ЭЖЕКТОРНАЯ МЕШАЛКА ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ СМЕСИ И ВОДЫ
EJECTOR MIXER FOR MIXING OF STUCCO AND WATER

РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящая заявка в соответствии со Сводом федеральных законов США (USC), раздел 35,  претендует на установление приоритета по заявкам на патент США №61/981,324 от 18.04.2014 и №14/670,228 от 26.03.2015.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к оборудованию для обработки суспензий и, в частности к мешалке, используемой для перемешивания зернистого материала, такого как строительная смесь или т.п., с водной суспензией и часто в сочетании с другими составляющими.
Для перемешивания строительной смеси в воде обычно используют роторные мешалки. Подходящий пример мешалки для строительной смеси типа, используемого для производства изделий на основе гипса, таких как в производственной линии для стеновых плит, описан в патенте США 6,494,609, включенном посредством ссылки. Эти мешалки, использующие вращающуюся крыльчатку для перемешивания суспензии, имеют довольно большие размеры, что затрудняет работу. Общая проблема с обычными мешалками состоит в том, что поскольку скорость суспензии внутри мешалки не является равномерной, существует тенденция преждевременного схватывания медленно протекающей суспензии на периферии мешалки. Такое преждевременное схватывание вызывает засорение или нарушение требуемой высокой скорости, равномерного потока суспензии, в некоторых случаях приводя к остановке всей производственной линии, и тем самым вызывает существенную потерю дохода.
При перемешивании из-за гидродинамических условий сдвигающее усилие не равномерно распределено по суспензии. Кроме того, из-за требований производственной линии продолжительность обработки во время перемешивания низкая (примерно 3 секунды). В некоторых случаях это проблема урегулирована посредством добавления штырей в мешалку. Однако, это не было эффективным решением. Поскольку гипсовая суспензия является разжижающейся при сдвиге текучей средой, при приложении более высокого сдвигающего усилия вязкость этой суспензии уменьшается. Отношение, регулирующее вязкость (μ) и скорость сдвига (γ) задано следующим образом:
где n<1, а k является показателем консистенции потока. В соответствии с этой формулой применение высокой скорости сдвига может значительно снижать вязкость. Это отношение также иллюстрирует возможность использования суспензии с низким отношением воды и строительной смеси посредством уменьшения эффективной вязкости при очень высокой скорости сдвига.
Другой аспект обычной технологии для строительной смеси состоит в том, что засыпная воронка, обеспечивающая подачу порошкообразной строительной смеси, гипса или сухих ингредиентов стеновой плиты, не должна преждевременно контактировать с водой до входа в мешалку. Если такой преждевременный контакт происходит, труба или проточный канал, используемое для передачи сухих ингредиентов в суспензию, может засориться, также препятствуя производству суспензии. Таким образом, существует потребность в улучшенном перемешивающем устройстве для суспензии для создания строительной смеси и/или гипсовых суспензий.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Перечисленные выше потребности удовлетворяются или превышены при помощи эжекторной мешалки для перемешивания строительной смеси и воды в соответствии с настоящим изобретением, отличительным признаком которой является безлопастная мешалка вместо обычной технологии с вращающейся крыльчаткой. В узле в соответствии с настоящим изобретением обеспечена движущая текучая среда, такая как воздух или вода, которая переносит частицы строительной смеси и в итоге перемешивает для формирования гипсовой суспензии. Когда движущей текучей средой является воздух, для формирования гипсовой суспензии воду доставляют вверх по потоку относительно выходного патрубка мешалки. В узле в соответствии с настоящим изобретением, когда движущей текучей средой является воздух, суспензия до некоторой степени распыляется сжатым воздухом, происходящим от турбулентной природы потока, что способствует текучести и предотвращает нежелательное засорение или схватывание отдельных частиц суспензии. В варианте осуществления, где движущей текучей средой является вода, воздух вводят в систему с сухими частицами строительной смеси. В отличие от обычных мешающих систем в системе в соответствии с настоящим изобретением нет перемещающихся деталей. Отсутствие перемещающихся деталей помогает уменьшить нарастание гипса внутри мешалки. Кроме того, гипсовая суспензия является разжижающейся при сдвиге текучей средой, эжектор способствует созданию турбулентности, и эффективная вязкость суспензии, производимой системой в соответствии с настоящим изобретением, будет ниже и будет способствовать улучшенному перемешиванию суспензии, а также и уменьшению потребности в воде.
Характерные признаки системы в соответствии с настоящим изобретением содержат улучшенное перемешивание строительной смеси с водой, потребность мешалки для строительной смеси в меньшем количестве технического обслуживания, чем обычные мешалки для строительной смеси на основе крыльчатки, и наличие уменьшенной потребности в воде по сравнению с обычными перемешивающими системами для строительной смеси. В работе система в соответствии с настоящим изобретением имеет сниженное отношение воды и строительной смеси гипсовой суспензии в диапазоне 6-40%.
В частности, настоящее изобретение предоставляет перемешивающий узел, содержащий источник сжатого воздуха; основной проточный канал, имеющий конец с входным патрубком и выходной патрубок на противоположном конце, причем источник сжатого воздуха находится на этом входном конце, контейнер строительной смеси, сообщающийся по текучей среде с проточным каналом, и источник воды, сообщающийся по текучей среде с проточным каналом между указанными выходным патрубком и контейнером. Сжатый воздух затягивает строительную смесь из контейнера в проточный канал, а также затягивает в него воду для формирования тонкоизмельченной суспензии.
В другом варианте осуществления предоставлена перемешивающая система для суспензии строительной смеси, содержащая источник сжатой движущей текучей среды, контейнер сухого сыпучего материала, сообщающийся по текучей среде с источником сжатой движущей текучей среды с использованием эжектора таким образом, что сыпучий сухой материал затягивается в проточный канал сжатой текучей среды по мере прохождения ей этого контейнера. На одном конце проточного канала обеспечен выходной патрубок, а источник жидкости сообщается с проточным каналом в соединении, расположенном между выходным патрубком и контейнером.
В последнем варианте осуществления предпочтительной движущей текучей средой является вода, а воздух подают в систему, смешанный с сыпучим сухим материалом.
Еще в одном варианте осуществления предоставлена стеновая панель, выполненная с использованием суспензии, созданной с использованием перемешивающего узла. Указанный перемешивающий узел содержит источник сжатой движущей текучей среды, контейнер сухого сыпучего материала, сообщающийся по текучей среде с этим источником сжатой текучей среды через эжектор.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 показан схематичный вид сбоку первого варианта осуществления системы мешалки в соответствии с настоящим изобретением; и
на фиг. 2 показан схематичный вид сбоку второго варианта осуществления системы мешалки в соответствии с настоящим изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Теперь обратимся к фиг. 1, на которой представлена схема системы эжекторной мешалки, в целом обозначенной 10. Эта система изображена лабораторной, но предполагается, что она выполнена с возможностью легкого изменения для производственного использования с более крупномасштабными компонентами. Компрессор 12 обеспечивает источник сжатой движущей текучей среды, в данном случае воздуха, для проточного канала 14, имеющего входной конец 16, соединенный с компрессором 12 и сообщающийся с ним по текучей среде, и противоположное выходной патрубок 18. В настоящем варианте осуществления проточный канал 14 является трубкой или трубой, подходящей для переноса сжатого воздуха, сыпучего материала и жидкости, а также может быть собран с использованием совмещенных множественных секций, как хорошо известно из области техники.
Ниже по потоку от компрессора предпочтительно смонтирован настраиваемый регулятор 20 давления, сообщающийся по текучей среде с проточным каналом 14, для поддержания давления в этом канале в пределах требуемых значений. В одном варианте осуществления компрессор 12 имеет выход, равный 20-80 psi (фунт-сила на квадратный дюйм, примерно 0,14-0,55 МПа), а регулятор 20 установлен на 60 psi (фунт-сила на квадратный дюйм, примерно 0,41 МПа). Предполагается, что установка регулятора 20 и выход компрессора 12 могут изменяться для соответствия ситуации.
Расходомер 22 необязательно соединен с проточным каналом 14 и сообщается с ним по текучей среде, а также предпочтительно для правильной работы смонтирован на в целом вертикальной опорной панели 24 или другой подложке. Далее, проточный канал 14 соединен с контейнером 26 сыпучего материала и сообщается с ним по текучей среде, таким как засыпная воронка или т.д, наполненным сухой строительной смесью, необязательно снабженной другими сухими ингредиентами, включая среди прочего крахмалы, глины, ускорители схватывания, катализаторы, замедлители схватывания, перлиты, целлюлозу и другие сухие добавки, хорошо известные специалистам-практикам в области техники состава стеновых плит. Примеры таких составов раскрыты среди прочего в патентах США №4,009,062; 5,922,447; 8,197,952 и 8,618,445, все из которых включены в настоящий документ посредством ссылки.
В предпочтительном варианте осуществления контейнер 26 соединен с проточным каналом 14 с использованием эжекторного фитинга 28, выполненного с возможностью приема сухих частиц посредством гравитационной подачи из контейнера. Поток сжатого воздуха в проточном канале 14 затягивает или всасывает сухие частицы в воздушный поток из контейнера 26. Ниже по потоку эжекторного фитинга 28 диффузор 29 с увеличенным относительно эжектора диаметром замедляет скорость сжатого воздуха и частиц строительной смеси. Например, внутренний диаметр проточного канала на эжекторе приблизительно равен 1/2 дюйма (1,27 см), а на диффузоре 29 приблизительно равен  дюйма (1,9 см). Далее, ниже по потоку диффузора 29 тройник или соединение 30 соединено с проточным каналом 14 и сообщается с ним по текучей среде. Сниженная скорость сжатого воздуха и частиц ниже по потоку диффузора 29 способствует перемешиванию, которое происходит в соединении 30. Соединение 30 содержит первый патрубок 32, встроенный в линию с проточным каналом 14. Второй патрубок 34 задает острый угол α с первым патрубком 32. Другими словами, угол α меньше 90° по отношению к продольной оси, заданной проточным каналом 14. Хотя предполагается множество острых углов, в предпочтительном варианте осуществления угол α приблизительно равен 40°.
Подача 36 жидкости, предпочтительно воды, обеспечена под давлением или посредством гравитационной подачи во второй патрубок 34 через подающую трубу 38. Хотя для подачи 36 воды изображен контейнер, предполагается, что источник жидкости может быть обычным водопроводным источником воды. Для регулировки потока жидкости, как потребуется, обеспечен подходящий регулировочный клапан 40, сообщающийся по текучей среде с подающей трубой 38 и вторым патрубком 34. Это важно, что жидкость добавляют в проточный канал 14 между выходным патрубком 18 и контейнером 26 для того, чтобы предотвратить обратное протекание жидкости для преждевременного перемешивания с сыпучей смесью в этом контейнере. Такое нежелательное перемешивание может вызывать схватывание в тройнике 28 или проточном канале 14 и/или их засорение. Предполагается, что выбор угла α содействует потоку жидкости по направлению к выходному патрубку 18. У выходного патрубка 18 для направления потока получившейся в результате сжатой и тонкоизмельченной суспензии использована необязательная гибкая трубная секция 42. Предполагается, что система 10 в соответствии с настоящим изобретением выполнена с возможностью использования для производства множества цементирующих или схватывающихся суспензий, включая среди прочего гипсовые суспензии, используемые для производства стеновых плит и других стеновых панелей.
В системе 10 в соответствии с настоящим изобретением воздух проходит через проточный канал 14, а эжектор 28 создает сосущую силу, которая тянет частицы строительной смеси из контейнера 26 и соединяет их с потоком сжатого воздуха, и после того, как поток достигает соединения 30, воздух и строительная смесь в итоге перемешиваются с водой из трубы 38 для формирования тонкоизмельченной суспензии, как показано на фиг. 1. Как изображено, система 10 смонтирована на подложке 44, такой как стол или т.д., но предполагается, что подходят и другие подложки, в зависимости от масштаба узла 10.
Теперь обратимся к фиг. 2, где показан второй вариант осуществления перемешивающей системы в соответствии с настоящим изобретением, в целом обозначенной 50. Компоненты, совместно используемые с системой 10, обозначены одинаковыми ссылочными номерами. Было обнаружено, что при некоторых обстоятельствах система 10 чувствительна к противодавлению, создаваемому водным потоком, подаваемым через водную подающую трубу 38. Было обнаружено, что такое противодавление приводит к преждевременному перемешиванию с водой и схватыванию суспензии, что вызывает нежелательное засорение. Как известно из области техники, строительная смесь относительно быстро схватывается, во многих случаях схватывание начинается в пределах 10 секунд от контакта с водой.
Основное различие между вариантами 10 и 50 осуществления состоит в том, что последний использует воду в качестве движущей текучей среды вместо воздуха, который был использован в предыдущем варианте осуществления. Воду обеспечивают под давлением в проточный канал 14, который соединен с эжектором 28. В настоящем варианте осуществления эжектор 28 является 1 1/4 дюймовым (примерно 3,17 см) эжектором NPT (normal pipe thread, нормальная трубная резьба) типа, однако, предполагаются другие размеры в зависимости от применения, включая среди прочего  дюймовый (примерно 1,27 см) NPT эжектор.
Предпочтительно, в засыпной воронке 26 для перемешивания сыпучей строительной смеси используют мешалку 52, такую как вращающуюся спиральную или винтовую мешалку, вызывая турбулентность таким образом, что воздух соединяется с хранящимися частицами. Аналогично варианту 10 осуществления по мере прохождения эжектора 28 движущей текучей средой в проточном канале создается вакуум, а частицы и воздух затягиваются в поток движущей текучей среды. В результате, сыпучая строительная смесь, воздух и вода перемешиваются вместе в перемешивающей камере 54. Перемешивающая камера 54 по сравнению с длиной канала 14 является относительно короткой и имеет длину в общем диапазоне 1-2 дюйма (2,5-5 см). В предпочтительном варианте осуществления перемешивающая камера 54 имеет отношение диаметра к длине, равное 1:2; однако, предполагаются другие отношения. Более короткая перемешивающая камера 54 обеспечивает быстрое перемешивание суспензии.
Было обнаружено, что вовлеченный воздух, после того как перемешан с потоком движущей текучей среды, существенно увеличивает сдвигающее усилие в перемешивающей камере 54, приводя к более равномерному перемешиванию частиц и воды. Кроме того, увеличенный сдвиг, обеспеченный вовлеченным воздухом, уменьшает вязкость суспензии без потребности в дополнительной воде. В силу этого, отношение воды и строительной смеси в получившейся в результате суспензии было 75:1 без использования какого-либо диспергатора или замедлителя при использовании 1/2 дюймового (1,27 см) NPT эжектора. Это отношение относительно ниже, чем у суспензий, создаваемых с помощью обычных мешалок штыревого типа, где отношение воды и строительной смеси обычно находится в диапазоне между 80-100. Предполагается, что модификации засыпной воронки 26, в частности на нижнем участке 56, где геометрия засыпной воронки резко сужается, и комбинации с использованием диспергаторов и/или замедлителей, как известно из области техники, отношение воды и строительной смеси будет снижено в общем диапазоне 50.
К выходному патрубку 58 перемешивающей камеры 54 присоединен канал 60 для подачи суспензии, который в одном варианте осуществления является гибким шлангом для доставки на конвейерную линию по изготовлению стеновых плит, хорошо известный из области техники.
Очевидно, что настоящие системы 10, 50 мешалки выполнены с возможностью использования в качестве замены традиционной мешалки с вращающейся крыльчаткой в производстве гипсовых стеновых плит или других строительных плит, панелей, плиток и т.д. на основе гипса, вместе называемых стеновыми панелями. Процессы и ингредиенты для таких изделий хорошо известны из области техники, и характерные патенты перечислены выше и включены в настоящий документ посредством ссылки. Строительная панель, выполненная из суспензии, произведенной с помощью мешалки в соответствии с настоящим изобретением, содержит верхний и нижний слои лицевой бумаги, в промежутке между которыми расположена толщина схваченной суспензии, произведенной, как описано выше. Система 10, 50 в соответствии с настоящим изобретением используется для создания исходной гипсовой суспензии, которая формирует базовый компонент таких изделий.
Хотя в настоящем документе был описан конкретный вариант осуществления эжекторной мешалки в соответствии с настоящим изобретением для перемешивания строительной смеси и воды, специалистам в данной области техники будет понятно, что могут быть выполнены изменения и модификации без отхода от настоящего изобретения в его более широких аспектах и как было задано в последующей формуле изобретения.