Введение. Перед современными производствами по выпуску сухих строительных смесей стоят задачи расширения номенклатуры выпускаемой продукции, повышения эффективности смесительных агрегатов и её качества. Известные конструкции смесителей, таких как лопастные, роторные, лотковые и др., зачастую не удовлетворяют должному технологическому процессу производства сухих смесей. Готовая продукция после гомогенизации в таких агрегатах имеет низкий коэффициент однородности смеси (k = 0,5 - 0,65), а энергозатраты при этом могут достигать 10 кВт*ч/т [1].
Достижения строительного материаловедения в области сухих строительных смесей диктуют условия, в которых необходимо совершенствовать технику и технологию гомогенизации дисперсных компонентов смесей. Наиболее перспективными агрегатами для гомогенизации дисперсных компонентов смесей являются пневмосмесители непрерывного действия [2, 3 и 4].
Для указанных выше названий смесительных агрегатов, не используемых энергоноситель - сжатый воздух, преимущественно используется циклический тип работы: загрузка компонентов смеси, смешивание в объеме рабочей камеры смесителя и разгрузка готового продукта. Пневмосмесители позволяют производить сухие смеси в непрерывном цикле, т.е. одновременно осуществляется загрузка компонентов, их гомогенизация и разгрузка. При этом, как показали исследования, достигается высокое качество готового продукта, энергозатраты на подачу сжатого воздуха на тонну смеси не превышает 7 кВт*ч.
Коллективом ученым были разработаны различные конструкции пневмосмесителей [2, 3, 4], которые удовлетворяют широким требованиям при производстве сухих строительных смесей. Причем, была разработана конструкция пневмосмесителей для производства дисперсно-армированных смесей, которые в своем составе содержат фиброволокна синтетического и неорганического происхождения (базальт, металлическая стружка, стекловолокна и др.).
В зависимости от насыпной плотности армируемых волокон необходимо осуществлять подбор того или иного пневмосмесителя [2, 3, 4]. Так, например, для производства смесей с волокнами из базальта целесообразнее использовать конструкцию пневмосмесителя, показанную на рис. 1 [4]. Насыпная плотность базальтового волокна составляет 75-100 кг/м3. Оно относительно легкое в сравнении с стекловолокном, у которого данный показатель равен 150-400 кг/м3.
Для производства смесей с тяжелыми армирующими волокнами, такими как стекловолокно, волокна амальгамы, металлическая стружка и др., целесообразнее использовать конструкцию пневмосмесителя, которая показаны на рис. 2 [3]. Ее конструктивные особенности по сравнению с предыдущим пневмосмесителем заключаются в дополнительном подводе энергоносителя на стадии разгона компонентов. Это необходимо, чтобы поддерживать тяжелые волокнистые материалы во взвешенном состоянии уже на стадии предварительного смешения в разгонном патрубке. В камере гомогенизации имеются дополнительные регулируемые наклонные сопла, которые позволяют перенастраивать агрегат при смешении различных типов тяжелых армируемых волокон. Эти сопла создают вращение взвешенному слою частиц, который поступает с энергоносителем в камеру смешения. Очень важно управлять процессом вращения слоя с частицами в камере смешения при его взвешивании и потере скорости трансортирования. Для выполнения этой задачи были проведены экспериментальные и аналитические исследования вращающегося слоя с частицами для камеры смешения специальной геометрии, представленных в конструкциях пневмосмесителей на рисунке и 1 и 2.
Рис. 1. Пневмосмеситель непрерывного действия для производства сухих смесей с легкими дисперсно-армирующими волокнами: 1 - разгонный патрубок; 2 - камера гомогенизации; 3 - подача компонентов смеси; 4 - наклонные аэрирующие отверстия; 5 - отверстия поддува для ликвидации зон застоя; 6 - камера поддува воздуха; 7 - подвод воздуха поддува; 8 - аэрирующее устройство; 9 - отверстия аэрирующего устройства.
Рис. 2. Пневмосмеситель непрерывного действия для производства сухих смесей с тяжелыми дисперсно-армирующими волокнами: 1 - разгонный патрубок; 2 - камера гомогенизации; 3 - дозаторы компонентов смеси; 4 - бункеры компонентов смеси; наклонные аэрирующие отверстия; 5 - эжектор; 6,7 - дополнительные эжекторы; 8 - подвод воздуха поддува через отвертия; 9 - регулируемые сопла; 10 - камера поддува энергоносителя; 11 - подвод энергоносителя.
Основная часть. Известно, что скорость взвешивания 
слоя с частицами, созданного в поле сил тяжести с ускорением а = g, должна быть меньше скорости уноса
, (1)
где 
, d — плотность и диаметр частиц соответственно; ρ, μ— плотность и вязкость среды. Здесь рассмотрен стоксовскин режим обтекания [8] .
Если ускорение g заменить большим по величине центробежным ускорением 
, то за счет увеличения скорости взвешивания можно значительно повысить производительность аппарата. Центробежное ускорение может создаваться вращением с помощью дополнительного тангенциального поддува внутри конструкции камеры или в неподвижной камере смешения за счет предварительного вращения энергоносителя. Последний вариант привлекает простотой и более высокой надежностью. Однако в торцевых областях камеры смешения за счет увеличенных радиальных скоростей частицы выносятся из вращающегося слоя и при этом могут возникать «зоны застоя». Чтобы препятствовать этому, торцевые крышки камер смешения спрофилировали по гиперболе или тангенциально осуществляется поддув в торцевую область дополнительным энергоносителем [4]. Вследствие большого начального диаметра этих камер приторцевые области занимают большую часть объема и поэтому оказывают существенное влияние на процесс посредсвом большего сопротивления вращению слоя. Малый диаметр снижает и технологические параметры процесса. С увеличением диаметра камеры смешения Dк = 530 мм; 620; 790 мм при 
= 400 мм масса взвешенного слоя пропорционально растет. В [6] рассматривается создание взвешенного слоя в камере смешения 
=530 мм с отношением длины к диаметру L/ = 1,325. Конструкция и параметры завихрителя (см. рис. 2, поз. 9) определены в результате предварительных экспериментов со взвешенным слоем в плоской вихревой камере = 100 мм и L = 20 мм.
Радиус выходного отверстия вихревой камеры (см. рис. 2) в экспериментах изменялся и принимал значения 
= 15 мм; 27,5 мм; 60 мм. Подача компонентов смеси осуществлялась через разгонный патрубок 1, через три бункера с отверстиями диаметром 12,5 мм (см. рис. 4).
Расход воздуха на подачу компонентов не превышал 5—6 % от общего расхода. В экспериментах использовались частицы активированного цемента с d < 40 мкм, три фракции кварцевого песка: 0—71, 71—100, 100—160 мкм.
После подачи основного расхода воздуха через разгонный патрубок и завихрители в камеру подавались вышеупомянутые компоненты, которые образовывали горизонтальный кольцевой вращающийся взвешенный слой в объеме камеры. В дальнейшем слой распространялся на всю длину камеры с увеличением концентрации частиц. В начальный момент он хорошо наблюдался через торцевые смотровые отверстия в крышке и камере смешения установки. По мере накопления компонентов смеси видимость в камере ухудшилась, и наблюдение за слоем осуществлялось путем отбора проб радиальными трубками из трех точек на разных высотах камеры (z/L=0,1; 0,5; 0,9). По окончанию работы резко прекращалась подача воздуха. Удерживавшаяся в камере смесь оседала в виде кольца на нижней торцевой крышке; массу его взвешивали. Масса подаваемого в камеру порошка определялась непрерывным взвешиванием транспортирующего тракта.
В процессе работы со взвешенным слоем наблюдается ряд интересных явлений. Смесь в камере смешения электризовалась и при отсутствии заземления на ее конструкции наводился значительный заряд. У разгрузки образовывались четко разделенные кольца вращающихся слоев порошка со свободной от него центральной областью. По внутренней поверхности корпуса камеры смешения наблюдался вынос частиц из периферийных слоев в центральные. Однако на расстоянии 1—2 мм от торца происходило их возвращение в периферийную область. После длительного нахождения частиц в слое они становились сферообразными, а серый порошок цемента приобретал темный оттенок.
Рис. 3 результаты исследования взвешенного слоя частиц
(фракции d = 71-100 мкм)
в вихревой камере с 2R1 = 55 мм при расходе воздуха Q = 168 м3/ч.
Рис. 4 Распределение плотности слоя частиц для камер с разной длиной Rв = 60 мм:
1 – L = 350 мм; 2 – L = 400 мм; 3 – L = 450 мм; M/L = 80 г/см.
Было установлено, что из камеры выносятся только мелкие частицы (d < 5 мкм) как во время подачи компонентов, так и после прекращения подачи. На рис. 3 а) показано изменение массы слоя М по отношению к начальной 
с течением времени, начиная с момента прекращения подачи компонентов. За 30 мин работы масса слоя уменьшилась на 29 %. Это происходит за счет мелких частиц, имевшихся в исходной смеси и образовавшихся при разрушении крупных. Следует отметить, что масса слоя из более мелкой фракции 
мкм за 43 мин работы уменьшалась только на 19,5 %. Последнее объясняется меньшим износом более мелких частиц.
С увеличением массы слоя скорость его вращения замедляется, и дальнейшая подача компонентов приводит к внезапному выбросу из камеры смешения до 70—90 % его массы с низким коэффициентом однородности. Если подачу компонентов прекратить, скорость вращения слоя возрастает и затем возможна дополнительная его подпитка компонентома. Таким образом, выяснено, что масса слоя зависит от расхода компонентов, скорости входа частиц в камеру смешения и равномерности распределения их по диаметру и длине камеры. В экспериментах скорость входа частиц в камеру изменялась за счёт изменения расхода воздуха на подачу компонентов. Для достижения наибольшей массы слоя необходимо, чтобы скорость входа компонентов соответствовала тангенциальной скорости слоя, а массовый расход частиц был таким, чтобы не происходило локальной перезагрузки слоя.
Исследовалось влияние расхода воздуха Q, размера частиц и радиуса выходного отверстия R1 на массу слоя. Наибольшее влияние оказывает расход воздуха. На рис. 3 б показано, что с увеличением входной тангенциальной скорости 
масса взвешенного слоя возрастает. В исследованных диапазонах изменения расходов воздуха наблюдается рост массы слоя с увеличением . Уменьшение диаметра частиц также приводит к такому результату. При одном и том же расходе воздуха масса слоя частиц активированного цемента (
) фракции 
мкм больше в 2,5 раза массы слоя частиц песка с близкой плотностью (
), но большими размерами (d = 100—160 мкм). Увеличение массы слоя с уменьшением размера частиц происходит также для всех трех исследованных фракций песка за счет увеличения радиальной ширины слоя и уменьшения трения частиц о стенку камеры. Увеличение радиуса выходного отверстия с = 0.344 до 0,75 приводит к уменьшению массы слоя в 1,5 раза. Это объясняется сокращением радиальной ширины слоя и отсевом мелких фракций компонентов смеси. В этих экспериментах наибольшая масса слоя достигала = 146 г при фракции мкм и параметрах: 
Методика исследований. Профиль тангенциальной скорости v в камере без частиц можно определить с помощью показателя n в соответствии с [5]. Однако тангенциальная скорость частиц 
в камере со слоем значительно меньше скорости газа v в незагруженной камере смешения. Оценить тангенциальную скорость в слое по известной скорости v в соответствии с [5] можно так:
, (2)
где 
— параметр торможения потока слоем, определенный как отношение статического давления на периферии камеры при наличии слоя к тому же давлению в камере без слоя. Величина, обратная параметру s, изменяется пропорционально массе слоя
, (3)
где М — масса слоя в граммах.
Представляется интересным распределение массы частиц по радиусу камеры. Наибольшая плотность частиц наблюдается вблизи стенки камеры. В наших экспериментах после резкого прекращения подачи воздуха слой оседал кольцом, высота его изменялась аналогично изменению 
в [5]. Авторы [5, 8] отмечают, что по высоте слоя плотность в камере была однородная. Это пощволяет увеличивать массу слоя за счёт диаметра камеры смешения.
Таблица 1. Результаты расчёта скоростей в камере при 
=146 г и Q=168 
|
r, мм |
d, мкм |
v |
|
|
|
a, |
|
|
м/с |
|||||||
|
80 27,5 |
71 5 |
115 176 |
30,4 46,4 |
442 15 |
0,458 1,32 |
11500 78300 |
967 11,4 |
Если учесть сто скорость взвешивания слоя Uв для камеры смешения является радиальной скоростью
, (4)
то представленные соотношения (1) ─ (4) позволяют определить кинематические параметры слоя. Результаты расчетов представлены в табл. 1 при крайних значениях его радиуса. При расчетах принято, что самые крупные частицы, имеющиеся в слое 5<d<71 мкм, располагаются у стенки камеры смешения, а самые мелкие — на радиусе выходного отверстия. Видно, что скорость частиц , в 4 раза меньше скорости потока в незагруженной вихревой камере. В [8] скорость вращения слоя частиц речного песка размером d = (0,5 ÷ 4) мм измерялась с помощью вращающегося флажка. Она была в 15—20 раз меньше скорости невозмущенного потока.
Выводы. В результате исследований были получены следующие результаты. Во взвешенных слоях частиц разного диаметра происходит их движение по высоте слоя. При этом более тяжелые частицы могут опускаться и касаться ограждающей поверхности камеры смешения. Аналогичное явление наблюдается и во вращающемся слое. Тогда тяжелые частицы взаимодействуют со стенкой камеры смешения и снижают тангенциальную скорость. Таким образом, мы рассмотрели два случая — вращающийся слой и полностью взвешенный. В последнем наиболее тяжелые частицы с цилиндрической стенкой не соприкасаются.
