ТУРБУЛЕНТНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ ТИПА "ВУЛКАН" ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ГОМОГЕННЫХ СИСТЕМ
TURBULENT "VOLCANO" TYPE MIXER FOR PREPARING HOMOGENOUS SYSTEMS

Изобретение относится к аппаратам для перемешивания жидких неоднородных сред, может быть использовано в химической, строительной и других отраслях промышленности.
Наиболее близким техническим решением к заявленному объекту является смеситель для перемешивания неоднородных сред, раскрытый в RU 61189 U1, кл. В28С 5/38, 27.02.2007, содержащий вертикальный корпус в виде полого цилиндра с перемешивающим устройством, соединенным с электродвигателем, установленным на крышке соосно корпусу, патрубок для подачи цементно-песчаной смеси, герметичную крышку, патрубки для подачи воды, штуцер для подачи сжатого воздуха и сливной патрубок (прототип).
Недостатком известного устройства является сравнительно невысокая производительность перемешивания газонаполненных, гомогенных и неоднородных сред, например типа пенобетона, за счет того, что при больших оборотах ротора происходит гидравлический удар в системе, что приводит к потере производительности. Основным тормозом оптимизации процесса пенообразования в смесителе является процесс превращения раствора в пенобетон и изменение при этом его гидродинамических свойств. Лопатка смесителя у аналога вращается в растворе с линейной скоростью до 200 км/ч.
Технический результат - повышение производительности получения неоднородных газонаполненных, гомогенных систем, например типа пенобетона, путем применения упругоэластичных элементов быстровращающегося смесителя и формирование оптимальной ячеистой структуры пенобетонного камня.
Это достигается тем, что в турбулентном смесителе для приготовления гомогенных систем, содержащем вертикальный корпус в виде полого цилиндра с перемешивающим устройством, соединенным с электродвигателем, установленным на крышке соосно корпусу, патрубок для подачи цементно-песчаной смеси, герметичную крышку, патрубки для подачи воды, штуцер для подачи сжатого воздуха и сливной патрубок, перемешивающее устройство выполнено в виде перемешивающих дисков с упругими перемешивающими элементами, закрепленными на валу с переменным шагом, патрубок для подачи цементно-песчаной смеси расположен на корпусе под углом к его оси, сливной патрубок расположен соосно корпусу в его днище, которое выполнено сферическим, причем на внутренней поверхности корпуса расположены упругие лопатки.
На фиг.1 изображена схема турбулентного смесителя для приготовления гомогенных систем, на фиг.2 - фронтальный разрез перемешивающего диска с перемешивающими элементами, на фиг.3 - профильная проекция фиг.2, на фиг.4, 5 - схемы расположения упругих перешивающих элементов при различных режимах перемешивания.
3
Турбулентный смеситель для приготовления гомогенных систем содержит вертикальный корпус 1 диаметром D и высотой Н от внешней поверхности фланца 2 до среза сливного патрубка 14. Корпус 1 выполнен в виде полого цилиндра с расположенным в верхней части фланцем 2 с герметично закрывающейся крышкой 3. Для перемещения корпуса 1 на фланце 2 закреплены три крюка 4. Кроме того, на фланце 2 размещен штуцер 6 диаметром d для подачи сжатого воздуха.
Перемешивающее устройство состоит из электродвигателя 9, установленного на крышке 3 соосно корпусу 1 и соединенного муфтой 10 через подшипниковый узел 13 с валом 11, на котором соосно, с переменным шагом относительно друг друга, расположены перемешивающие диски 12 с закрепленными на них упругими перемешивающими элементами 22.
1
2
1
2
На корпусе 1 под углом α к его оси расположен патрубок 7 с диаметром d с герметичной крышкой 17 для заполнения турбулентного смесителя цементно-песчаной смесью, причем точка пересечения оси патрубка 7 с цилиндрической поверхностью корпуса 1 находится на высоте Н от среза сливного патрубка 14 диаметром d, расположенного соосно корпусу 1 в днище 5, форма которого выполнена в виде поверхности, по крайней мере, второго порядка, например сферической. Корпус 1 установлен на трех жестко закрепленных к днищу 5 наклонных опорах 16. На расстоянии H от среза сливного патрубка 14 расположен патрубок 8 с диаметром d для заполнения турбулентного смесителя водой. На внутренней боковой поверхности корпуса 1 дополнительно расположены упругие лопатки 15, выполняющие функцию дополнительных элементов, участвующих в процессе перемешивания, которые могут быть выполнены из: пенополиуретана, обрезиненных упругих элементов, а также композиционных упругоэластичных материалов.
На фиг.2 и 3 представлен перемешивающий диск 12, состоящий из ступицы 18, к которой посредством винтов 19 фланца 20 прикреплен кольцевой диск 21 с упругими перемешивающими элементами 22, выполненными в виде металлической упругой щетки. На внутренней поверхности кольцевого диска 21 закреплена шпонка 23, входящая в паз 24, выполненный в ступице 18.
Для оптимального режима работы турбулентного смесителя для приготовления гомогенных систем параметры его конструктивных элементов выполнены в следующих соотношениях.
3
2
3
2
1
1
Отношение диаметра d штуцера для подачи сжатого воздуха к диаметру d патрубка для подачи воды с реагентом пенообразования лежит в оптимальном интервале величин: d/d=0,9…2,7, отношение диаметра d патрубка для подачи цементно-песчаной смеси к диаметру D корпуса лежит в оптимальном интервале величин: d/D=0,20…0,25, отношение диаметра d сливного патрубка к диаметру D корпуса лежит в оптимальном интервале величин: d/D=0,05…0,25.
Данные количественные признаки позволяют обеспечить повышение производительности получения неоднородных газонаполненных, гомогенных систем, например типа пенобетона.
1
1
2
2
Отношение высоты корпуса Н от внешней поверхности фланца до среза сливного патрубка к расстоянию H от среза сливного патрубка до патрубка для подачи воды с реагентом пенообразования лежит в оптимальном интервале величин: Н/H=1,1…1,35, отношение высоты корпуса Н от внешней поверхности фланца до среза сливного патрубка к расстоянию Н от среза сливного патрубка до патрубка для подачи цементно-песчаной смеси лежит в оптимальном интервале величин: Н/Н=1,2…1,35.
Данные количественные признаки позволяют обеспечить повышение производительности получения неоднородных газонаполненных, гомогенных систем, например типа пенобетона.
2
1
2
1
Отношение высоты корпуса Н от внешней поверхности фланца до среза сливного патрубка к диаметру D корпуса лежит в оптимальном интервале величин: H/D=1,5…2,5, отношение расстояния Н от среза сливного патрубка до патрубка для подачи цементно-песчаной смеси к диаметру d патрубка для подачи цементно-песчаной смеси лежит в оптимальном интервале величин: H/d=3,5…2,5.
1
Патрубок для подачи цементно-песчаной смеси диаметром d расположен под углом α к оси корпуса, который лежит в оптимальном интервале величин: α=35°…50°.
1
1
1
3
1
3
2
2
1
3
1
1
3
3
1
3
2
2
n
n
1
3
n
n
Перемешивающие диски расположены на валу с переменным шагом относительно друг друга, причем шаг t расположения первой пары перемешивающих дисков равен t=N×(D/H), где D - внешний диаметр перемешивающих дисков, Н - высота расположения перемешивающих дисков, N - поправочный коэффициент, значение которого лежит в диапазоне 7…10, шаг t расположения второй пары перемешивающих дисков равен t=N×(D/H)+Δ где Δ=2N, шаг t расположения третьей пары перемешивающих дисков равен t=N×(D/H)+Δ, где Δ=3N, а шаг t расположения последней пары перемешивающих дисков равен t=N×(D/H)+Δ, где Δ=n×N, где n - количество пар дисков.
Данные количественные признаки позволяют обеспечить формирование оптимальной ячеистой структуры пенобетонного камня.
Упругие перемешивающие элементы 22 перемешивающих дисков 12 могут быть выполнены в виде упругой металлической щетки, упругих металлических стержней, расположенных, по крайней мере, в один ряд, а также в виде упругих дисков, представляющих собой упругие лепестки, расположенные концентрично относительно оси вала 11, либо упругих лопастей. В качестве материала упругих перемешивающих элементов 22 перемешивающих дисков 12 могут быть использованы: пенополиуретан, обрезиненные упругие элементы, композиционные упругоэластичные материалы и др.
Турбулентный смеситель для приготовления гомогенных систем работает следующим образом.
Рассмотрим работу турбулентного смесителя для приготовления гомогенных систем на примере получения пенобетона. В корпус 1 через патрубок 7 при открытой герметичной крышке 17 засыпают цементно-песчаную смесь, а через патрубок 8 подают воду с реагентом пенообразования. При включенном электродвигателе 9 происходит вращение вала 11 с перемешивающими дисками 12 с расположенными на них упругими перемешивающими элементами 22, что способствует приготовлению цементно-песчаной смеси. Подача воздуха в корпус 1 осуществляется компрессором (на чертеже не показано) через патрубок 6 под давлением 5…16 атм. При дальнейшей работе турбулентного смесителя происходит обогащение цементно-песчаной смеси воздухом и образование пенобетона. Дополнительно расположенные на боковой поверхности корпуса упругие лопатки 15 выполняют функцию элементов, участвующих в процессе перемешивания, и позволяют совместно с вращением вала 11 и перемешивающими дисками 12 с упругими перемешивающими элементами 22 добиться приготовления более однородной гомогенной пенобетонной смеси ячеистой структуры.
2
3
2
1
2
2
3
Исходная смесь имеет большую плотность. Это обстоятельство препятствует, в случае выполнения перемешивающих элементов жесткими, работе перемешивающего устройства на больших скоростях с развитием турбулентных потоков и, как следствие, получению однородной гомогенной пенобетонной смеси ячеистой структуры. А в предложенном устройстве выполнение перемешивающих элементов упругими устраняет этот недостаток за счет того, что они работают в различных режимах, начиная от полностью распрямленных диаметром D (см. фиг.4) до сложенных в меньший диаметр D (см. фиг.5). При этом происходит самонастройка параметров упругих перемешивающих элементов под физико-механические свойства смеси в текущий момент времени приготовления пенобетонной смеси. При распрямлении перемешивающих элементов развиваются скорости, способствующие турбулизации потоков гомогенной смеси. В случае когда смесь более плотная, упругие перемешивающие элементы изгибаются в сторону оси вала, а в случае менее плотной смеси распрямляются и развивают более высокие линейные скорости, например при числе оборотов вала, равном 3000 об/мин, и исходном диаметре D перемешивающего элемента, равном 400 мм, имеем следующее соотношение линейных скоростей: V=wD/2=(3000/60)×(0,4/2)=10 м/с; V=wD/2=(3000/60)×(0,2/2)=5 м/с.
Работа турбулентного смесителя основана на кавитационном принципе получения пенобетона, который возможен при высоких скоростях вращения вала 11 с перемешивающими дисками 12 с расположенными на них упругими перемешивающими элементами 22, вызывающем турбулентные потоки и флуктуацию жидкости, при этом реализуется принцип изменения геометрии перемешивающих элементов 22 в зависимости от среды и скорости вращения вала 11. Функциональное назначение упругих перемешивающих элементов 22 толщиной s и диаметром D заключается в демпфировании гидродинамического удара и изменении линейной скорости конца их рабочей поверхности при постоянной угловой скорости вращения вала 11. Работа упругих перемешивающих элементов 22 построена так, чтобы развивать процессы турбулентности и флуктуации для повышения динамического давления, направленного на гомогенизацию смеси с последующим переходом в активную фазу кавитации. В то время когда гидродинамическая среда оказывает максимальное сопротивление, линейная скорость концов упругих перемешивающих элементов 22 минимальна, но максимальная мощность на валу позволяет развивать турбулентные потоки в смеси.
По мере гомогенизации вещества в турбулентном смесителе падает гидродинамическое сопротивление среды и растет линейная скорость рабочей поверхности упругих перемешивающих элементов 22 перемешивающих дисков 12, создавая условия для максимального развития процессов кавитации, т.е. реализуется система взаимодействий, основным рабочим инструментом которых выступает сама смесь, частицы которой взаимодействуют друг с другом. При этом турбулентный смеситель с упругими перемешивающими элементами 22 перемешивающих дисков 12 выступает задающим генератором процесса, который требуется для приготовления гомогенной смеси с заданными характеристиками. Вращающаяся смесь взаимодействует с внутренней поверхностью корпуса 1, на которой размещены упругие лопатки 15, способные изменять угол атаки и площадь сопротивления, стремясь направлять поток в заданном направлении. Кроме того, в зависимости от решаемых задач лопатки 15 могут быть выполнены жесткими, эластичными или с фиксированным и изменяемым углом атаки (на чертеже не показано). Для торсионного демпфирования вала 11 передача на двигатель 9 осуществляется через эластичную муфту 10. Это снижает нагрузку на привод и существенно продлевает срок его эксплуатации. Все системы рассчитаны на работу при внутреннем давлении в турбулентном смесителе и гибком трубопроводе до 16 атм.
В турбулентном смесителе можно создавать высокую степень разрежения и производить на нем не только пенобетон, пеногипс, но и целую гамму материалов, включая краски, огнеупоры, наливные полы, шпаклевки и т.д.
3
3
3
В настоящее время заявителем изготовлен турбулентный смеситель кавитационного типа производительностью 15…30 м в смену, на котором получены экспериментальные образцы пенобетона с объемной массой 360 кг/м и прочностью на сжатие: - с более мелкими пузырьками воздуха 0,71 МПа; - с более крупными пузырьками воздуха 0,1 МПа. Успешно проведена экспериментальная заливка подкровельного пространства пенобетоном плотностью 360 кг/м, прочностью 0,71 МПа и теплопроводностью 0,08 Вт(м·К).