кушу, В.И. Токарев 1997.

42. Патент РФ №2081099 Способ приготовления поризованной строительной смеси и устройство для его осуществления (варианты) / О. В. Коротышевский, В. Г. Шкуридин. Дата публикации: 1997.06.10.

43. Патент РФ № 2104257 Способ получения и транспортирования пенобетона для монолитной теплоизоляци строительных конструкций / И. Б. Удачкин, О. А. Шеховцов, О. Н. Макаров, С. В. Шеховцова, А. Н. Макаров, В. А. Фукс. Дата публикации: 1998.02.10.

44. Патент РФ №2115551 Пенобетоносмеситель типа «ПБС-3» / И. Б. Куцемелов, С. И. Коломацкий, Е. И. Коломацкий, И. В. Бражник, С. А. Трофимов, Б. А. Куцемелов. Дата публикации: 1998.07.20.

45. Патент РФ №2148494 Способ и устройство для приготовления пенобетона / В.В. Иваницкий, Ю.В. Гудков, А. О. Ахундов Ализакир, О.Д. Чернов. Дата публикации: 2000.05.10.

46. Патент РФ № 2152871 Способ приготовления пенобетона и устройство для его осуществления / B.JI. Курбатов; Б.А. Синаев. Дата публикации: 2000.07.20.

47. Патент РФ № 2189309 Передвижная универсальная строительная установка. / В. J1. Курбатов, А. Б. Синаев. Дата публикации: 2002.09.20.

48. Патент РФ №2195397 Мобильная установка для приготовления пенобетона / О.Г. Гордилов. Дата публикации: 2002.12.27.

49. Патент РФ №2200090 Установка для приготовления пенобетонной смеси и способ работы на ней. / А. И. Кабанов, В. А. Миллер, А. Н. Чернов. Дата публикации: 2003.03.10.

50. Патент РФ №2213004 Способ приготовления пенобетонной смеси и устройство для его осуществления / A.A. Ковыляев. Дата публикации: 2003.09.27.

51. Патент РФ №2214916 Установка для приготовления, транспортирования и укладки пенобетонной смеси / А.Н. Карпов, O.A.

52. Карпов, В.Г. Тамурка, М.В. Орлов, И.А. Илясова. Дата публикации: 2003.10.27.

53. Патент РФ №93732 Роторно-пульсационная установка для производства пенобетона / Д.В. Ибрагимов, И.А Щербинин, В.А. Уваров, A.A. Уваров. Опубл. в БИ №13 10.05.2010г.

54. М.: Энергия, 1979. 405 с. 74.Романков, П.Г. Массообменные процессы химической технологии /

55. П.Г. Романков, Н.Б. Рашковская, В.Ф. Фролов. Л.: Химия, 1975. 333с. 15.Садовский, В.Я. Аппаратура с перемешивающими устройствами // В.Л. Садовский, Л.Н. Брагинский, В.М. Барабаш / М.: НИИхиммаш, вып. 80, 1978.-С. 18-21.

56. Свичар, Л.И. Роторно пульсационные смесители для жидких сред. Экспресс - информация // Л.И. Свичар, П.А. Онацкий, Г.Л. Гарбузова / Серия ХМ - 1. ЩЖГИХИМНЕФТЕМАШ. М., №4, 1979. - С. 20. 1%.Силаенков, Е.С. Долговечность изделий из ячеистых бетонов. - М.:

57. Стройиздат, 1986. 175 с. 19.Смирнов, Ю.А. Теория и практика перемешивания в жидких средах / Ю.А. Смирнов, А.О. Белопольский. М.: НИИТЭхим, 1976. - 256 с.

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

59. ЪЪХолпанд, Ф. Химические реакторы и смесители для жидкофазных процессов. / Пер. с англ. / Под ред. Жорова Ю.М. М.: Химия, 1974. -208 с.I

60. Шахова Л.Д. Пенообразователи для ячеистых бетонов / Л.Д. Шахова, В.В. Балясников. Белгород: Изд-во «CK типография», 2002. - 147 с.

61. Шахова, Л.Д. Технология пенобетона. Теория и практика / Л.Д. Шахова. М.: Изд-во АСВ, 2010. 248 с.

62. Шлихтинг, Г. Теория пограничного слоя. / Пер. с нем. // Под ред. Лойцянского Л.Г. М.: Наука, 1974. 712 с.

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

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

65. 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.

66. Щербинин, И.А. Роторно-пульсационная установка для производства пенобетона: дисс.канд. техн.наук /И.А. Щербинин; БГТУ им.В.Г. Шухова, 2009 168 с.

67. Ячеистый легкий бетон «Неопор» // Рекламная брошюра фирмы «Неопор». 1994. - 26 с.

68. Blaschke G., Schugerl К. / Chem. Eng. Sei. 1969. V.24. № 10. P. 1543-1552.

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

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

71. Corrigan Т., Beavers W. / Chem. Eng. Sei., 1968. v. 23. p. 9.

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

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

74. Liepe F. / Chemishe Technik. 1971. № 4/5. s. 231-235.

75. FordD. E., Mashaikar R.A, Ulbrecht l / Process Techn. Int. 1972. V. 17, № 10. P. 803-807.

76. Menges G. / Gummi-Asbest-Kunststoffe. 1971.Bd. 25. № 9. S. 818826.

77. Nagata S., Jokoyama Т., Maeda H. / Med. Fac. Engng Kyoto Univ., 1959. v. 18. №1. p. 13-21.

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

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

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

81. Kuchta K. / Dispergieren unter Berucksirhtigung des Aggregatrustaudes und der Viskontat. / Chemische Industrie. 1976. Bd 28. № 5. Sonderdruck.

82. Zglav M., Zanetich P., Jurin A. / Kemiija i industriji. 1/1970. p. 11.

83. Peters D. C., Smith J.M. / Trans. Instn Chem. Engrs (London). 1967. v.45. №9. p. 360-368.

84. Rushton J.H., Costich E.W., Everett H.J. / Chem. Engng Prog. 1950. v. 46 p. p. 395, 467.

85. Prandtl L. / The Mechanics of Viscons Fluids. Aerodynamic Theory. / Ed. by Irand W.F. Vol. 3, Div. G. 1935.

86. Prandtl L. / ZAMM, 1925, Bd. 5 №1, s. 136-152.

87. Waek P.E., Anthony R.L., Cuth E. I. / Appl. Phys. 7. №18. P. 456-459.