автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Роторный спирально-лопастной смеситель периодического действия

На правах рукописи

Горшков Павел Сергеевич

Роторный спирально-лопастной смеситель периодического действия

05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005531110

Белгород - 2013

005531110

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

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Несмеянов Николай Петрович

кандидат технических наук, доцент.

Огурцов Валерий Альбертович

доктор технических наук, профессор, Ивановский государственный архитектурно-строительный университет, профессор кафедры «Строительная механика».

Герасимов Михаил Дмитриевич

кандидат технических наук, доцент, Белгородский государственный технологический университет им В. Г. Шухова, профессор кафедры «Подъемно-транспортные и дорожные машины».

ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» Национальный исследовательский университет, г. Москва.

Защита состоится 25 апреля 2013 г. в Ю00 часов на заседании 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 учебный 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 «22» марта 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.А. Уваров

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В настоящее время технологии сухих строительных смесей (ССС) играют огромную роль в развитии мирового рынка строительных материалов. Сухие смеси имеют большое значение не только с точки зрения эстетической отделки здания, но все чаще они обеспечивают теплоизоляцию и существенно увеличивают эффективность строительства. Бурное развитие инновационных технологий, изучение материалов на нано-уровне и комплексный подход открывает перед этой отраслью большие перспективы. Именно в наши дни, модифицированные сухие смеси сложного состава: шпаклевки, выравнивающие смеси, клеи высокой степени фиксации, и т.д., получают все более широкое распространение в строительстве.

Свойства строительных смесей зависят от физико-химических и физико-механических характеристик используемых в смесях компонентов, а энергетические затраты - от характера их переработки. Поэтому достижение минимальных энергетических затрат при получении различных смесей возможно за счет решения вопросов в подсистеме формирования состава и стабилизации качества строительных смесей и от того, насколько равномерно отдельные компоненты будут распределены в основном объеме смеси, напрямую зависят эксплуатационные характеристики получаемого продукта. Даже небольшое отклонение содержания малых добавок, вызванное плохим их распределением, может негативно сказаться как на физико-механических, так и на технико-эксплуатационных свойствах смеси.

Именно по этим причинам смесительный узел по праву считается наиболее ответственным участком завода по производству ССС. Следовательно, работа смесительного оборудования является важнейшим шагом на пути получения высококачественного продукта.

Поэтому создание смесителей, как важнейшего оборудования в технологической цепочке, более совершенной конструкции с минимизацией потребляемых ресурсов и увеличения номенклатуры выпускаемой продукции на единичном оборудовании является наиболее актуальной задачей, стоящей перед инженерами в области производства ССС.

Цель работы - разработка роторного спирально-лопастного смесителя периодического действия для смешивания сухих смесей и методики расчета основных конструктивно-технологических и энергетических параметров.

Научная идея заключается в использовании принципа циркуляции частиц сыпучего материала из застойных зон вдоль корпуса смесителя и установление аналитических зависимостей, описывающих это движение.

Задачи исследования:

1. Провести анализ классификационной системы сухих строительных смесей и смесительного оборудования для их получения с различными режимами смешивания.

2. Усовершенствовать конструкцию вертикально-лопастного смесителя, позволяющей изменять траектории движения частиц и установить его рациональные геометрические и технологические параметры для получения сухих смесей.

3. Разработать математическую модель скоростей движения частиц смеси при различных характеристиках циркуляции сыпучего материала, находящегося в псевдоожиженном состоянии.

4. Установить теоретические зависимости, описывающие движение частиц по спирали шнека, закрепленной на внутренней поверхности смесительного барабана.

5. Разработать математическую модель расчета: геометрических параметров спирально-винтовой поверхности шнека, концентрации смеси и изменения ее физико-механических свойств, мощности, потребляемой смесителем.

6. Установить методом планирования многофакторного эксперимента регрессионные зависимости изменения коэффициента неоднородности, мощности, затрачиваемой на смешение компонентов смеси, прочностных характеристик готового продукта, а так же провести проверку аналитических зависимостей в лабораторных условиях для определения рациональных технологических и конструктивных параметров смесителя.

7. Установить рациональные геометрические и технологические параметры роторного спирально-лопастного смесителя для получения сухих строительных смесей.

8. Разработать рекомендации для промышленного внедрения смесителя.

Достоверность результатов подтверждается проведением большого объема

экспериментов с использованием современных методов исследований и компьютеризированных средств измерений, подтверждением теоретических предпосылок результатами лабораторных исследований, соответствием полученных закономерностей основным положениям статистического анализа процесса смешения.

Научная новизна заключается в получении:

уравнений для расчета скоростных характеристик движения сыпучего материала с учетом его циркуляции в спирально-лопастном смесителе;

аналитических выражений, позволяющих оценить время смешивания компонентов сыпучего материала и определить изменение концентрации этих компонентов в зависимости от продолжительности перемешивания;

зависимостей, позволяющих установить конструктивно-технологические параметры смесителя с учетом свойств сыпучего материала;

аналитических зависимостей для определения величины потребляемой мощности приводом ротора спирально-лопастного смесителя.

Практическая значимость работы.

Предлагаемый метод смешивания сыпучих материалов с использованием скоростных режимов и интенсификации процесса позволит получать сухие смеси с

высокой степенью равномерного распределения ключевого компонента с меньшими затратами энергетических и технологических ресурсов. Разработанный принцип движения частиц перемешиваемых компонентов может применяться как при модернизации уже существующего смесительного оборудования, так и при проектировании нового.

Полученные аналитические зависимости позволяют определить рациональное время смешивания сухих смесей с конкретной рецептурой, получить рациональные геометрические параметры конструкции смесителя и определить энергетические затраты во время работы роторного спирально-лопастного смесителя.

Экономическая эффективность от использования смесителя предлагаемой конструкции обеспечивается за счет роста выпуска продукции на 5% и увеличения качества получаемой строительной смеси, что позволит сократить себестоимость 1 тонны сухих строительных смесей на 54,08 рубля и составит 390 тыс. рублей в год. Срок окупаемости проекта составит около 11 месяцев.

Автор защищает:

1. Математические модели движения частиц сыпучего материала находящегося в псевдоожиженном состоянии как с учетом радиальной и осевой скоростей его циркуляции, так и по спиральной поверхности шнека смесителя.

2. Аналитические зависимости, позволяющие определить изменение концентрации компонентов сухой смеси и найти время их смешения в зависимости от конструктивных и технологических параметров смесителя.

3. Уравнения регрессии, позволяющие определить величину параметров оптимизации 1'с, асж, с/ в зависимости от исследуемых факторов 50, А г, пш, пр.

4. Конструкцию спирально-лопастного смесителя для ССС подтвержденную патентом РФ №112 643 III.

Реализация работы.

Роторный спирально-лопастной смеситель для ССС внедрен на ООО «Боникс», г. Белгород. Экономический эффект от внедрения составит 390 тыс. рублей в год.

Апробация работы.

Основные результаты работы были рассмотрены на заседаниях кафедры механического оборудования БГТУ им. В.Г. Шухова в 2010 - 2011 году, на технических совещаниях ООО «Боникс», г. Белгород в 2011 - 2012 году и представлены на Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов». - Белгород, 2010 г. и X Международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2010» - Белгород, 2010 г.

Публикации.

Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 14 научных публикациях, в том числе 4 статьи в центральных

рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен патент РФ на полезную модель № 112643.

Структура и объем работы.

Работа выполнена на 153 страницах, содержит 5 глав и выводы по работе, 58 рисунков, 15 таблиц, 124 источников литературы, 1 приложение.

Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, указана научная новизна, практическая ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены основные направления развития техники и технологии смешивания сухих компонентов при производстве ССС.

Проведенный анализ основных свойств и качеств ССС, а также современных методов их получения показал, что повышение эффективности процесса смешения в лопастных смесителях периодического действия с высокоскоростным движением ротора возможно за счет дополнительной циркуляции сыпучей среды из застойных зон вдоль корпуса смесительного барабана по всему его объему.

Учитывая также, что одним из преимуществ смесителей с высокоскоростным режимом смешивания является высокая подвижность частиц, и переход материала в псевдоожиженное состояние предложена конструкция роторного спирально-лопастного смесителя периодического действия (рис. 1).

Смеситель работает следующим образом: перемешиваемые компоненты загружаются через верхний люк и попадают внутрь барабана 2 смесителя. Одновременно включается привод 6, приводящий во вращение вертикальный вал через зубчатую передачу и привод 7, приводящий во вращение смесительный барабан 2 через клиноременную передачу. При этом ротор 3 вращается в

Рисунок 1. Роторный спирально-лопастной смеситель: 1 - корпус, 2 - смесительный барабан, 3 - ротор, 4 - лопасть месильная, 5 - трехзаходная винтовая спираль,

6 - привод ротора. 7 - привод смесительного барабана.

противоположную сторону вращения барабана 2, а направление вращения барабана смесителя выбирается в соответствии с направлением витков спирали 5. В результате вращения вала лопасти 4 поднимают смешиваемые компоненты и набрасывают их на спираль 5, тем самым перемещая материал как в вертикальном так и в горизонтальном направлениях. При этом разрывы, имеющиеся в нем, создают турбулентные потоки смеси. Перемещаясь по поверхности шнека, смесь попадает на второй ряд лопастей и, переместившись как в осевом, так и в радиальном направлениях, попадает на среднюю часть спирали и продвигается вверх. Так смесь достигает верхней части барабана смесителя, и направляется вниз навстречу основному потоку смеси. После того, как смесь перемешалась, она выгружается через нижний люк посредством открывающейся крышки. После разгрузки смесителя процесс повторяется.

Таким образом, предлагаемая конструкция смесителя, создающая противоточные конвективные потоки (циркуляцию) исходных компонентов, как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях, позволит увеличить степень однородности готового продукта, сократить время смешивания и получать качественные сухие строительные смеси.

На основании вышеизложенного определены цель и задачи исследований.

Во второй главе представлено математическое описание процесса смешивания в роторном спирально-лопастном смесителе.

При высокоскоростном режиме смешивания сухая смесь переходит в псевдоожиженное состояние, характеризующееся рядом этапов, которые отличаются формой поверхностного слоя и характером циркуляции материала. На основании расчетной схемы (рис. 2) были получены аналитические зависимости для расчета объема V, и плотности у, сыпучего материала, находящегося в псевдоожиженном состоянии при установившемся режиме циркуляции частиц смеси. Учитывая, что в верхних слоях смеси, около вертикального вала, образуется воронка, по поверхности которой движется материал, ее объем будет равен:

(1)

Учитывая, что:

Аг + к

= и = гиб .

2- П,

х/ —Г

Рисунок 2. Расчетная схема зон движения материала при установившемся режиме вращения.

Зона 1 - движение сыпучего материала в основном объеме корпуса смесителя; Зона 2 - движение материала вблизи стенок и вертикального вала.

Получим:

К.+Дг---Дг-

о 3

(3)

У,-

-тс

Аг-й

1б5

(4)

Полученные соотношения устанавливают изменения первоначального уровня загрузки сыпучего материала в корпусе смесителя в зависимости от его конструктивных и технологических параметров.

Учитывая особенности движения частиц сыпучего материала при высокоскоростном режиме смешивания необходимо определить скорости движения этих частиц в основном объеме корпуса (рис. 2, зона 1) и вблизи стенок и вертикального вала (рис. 2, зона 2) спирально-лопастного смесителя.

Для определения радиальной скорости циркуляции частиц введем цилиндрическую систему координат г, <р, г, с началом в центре нижнего основания цилиндрического корпуса смесителя:

х = г • соэ ср у = Г-БШф . ъ = ъ

(5)

Тогда, уравнение, описывающее динамику перемещения сыпучего материала в радиальном направлении:

Ё!£ + Х-О)---Ш2Т = 0. (6)

сИ2 сИ

Решая уравнение (6), получим значение вектора радиальной скорости движения материала в роторном спирально-лопастном смесителе.

7хГ+Т-х

V, ---со-г. (7)

2

Для определения осевой скорости циркуляции сыпучего материала (рис. 2, зона 2) уравнение динамики движения сыпучего материала вдоль положительного направления оси О- будет иметь вид:

С1уг аг

где а0- коэффициент пропорциональности движения материала относительно вращения лопастей ротора смесителя.

С математической точки зрения уравнение (8) представляет собой дифференциальное уравнение первого порядка с разделяющимися переменными. Решая данное уравнение, получим значение вектора осевой скорости движения материала в роторном спирально-лопастном смесителе.

- = (8)

V, = , (9)

Я-/

где XV - значение радиальной скорости движения сыпучего материала, при г — —-—.

Для определения скорости движения материала по винтовой поверхности был использован закон сохранения кинетической энергии материала массой Д/и при движении по наклонной поверхности.

Кинетическая энергия в начале Т, и конце Т2 сектора спирали:

Дт^г (,о)

2 , 2 Закон сохранения кинетической энергии для материала, движущегося по сектору:

Т, — Т2 = и, + Ат . (11)

Решая данный закон, получим скорость подъема частиц материала в конце сектора спирали:

У,г = ^ш2-2^-/0- зт50+/-соз50 . (12)

Для описания качественного распределения частиц в объеме смеси была использована диффузионная модель изменения концентрации ключевого компонента

с поршневым движением. Математическая модель этого движения имеет следующий вид:

ас)

д\ ~~ ^ дт. г дг

дг

V. = -

Э. =

А • ы

Т7

/ наг

Н(1+Д2 0 А-со

Н„+Д2 / ^ •

6-1

Асо

~бТ

/П 2

2

(13)

(14)

(15)

Тогда концентрация ключевого компонента смеси в зависимости от времени перемешивания и расстояния от оси вращения ротора определяется:

З-сО

С I,г =■

С..

V,-

2-Я

•ехр

1 +

2-1

18- Я

■оМ

Лк,—

(16)

еда 0.Е5 М® М!0 М05 Г, м

Рисунок 5. График изменения концентрации сыпучего материала в лопастном смесителе.

На рисунке 5 представлена графическая интерпретация уравнения 16, определяющая концентрацию С ключевого компонента сыпучей смеси в зависимости от времени перемешивая t и расстояния г от оси вращения ротора смесителя.

Мощность, затрачиваемая на перемешивание сухих материалов в роторном спирально-лопастном

смесителе, определяется как сумма мощностей расходуемых на вращение ротора смесителя в сыпучей среде, на подъем материала по поверхности шнека и на вращение смесительного барабана с

перемешиваемым материалом:

N = Мс + Мр

-1МС

(17)

При этом мощность, расходуемая на подъем материала по поверхности шнека определяется:

: Т''ё';° -од- 5т50 + /-соз60 -Лг-]Р Н, -Ь0 2-я ¡=1

Ыс

(18)

Мощность, расходуемая на вращение ротора смесителя в сыпучей среде определяется:

Np = С2 ■ со2'56 • L3 5 • Ь • sin а °'68 ■ Н"'74 • S"'"J ■ рн . (19)

Мощность, расходуемая на вращение смесительного барабана с перемешиваемым материалом:

N _M„-R | пг - мп - g-y, •/(, - c-hp ^ (20)

Б 8-л: 2-Аф

где Дф - угловой размер спирали шнека. Дф = со5 ■ t.

В третьей главе представлены план, программа и методики проведения экспериментальных исследований, дано описание натурной модели с прозрачным корпусом и лабораторной установки, представлены характеристики исследуемого материала.

Для проведения исследований процесса смешивания исследовалась разработанная патенточистая модель установки спирально-лопастного смесителя периодического действия (рис. 5) для получения ССС.

В качестве плана эксперимента был выбран центральный композиционный ортогональный план ЦКОП 24 полного факторного эксперимента, позволяющий равномерно распределить информацию в уравнениях функции отклика по всем направлениям и минимизировать систематические ошибки, связанные с неадекватностью представления результатов полиномами второго порядка.

В качестве исследуемых факторов были приняты: <У0(Х|) - угол подъема винтовой спирали. 18...32"; Д/'(х2) - ширина спирали, 26...54 мм; пш (х3) - число оборотов спирали

(смесительного барабана), 26...54 мин"1; пр (X4) - число оборотов ротора, 410...690 мин"1.

В качестве функций отклика, характеризующих технологические и энергетические показатели спирально-лопастного смесителя, приняты: коэффициент неоднородности смеси Vc, %; предел прочности при сжатии раствора смеси в 28 суточном возрасте твердения о, МПа; удельный расход электроэнергии q, кВт-ч/т.

Рисунок 6. Общий вид экспериментальной установки спирально-лопастного смесителя.

Для исследования процесса смешения в экспериментальной установке роторного спирально-лопастного смесителя, были выбраны цемент ПЦ500-Д0 и кварцевый песок с размером фракций 0,125...0,8 мм.

В четвертой главе представлены результаты исследований по изучению скоростных параметров движения частиц материала по винтовой поверхности внутри прозрачного корпуса натурной модели спирально-лопастного смесителя, которые подтвердили правильность выбранной методики расчета скорости движения частиц.

В ходе экспериментальных исследований и статистической обработки их результатов по влиянию исследуемых факторов на коэффициент неоднородности Г , предела прочности на сжатие стсж раствора смеси в 28 суточном возрасте твердения и удельного расхода электроэнергии смесителя Ц получены следующие уравнения регрессии:

Ус = 4,881 + 0,025 • х, + 0,263 • х2 + 0,357 • х3 + 0,013 • х4 + +0,483-х,2 + 0,588-х2 + 0,497-х2 -0,116-х2 + 0,199-х, -х2 - (21) -0,24-х, -х3 -0,286-х, -х4 + 0,228-х2 -х3 -0,061-х2 -х4 -0,12-х3 -х4 .

асж = 15,81 +1,009 • х, - 0,267 • х2 - 0,676 • х3 -1,187 • х4 + 0,083 • х,2 --0,64 • х\ + 0,31 • х\ - 0,366 • х42 +1,515 • х, • х2 -1,346 • х, • х3 + (22) +0,331-х, -х4-1,185-х2-х3 + 0,022-х2-х4 + 1,546-х3-х4 .

9 = 3,43 + 0,745-х, +1,52-х2+ 0,36-х3+0,682-х4+0,056-х,2 + +0,906 • х22 + 0,175 • х2 + 0,18 • х2 - 0,151 • х, • х, + 0,191- х, • х3 + (23)

+0,129-х, -х4 -0,182-х2 -х3 -0,174-х2 -х4 + 0,39-х3 -х4 . По уравнениям регрессии (21), (22), (23) были получены графические зависимости парного влияния варьируемых факторов на функции отклика. Наиболее характерные из них представлены на рисунках 7, 8, 9.

а

и со ч

Ширина спирвли ¡инеко, пм

55

30

15 « *5

Чигло ойоротоб ш»еко. мш/

£0

55

Рисунок 7. Экспериментальные зависимости:

а) Ус = Р[50) при пш=40 мин'1 и пр=550 мин'1

б) V,, = Я(пш) при 80=25 град, и пр=550 мин"1

-1

ю. i»; f" I"

IJ6'

I8

и.

15

20 К 30

Угол подьема бинтовой линии, градус

500 550 600 Число оборотов ротора, nutr'

Рисунок 8. Экспериментальные зависимости:

а) <тСж = f(5o) при Дг=40 мм и

пш=40 мин'

б) асж = f(np) при 50=25 град, и

n„,=40 мин'

Рисунок 9. Экспериментальные зависимости: а) q = f(Ar) при пш=40 мин"1 и б) q = f(np) при Дг=40 мм и

пр=550 мин"1 пш=40 мин'1

Анализ графических зависимостей функций отклика, к которым предъявлялись

следующие требования: Vc ->min; crtJ((,-»max; qr->min от варьируемых факторов подтверждает установленные ранее закономерности, а так же позволяет выбрать рациональные технологические и конструктивные параметры роторного спирально-лопастного смесителя, к которым относятся:

- угол подъема винтовой линии трехзаходной спирали - 22...28

- ширина шнека трехзаходной спирали - 30...45 мм;

- число оборотов шнека трехзаходной спирали - 30...40 мин'1;

- число оборотов ротора - 500...600 мин'1.

В пятой главе описаны результаты проведенных испытаний полупромышленной установки смесителя предлагаемой конструкции на ООО «Боникс». Испытания роторного спирально-лопастного смесителя осуществлялось в составе технологической линии по производству финишной шпаклевки для отделочных работ "ММ-ЮО-Д". По результатам промышленной апробации, теоретическим и экспериментальным исследованиям можно сказать, что предлагаемая конструкция роторного спирально-лопастного смесителя может быть рекомендована для разработки промышленного образца и внедрения в различные отрасли при получении ССС. Результаты экономических расчетов показали, что себестоимость 1 тонны сухих строительных смесей после внедрения смесителя,

предлагаемой конструкции, снизится на 54,08 рубля, экономический эффект от внедрения составит 390 тыс. рублей в год. Срок окупаемости проекта составит около 11 месяцев.

Основные результаты и выводы

1. Учитывая сложный состав сухих строительных смесей и широкий спектр их применения, рассмотрены и проанализированы смесители с учетом режимов смешивания, которые характеризуются скоростью и временем протекания процесса. Установлено, что одним из преимуществ смесителей с высокоскоростными режимами смешивания является высокая подвижность частиц и переход материала в псевдоожиженное состояние.

2. Для повышения эффективности процесса смешивания сыпучих материалов предложена патентозащищенная конструкция спирально-лопастного смесителя периодического действия с быстровращающимся ротором, позволяющая обеспечить дополнительную циркуляцию сыпучей среды из застойных зон вдоль корпуса смесителя.

3. Разработана математическая модель циркуляции сыпучего материала в спирально-лопастном смесителе при установившемся режиме работы, получены аналитические зависимости для определения скоростных характеристик движения частиц в различных зонах корпуса смесителя.

4. В рамках рассмотренной диффузионной модели движения материала предложено теоретическое описание изменения концентрации ключевого компонента сухой смеси в зависимости от конструктивных и технологических параметров смесителя. Получена аналитическая зависимость для расчета потребляемой мощности роторным спирально-лопастным смесителем периодического действия.

5. Исследован процесс смешения в экспериментальной установке роторного спирально-лопасного смесителя периодического действия с использованием математического планирования эксперимента. В качестве основного плана выбран центральный композиционный ортогональный план ЦКОП 24 полного факторного эксперимента. На основе поисковых экспериментов определены варьируемые факторы: х, - угол подъема винтовой спирали, х2 - ширина спирали, х3 -число оборотов спирали (смесительного барабана), х4 - число оборотов ротора.

6. На основе анализа экспериментальных данных получены уравнения регрессии вида Vc, асж, q = f(<5<j, Аг, пш, пр). Дана оценка влияния каждого из факторов и их взаимодействия формирования функции отклика. Проведен анализ графических зависимостей функций отклика от варьируемых факторов. Расхождение теоретических расчетов с экспериментальными исследованиями не превышает 10%

7. Определены рациональные значения угла подъема винтовой линии трехзаходной спирали S0, ширины шнека трехзаходной спирали Дг, числа оборотов шнека трехзаходной спирали лш, число оборотов ротора пр при условии

>min; сг^—»max; g—»min. Так <5„=22...28 Дг=30...45 мм. л„,=30...40 мин"', «,,=500...600 мин"1.

8. Результаты проведенных испытаний полупромышленной установки смесителя предлагаемой конструкции апробированы на ООО «Боникс». Испытания роторного спирально-лопастного смесителя осуществлялось в составе технологической линии по производству финишной шпаклевки для отделочных работ "ММ-100-Д".

9. Экономический эффект от внедрения составит 390 тыс. рублей в год. Срок окупаемости проекта составит около 11 месяцев.

Основные положения и результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

1. Воронов, В.П. Спирально-лопастной . противоточный смеситель для производства сухих строительных смесей / В.П. Воронов, Н.П. Несмеянов, П.С. Горшков // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2012.-№1.-С. 66.

2. Горшков, П.С. Новые способы комплексного снижения энергетических затрат при получении сухих строительных цементных смесей / П.С. Горшков, Н.П. Несмеянов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2012. - №2. - С. 49.

3. Горшков, П.С. Методика расчета продольной скорости циркуляции сыпучего материала в спирально-лопастном смесителе/ П.С. Горшков, В.П. Воронов, Н.П. Несмеянов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2012. - №4. - С. 88.

4. Горшков, П.С. Описание процесса изменения концентрации ключевого компонента при получении сухих строительных смесей/ П.С. Горшков, Н.П. Несмеянов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2013. - № 1. - С. 45.

5. Несмеянов, Н.П. Сравнительная оценка технологических схем заводов небольшой мощности по производству ССС / Н.П. Несмеянов, П.С. Горшков // Межвузовский сборник статей. Энергосберегающие строительные комплексы и оборудование для производства строительных материалов. Белгород БГТУ 2009. - С. 169.

6. Несмеянов, Н.П. Современные способы классификации ССС / Н.П. Несмеянов, П.С. Горшков // Межвузовский сборник статей. Энергосберегающие строительные комплексы и оборудование для производства строительных материалов. Белгород БГТУ 2009. - С. 173.

7. Несмеянов, Н.П. Смесители для производства ССС/ Н.П. Несмеянов, П.С. Горшков // Межвузовский сборник статей. Энергосберегающие строительные

комплексы и оборудование для производства строительных материалов. Белгород БГТУ 2009. - С. 176.

8. Несмеянов, Н.П. Рациональный подход к смешению сыпучих материалов в противоточном спирально-лопастном смесителе / Н.П. Несмеянов, П.С. Горшков // Сборник докладов Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии (XX научные чтения). Белгород БГТУ 2011.-С. 33.

9. Горшков, П.С. Выбор рациональной технологической схемы производства сухих строительных смесей / П.С. Горшков // Межвузовский сборник статей. Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов. Белгород БГТУ 2010 - Вып. IX. - С. 118.

10. Несмеянов, Н.П. Разработка нового способа комплексного снижения энергетических затрат при получении различных смесей / Н.П. Несмеянов, П.С. Горшков, Ю.С. Бражник // Межвузовский сборник статей. Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов. Белгород БГТУ 2010 - Вып. IX. - С. 245.

11. Воронов, В.П. Математическое описание процесса перемешивания в спирально-лопастном смесителе противоточного типа / В.П. Воронов, Н.П. Несмеянов, П.С. Горшков // Межвузовский сборник статей. Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов. Белгород БГТУ 2011. - С. 80.

12. Несмеянов, Н.П. Диагностика и организация системы качества сухих строительных смесей в производственных условиях / Н.П. Несмеянов, П.С. Горшков // Сборник докладов Международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2010». Белгород: Изд-во БГТУ, 2010 -Т.З. - С. 74.

13. Несмеянов, Н.П. Повышение качества сухих цементных смесей на основе применения цемента с заданными свойствами / Н.П. Несмеянов, B.C. Богданов, П.С. Горшков, Ю.С. Бражник // Межвузовский сборник статей. Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов. Белгород БГТУ 2012 - Вып. IX. - С. 61.

14. Бражник, Ю.В. Анализ смесительного оборудования для сухих строительных смесей / Ю.С. Бражник, B.C. Богданов, Н.П. Несмеянов, П.С. Горшков // Межвузовский сборник статей. Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов. Белгород БГТУ 2012 -Вып. IX. - С. 70.

15. Пат. 112643 Российская Федерация, МПК B01F 9/00. Смеситель для перемешивания сыпучих материалов / Богданов B.C., Несмеянов Н.П., Горшков П.С.; заявитель и патентообладатель БГТУ им. В.Г. Шухова. - №2011122970/05; заявл. 07.06.2011; опубл. 20.01.12, Бюл. №2. - с. 2.

Список условных обозначений, используемых в диссертации

V,- объем образованной воронки, при установившемся режиме работы роторного спирально-лопастного смесителя, м3;

д2 . величина приращения в результате перехода сыпучего материала в псевдоожиженное состояние, под действием вращения лопастей смесителя, м; 5 - угол между образующей конуса воронки и вертикальной осью, с! - диаметр вала ротора, м;

Я, - радиус основания конуса, образующего воронку, м;

И, - высота верхней части конуса, находящейся в пересечении с валом ротора, м;

V, - объем перемешиваемого материала в псевдоожиженном состоянии, м ;

у, - плотность перемешиваемого материала в псевдоожиженном состоянии, кг/м3;

Ю - угловая скорость вращения ротора, с"1; Л - внутренний радиус корпуса смесителя, м; Н0 - первоначальный уровень загрузки материала, м; у - плотность смеси в статичном состоянии, кг/м3; Уг- радиальная скорость движения материала, м/с;

X - динамический коэффициент внутреннего трения перемешиваемого материала;

осевая скорость движения материала, м/с; Т, - кинетическая энергия в начале сектора спирали, Дж; Т2- кинетическая энергия в конце сектора спирали, Дж;

и,- потенциальная энергия, которую необходимо сообщить выделенной массе материала, для подъема на высоту Ь0, Дж;

Ат - работа сил трения массы материала при движении по наклонной плоскости, Дж; /„-длина винтовой линии спирали шнека, м;

у,2- скорость подъема частиц материала в конце сектора спирали, м/с;

/- коэффициент трения перемешиваемого материала о поверхность шнека;

С - концентрация ключевого компонента смеси;

V - среднее значение скорости материала вдоль оси О г ,м/с;

б,- среднее значение коэффициента поперечного перемешивания смеси;

J0 - функция Бесселя первого рода;

\|/, - первый корень функции Бесселя первого рода;

80- угол подъема винтовой спирали,

Дг - ширина спирали шнека, м;

Н, - высота слоя материала над 1 лопастью, м;

Ь0- высота подъема спирали, м;

С2- коэффициент сопротивления в режиме псевдоожижения; Ъ- длина месильной лопасти, м;

с - проекция месильной лопасти на вертикальную плоскость, м; а - угол наклона месильной лопасти к горизонту,

Э- зазор между краем месильной лопасти и внутренней стенкой барабана, м; рн- насыпная плотность материала, кг/м3;

М0- масса перемешиваемого материала и смесительного барабана, кг; юб- скорость вращения смесительного барабана, с'1; пс- число спиралей шнека;

>1С- мощность, расходуемая на подъем материала по поверхности шнека, Вт;

- мощность, расходуемая на вращение ротора смесителя в сыпучей среде, Вт; ЫБ- мощность, расходуемая на вращение смесительного барабана с перемешиваемым материалом, Вт.

Подписано в печать 21.03.2013 г. Формат 60x84/16 Усл. печ. л. 1,125 Тираж 100 экз. Заказ №105

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

Министерство образования и науки Российской Федерации

БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.Г.ШУХОВА

04201356768

На правах рукописи

ГОРШКОВ ПАВЕЛ СЕРГЕЕВИЧ

РОТОРНЫЙ СПИРАЛЬНО-ЛОПАСТНОЙ СМЕСИТЕЛЬ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

05.02.13. - Машины, агрегаты и процессы (строительство)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н., доцент, проф. каф. МО Несмеянов Н.П.

Белгород - 2013

Содержание

Введение.......................................................................................5

Глава 1. Анализ современных методов получения сухих строительных смесей........................................................................................12

1.1 Классификация, качество и методы оценки сухих строительных смесей. 12

1.2 Анализ смесителей для производства сухих строительных смесей.........24

1.2.1 Физические аспекты и кинетика процесса перемешивания.............24

1.2.2 Смесители со среднескоростным режимом смешивания................27

1.2.3 Смесители с высокоскоростным режимом смешивания.................37

1.3 Предлагаемое техническое решение..............................................41

1.4 Цели и задачи исследования.........................................................45

Выводы по главе...........................................................................46

Глава 2. Математическое описание процесса смешивания сыпучих материалов в спирально-лопастном смесителе......................................47

2.1 Вычисление радиальной скорости циркуляции сыпучего

материала.....................................................................................49

2.2 Вычисление продольной скорости циркуляции сыпучего материала в смесителе.....................................................................................53

2.3 Описание процесса изменения концентрации ключевого компонента сухой смеси в спирально-лопастном смесителе.....................................58

2.4 Описание процесса изменения начальных параметров сыпучего материала в спирально-лопастном смесителе.......................................68

2.5 Движение частиц сыпучего материала по спиральной поверхности пера шнека.........................................................................................71

2.6 Определение мощности, необходимой для перемешивания сыпучих

материалов..................................................................................76

Выводы по главе..............................................................................80

Глава 3. Методика экспериментальных исследований процесса смешения в роторном спирально-лопастном смесителе..........................................81

3.1 Цель и задачи экспериментальных исследований..............................81

3.2 Описание экспериментальной установки, средств ее контроля и измерения....................................................................................83

3.3 Физико-механические свойства смеси, используемой при проведении исследований................................................................................90

3.4 Описание методики проведение экспериментов................................91

3.4.1 Регистрация и видеозапись движения компонентов смеси внутри барабана смесителя...............................................................................................91

3.4.2 Регистрация прочностных характеристик готового продукта............92

3.4.3 Регистрация коэффициента неоднородности получаемой смеси.......94

3.4.4 Регистрация удельного расхода электроэнергии экспериментальной установкой..............................................................................................................94

3.5 Методология планирования экспериментальных исследований............96

Выводы по главе.............................................................................100

Глава 4. Экспериментальные исследования процесса смешивания в роторном спирально-лопастном смесителе.......................................................101

4.1 Анализ скоростных параметров и характера движения материала смеси по винтовой поверхности...................................................................101

4.1.1 Экспериментальные исследования скоростных параметров..........101

4.1.2 Исследование характера движения материала по винтовой поверхности..........................................................................................................102

4.2 Экспериментальные исследования процесса смешения в роторном спирально-лопастном смесителе........................................................................104

4.2.1 Результаты анализа исследований зависимости коэффициента неоднородности смеси от основных параметров установки..........................105

4.2.2 Результаты анализа исследований зависимости предела прочности раствора смеси от основных параметров установки........................................111

4.2.3 Результаты анализа исследований зависимости удельного расхода электроэнергии смесителя от основных параметров установки.....................117

4.3 Определение рационального режима работы роторного спирально-

лопастного смесителя....................................................................124

4.4 Сравнительный анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований........................................................................................................131

4.4.1 Сравнение экспериментальных и теоретических результатов скоростных параметров......................................................................................131

4.4.2 Сравнение экспериментальных и теоретических результатов качественных параметров...................................................................................133

4.4.3 Сравнение экспериментальных и теоретических результатов

энергетических параметров................................................................................134

Выводы по главе..........................................................................136

Глава 5. Практическая реализация результатов работы..........................137

5.1 Промышленная апробация результатов работы................................137

5.2 Технико-экономические результаты работы...................................144

Выводы по главе..........................................................................151

Основные результаты и выводы.......................................................152

Список литературы

Приложение

Введение

В настоящее время технологии сухих строительных смесей (ССС) играют огромную роль в развитии мирового рынка строительных материалов. Сухие смеси имеют большое значение не только с точки зрения эстетической отделки здания, но все чаще они обеспечивают теплоизоляцию и существенно увеличивают эффективность строительства. За последние годы ССС заняли прочные позиции на строительном рынке отделочных технологий. По всему миру, в том числе в Китае и Бразилии, где в настоящее время отмечаются наибольшие темпы роста производства сухих строительных смесей, появляются новые разработки для решения конкретных задач строительной отрасли. С 2005 года новые рынки растут более чем на 20% в год, и экономический кризис незначительно повлиял на этот рост. Мировое производство сухих строительных смесей в 2009 оценивали от 120 млн. т. до 170 млн.т.

Бурное развитие инновационных технологий, изучение материалов на нано-уровне и комплексный подход открывает перед этой отраслью большие перспективы. Основным мотивом развития производства ССС конечно является большой рост спроса на модифицированную сухую смесь. С постоянно растущим темпом роста строительства жилого сектора использование сухих смесей является наилучшим вариантом, как в плане качества, номенклатуры и времени при строительстве, так и в отделке или косметическом ремонте. Использование сухих смесей по принципу "залил водой и используй" сделало их популярными на рынке ССС [12].

Именно в наши дни, модифицированные сухие смеси сложного состава: шпаклевки, выравнивающие смеси, клеи высокой степени фиксации, и т.д., получают все более широкое распространение в строительстве. Сегодня производство сухих смесей является не только одним из крупнейших сегментов строительного рынка, но и своеобразной испытательной базой, где перспективные разработки, как в области

строительной химии, так и специального технологического оборудования подвергаются самой серьезной проверке и апробации.

Сейчас строительные смеси на Российском рынке занимает достаточно высокие позиции и по данным агентства Symbol-Marketing и управляющего некоммерческим партнерством «Союз производителей сухих строительных смесей» Евгения Беляева эти позиции будут только укрепляться. В поддержку таких прогнозов может говорить тот факт, что за последние годы темпы строительства увеличились, в среднем, на 10%.

В свою очередь, строители, которые являются основным потребителем сухих строительных смесей, с каждым годом накладывают все более жесткие требования к качеству и основным характеристикам смесей, пытаясь вывести строительство на международный уровень. К счастью современные технологические комплексы и заводы по производству ССС обладают современными технологиями и оборудованием, что позволяет достаточно быстро и "безболезненно" адаптироваться к меняющимся "вкусам" потребителей.

Свойства строительных смесей зависят от физико-химических и физико-механических характеристик используемых в смесях компонентов, а энергетические затраты - от характера их переработки. В связи с этим производство строительных смесей следует рассматривать как отдельную химико-технологическую систему, входящую в состав

многоассортиментного производства различных строительных материалов и состоящую из различных подсистем, потребляющих для выпуска разнообразных смесей значительные количества различных видов сырья, топливно-энергетических ресурсов и т.п.

Поэтому достижение минимальных энергетических затрат при получении различных смесей возможно за счет решения вопросов в подсистеме формирования состава и стабилизации качества строительных смесей.

Основными процессами технологической цепочки производства сухих строительных смесей, оказывающих существенное влияние на их эксплуатационные характеристики, являются: подготовка сырьевых компонентов, их дозирование и смешивание, распределение малых химических добавок и премиксов в основной массе продукта. Однородность материала является основой требуемого качества современных строительных смесей. От того, насколько равномерно отдельные компоненты будут распределены в основном объеме смеси, напрямую зависят эксплуатационные характеристики получаемого продукта. Даже небольшое отклонение содержания малых добавок, вызванное плохим их распределением, может негативно сказаться как на физико-механических, так и на технико-эксплуатационных свойствах смеси.

Именно по этим причинам смесительный узел по праву считается наиболее ответственным участком завода по производству сухих строительных смесей. Следовательно, работа смесительного оборудования является важнейшим шагом на пути получения высококачественного продукта.

Наряду с разработанными способами комплексного снижения энергетических затрат [10] при получении сухих строительных смесей, заключающихся в сочетании рационального механического способа перемешивания и эксергетического анализа [1], необходимо изучить процесс изменения концентрации компонентов в строительных смесях при высокоскоростном режиме смешения.

Поэтому создание смесителей, как важнейшего оборудования в технологической цепочке, более совершенной конструкции с минимизацией потребляемых ресурсов и увеличения номенклатуры выпускаемой продукции на единичном оборудовании является наиболее актуальной задачей, стоящей перед инженерами в области производства сухих строительных смесей.

Актуальность работы:

Цель работы - разработка роторного спирально-лопастного смесителя периодического действия для смешивания сухих смесей и методики расчета основных конструктивно-технологических и энергетических параметров.

Объектом исследования является смеситель лопастного типа с вертикальным расположением вала для получения сухих строительных смесей.

Предмет исследования является определение влияния и установления закономерностей геометрических параметров лопастей винтового шнека на время смешивания и потребление энергоресурсов с заданными качественными показателями сухой смеси.

Задачи исследования:

1. Провести анализ классификационной системы сухих строительных смесей и смесительного оборудования для их получения с различными режимами смешивания.

2. Усовершенствовать конструкцию вертикально-лопастного смесителя, позволяющей изменять траектории движения частиц и установить его рациональные геометрические и технологические параметры для получения сухих смесей.

3. Разработать математическую модель скоростей движения частиц смеси при различных характеристиках циркуляции сыпучего материала, находящегося в псевдоожиженном состоянии.

4. Установить теоретические зависимости, описывающие движение частиц по спирали шнека, закрепленной на внутренней поверхности смесительного барабана.

5. Разработать математическую модель расчета: геометрических параметров спирально-винтовой поверхности шнека, концентрации смеси и изменения ее физико-механических свойств, мощности, потребляемой смесителем.

6. Установить методом планирования многофакторного эксперимента регрессионные зависимости изменения коэффициента неоднородности, мощности, затрачиваемой на смешение компонентов смеси, прочностных характеристик готового продукта, а так же провести проверку аналитических зависимостей в лабораторных условиях для определения рациональных технологических и конструктивных параметров смесителя.

7. Установить рациональные геометрические и технологические параметры роторного спирально-лопастного смесителя для получения сухих строительных смесей.

8. Разработать рекомендации для промышленного внедрения смесителя.

Научная новизна заключается в получении:

- уравнений для расчета скоростных характеристик движения сыпучего материала с учетом его циркуляции в спирально-лопастном смесителе;

- аналитических выражений, позволяющих оценить время смешивания компонентов сыпучего материала и определить изменение концентрации этих компонентов в зависимости от продолжительности перемешивания;

- зависимостей, позволяющих установить конструктивно-технологические параметры смесителя с учетом свойств сыпучего материала;

- аналитических зависимостей для определения величины потребляемой мощности приводом ротора спирально-лопастного смесителя.

Практическая значимость работы.

Предлагаемый метод смешивания сыпучих материалов с использованием скоростных режимов и интенсификации процесса позволит получать сухие смеси с высокой степенью равномерного распределения

ключевого компонента с меньшими затратами энергетических и технологических ресурсов. Разработанный принцип движения частиц перемешиваемых компонентов может применяться как при модернизации уже существующего смесительного оборудования, так и при проектировании нового.

Полученные аналитические зависимости позволяют определить рациональное время смешивания сухих смесей с конкретной рецептурой, получить рациональные геометрические параметры конструкции смесителя и определить энергетические затраты во время работы роторного спирально-лопастного смесителя.

Экономическая эффективность от использования смесителя предлагаемой конструкции обеспечивается за счет роста выпуска продукции на 5% и увеличения качества получаемой строительной смеси, что позволит сократить себестоимость 1 тонны сухих строительных смесей на 54,08 рубля и составит 390 тыс. рублей в год. Срок окупаемости проекта составит около 11 месяцев.

Автор защищает:

1. Математические модели скорости движения частиц сыпучего материала, находящихся в псевдоожиженом состоянии: в радиальном и продольном направлении внутри барабана в спирально-лопастном смесителе, по спиральной поверхности шнека с учетом его конструктивных параметров и объема смеси;

2. Аналитические зависимости, позволяющие определить изменение концентрации компонентов сухой смеси и найти время их смешения в зависимости от конструктивных и технологических параметров смесителя;

3. Уравнения регрессии, позволяющие определить величину параметров оптимизации Ус, асж, д в зависимости от исследуемых факторов д0, Аг, пш, пр\

4. Конструкцию спирально-лопастного смесителя для ССС подтвержденную патентом РФ №112 643 U1.

Реализация работы:

Роторный спирально-лопастной смеситель для ССС внедрен на ООО «Боникс», г. Белгород. Экономический эффект от внедрения составит 390 тыс. рублей в год.

Апробация работы: Основные результаты работы были рассмотрены на заседаниях кафедры механического оборудования БГТУ имени В.Г. Шухова в 2010 - 2011 году, на технических совещаниях ООО «Боникс», г. Белгород в 2011 - 2012 году и представлены на Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов». - Белгород, 2010 г. и X Международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2010» - Белгород, 2010 г.

Публикации.

По результатам исследования опубликовано 14 статей, в том числе 4 статьи в центральных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен 1 патент на полезную модель РФ №112 643 U1.

Структура и объем работы: работа выполнена на 153 стр., содержит 5 глав, 58 рисунков, 15 таблиц, 124 источников литературы, 1 приложение.

Глава 1.

Анализ современных методов получения сухих строительных

см