Intensification of Homogenization Processes of Mixtures in the Recirculator Mixer

Full Text

Введение

Вопрос получения качественных композиционных смесей является актуальным, несмотря на постоянное развитие строительной отрасли и модернизацию смешивающего оборудования. Особую значимость данное научно-техническое направление приобретает в связи с необходимостью создания оборудования для приготовления композиционных смесей с различными техногенными компонентами [1, 2]. Кроме того, разработка инновационных технологий с использованием вторичных материальных ресурсов способствует комплексному решению проблемной задачи переработки твердых бытовых отходов [3, 4].

Одним из направлений повышения качества смешивания материалов является конструктивно-технологическое совершенствование рабочих органов. Интенсификация процесса гомогенизации компонентов в смесителе достигается за счет выбора и совершенствования геометрии, формы и схемы расположения рабочих органов, что также влияет на энергозатраты процесса гомогенизации обрабатываемой среды.

Проведенный анализ патентных исследований показал, что в целях повышения надежности и долговечности рабочих органов применяют защитные кожухи для лопастей [5, 6]. Данная модернизация позволяет продлить срок службы лопастных устройств, повышая тем самым производительность и эффективность смесителя.

Для интенсификации процесса гомогенизации используют комбинаторику лопастных устройств. Так, в работах [7, 8] реализуется интенсивное перемещение всех компонентов смеси как в радиальном, так и осевом направлениях внутри камеры. Благодаря повышению «степени свободы» движущихся компонентов смеси, создается турбулизация и интенсификация перемещаемых слоев материала. Выгрузочные лопасти реализуют рециклинг, частично возвращая материал в зону смешения.

Применение рамочных и спиралевидных лопастных устройств [9, 10] позволяет разрезать материал послойно по всему объему камеры, осуществляя макросмешивание, а также повышает транспортирующую способность внутри барабана, что устраняет застойные зоны и интенсифицирует процесс смешения. В конструкциях, представленных в [11, 12], используются стержневые элементы в качестве смешивающих устройств. Исполнение таких конструкций («разрушителей») позволяет воздействовать на смесь, разделяя ее на потоки и образуя завихрения, что увеличивает зону интенсификации процесса смешения, создавая вихревые потоки и разрушая слои материала перед лопастями. Это повышает однородность распределения всех компонентов смеси и улучшает ее качество.

Организация процесса приготовления смеси и введения добавок, реализация постадийного воздействия на материал также интенсифицирует процесс гомогенизации. Так, в патенте [13] реализуется двухстадийный процесс смешения. С помощью автоматизированной системы управления и подачи сигналов о закрытии и открытии загрузочных и разгрузочных затворов и шибера возможно регулирование времени приготовления смеси. Данное техническое решение позволяет увеличить производительность и уменьшить занимаемую площадь на производстве.

По результатам проведенного анализа патентных исследований и конструкций рабочих органов смесителей можно сделать вывод, что объемно-пространственное исполнение рабочих органов интенсифицирует процесс гомогенизации. Однако это требует специальных научно-технических разработок и исследований для установления наиболее рациональной геометрической формы, размеров композиционных схем расположения рабочих органов [14, 15].

Для исследования процесса взаимодействия смешивающего (рециркуляционного) устройства с обрабатываемой средой представим его в виде усеченной пластины, наклоненной к горизонтальной оси под углом a [16]. Угол среза эллипсного контура β образующей АB к малой оси эллипса АB определяет направление силового воздействия на материал: по ходу движения потока материала – β' или в обратном направлении – β''. При этом изменяются технологические функции устройств (схемы расположения – моделирования) при их расположении (на противоположных сторонах эллипсного контура по его большей оси АB) с различным направлением среза (β') по отношению к малой оси эллипса АB) – транспортирующее воздействие в заданную сторону камеры или при одинаковом направлении среза – рециркулирующее воздействие на материал во внутреннем пространстве между устройствами. Направление и частота вращения вала устройств имеют принципиальное значение, определяющее режим работы камеры смешения.

Таким образом, площадь контакта однозаходного винтового устройства (ОВУ) с материалом зависит от следующих параметров $S_{\text{к}}=f\left(\pm \alpha ;\pm \beta ;l;\varphi ;R_{\text{ОВУ}};\xi \right)$.

Для расчета значений  используем схему, показанную на рис. 1). Геометрический профиль ОВУ для упрощения расчетов можно представить в виде части эллипсного контура, ограниченного образующей АB, наклоненной под углом β к его малой оси. При этом устройство наклонено к горизонтальной оси камеры смешения под углом a. Расстояние от образующей до горизонтальной оси камеры смешения равно l, коэффициент загрузки материалом – j. Угол поворота устройства обозначим через ξ, диаметр устройства – D_ОВУ, радиус – R_ОВУ

Рис. 1. Схема взаимодействия лопастного смешивающего устройства с материалом

Выбор данного геометрического профиля устройства позволяет более детально изучить механизм его воздействия на перемешиваемую среду, ввиду многообразия вышеуказанных параметров [17, 18].

При исходных данных $S_{\text{ОВУ}}=\pi R_{\text{ОВУ}}{C}_{\text{ОВУ}}$, где $C_{\text{ОВУ}}=R_{\text{ОВУ}}/\sin \alpha ;S_{\text{ОВУ}}=\pi R_{\text{ОВУ}}^2/\sin \alpha$.

Для определения значения S_ОВУ воспользуемся интегральным выражением с заданными граничными условиями (1)

$S_{\text{ОВУ}}=2\underset{-R_{\text{ОВУ}}}{\overset{X_A}{\int }}dx\underset{0}{\overset{Z}{\int }}dz+\underset{X_A}{\overset{X_B}{\int }}dx\underset{Z_{A,B}}{\overset{Z}{\int }}dz$.                                                                 (1)

Используем при этом следующие значения Z и Z_A,B:

$\left\{\begin{array}{l}Z=\pm \frac{1}{\sin \alpha }{R}_{\text{ОВУ}}^{\text{2}}-x^2;\\ Z_{AB}=\text{tg\hspace{0.33em}}\beta x+l.\end{array}\right.$                                                                                  (2)

После соответствующих преобразований получим значения S_ОВУ

$S_{\text{ОВУ}}=\frac{1}{2\sin \alpha }\left[R_{\text{ОВУ}}^2\left(\pi +\arcsin \alpha \frac{x_B}{R_{\text{ОВУ}}}+\arcsin \alpha \frac{x_A}{R_{\text{ОВУ}}}\right)+x_A\sqrt{R_{\text{ОВУ}}^2-x_A^2}+x_B\sqrt{R_{\text{ОВУ}}^2-x_B^2}\right]-$

$\frac{1}{2}\text{tg\hspace{0.17em}}\beta \left(x_B^2-x_A^2\right)-l\left(x_B-x_A\right).$                                                                            (3)

При реализации процесса гомогенизации смеси происходит цикличное погружение устройства в слой материала, то есть изменение площади контакта устройства со средой. Согласно схеме площадь контакта с материалом зависит от угла поворота вала ОВУ, $S_{\text{к}}=f\left(\xi \right)$. Последовательность погружения ОВУ в материал обозначается графическими точками.

Тогда площадь соприкосновения ОВУ со слоем материала, ограниченную линиями по оси Z краем образующей AB (Z_A,B) линией соприкосновения NM (Z_N,M и эллипсным контуром (Z_эл), можно выразить из системы:

$Z_{A\text{,}B}=\text{tg\hspace{0.33em}}\beta x+l$;                                                                                                     (4)

$Z=\text{tg\hspace{0.33em}}{\beta }_{1}x+l^{\text{'}}$;                                                                                                       (5)

$Z_{\text{эл}}=\pm \frac{1}{\sin \alpha }\sqrt{R_{\text{ОВУ}}^2-x^2}$,                                                                                     (6)

где $\text{tg\hspace{0.17em}}{\beta }_{1}x=\frac{\text{tg\hspace{0.17em}}\xi }{\sin \alpha };$ $l^{\text{'}}=\frac{L}{\sin \alpha \cos \xi }$.

Координаты точек A, B, K, N и M можно установить, решив следующие уравнения:

$\left\{\begin{array}{l}{X}_{A,B}=\frac{-l{\sin }^2\alpha \text{\hspace{0.17em}tg\hspace{0.17em}}\beta \pm \sqrt{R_{\text{ОВУ}}^2\left(1+{\sin }^2\alpha \text{\hspace{0.17em}tg\hspace{0.33em}}\beta \right)-l^2{\sin }^2\alpha }}{1+{\sin }^2\alpha {\text{\hspace{0.17em}tg}}^2\beta };\\ Z_{A,B}=\frac{\pm \text{tg\hspace{0.17em}}\beta \sqrt{R_{\text{ОВУ}}^2\left(1+{\sin }^2\alpha {\text{\hspace{0.17em}tg}}^{\text{2}}\beta \right)-l^2{\sin }^2\alpha }}{1+{\sin }^2\alpha {\text{\hspace{0.17em}tg}}^2\beta };\end{array}\right.$                                (7)

$\left\{\begin{array}{l}{X}_{N,K}=-L\sin \xi \pm \cos \xi \sqrt{R_{\text{ОВУ}}^2-L^2};\\ Z_{N,K}=\frac{1}{\sin \alpha }\left(L\cos \xi \pm \sin \xi \sqrt{R_{\text{ОВУ}}^2-L^2}\right);\end{array}\right.$                                                       (8)

$\left\{\begin{array}{l}{X}_M=\frac{l-l_1}{\text{tg\hspace{0.17em}}{\beta }_1-\text{tg\hspace{0.17em}}\beta }=\frac{l\sin \alpha \cos \xi -L}{\sin \xi -\sin \alpha \text{\hspace{0.17em}tg\hspace{0.17em}}\beta \cos \xi };\\ Z_M=\text{tg\hspace{0.17em}}{\beta }_1\frac{l-l_1}{\text{tg\hspace{0.17em}}{\beta }_1-\text{tg\hspace{0.17em}}\beta }+l_1=\frac{\text{tg\hspace{0.17em}}{\beta }_{1}l-\text{tg\hspace{0.17em}}{\beta }_1{l}_1}{\text{tg\hspace{0.17em}}{\beta }_1-\text{tg\hspace{0.17em}}\beta }=\frac{l\sin \xi -L\text{tg\hspace{0.17em}}\beta }{\sin \xi -\sin \alpha \text{\hspace{0.17em}tg\hspace{0.17em}}\beta \cos \xi }.\end{array}\right.$       (9)

Исходя из приведенной схемы взаимодействия ОВУ с материалом (см. рис. 1) и соответствующих преобразований, площадь взаимодействия устройства с материалом определяется по формуле

$S_{\text{к}}=\frac{1}{2\sin \alpha }\left[R_{\text{ОВУ}}^2\left(\pi +\arcsin \frac{x_C}{R_{\text{ОВУ}}}+\arcsin \frac{x_N}{R_{\text{ОВУ}}}\right)+x_C\sqrt{R_{\text{ОВУ}}^2-x_K^2}+x_N\sqrt{R_{\text{ОВУ}}^2-x_N^2}\right]-$

$-\frac{1}{2}\text{tg\hspace{0.17em}}{\beta }_1\left(x_K^2-x_N^2\right)-l\left(x_K-x_N\right).$                                                                          (10)

Используя полученное ранее значение S_ОВУ (3), получим окончательно

$S_{\text{к\hspace{0.17em}}}=\frac{1}{2\sin \alpha }\left[R_{\text{ОВУ}}^2\left(\pi +\arcsin \frac{x_A}{R_{\text{ОВУ}}}+\arcsin \frac{x_C}{R_{\text{ОВУ}}}\right)+x_A\sqrt{R_{\text{ОВУ}}^2-x_A^2}+x_N\sqrt{R_{\text{ОВУ}}^2-x_K^2}\right]-$

$-\frac{1}{2}\text{tg\hspace{0.17em}}{\beta }_1\left(x_K^2-x_M^2\right)-l_1\left(x_K-x_M\right)+\frac{1}{2}\text{tg\hspace{0.17em}}\beta \left(x_A^2-x_M^2\right)+l_{}\left(x_A-x_M\right).$                       (11)

Аналогично, по выполненным расчетам площади контакта ОВУ с материалом при различных углах поворота ξ устройства, можно определить соответствующие значения S_кОВУ для устройства, наклоненного в сторону выгрузки материала.

Тогда, для схемы расположения ОВУ его площадь, ограниченная образующей АВ, будет равна

$S_{\text{ОВУ}}=\frac{1}{2\sin \alpha }\left[R_{\text{ОВУ}}^2\left(\pi -\arcsin \frac{x_A}{R_{\text{ОВУ}}}-\arcsin \frac{x_B}{R_{\text{ОВУ}}}\right)-x_A\sqrt{R_{\text{ОВУ}}^2-x_A^2}-x_B\sqrt{R_{\text{ОВУ}}^2-x_B^2}\right]-$

$-\frac{1}{2}\text{tg\hspace{0.17em}}\beta \left(x_A^2-x_B^2\right)-l\left(x_A-x_B\right).$                                                                    (12)

На стадии погружения устройства в материал, при пересечении линии контура слоя NK и образующей ОВУ A′B′ в точке M′, значение S_ОВУ будет определяться суммой двойных интегралов площадей

$S_{\text{ОВУ}}=\underset{x_M}{\overset{x_{A^{\text{'}}}}{\int }}dx\underset{X_{A^{\text{'}},B^{\text{'}}}}{\overset{Z_{N\text{,}K}}{\int }}dz+\underset{x_{A^{\text{'}}}}{\overset{x_N}{\int }}dx\underset{Z_K}{\overset{Z_{N\text{,}K}}{\int }}dz=\frac{1}{2\sin \alpha }\times$              

$\times \left[R_{\text{ОВУ}}^2\left(\arcsin \frac{x_N}{R_{\text{ОВУ}}}-\arcsin \frac{x_{A^{\text{'}}}}{R_{\text{ОВУ}}}\right)+x_N\sqrt{R_{\text{ОВУ}}^2-x_N^2}-x_{A^{\text{'}}}\sqrt{R_{\text{ОВУ}}^2-x_A^2}\right]+$  

$+\frac{1}{2}\text{tg\hspace{0.17em}}{\beta }_1\left(x_N^2-x_M^2\right)+l_1\left(x_N-x_M\right)-\frac{1}{2}\text{tg\hspace{0.17em}}\beta \left(x_{A^{\text{'}}}^2-x_{M^{\text{'}}}^2\right)-l\left(x_{A^{\text{'}}}-x_{M^{\text{'}}}\right).$             (13)

Максимальное значение площади контакта ОВУ со слоем материала будет достигаться при полном погружении устройства

$S_{\text{к\hspace{0.17em}}\max }=\frac{1}{2\sin \alpha }\left[R_{\text{ОВУ}}^2\left(\pi -\arcsin \frac{x_N}{R_{\text{ОВУ}}}-\arcsin \frac{x_K}{R_{\text{ОВУ}}}\right)-x_N\sqrt{R_{\text{ОВУ}}^2-x_N^2}-x_K\sqrt{R_{\text{ОВУ}}^2-x_K^2}\right]-$

$-\frac{1}{2}\text{tg\hspace{0.17em}}{\beta }_1\left(x_K^2-x_N^2\right)-l\left(x_K-x_N\right).$                                                                (14)

Соответственно, при выходе ОВУ из слоя материала площадь взаимодействия уменьшается

$S_{\text{к\hspace{0.17em}вых}}=\underset{x_{B^{\text{'}}}}{\overset{x_{M^{\text{'}}}}{\int }}dx\underset{Z_{A^{\text{'}},B^{\text{'}}}}{\overset{Z_{\text{эл}}}{\int }}dz+\underset{x_{M^{\text{'}}}}{\overset{x_K}{\int }}dx\underset{Z_{N\text{,}K}}{\overset{Z_{\text{эл}}}{\int }}dz=\frac{1}{2\sin \alpha }\times$             

$\times \left[R_{\text{ОВУ}}^2\left(\arcsin \frac{x_K}{R_{\text{ОВУ}}}-\arcsin \frac{x_B}{R_{\text{ОВУ}}}\right)+x_K\sqrt{R_{\text{ОВУ}}^2-x_K^2}-x_{B^{\text{'}}}\sqrt{R_{\text{ОВУ}}^2-x_{B^{\text{'}}}^2}\right]-$

$-\frac{1}{2}\text{tg\hspace{0.17em}}{\beta }_1\left(x_K^2-x_{M^{\text{'}}}^2\right)-l\left(x_K-x_{M^{\text{'}}}\right)-\frac{1}{2}\text{tg\hspace{0.17em}}\beta \left(x_{M^{\text{'}}}^2-x_{B^{\text{'}}}^2\right)-l\left(x_{M^{\text{'}}}-x_{B^{\text{'}}}\right).$             (15)

Полученные аналитические выражения для расчета площадей взаимодействия устройств, закрепленных на валу камеры смешения по различным схемам, с гомогенизируемым материалом помогают установить значения площадей контакта S_к при различных углах поворота ξ устройств. Определение предельных значений  позволяет настроить соответствующие сопротивления при погружении смесительных устройств в слой материала. Использование различных схем установки ОВУ в камерах смешения дает возможность изменять направления и величину силового воздействия на материал, что является важным при гомогенизации композиционных смесей с различными компонентами.

Полученные аналитические выражения необходимы для определения моментов сопротивления при перемешивании композиционных масс, а в дальнейшем – для расчета потребляемой мощности привода камер смешения.

Для изучения процесса гомогенизации смеси одно- и двухзаходными винтовыми устройствами (ДВУ) проведено моделирование процесса смешения в периодическом режиме работы с использованием вышеуказанных устройств (рис. 2). Для изменения энергосилового воздействия рабочих органов (винтовых устройств) на их поверхности установлены сплошные пластины с различной площадью контакта в период погружения в слой материала.

При реализации процесса рециклинга материалов во внутреннем пространстве ОВУ перемещает слой материала и, по мере погружения в него, смещает шихту вдоль винтовой поверхности. Симметричное расположение лопастей ОВУ позволяет реализовать последовательное (через каждые 180°) внутреннее перемещение (рециклинг) материала в центральной части барабана смесителя.

Для реализации процесса микросмешивания двухзаходными винтовыми лопастями использовались устройства без накладных пластин. Двухзаходные винтовые устройства влияют на материал в два раза интенсивнее. За один оборот вала (угол раскрытия поверхности ДВУ ψ = 90°) каждая их лопасть обеспечивает двухкратное воздействие на смесь, создавая встречные противоположно направленные потоки, осуществляя при этом внутренний рециклинг композиционной смеси.

При моделировании процесса гомогенизации смеси установлено, что при установке на рабочей винтовой поверхности ОВУ и ДВУ накладных пластин повышается захватывающая способность устройств и силовое воздействие на материал.

Рис. 2. Стендовые экспериментальные установки с одно- (а) и двухзаходными (б) винтовыми устройствами для моделирования процессов смешения

Рис. 3. Рециркуляционный смеситель комбинированного действия: а – схема компоновки камер агрегата; б – опытно-промышленный агрегат; 1 – транспортирующий шнек; 2 – камера макросмешивания; 3 – камера микросмешивания; 4 – камера смешивания добавок; 5 – камера окончательной гомогенизации; 6 – рама; 7 – пульт управления

Последнее приводит к интенсивному перемещению материала (рециклингу) внутри барабана смесителя. Также выявлено, что при различных значениях частоты вращения вала с устройствами наблюдается интенсификация процесса смешения в различных зонах камеры.

Так, при n_ДВУ = 20…80 об/мин наблюдалось интенсивное перемещение материала в нижней зоне камеры, а при n_ДВУ = 80…180 об/мин – дополнительно и в верхней части камеры. При этом установление объемно-пространственного перемещения материала в верхней части барабана существенно интенсифицирует процесс смешения.

С учетом проведенного моделирования исследуемых процессов разработан рециркуляционный смеситель комбинированного действия [16]. Разработанный на его основе технологический модуль работает следующим образом (рис. 3). Основные компоненты подаются с помощью транспортирующего шнека 1 в камеру макросмешивания 2. Однозаходными лопастями, закрепленными на горизонтальном валу, компоненты перемешиваются рабочими органами – ОВУ. Обработанная в камере 2 смесь разделяется на два потока. Первый поступает в камеру микросмешивания 3, оснащенную двухзаходными лопастями. На смесь совершается четырехкратное воздействие каждой парой ДВУ за один оборот вала, что за счет внутреннего рециклинга существенно интенсифицирует процесс смешения и повышает качество композиционной смеси.

Вторая часть материалов подается в камеру гомогенизации добавок 4, которая оснащена двухзаходными лопастными и П-образным устройствами. За счет высокоскоростного воздействия рабочих органов материалы основных компонентов вместе с добавками интенсивно перемешиваются. В дальнейшем частично подготовленные в камерах 3 и 4 композиционные смеси подаются в камеру окончательной гомогенизации 5, где перемешиваются, а при необходимости, с подачей связующего – микрогранулируются.

Рециркуляционный смеситель обладает многофункциональными технологическими возможностями за счет использования комбинированных рабочих органов объемно-пространственного воздействия на компоненты композиционной смеси в режиме их рециклинга между парными ОВУ и ДВУ. Обеспечивается интенсивное перемешивание гетерогенных техногенных компонентов композиционной смеси. Реализация в смесителе постадийного процесса смешения гетерогенных компонентов с различными физико-механическими характеристиками (гранулометрическим составом, плотностью, сыпучестью и др.) при разной комбинаторике использования камер позволяет получать высококачественные композиционные смеси широкого спектра использования.

Заключение

Выполненные научно-технические разработки направлены на конструктивно-технологическое совершенствование рабочих органов геометрического профиля и схем установки в камерах постадийного смешения (рециклинга) гетерогенных компонентов композиционных смесей.

Полученные аналитические выражения для расчета площадей контакта S_к винтовых устройств с материалом при различных углах поворота ξ позволяют определить моменты сопротивления при перемешивании композиционных масс и потребляемые мощности приводов камер смешения.

Проведенные экспериментальные исследования по моделированию процессов смешения гетерогенных композиционных смесей с использованием винтовых устройств интенсифицирующего действия различного геометрического профиля, кинематического и силового воздействия подтверждают технологическую целесообразность реализации постадийного внутреннего рециклинга смешиваемых компонентов.

Разработан, изготовлен и экспериментально апробирован патентозащищенный рециркуляционный смеситель комбинированного действия для смешения гетерогенных техногенных компонентов и получения композиционных смесей различного технологического назначения.

Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках национального проекта «Наука и университет» по созданию новой лаборатории «Разработка, исследования и опытно-промышленная апробация наукоемких технологий и технических средств для производства полимерсодержащих композиционных смесей и изделий из техногенных органоминеральных компонентов» (проект FZWN-2024-0002).

About the authors

A. M. Protsenko

Author for correspondence.
Email: nastya12rudchenko8@gmail.com

аспирант, инженер кафедры технологических комплексов, машин и механизмов

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Diagram of interaction of the blade mixing device with the material

Download (148KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Experimental bench setups with single- (a) and double-entry (b) screw devices for modeling mixing processes

Download (85KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Combined-action recirculation mixer: a – layout diagram of the unit chambers; b – pilot-industrial unit; 1 – conveying screw; 2 – macro-mixing chamber; 3 – micro-mixing chamber; 4 – additive mixing chamber; 5 – final homogenization chamber; 6 – frame; 7 – control panel.

Download (189KB)

Indexing metadata