УСТРОЙСТВО СМЕШЕНИЯ

Устройство смешения относится к многофункциональным устройствам, применяемым в строительстве для приготовления битумно-полимерных композитных дисперсно-армированных кровельных материалов (мастик) с высокой степенью однородности из демонтированного и предварительно измельченного застарелого битумно-рубероидного кровельного покрытия с добавками пластификаторов и модификаторов, осуществляющих в одном устройстве заданный набор технических функций - нагревание, естественную вентиляцию, реверсивное вращение и разрушение пограничного слоя смеси, которые позволяют реализовать для повышения однородности перерабатываемой рабочей смеси (далее - смеси), заданный набор технологических операций - интенсивное смешение и диспергирование (измельчение растиранием), плавление, обезвоживание и удаление газов из камеры смешения, пластификацию, модификацию и объемное(дисперсное) армирование.
Наиболее близкой к заявляемому устройству по технической сущности являются установки смешения (патенты RU 2182867, UA 1807u). Установка содержит впускное устройство для подачи исходных компонентов (предварительно демонтированных и измельченных слоев старого битумно-рубероидного покрытия) в смесительную камеру, установленную наклонно в рабочем положении с возможностью вращения мешалки в виде вала с установленными на нем кольцевыми элементами. Каждый кольцевой элемент состоит из двух колец, ступицы, пары широких лопастей и двух пар узких лопастей, жестко связанных со ступицей и кольцами. Лопасти повернуты относительно оси на угол, обеспечивающий продвижение битумно-рубероидной массы по плоскостям лопастей. Каждый кольцевой элемент повернут вдоль оси вала, относительно предыдущего в сторону, обеспечивающую продвижение битумно-рубероидной массы в направлении, противоположном направлению выгрузки на α=360°/n, где n - количество кольцевых элементов. К наружной поверхности колец жестко крепится шнек.
К недостаткам установки смешения относится ее ограниченная функциональность, обеспечивающая только нагрев и перемешивание смеси, но нельзя осуществить интенсивное диспергирование ингредиентов и других образований в смеси до необходимого размера фрагментов. Это объясняется тем, что конструктивно выполненный уклон рабочей камеры для обеспечения выгрузки смеси готового материала, не позволяет реализовать качественное смешивание на этапе его подготовки, поскольку шнек, как элемент блока возвратно-поступательного движения, имеющего однонаправленное вращательное движение, при котором шнек направляет поток смеси в сторону устройства выгрузки, расположенного в нижней части рабочей камеры, что приводит к нежелательному скоплению минеральных добавок и включений, содержащихся в битумно-рубероидной смеси, которое вызывает заклинивание этим скоплением части лопасти шнека, находящейся в нижнем положении. Такая работа блока смешивания приводит к образованию фрагментированных застойных зон во всем объеме внутренней полости рабочей камеры, в том числе и со стороны противоположной лотку выгрузки.
При использовании установки-аналога в габаритах и при скоростях и температурах смешивания битумных материалов, допустимых для практического использования данного вида технологии:
внутренние полости кольцевых элементов блока смешивания имеют избыточное насыщение лопастями, увеличивая этим гидравлическое сопротивление аксиальному потоку смеси поскольку разогретая битумная смесь имеет большую адгезию и вязкость, обуславливающих наличие пограничного слоя на контактных поверхностях лопастей и обечайки рабочей камеры, соизмеримого с просветами в кольцевых элементах, усложняющего ее эффективное перемешивание; ширина зазора между кольцевыми элементами блока смешивания недостаточная; конструктивные условия организации встречных потоков смеси не определены; перемешивание битумно-рубероидной массы в установке (патент RU 2182867) достигается за счет движения разнонаправленных аксиальных потоков посредством поворота кольцевых элементов вдоль оси вала в сторону противоположную направлению выгрузки. Как осуществляется такой поворот кольцевых элементов, исходя из конструкции установки, который, безусловно, неизвестен из уровня техники, - не раскрыто. Поэтому получение мастики с приемлемой степенью однородности в такой установке практически не реализуемо.
Предварительное измельчение старого битумно-рубероидного покрытия до размеров фрагментов, пригодных для загрузки в эту установку, а также их обезвоживание (физически связанная вода составляет до 15% от загружаемой массы), предполагает использование дополнительного энергоемкого оборудования (например, патент RU 31111).
Задачей, для решения которой предназначено заявляемое устройство, является
повышение его производительности и надежности при термомеханической безотходной переработке сырья из старых гетерогенных битумсодержащих кровельных покрытий, а также привносимых в смесь ингредиентов, их обезвоживание и удаление газов из камеры смешения путем естественной вентиляции непосредственно на кровле здания или сооружения,
повышение качества перемешивания, диспергирования (измельчение растиранием) и объемного армирования для повышения степени однородности смеси, а также восстановление его пластических, гидрофобных и адгезионных свойств битумно-полимерного композитного материала до требуемых, при условии внесения в смесь специальных ингредиентов - модификаторов и пластификаторов.
Решение поставленной задачи достигается тем, что:
устройство смешения, содержащее горловину загрузочного бункера для подачи исходных компонентов сырья, имеющую закрытие с отверстиями для отвода водяного пара и других газов из рабочей камеры, смонтированной на раме, оборудованной транспортировочными колесами, систему управляемого подогрева рабочей камеры с теплозащитным кожухом, управляемой по параметру «температура», блок смешивания, вал которого устанавливается в рабочей камере на подшипниковых опорах и соединяется с приводом, причем блок смешивания выполнен в виде вала с установленными на нем кольцевыми элементами и винтовой лопастью шнека на внешней поверхности кольцевых элементов, крепящиеся жестко к наружной поверхности колец, лоток и шиберный затвор со стороны, противоположной приводу, для выгрузки готовой мастики,
рама дополнительно оборудуется винтовыми упорами для выравнивания рабочей камеры в горизонтальное положение,
блок смешивания соединяется с реверсивным приводом через редуктор и муфту и устанавливается параллельно и ниже относительно оси рабочей камеры на 5-10% от ее диаметра так, что наружная торцевая кромка винтовой лопасти вовлекается в процесс диспергирования разогретой смеси в зазоре между обечайкой и наружной торцевой кромкой винтовой лопасти в нижней части рабочей камеры, размер которого значительно меньше толщины пограничного слоя битумной смеси,
1
1
2
каждый кольцевой элемент состоит из одного кольца и одной пары диаметрально расположенных лопастей, жестко связанных со ступицей и кольцами, причем диаметр кольцевого элемента определяется из условия равенства объемов внутренний и внешней полости, где кольцевые элементы образуют внутреннюю полость, оставшийся объем - внешняя полость рабочей камеры, при этом лопасти кольцевого элемента повернуты относительно оси на угол α, обеспечивающий оптимальные условия перемешивания и аксиального перемещения смеси, а каждый кольцевой элемент отстоит от соседнего на расстоянии своей длины и повернут вокруг оси вала относительно предыдущего кольцевого элемента на угол β=90°, взаимное положение лопастей кольцевых элементов и винтовой лопасти отвечает условиям α≥α и разнонаправленности углов их атаки.
В устройстве, которое устанавливается на ремонтируемой кровле, производится безотходная переработка старых гетерогенных битумсодержащих кровельных покрытий путем их плавления в среде жидкого теплоносителя посредством управляемого нагрева, интенсивного перемешивания и диспергирования ингредиентов и фрагментов смеси, в результате чего достигается пластификация и модификация битума, обезвоживание ингредиентов смеси и удаление газов из рабочей камеры, дисперсное (объемное) армирование смеси для получения мастичной консистенции с высокой степенью однородности, со стабильными эксплуатационными свойствами, единым технологическим циклом (переделом), обеспечивающим ее нанесение на поверхность кровли для формирования на ней бесшовного гидроизолирующего покрытия после его остывания.
Для решения поставленной задачи упомянутые выше технологические операции (процессы или функции), а именно: интенсивное смешивание и диспергирование (измельчение перетиранием), плавление, обезвоживание (выпаривание влаги) и удаление газов из камеры смешения, пластификация, модификация и объемная (дисперсная) структуризация, осуществляются в рабочей камере смешения 1 одного устройства, представленного рис.1-2, единым технологическим циклом (переделом) по условной схеме: - загрузка компонента 1 - воздействие 1 (стадия 1); - загрузка компонента 2 - воздействие 2 (стадия 2); - воздействие 3 (стадия 3); - …; - загрузка компонента N - вoздeйcтвиe N (стадия N); - выгрузка готового продукта.
Повышение степени однородности смеси при одновременной переработке сырья в максимально сжатые сроки, является главным условием энергоэффективности технологии, которое достигается только при одновременном сочетании конструктивной реализации в одной установке технических функций - управляемого нагрева по параметру «температура», организации встречного движения коаксиальных потоков смеси с возможностью их перемешивания, одновременной смены их направленности при реверсе вращения блока смешения, а также организации зоны диспергирования вдоль образующей в нижней части рабочей камеры по всей ее длине, в зазоре между обечайкой и наружной торцевой кромкой винтовой лопасти шнека, когда при любом направлении блока смешения вращения, возникают сдвиговые напряжения в отношении частиц компонентов смеси, обезвоживание и удаления газов из рабочей камеры, позволяет реализовать упомянутые выше технологические функции приготовления смеси.
Предложенное техническое решение разъясняется чертежами рис.1-7, на которых схематически изображена конструкция устройства, ее основные узлы, а также схемы ориентации и установки лопастей, формирующих разнонаправленные аксиальные потоки смеси коаксиальной архитектуры:
Рис.1 Устройство в сборе; Рис.2 Продольный разрез устройства
Рис.3 Вид А устройства
Рис.4 Поперечный разрез устройства по В-В на рис.1
Рис.5 Вид С кольцевого элемента на рис.4
Рис.6 Вид D кольцевого элемента на рис.5 (показано без винтовой лопасти)
Рис.7 Схема устройства винтовой лопасти на кольцевом элементе (М - горизонтальная проекция вектора скорости частицы битумной массы в начальный момент вращения вала).
Обозначения на рис.1-7: 1 - обечайка рабочей камеры; 2 - кожух теплозащитный; 3 - редуктор; 4 - электропривод реверсивный; 5 - бункер загрузочный с крышкой с отверстиями; 6 - затвор шиберный; 7 - рабочие винтовые упоры; 8 - муфта; 9 - рама; 10 - транспортировочные колеса; 11 - лоток выгрузки мастики; 12 - вал; 13 - горловина загрузочного бункера; 14 - стенки торцевые; 15 - опоры подшипниковые; 16 - кольцевые элементы; 17 - шнек (винтовая лопасть); 18 - нагревательные элементы плоские; 19 - кольцо кольцевого элемента; 20 - ступица; 21 - лопасти кольцевого элемента; 22 - зона диспергирования.
Рабочая камера, состоящая из обечайки 1 преимущественно цилиндрической формы и двух торцевых стенок 14, смонтированных на жесткой раме 9 с четырьмя транспортировочными колесами 10, дополняется четырьмя вертикальными винтовыми упорами 7 с шарнирно закрепленными на них опорными площадками для надежной фиксации устройства в рабочем (горизонтальном) положении на неровной кровле. На внешнюю поверхность обечайки рабочей камеры 1 навиваются плоские электронагревательные элементы 18 для ее разогрева. Обечайка рабочей камеры 1 покрывается защитным термоизолирующим кожухом 2 для уменьшения тепловых потерь и выравнивания температуры по ее поверхности.
Внутри рабочей камеры устанавливается блок смешивания, выполненный в виде вала 12 с установленным на нем набором (батареей) одинаковых кольцевых элементов 19, на которых жестко закреплена винтовая лопасть шнека 17 по всей длине блока смешивания. Вал 12 блока смешивания через муфту 8 и редуктор 3 соединятся с валом реверсируемого электропривода 4. Батарея кольцевых элементов 16 образует внутреннюю полость, оставшийся объем - внешняя полость рабочей камеры. Диаметр кольцевого элемента определяется из условия равенства объемов внутренний и внешней полости. Это условие при полном заполнении рабочей камеры смесью, является необходимым для осуществления одинакового массопереноса и в прямом, и в обратном направлении, уменьшается вероятность возникновения застойных зон, влияющих на увеличение эффективности ее перемешивания.
1
Кольцевой элемент 16 состоит из кольца 19, ступицы 20 и двух диаметрально расположенных лопастей 21, развернутых относительно оси вала 12 на угол α=30÷45° и жестко связанных с кольцом 19 и ступицей 20, которая жестко крепится на валу 12. Кольцевые элементы 16 установлены друг от друга на длину элемента, каждый элемент развернут вокруг оси вала относительно предыдущего на угол β=90°. Такое синхронное крестообразное расположение лопастей 21 всех кольцевых элементов позволяет выводить лопасти 21 последующих кольцевых элементов из турбулентной зоны предыдущих, то есть уменьшается гидравлическое сопротивление аксиальной составляющей потоку смеси. Лопасти 21 кольцевых элементов выполняют функцию перемешивания посредством радиального перемешивания и аксиального перемещения смеси.
2
1
1
2
На внешних поверхностях кольцевых элементов 16 жестко закреплена винтовая«лопасть шнека 17 цилиндрической формы, параметры устройства которой отвечают достаточному условию, по которому локальный угол атаки лопасти шнека α находится в зоне зеркальной симметрии по отношению к углу атаки лопастей кольцевых элементов α (рис.7) относительно плоскости, перпендикулярной оси вала и проходящей через любую общую точку лопасти любого кольцевого элемента и лопасти шнека на поверхности кольца, при этом, α≥α. При однонаправленном вращательном движении вала блока смешивания в условиях не сплошного физического разделения потоков, имеющих коаксиальную архитектуру, только эти конструктивные ограничения позволяют организовать разнонаправленное аксиальное движение смеси во внутренней и внешней полостях рабочей камеры.
Через зазоры между кольцевыми элементами смесь перетекает из полости в полость не только у торцевых стенок рабочей камеры, но и по всей длине блока смешивания, что интенсифицирует ее перемешивание и, как следствие, повышает эффективность других технологических процессов: плавления, обезвоживания и удаление газов из камеры смешения, пластификации, модификации и диспергирования ингредиентов и фрагментов в смеси. Различная производительность (массоперенос) во внутренних и внешних полостях блока смешивания на разных стадиях технологического процесса (из-за недогруженности рабочей камеры) компенсируется перетеканием смеси через зазоры между кольцевыми элементами.
Вал 12 блока смешивания устанавливается на опорах подшипников 15, закрепленных в торцевых стенках рабочей камеры 1, параллельно и ниже оси рабочей камеры на 5-10% от ее диаметра, при этом диаметр наружной торцевой кромкой винтовой лопасти шнека 17 составляет 90÷95% от внутреннего диаметра рабочей камеры. Такие размеры блока смешивания и условие его расположения в рабочей камере 1 формируют зазор 22 по всей длине нижней ее части между обметаемой поверхностью обечайки рабочей камеры и наружной кромкой винтовой лопасти шнека 17, размер которого намного меньше толщины пограничного слоя даже полностью разогретой битумной массы. Поэтому частицы битумизированного картона (основа рубероида) и другие компоненты смеси, пребывая в состоянии покоя на поверхности обечайки и по толщине пограничного слоя, испытывают сдвигающее (вдоль образующей обечайки) силовое воздействие кромки вращающейся лопасти шнека. В результате чего твердые частицы целлюлозы (картона) и минеральные включения, участвуя в силовом взаимодействии с поверхностями устройства и между собой, разрушаются (дробятся и дезинтегрируются). Тоже происходит и с крупными пузырьками нерастворенных расплавленных компонентов модификатора, находящимися между твердыми частицами, - они распадаются на более мелкие. Создаваемое напряжение сдвига в смеси, находящейся в зазоре 22, при рабочих скоростях вращения блока смешивания обеспечивает диспергирование твердых частиц и пузырьков нерастворенных расплавленных компонентов модификатора, находящихся в битумосодержащей смеси.
Реверсивный электропривод, циклично изменяя направление движения блока смешивания, изменяет направление аксиального движения смеси во внутренней и внешней полостях рабочей камеры для интенсивной дезинтеграции неоднородностей компонентов, находящихся в расплавленной смеси, извлекает их из застойных зон рабочей камеры, образующихся в процессе приготовления смеси из-за ее недогруза сырьем. Реверсивный электропривод соединяется с валом 12 блока смешивания через редуктор 3 и муфту 8. Вращение блока смешивания реверсируется посредством переключения направления вращения реверсивного электропривода 4 для интенсификации перемешивания и диспергирования ингредиентов и фрагментов смеси, их перемещения из застойных зон рабочей камеры. Это позволяет сократить технологический цикл подготовки смеси для получения эмульсионно-суспензионной смеси разогретой мастики с высокой степенью однородности.
Через отверстия в крышке (закрытии) загрузочного бункера посредством естественного выноса водяного пара и других газов с поверхностного слоя смеси на всех стадиях технологического процесса ее приготовления путем регулируемого разогрева по параметру «температура» осуществляется обезвоживание компонентов смеси от физически связанной воды, накопленной в процессе эксплуатации старых битумных кровельных материалов, а также в других компонентах, добавляемых в смесь на разных этапах технологического цикла приготовления, а также удаление газов из камеры смешения, с целью пластификации, модификации и объемного (дисперсного) армирования смеси.
Затвор 6 и лоток 11, установленные на торцевой стенке обечайки рабочей камеры, предназначены для выгрузки мастики.
Работа устройства. В предварительно разогретую нагревательными элементами 18 рабочую камеру, регулируемыми по параметру «температура», через горловину бункера 5 поэтапно загружаются ингредиенты, необходимые для приготовления мастики, при включенном электроприводе 4, вращение которого через редуктор 3 и муфту 8 передается на вал 12 блока смешивания.
Лопасти кольцевого элемента 21 и лопасти шнека 17 при однонаправленном вращении блока смешивания обеспечивают разнонаправленное аксиальное движение смеси во внутренней и внешней полостях блока смешивания соответственно. Смесь, достигнув в поступательном (аксиальном) движении во внутренних полостях блока смешивания торцевых стенок 14, перетекает через зазор между торцевыми стенками 14 и кольцевыми элементами 16 во внешнюю полость блока смешивания и продолжает вращательно-поступательное движение в обратном направлении под воздействием винтовой лопасти. При движении компонентов смеси вдоль образующей в нижней части рабочей камеры по всей ее длине, в зазоре между обечайкой и наружной торцевой кромкой винтовой лопасти шнека 17, при любом направлении его вращения, возникают сдвиговые напряжения в отношении частиц компонентов и производится их диспергирование.
Вращение вала 12 блока смешивания циклически реверсируется согласно требований технологического регламента переключением направления вращения реверсивного электропривода 4.
При вращении блока смешивания, при котором винтовая лопасть движет смесь в направлении лотка выгрузки 11, готовая к применению мастика выгружается через лоток 11 после открытия шиберного затвора 6.
Технический результат от создания устройства заключается в осуществлении с его помощью разнонаправленного интенсивного перемешивания и диспергирования ингредиентов смеси, ее объемного армирования до высокой степени однородности, а также выгрузку готовой смеси на кровлю непосредственно на месте и ко времени ее использования.