Введение к работе
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.
-
Усовершенствовать конструкцию вертикально-лопастного смесителя, позволяющей изменять траектории движения частиц и установить его рациональные геометрические и технологические параметры для получения сухих смесей.
-
Разработать математическую модель скоростей движения частиц смеси при различных характеристиках циркуляции сыпучего материала, находящегося в псевдоожиженном состоянии.
-
Установить теоретические зависимости, описывающие движение частиц по спирали шнека, закрепленной на внутренней поверхности смесительного барабана.
-
Разработать математическую модель расчета: геометрических параметров спирально-винтовой поверхности шнека, концентрации смеси и изменения ее физико-механических свойств, мощности, потребляемой смесителем.
-
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.
-
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:
-
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.
-
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 Vc, асж, q в зависимости от исследуемых факторов ё0, Лг, 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 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.
