Существующие методики расчета основных конструктивно­технологических параметров роторных смесителей принудительного действия

Современное исследование любых технологических процессов, в том числе и процесса смешивания в смесителях роторного типа, предполагает применение методик расчета, позволяющих отобразить ход процесса при различных геометрических параметрах оборудования, частотах вращения ротора, коэффициентах заполнения смесительной чаши, физических свойствах смешиваемых компонентов и т.д.

В смесителях принудительного действия роторного типа во время смешивания разнородных по своим свойствам материалов, составляющих бетонную смесь, движущейся лопасти необходимо преодолеть силы трения, возникающие между призмой материала, находящейся перед лопастью, и днищем чаши, а также силы трения, возникающие между указанной призмой и остальной частью материала [110]. Точный расчет указанных сил представляет определенные трудности. Для практических целей можно пользоваться упрощенным способом, в основу которого положено предположение о том, что сопротивление движению лопасти со стороны материала пропорционально площади её фронтальной поверхности.

Таким образом, потребляемая двигателем смесителя мощность будет зависеть от следующих факторов: формы поверхности лопастей и их

относительного положения в пространстве, окружной скорости движения лопастей, высоты смешиваемого слоя (гидродинамический напор) и физико­механических свойств перемешиваемой среды [81]:

где к - коэффициент, учитывающий физико-механические свойства

перемешиваемого материала;

F- активная фронтальная площадь поверхности лопасти, м²;

U- окружная скорость движения лопастей, м/с;

h- высота смешиваемого материала, м;

В работе Лещинского А.В. [85] мощность, затрачиваемая смесителем при работе, находится по формуле:

где M- суммарный момент, Н-м;

n - частота вращения ротора, мин^-1;

η - КПД привода ротора, η = 0,65...

Суммарный момент на вертикальном валу находится следующим образом:

где K- удельный коэффициент сопротивления движению лопасти в смеси, Н/м²;

D_cp- средний диаметр кольцевого смесительного пространства, м;

∑F - суммарная активная фронтальная площадь поверхности лопастей находиться по формуле:

где А - критерий эффективности, определяющий удельный расход мощности на перемешивание, с^-1,

V - объем готового замеса, м³;

- окружная скорость условной средней лопасти, ограниченной средним

диаметром кольцевого смесительного пространства:

Перемешивающие лопасти (рис. 1.11) располагаются таким образом, чтобы

перекрыть всю площадь смесительной чаши. Лопасти устанавливаются под углом к радиусам, что обеспечивает циркуляцию смеси в радиальном направлении от центра к краям и от краев к центру. Рекомендуемая величина угла равна 30.38°.

Зная суммарную активную фронтальную площадь, вычисленную по формуле (1.7) и размеры лопастей можно подсчитать суммарную активную длину лопастей:

где Z_nи Z₀- количество перемешивающих и очистных лопастей. Длину каждого типа лопасти находят из предположения, что длина перемешивающих лопастей l_n - ориентировочно в три раза больше длины очистных лопастей.

Рисунок 1.11. Схемы расстановки лопастей в чаше смесителя:

1 - чаша, 2 - внутренний стакан, 3 - очистные лопасти, 4 - перемешивающие лопасти

Тогда длина перемешивающей лопасти:

В существующих конструкциях смесительного оборудования перемешивающие лопасти имеют плоскую форму, а для придания смеси вертикальной циркуляции устанавливаются под углом к горизонту 61.66°.

Удельный расход энергии д_двцикличных смесителей принудительного действия был изучен сотрудниками ВНИИстройдормаша З.Е. Усановой, А.Х. Мусиной, В.И. Волчек [34] и сотрудником НИИЖБа К.М. Королевым [81, 82].

Величина q_gκимеет некоторые отклонения от среднего значения. Интерес представляет неисследованные отклонения величины ц_дв от среднего в сторону уменьшения удельного расхода энергии.

Учитывая замечания К.М. Королева [81], что анализ зависимости мощности N_dβ = q_dβ-V и других параметров смесителей от объема может быть использован для прогнозного расчета смесителей, а В.И. Волчек и А.Х. Усанова [34] предлагают использовать зависимости мощности привода от объема смесителя для оценки технического уровня существующих смесителей. Установлено, что технические характеристики выпускаемых смесителей не учитывают ряд конструктивных и технологических показателей.

На основании исследований Королевым К.М. были установлены корреляционные зависимости между удельным расходом энергии q_dβ, установленных электродвигателей, мощностью И_дв и вместимостью V смесителей различных типов отечественного производства. Из рисунка 1.12 следует, что отклонение величины q_dβу смесителей гравитационного циклического действия меньше, чем у цикличных смесителей принудительного действия.

На рисунке 1.13 представлены корреляционные зависимости

Очевидно, что снижение удельной использованной энергии связано с уменьшением относительной используемой мощности. Это позволяет утверждать, что для оценки экономичности смесителей недостаточно знать мощность привода, т.к. расход энергии зависит от мощности, потребляемой электродвигателем из сети, его КПД, коэффициента запаса мощности и от времени перемешивания.

У смесителей принудительного действия величина q_dβимеет значительный разброс, что подтверждает предположение об отсутствии единой методики расчета энергетических показателей цикличных смесителей принудительного действия.

Рисунок 1.12.

1 - смеситель цилиндрический принудительного действия; 2 - смеситель цилиндрический гравитационного действия

Рисунок 1.13. Зависимость мощности электродвигателей от удельного расхода энергии: 1 - смеситель цилиндрический принудительного действия; 2 - смеситель цилиндрический гравитационного действия

В работе Пулина В.П. [112] предлагается расчетная формула мощности для перемешивания: где М_кр - крутящий момент на валу ротора, Н-м;

здесь- кажущаяся вязкость, Па-с;

ρ- плотность бетонной смеси, кг/м³; n- частота вращения барабана, с^-1;

Р_см - диаметр смесительного барабана, м.

Однако К.П. Севров [121] для определения мощности рекомендует следующую формулу:

где z- число лопастей;

n- частота вращения ротора, с^-1;

b- ширина лопастей, м;

а - угол установки лопастей, град;

f- коэффициент трения бетонной смеси по лопасти;

r- радиус, описываемый концом лопасти, м.

В работе [81] определение мощности привода смесителя К.М. Королев предлагает производить как:

где к - коэффициент, определяемый в зависимости от скорости движения лопастей, высоты лопасти, способа её крепления и реологических свойств смеси;

R- средний радиус вращения лопасти, м;

F- площадь рабочей поверхности лопасти, м²;

а - угол наклона лопасти в горизонтальной плоскости, град;

β- угол наклона лопасти в вертикальной плоскости, град;

η- КПД привода смесителя.

Для определения количества лопастей Б.И. Почупайло [110] предлагает использовать зависимость:

где D_hи D_β- наружный и внутренний диаметры чаши смесителя, м;

b- ширина лопасти, м;

φ_maχ- динамический угол атаки, град.

При определении количества лопастей по формуле (1.14) остается не изученным вопрос влияния их количества на производительность и длительность времени перемешивания в смесителе.

Анализ вышеперечисленных методик расчета мощности показывает, что при проектировании смесительного оборудования основное внимание исследователей направлено на расчет и определение его конструктивных и технологических параметров. Однако в представленных выше зависимостях не представлены энергетические показатели, позволяющие оценить уровень эффективности смесительного оборудования, а также оптимизировать его работу [100, 104].

В итоге можно сделать вывод, что совершенствование конструкции рабочих органов (лопастей, шнеков, корпуса), привода, механических передач и использование современных конструкционных материалов оказывает влияние на изменение энергетических показателей бетоносмесителей и может повысить эффективность процесса перемешивания, надежность, а также снизить энергоемкость процесса получения бетонных смесей.

Таким образом, создание универсальной методики по расчету конструктивно-технологических и энергетических показателей роторных смесителей принудительного действия, удовлетворяющей всем требованиям, является важной научной задачей и имеет практическое значение в области

производства бетонных смесей и изделий из них.

1.4.