Турбулентные бетоносмесители и пенобетоносмесители

Конструкция активатора и форма придонной части емкости, их влияние на общую производительность смесительного оборудования.

Благодаря простоте конструкции и хорошим эксплутационным характеристикам турбулентные смесители активно используются производителями строительных материалов. Некоторые ограничения к применению с лихвой компенсируются высокой скоростью смешивания при относительно не большой энергонагруженности оборудования. Применяемая в турбулентном смесителе клиноременная передача - надежная защита электродвигателя установки от аварийных перегрузок. Техническое обслуживание такой передачи сведено к минимуму. Турбулентные смесители в основном применяют для производства подвижных цементо-песчанных смесей и бетонов с крупностью заполнителя до 40мм. При турбулентном перемешивании повышается текучесть смеси и резко снижается водоотделение. Длительное перемешивание также вызывает дополнительную активацию цемента и инертных заполнителей.

Сам принцип турбулентного перемешивания, основанный на создании высоких градиентов скоростей, способствует равномерному распределению в приготавливаемом растворе различных включений и добавок (фибра, пигменты, пластифицирующие добавки). Быстро вращающийся активатор создает турбулентные завихрения, поэтому воздействие на компоненты приготавливаемой смеси при перемешивании осуществляется не столько активатором (ротором) установки, сколько именно динамическим возмущением среды. Такое активное воздействие позволяет получать очень качественные подвижные растворы при минимальном разрушающем воздействии на применяемые наполнители. Так как компоненты смеси имеют очень непродолжительный контакт с механической частью смесителя, можно сказать, что турбулентные смесители обеспечивают бережное перемешивание быстроразрушающихся компонентов приготавливаемого раствора (например, фибры). Именно по причине хорошего качества смешивания и активного воздухововлечения в приготавливаемые растворы, турбулентные смесители широко используются для приготовления неавтоклавного пенобетона (поробетона).

Для турбулентных смесителей условно можно выделить три фактора влияющих на общую эффективность смешивания: механическое воздействие на компоненты смеси активатора, обычно расположенного в донной части смесителя; направленное движение компонентов смеси в силу динамических возмущений (создаваемых ротором); количеством и формой бортовых лопастей, служащих для торможения и направления динамического потока. Итак, наряду с механическим перемешиванием ротор-активатор турбулентного смесителя играет роль генератора динамического потока жидкости в замкнутом объеме. Практика применения турбулентных смесителей показывает, что турбулентные возмущения оказывают более активное воздействие на приготавливаемый раствор, нежели механическая активация. Смесители, оснащенные активатором с лопастями, ориентированными на механическое перемешивание компонентов, заметно проигрывают и в скорости, и качестве приготавливаемых растворов. И напротив, активаторы с лопастями, способствующими созданию динамических потоков, установленные на тех же смесителях, показывали отличные результаты. Напрашивается вывод, что пути повышения эффективности турбулентных смесителей лежат в оптимальном соотношении функций активатора. При этом приоритетной является способность активатора генерировать высокоскоростной поток, определяющий общую эффективность смешивания, а способность производить механическое смешивание представляется второстепенной.

Для более полного представления процессов, влияющих на качество получаемых растворов, рассмотрим работу турбулентного смесителя подробно.

Ротор-активатор турбулентного смесителя.

Высокая скорость вращения ротора-активатора предъявляет особые требования к его конструкции. Наиболее распространен активатор корончатого типа с четырьмя, либо тремя лопастями (рис.1).

Активатор корончатого типа представляет собой диск с вертикально установленными лопастями, предназначенными для захвата и отбрасывания раствора. При вращении такой активатор создает устойчивую воронку (если раствор имеет достаточную подвижность). Смесь, увлекаемая воронкой, попадает на активатор, где захватывается лопастями и отбрасывается в радиальном направлении. Увлекаемый турбулентными возмущениями приготавливаемый раствор поднимается вверх, где повторно захватывается воронкой. Наблюдается восходящее перемещение смеси и круговое по оси вращения активатора (рис.2).

Однако захват раствора лопастями активатора такой конструкции происходит при относительно низких скоростях вращения активатора.

При увеличении скорости происходит срыв материала с лопастей в силу действия центробежных сил и усиления эффекта кавитации. Траектория движения материала от активатора распрямляется, круговое движение смеси уменьшается, а восходящее перемещение материала становится более выраженным. Восходящее движение смеси увеличивается в силу повышения напорного воздействия, радиально отбрасываемого материала и его уплотнения возле стенок емкости смесителя. (А) Постоянное давление материала, отбрасываемого активатором, вынуждает смесь перемещаться вверх. (Б) В верхней части смесителя раствор опять захватывается воронкой . (В) При скоростном режиме смешивания движение раствора становится более равномерным по сравнению с тихоходным режимом (рис.3).

Конструкция ротора-активатора и явление кавитации.

При существующей конструкции корончатый активатор турбулентного смесителя должен исполнять роль гидровинта, перемещая раствор из нижней части смесителя в верхнюю, при этом тщательно перемешивая компоненты раствора. Однако сама конструкция турбулентных смесителей препятствует такой работе активатора. Дело в том, что для нормальной работы гидровинта необходим приток жидкости (или подвижного раствора) равный оттоку. В противном случае, забирая материала меньше, чем отдавая, активатор работает в разряженной среде, его производительность резко падает. Но падение производительности это еще не самое страшное разрушающее действие гидродинамической кавитации, вызывающее повреждение ротора-активатора, стенок смесителя. Это вызвано понижением давления в жидкости (растворе). При увеличении скорости вращения активатора происходит образование в жидкости полостей (кавитационные каверны, или пузырьки), которые, перемещаясь с потоком в область высокого давления, захлопываются, излучая при этом ударную волну. Сами пузырьки микроскопически малы, однако, гидродинамическая кавитация разрушает и гребные винты судов, и гидротурбины, и бетоносмесители.

Причины появления эффекта кавитации ясны из его названия (от лат. cavitas -пустота). Для борьбы с кавитацией необходимо обеспечить приток жидкости равный оттоку. Однако само расположение активатора в придонной части турбулентного смесителя препятствует этому. Активатор получает рабочий раствор через верхнюю часть воронки и отбрасывает его к стенкам смесителя, где раствор тормозится о лопасти емкости, поднимается к верхней части смесителя и вновь захватывается воронкой.

Зачем скоростному ротору-активатору лопасти.

Необходимо заметить, что в данный момент мы говорим о лопастях большой площади характерных для корончатых активаторов (рис.1).

Если с ростом скорости вращения активатора процесс смешивания, в общем, ускоряется, направленность потока раствора несколько изменяется, то увеличение скорости вращения (до разумных пределов) активатора турбулентного смесителя следует признать целесообразной. Однако опасность работы смесителя в кавитационном режиме и сильное разбрызгивание приготавливаемого раствора, вызванное турбулентными возмущениями, препятствует этому.

Но если уже на скоростях около 250 оборотов в минуту постоянного захвата раствора лопастями активатора не происходит из-за действия центробежных сил и недостаточного притока материала, то лопасти большого гидродинамического сопротивления оказывают лишь возмущающее воздействие на перемешиваемую массу. Лопасти корончатого активатора на скоростях выше 250 оборотов в минуту, лишь эпизодически взаимодействуя с раствором, вызывают спонтанные возмущения и создают идеальные условия для перехода работы смесителя в кавитационный режим.

И если ротор-активатор отбрасывает от себя раствор в радиальном направлении, лишь незначительно закручивая его по направлению вращения, создает между собой и стенками емкости область повышенного давления материала, вызывающего подъем основной массы, более эффективно смешивает компоненты раствора, то изменение конструкции активатора кажется целесообразным. Прежде всего, необходимо оснастить активатор лопастями минимального гидродинамического сопротивления, препятствующими переходу работы смесителя в кавитационный режим. Увеличение количества лопастей минимального гидродинамического сопротивления, приводит к повышению качества смешивания, снижению времени приготовления растворов и значительно снижает негативное воздействие гидрокавитации на конструктивные части турбулентного смесителя.

Конструкция ротора-активатора и форма емкости смесителя.

Активатор цилиндрического типа с лопастями минимального гидродинамического сопротивления на скоростях более 250 оборотов в минуту отбрасывает приготавливаемый раствор в сторону нижней конической части смесителя (рис.4).

Активатор цилиндрического типа отбрасывает от себя раствор, придавая ему ускорение. В нижней части емкости, проходя незначительное расстояние, раствор, ударяясь о наклонную стенку, отражается вверх. Причем скорость движения раствора в нижней конической части емкости выше, чем в верхней части конуса, так как раствор, отбрасываемый верхней частью цилиндрического активатора, проходя большее расстояние до конической стенки смесителя, теряет скорость. Поэтому в нижней части конуса скорость соударения раствора выше, чем в средней части, а в средней части выше, чем в верхней (рис.5). В результате, раствор интенсивно подается в верхнюю часть смесителя, где захватывается воронкой и снова подается к активатору. Такой характер смешивания обеспечивает быстрое приготовление качественного раствора при уменьшении энергонагруженности смесительного оборудования. Значительно снижается абразивный износ активатора и стенок смесителя, так как снижается время и интенсивность контакта. В виду снижения интенсивности механического воздействия на составляющие бетонного раствора, появляется возможность введения в приготавливаемый раствор (бетон) различных добавок.

Интенсивное, но бережное смешивание, оказывает минимальное разрушающее воздействие на формируемые пузырьки пенобетона, поэтому турбулентные смесители, оснащенные цилиндрическим активатором, при изготовлении пенобетонных растворов низких плотностей показывают отличные результаты.

Бортовые лопасти турбулентных смесителей.

Если на смесителе установлен корончатый активатор, бортовые лопасти служат для снижения скорости потока и направления раствора к центру воронки. При круговом движении смеси в чаше смесителя интенсивность торможения и направления потока определяет общую эффективность смешивания. Однако, если смеситель используется для приготовления растворов с пониженным водоцементным отношением, а также бетонов с добавлением фибры, происходит налипание раствора на лопасти. Эффективность торможения потока сильно снижается, время смешивания увеличивается, производительность падает. Приходится останавливать работу смесителя и производить очистку лопастей, по окончанию работ очистка смесителя занимает много времени. Все это сильно снижает производительность оборудования.

Применение цилиндрического активатора изменяет общую направленность потока, преимущественно восходящее движение раствора в емкости смесителя позволяет применять бортовые лопасти уменьшенного размера, либо вовсе от них отказаться. При этом эффективность смешивания возрастает.

Эффективность смешивания.

Итак, на общую эффективность смешивания оказывают влияние скорость вращения ротора-активатора, его конфигурация, форма емкости смесителя (особенно, нижний конус). Высокопроизводительный турбулентный смеситель, смешивая компоненты раствора, не создает большое количество хаотических завихрений, зачастую мешающих друг другу и снижающих эффективность смешивания, а образует мощный восходящий поток приготавливаемого материала.

Расположение вала ротора-активатора в емкости смесителя.

Обычно в турбулентных смесителях вал ротора-активатора расположен в донной части (рис.6).

Однако встречаются и смесители, у которых вал привода активатора расположен по оси емкости сверху, естественно сам активатор находится в донной части смесителя (рис.7).

Рассмотрим эти схемы подробно.

Верхнее расположение приводной части турбулентного смесителя - попытка решить проблему интенсивного износа уплотнительных элементов.

Протечка раствора через уплотнительное устройство смесителя, вследствие ускоренного износа уплотнительных элементов, наиболее часто возникающая проблема при эксплуатации турбулентных смесителей. Эту проблему пытались решить различными способами, однако простая и надежная конструкция так и не была создана (об устройстве активной пневмодинамической защите "Навигатор-Тула" мы расскажем ниже). Не в силах повысить надежность уплотнительных устройств смесителя, некоторые производители оборудования обратились к схеме верхнего расположения привода смесителя. Действительно проблема протечек раствора была решена, но является ли такое решение оптимальным?

Давайте на минуту забудем о необходимости герметизации входа вала в емкость смесителя, какое расположение приводной части предпочтительно?

С точки зрения общей развесовки смесителя предпочтительно расположение массивных узлов и агрегатов снизу. При такой конструкции все тяжелые части смесителя ( подшипниковый узел, массивные шкивы, эл. двигатель) расположены на раме максимально низко. Центр тяжести даже полностью загруженной установки в районе её опор. Сам смеситель с нижним входом вала легче, нежели смеситель с верхним входом вала такого же объема. Так как вал, проходя по оси смесителя, отнимает полезный объем, приходится увеличивать размеры емкости. Большая консольность такой конструкции требует увеличения диаметра вала для компенсации изгибающих нагрузок. Для компенсации таких нагрузок требуется применение подшипникового узла повышенной мощности. Активатор изгибает такой вал в силу гидродинамического сопротивления, что также требует увеличения прочности всей конструкции. При быстром вращении, в силу действия центробежных сил, вокруг вала образуется область пониженного давления, что мешает образованию нормальной воронки и снижает полезный объем емкости смесителя. Наконец, высоко расположенный центр тяжести приводит к неоправданному увеличению веса и габаритных размеров смесителя. А загрузочный люк уменьшенного диаметра, расположенный не по оси емкости, делает обслуживание смесителя не очень удобным. В результате приходится констатировать, что смесители с верхним входом вала, при повышенном весе и габаритных размерах, пригодны лишь для производства легких растворов (например, пенобетона низких плотностей) и не являются универсальными смесителями способными также изготавливать тяжелые бетоны и пенобетон повышенной плотности. Итак, производители жертвуют такими важными показателями как вес, габаритные размеры, универсальность, повышая надежность уплотнения вала привода. И такой способ повышения надежности был бы понятен, если бы не существовало более простое техническое решение.

Устройство активной пневмодинамической защиты "НАВИГАТОР-ТУЛА" в турбулентных смесителях.

Устройство активной пневмодинамической защиты "НАВИГАТОР-ТУЛА", впервые примененное на турбулентных пенобетоносмесителях серии "Навигатор", - оптимальное соотношение простоты и надежности, высокой производительности и долговечности. Ротор-активатор смесителя серии "Навигатор" имеет форму цилиндра с лопастями минимального гидродинамического сопротивления. О преимуществах активаторов такой формы мы писали выше. Сам цилиндрический активатор напоминает перевернутый стакан, внутри которого расположен подшипниковый узел. В полость между внутренней стенкой активатора и корпусом подшипникого узла подается воздух, который препятствует проникновению раствора к уплотнительному узлу расположенному в верхней части корпуса подшипникого узла. Вспомните опыт с опусканием перевернутого стакана в воду, и вам станет понятен принцип действия активной пневмодинамической защиты. Пока стакан сохраняет вертикальное положение, вода не может его заполнить. Этим и объясняется причина высочайшей надежности смесителей, где использован такой принцип защиты опорного узла. Воздух, подаваемый внутрь активатора, заполняет его объем, выходит через кольцевой зазор между нижним срезом активатора и дном емкости и поступает в чашу смесителя, где равномерно распределяется в массе раствора.Такая продувка значительно активизирует процесс воздухововлечения, что особенно важно для производства неавтоклавного пенобетона низких плотностей. К тому же эффект барбатации, значительно улучшает качество получаемых растворов. Интенсивная продувка позволяет значительно снизить расход синтетических пенообразователей (опыты по применению органических пенообразователей нами, к сожалению, не проводились). При производстве цементно-песчанных смесей, когда показатели воздухововлечения не так важны, интенсивность продувки можно снизить. В этом случае, для нормальной работы турбулентного смесителя рабочим объемом 780 литров потребуется бытовой компрессор производительностью не более 60 литров в минуту!

Так как опорный узел установки находится внутри емкости смесителя и накрыт цилиндрическим активатором, чаша смесителя крепится на самой раме, без использования промежуточных деталей. Такой способ установки емкости не только снизил высоту загрузки, но и позволил отказаться от дополнительных опор, что положительно сказывается на весе смесителя и значительно снижает вибронагруженность оборудования даже при работе с тяжелыми растворами.

В заключение хотелось бы отметить, что устройство активной пневмодинамической защиты "НАВИГАТОР-ТУЛА" находит все большее применение в скоростных турбулентных смесителях. И если на смесителях серии "НАВИГАТОР" устанавливаются цилиндрические активаторы первого поколения ("НАВИГАТОР-ТУЛА" I), на установках НАВИГАТОР V3 второго поколения ("НАВИГАТОР-ТУЛА" II), то сейчас начат выпуск скоростных универсальных смесителей серии "ВЕКТОР", оснащенных устройством активной пневмодинамической защиты третьего поколения "НАВИГАТОР-ТУЛА" III!