СТВОРЕННЯ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ. ШТУКАТУРНИХ СТАНЦІЙ І АГРЕГАТІВ. НОВОГО ПОКОЛІННЯ

Дослідження рівня енергоспоживання стрічкового шнеко­вого розчинозмішувача

Практичні задачі процесів змішування у більшості випадків не вда­ється розв’язати аналітично тому, що їх механізм носить складний харак­тер [47, 94, 107]. У таких випадках задачу необхідно розв’язувати дослід­ним шляхом на моделі процесу. Для того, щоб провести дослід із мініма­льними витратами та одночасно одержати максимальний результат, його необхідно відповідним чином спланувати. [2]

Проведення експериментальних досліджень вимагає виконання на­ступних етапів:

1) проектування та виготовлення лабораторної установки;

2) виконання вимірювань;

3) узагальнення одержаних результатів і визначення дійсних проце­сів, для яких одержані формули можуть бути використані.

Кожний із перелічених етапів ставить наступні питання:

а) яким чином необхідно реалізувати модель процесу змішування, щоб одержані результати дослідів могли бути перенесені на реальні процеси;

б) які величини необхідно виміряти, щоб за умови мінімальної кіль­кості вимірювань одержати вичерпну інформацію про хід процесу змішу­вання;

в) як узагальнити результати вимірювань та якими будуть межі за­стосування одержаних формул.

Одержати відповіді на поставлені питання надає можливість теорія подібності [94, 107]. Визначення критеріїв подібності здійснюється або шляхом аналізу диференціальних рівнянь процесу змішування та їх грани­чних умов, або за допомогою так званого методу аналізу розмірностей.

Хоча для описання багатьох реальних процесів одержані диференці­альні рівняння, але вони досить складні для аналітичного розв’язання. У таких випадках використовується теорія подібності, й таким чином аналі­зуються диференціальні рівняння та їх граничні умови, а також визнача­ється інтеграл цих рівнянь у формі загальної функції критеріїв подібності.

Для процесів, що відбуваються у змішувачах, досить складно визна­чити критерії, до складу яких входить швидкість руху часток розчину V. Розподілення швидкостей у змішувачах має досить складний характер, і в цьому випадку застосувати середню швидкість VCEP, як, наприклад, у випа­дку течії у трубі, не представляється можливим. Тому найчастіше викорис­товується умовна швидкість, яка рівна окружній швидкості на зовнішньому діаметрі робочого органа змішувача й. Одержані таким чином критерії з певною мірою достовірності будуть дійсними для процесу змішування.

Критерій Рейнольдса. Традиційне визначення даного критерію по­дібності для течії в трубах має наступний вигляд:

Re = , (3.82)

Т

Де Vcep - середня швидкість руху рідини в трубі, м/с; d0 - внутрішній діа-

-5

метр труби, м; р - густина суміші, кг/м ; ц - коефіцієнт структурованої в’язкості неньютонівської рідини (будівельного розчину), Па-с.

У фізичному розумінні критерій Рейнольдса Re являє собою відно­шення сил інерції до сил внутрішнього тертя й, до того ж, є критерієм, що визначає характер течії мас суміші, що перемішується (ламінарний або ту­рбулентний).

Для випадку руху суміші у змішувачі умовно приймають [24, 30, 94]

VCEP = ю - R, (3.83)

де ю - кутова швидкість обертання робочого органа змішувача, рад/с; R - зовнішній радіус робочого органа, м.

Отже, із урахуванням виразів (3.82) та (3.83) можна одержати:

Re =ю-R - Р. (3.84)

Л

Але одержаний таким чином критерій Рейнольдса не є універсаль­ним, таким що визначає характер течії (руху) суміші у змішувачі, оскільки характер течії також залежить від конструкції бункера та робочого органа змішувача, які в останній формулі не відображені. Цей недолік не дозволяє універсально застосовувати одержаний критерій Рейнольдса для аналізу багатьох процесів, що відбуваються у змішувачах. Саме тому для кожного типу змішувача необхідно розробляти окремі формули для визначення по­тужності, що витрачається на перемішування.

Критерій Фруда представляє собою відношення сил інерції суміші, що перемішується, до сил тяжіння. Для змішувачів він може бути записа­ний у вигляді:

Fr = —, (3.85)

g

де ю - кутова швидкість обертання робочого органа змішувача, рад/с; R - зо­внішній радіус робочого органа, м; g - прискорення вільного падіння, м/с2.

Даний критерій ураховує вплив завихрення, котре утворюється на задній кромці робочого органа розчинозмішувача, під час руху в суміші, що перемішується.

Критерій Хедстрема. Узагальнення результатів дослідження потуж­ності, що витрачається на перемішування неньютонівських рідин, до яких відносяться розчинні суміші, пов’язане із значними труднощами, адже в’язкість таких рідин залежить від гідродинамічного режиму в змішувачі [94, 107], а відповідно, й від кутової швидкості обертання робочого органа та його типу.

Дослідження рівня енергоспоживання стрічкового шнеко­вого розчинозмішувача Подпись: (3.86)

Найбільш повно деформаційна поведінка неньютонівських рідин ха­рактеризується формулою Шведова - Бінгама [42]

де і - дотичне напруження, Па; і0 - граничне напруження зсуву середовища,

Подпись: Па; ц - коефіцієнт структурованої в’язкості, Па с;dV

Подпись: dxградієнт швидкос­

ті (наприклад, вздовж осі Ох).

Дослідження рівня енергоспоживання стрічкового шнеко­вого розчинозмішувача Подпись: (3.87)

Таким чином, під час дослідження процесу перемішування роз­чинних сумішей повинні бути враховані їх реологічні властивості. Це можливо виконати за допомогою безрозмірного критерію Хедстрема [94]:

о

де R - зовнішній радіус робочого органа, м; р - густина суміші, кг/м.

Дослідження рівня енергоспоживання стрічкового шнеко­вого розчинозмішувача Подпись: (3.88)

Критерій Ейлера. Основне визначення критерію Ейлера у загально­му випадку має наступний вигляд [94, 107]:

де Ар - перепад тиску, Па; V - швидкість руху суміші, м/с.

Дослідження рівня енергоспоживання стрічкового шнеко­вого розчинозмішувача Подпись: (3.89)

Критерій Ейлера представляє відношення сил тиску, що викликають рух суміші, до сил динамічного тиску. Для процесів, що відбуваються у змішувачах, перепад тиску Ар та швидкість V правомірно замінити на по­тужність, що витрачається на перемішування, та окружну швидкість робо­чого органа змішувача. Якщо прийняти до уваги, що потужність, яка ви­трачається на перемішування, P « Ар-S - V, де S « R2 (умовний переріз пото­ку), V« ю R, правомірно записати вираз критерію Ейлера для процесів пе­ремішування:

Отже, з урахуванням вищенаведеного основне критеріальне рівнян­ня, котре описує рух в’язко-пластичного середовища, що перемішується, матиме вигляд:

Подпись: P ю3 - R5 - р Ґю-R2 - р ю2R т0R2p^ ’ ’ 2

V Л g Л )

або у формі степеневого одночлена

Eu = C - Rem - Frn - He5, (3.90)

де С - коефіцієнт; m, n, s - показники степені.

Слід відзначити, що рівняння (3.90) справедливе лише для геометри­чно подібних змішувачів. Розміри стрічкового шнекового змішувача ви­значаються п’ятьма основними розмірами (рисунок 3.27): радіусом вала змішувача R0, внутрішнім та зовнішнім радіусами стрічки RB та R, радіусом дна бункера RБ та кроком стрічки h. Також важливе значення має висота заповнення бункера сумішшю Н.

Подпись: HM _ RM _ RBM _ R0M HP RP RBP R0P Дослідження рівня енергоспоживання стрічкового шнеко­вого розчинозмішувача Подпись: (3.91)

Для збереження геометричної подібності під час перемішування по­винні виконуватися умови:

де CL - постійна геометричної подоби; величини із індексом ”М” відно­сяться до моделі або дослідного змішувача, а з індексом ”Р" - до реального (промислового) розчинозмішувача.

Якщо ці співвідношення виконуються, то системи будуть геометрич­но подібними, й для розрахунку реального змішувача може бути викорис­тане рівняння (3.90). Якщо ж деякі з геометричних величин повинні бути зміненими, то у рівняння (3.90) необхідно включити добутки, за допомо­гою яких ураховується вплив окремих геометричних характеристик.

Дослідження рівня енергоспоживання стрічкового шнеко­вого розчинозмішувача

Рисунок 3.27 - Основні геометричні характеристики стрічкового шнекового змішувача

Експериментальні дослідження процесу перемішування виконуються, як правило, на моделях, де змінені не лише розміри змішувача, але й техно­логічні суміші замінені більш дешевими та зручними у користуванні [94]. Тому проблема моделювання процесу змішування є особливо важливою.

Для двох процесів змішування (1 і 2), які виконуються у двох геоме­трично подібних розчинозмішувачах за умови однакової суміші, що пере­мішується, відповідно до формули (3.89) справедливою буде залежність

(3.92)

Якщо змінювати розміри змішувача за умови збереження постійної інтенсивності перемішування, визначеної різними способами (див. вище), правомірно записати:

Для Re = const, або ^ R2 = ш2 R:

Подпись:P_= R = (R_'

P1 R2 v R1 У

Отже, потужність, що витрачається на перемішування, зменшується обернено пропорційно із збільшенням розмірів змішувача.

Дослідження рівня енергоспоживання стрічкового шнеко­вого розчинозмішувача Подпись: (3.94)

Для постійної швидкості V = ю-R = const, або &1-R1 = ®2-R2:

У цьому випадку потужність збільшується пропорційно квадрату лі­нійних розмірів змішувача.

Для P/Q = const, або P/Q = Pi/Qi, приймаючи ефективний об’єм пе-

з

Дослідження рівня енергоспоживання стрічкового шнеко­вого розчинозмішувача Подпись: (3.95)

ремішування Q « R, одержуємо залежність:

Подпись: P P Дослідження рівня енергоспоживання стрічкового шнеко­вого розчинозмішувача Дослідження рівня енергоспоживання стрічкового шнеко­вого розчинозмішувача Подпись: ( КЄ2 ]3 ( R1 ^ Re, У V R2 У

або після перетворення із використанням рівняння

маємо:

Дослідження рівня енергоспоживання стрічкового шнеко­вого розчинозмішувача(3.96)

Таким чином, за умови забезпечення однакової інтенсивності проце­су перемішування P/Q = const, необхідно із збільшенням розмірів змішува­ча підвищити кутову швидкість обертання робочого органа змішувача та
значно підвищити значення критерію Рейнольдса. Отже, правомірно зро­бити висновок, що за умови однієї й тієї ж кутової швидкості ю робочого органа, змішувач більших розмірів (із низькою швидкістю обертання ро­бочого органа) витрачає під час перемішування меншу величину потужно­сті на одиницю об’єму суміші, що перемішується, ніж змішувач невеликих розмірів (із високою швидкістю обертання робочого органа).

Рівняння (3.90) пов’язує процеси перемішування у геометрично подіб­них розчинозмішувачах. При цьому постає питання визначення за допомо­гою експериментальних досліджень коефіцієнта С та показників степені m, п, s. З цією метою був використаний лабораторний стрічковий шнековий змі­шувач, геометрично подібний до змішувача штукатурної станції, але із мен­шою кількістю витків шнекової стрічки.

Стрічковий змішувач 1 (рисунок 3.28, б) експериментального стенда приводиться в рух від електродвигуна 2 за допомогою пасової передачі 3 та циліндричного редуктора 4. Можливість зміни швидкості обертання стрічки змішувача забезпечується під’єднанням електродвигуна 2 до ме­режі за допомогою перетворювача частоти 5. Для вимірювання активної потужності електродвигуна до проводів живлення підключені два фероди­намічних ватметри 6, як це показано на схемі. При цьому за правилами пі­дключення ватметрів виводи обмоток, позначені на корпусі зірочками, обернені в бік джерела енергії. Сумарна активна потужність (саме та поту­жність, що витрачається на виконання корисної роботи) обчислюється як алгебраїчна сума показників двох ватметрів.

З метою урахування ККД механізму привода змішувача, а також втрат енергії на тертя у підшипниках, на першому етапі досліджень була визначена величина потужності, що споживається на холостому ході неза- вантаженого змішувача. Середнє значення чотирьох вимірів для частоти обертання робочого органа ю = 1,0 рад/с склало Р0 = 42 Вт, для ю = 4,0 рад/с - Р0 = 45 Вт. Для подальших розрахунків було прийняте середнє значення потужності холостого ходу Р0 = 43,5 + 1,0 Вт.

До критеріального рівняння (3.90) входять наступні параметри: зов­нішній радіус стрічки шнека R (у даному випадку R = 0,3 м); кутова швид­кість обертання робочого органа ю, рад/с; потужність, що витрачається на

змішування, Р, Вт; а також величини, що характеризують властивості роз­-5

чинної суміші: густина р, кг/м ; коефіцієнт структурованої в’язкості ц, Пас; граничне напруження зсуву середовища т0, Па. Останні три параметри
визначаються як складом суміші, так і її рухливістю. Їх величина для вапня­но-піщаних розчинів за ДСТУ БВ.2.7 - 23 - 95 була одержана у роботі [31].

Дослідження рівня енергоспоживання стрічкового шнеко­вого розчинозмішувачаПодпись: Рисунок 3.28 - Лабораторний стенд для дослідження залежності споживаної потужності від частоти обертання робочого органа змішувача: а)

б)

а - загальний вигляд; б - конструктивна схема

1 - стрічковий шнековий змішувач, 2 - електродвигун, 3 - пасова передача, 4 - редуктор, 5 - перетворювач частоти струму ACS 300, 6 - ватметри

Порядок проведення дослідів наступний. Лабораторний змішувач за­повнювався свіжоприготованим вапняно-піщаним розчином відповідної рухливості на рівень до вала змішувача. За допомогою перетворювача час­тоти встановлювалася необхідна кутова швидкість обертання робочого ор­гана (кутова швидкість знаходилася шляхом визначення за секундоміром часу десяти повних обертів стрічки змішувача). Після цього вмикався дви­гун привода, і визначалася величина споживаної потужності P', Вт. Потуж­ність P, Вт, що витрачається на змішування, обчислювалася за формулою:

P = P' - Ро, (3.97)

де P0 - потужність холостого ходу лабораторного змішувача, Вт.

Результати визначення споживаної потужності залежно від рухли­вості розчинної суміші та кутової швидкості обертання стрічки шнека (таблиця 3.6) ілюструє об’ємний графік (рисунок 3.29, б). Він у цілому під­тверджує попередні теоретичні розрахунки, а також експериментальні дані, одержані для прямокутної лопатки. Як і у випадку лопатки, знижен­ня рухливості розчину до 6...8 см значно підвищує величину споживаної потужності.

Таблиця 3.6 - Результати визначення потужності P, Вт, що витрачається на змішування, для одного витка стрічки шнека лабораторного змішувача

Рухливість

розчину

Урух, см

Кутова швидкість обертання стрічки шнека ю, рад/с

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

6

82

84

90

108

124

130

164

176

8

60

60

66

66

78

88

98

120

10

40

40

44

44

52

56

66

72

12

32

32

36

38

36

40

44

60

Одержані експериментальні дані дають змогу визначити невідомі показники степені m, n, s та коефіцієнт С критеріального рівняння (3.90).

За допомогою даних по величині потужності (таблиця 3.6) можемо записа­ти систему рівнянь, кількість яких достатня для визначення невідомих па­раметрів:

374,477 = С • 1,267m • 0,006116" • 40,04*;

11,695 = С • 6,048m • 0,05505" • 81,725;

<| (3.98)

2,251 = С • 18m • 0,1529" • 213,75*;

0,6197 = С • 36,48m • 0,3914" • 228*.

Тут вихідні дані взяті для значень ю = 0,5; 1,5; 2,5; 4,0 рад/с та відпо­відно рухливостей vpyx = 6; 8; 10; 12 см. Розв’язавши систему, маємо:

Дослідження рівня енергоспоживання стрічкового шнеко&#173;вого розчинозмішувача

а) б)

Рисунок 3.29 - Залежність потужності, що споживається одним витком стрі­чки шнека лабораторного змішувача, від кутової швидкості робочого орга­на та рухливості розчину:

а - експериментальні дані (позначені точками); б - узагальнюючий графік

С = 7,471-10'2; m = 1,015; n = - 2,091; 5 = - 0,6439. Критеріальне рів­няння, виконання якого забезпечить подібність процесів змішування у стрічкових шнекових розчинозмішувачах, при цьому матиме вигляд:

Eu = 20,471 • Re0,815 • Fr“U91 • He"16439 , або

(3.99)

Подпись: P _ Of) 371 ґш-R2 -рл 0,815 f ш2 R ) -1,291 f х0 R^) -1,6439 = 20,4 / 1 ш3 • R -р V г J V g J V г2 J

Дослідження рівня енергоспоживання стрічкового шнеко&#173;вого розчинозмішувача Подпись: (3.100)

Як бачимо, останнє рівняння також може бути використане для об­числення потужності P, що споживається під час змішування одним вит­ком стрічкового шнекового розчинозмішувача, заповненого сумішшю до осі вала:

Подпись: а) б) Рисунок 3.30 - Порівняння значень потужності, що споживається одним ви-тком шнекової стрічки, визначених експериментально, із:

Порівняємо (рисунок 3.30) значення потужності P, обчислені за за­лежностями (3.47) і (3.100), із даними, одержаними експериментальним шляхом (таблиця 3.6).

а - розрахованими за залежністю (3.50);
б - обчисленими за критеріальним рівнянням (3.100)

Як бачимо за графіками потужності (рисунок 3.30, а), обчисленої за методикою урахування опорів, що діють на стрічку шнека з боку суміші (формула (3.47)), та одержаної у результаті лабораторних досліджень, вони мають певну розбіжність у значеннях. Ця розбіжність становить ~ 15% для малорухливих сумішей за умови низької кутової швидкості обертання ро­бочого органа змішувача. Причому експериментальні дані перевищують розрахункові. Але в межах основних робочих кутових швидкостей (~ 3,0 рад/с) графіки співпадають досить точно, про що свідчить лінія їх перетину. Для кутових швидкостей більше 3,0 рад/с знову з’являється роз­біжність, яка зростає із збільшенням кутової швидкості ю, причому в цій області розрахункові дані більші за експериментальні.

Аналогічну картину бачимо й у випадку порівняння потужності, об­численої за критеріальним рівнянням (3.100) (рисунок 3.30, б), та одержа­ної у результаті лабораторних досліджень. Але на відміну від попередньо­го випадку найбільша розбіжність значень (теж ~ 15%) спостерігається для розчинів великої рухливості при малих значеннях ю та для низькорухливих сумішей за умови кутової швидкості ю > 3,0 рад/с. Але в межах рухливос - тей 6...8 см та кутової швидкості ~ 3,0 рад/с графіки збігаються, про що свідчить лінія їх перетину.

Отже, правомірно зробити висновок, що дві запропоновані методики (із застосуванням величини питомого тиску на робочий орган та з використанням критеріїв подібності) щодо визначення потужності стрічкового шнекового ро­зчинозмішувача забезпечують необхідну інженерну точність та відповідність експериментальним даним у межах рухливостей розчинних сумішей та куто­вих швидкостей обертання робочого органа змішувача, які найчастіше викори­стовуються під час виконання опоряджувальних робіт. З урахуванням вищеза­значених обмежень (а саме, для кутових швидкостей ю = 2.4 рад/с) одержані теоретичні формули можуть бути використані під час розрахунків і проекту­вання нових конструкцій стрічкових шнекових розчинозмішувачів.

СТВОРЕННЯ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ. ШТУКАТУРНИХ СТАНЦІЙ І АГРЕГАТІВ. НОВОГО ПОКОЛІННЯ

Фасадная штукатурка: дефекты и ремонт

Фасадная штукатурка защищает дом от атмосферных воздействий, сохраняет тепло, повышает огнестойкость несущих конструкций.

ВИСНОВКИ

У результаті ґрунтовних теоретичних і експериментальних дослі­джень створені та впроваджені у будівельне виробництво принципово нові конструкції штукатурних станцій із поворотним бункером-змішувачем та малогабаритних штукатурних агрегатів мобільного типу. Теоретично обґрунтовані основні …

Визначення основних параметрів поворотних. бункерів-змішувачів штукатурних станцій

За необхідності створення штукатурної станції, обладнаної пово­ротним бункером-змішувачем, запропоновано наступну методику розра­хунку основних конструктивно -технологічних параметрів, розроблену на основі досвіду створення та дослідження натурних зразків станцій даного типу. Основні параметри …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.