Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование технологических процессов перемешивания сыпучих строительных материалов

Сведения об участнике
ФИО
Гоглев Илья Николаевич
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ивановский государственный политехнический университет"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Раздел области наук
Строительные материалы
Тема
Исследование технологических процессов перемешивания сыпучих строительных материалов
Резюме
В работе исследованы процессы плоского перемешивания. Описаны основные типы смесителей. Применена теория цепей Маркова для описания процесса перемешивания. Разработана экспериментальная установка плоского перемешивания и проведены эксперименты. Проведена проверка математической модели на программном комплексе MATLAB. Предложены мероприятия по снижению негативного влияния сегрегации.
Ключевые слова
Перемешивание, сегрегация, диффузия, цепи Маркова, естественное перемешивание, принудительное перемешивание, смесители.
Цели и задачи
Цель работы – повышение эффективности процессов перемешивания сыпучих строительных материалов на основе расчетно-экспериментальной информации о структуре потоков материала в смесителе. Задачи исследования:
выполнить экспериментальные исследования смесителей, связывающих массу смеси в смесителе с производительностью и предложить физическое объяснение этих характеристик.
Объектом исследования в работе являлись процессы перемешивания сыпучих строительных материалов в смесителях.
Предметом исследования было установление закономерностей влияния сегрегации на качество готовой смеси.
Новизна результатов работы:
1. Предложена ячеечная математическая модель процесса смешивания сыпучих материалов в смесителе.
2. Проведены экспериментальные исследования по смешиванию частиц различной крупности в лабораторном смесителе, позволяющем исследовать закономерности миграции частиц в виброожиженном слое.
Практическая ценность результатов.
Разработана методика определения коэффициентов сегрегации и диффузии для расчета процессов перемешивания реальных материалов. Выявлены общие закономерности влияния вида перемешивания на качество готовой смеси.
Введение

Процессы перемешивания сыпучих материалов, приводящие к получению товарных смесей и полуфабрикатов, широко распространены в: строительной, химической, фармацевтической и других отраслях промышленности.  В строительстве, процесс перемешивания тесно связан с производством сыпучих строительных материалов, бетонов, а также в производстве растворов и сухих строительных смесей. Качество перемешивания бетона влияет на его прочностные характеристики. К примеру, для изготовления железобетонных изделий жестких бетонов, в результате перемешивания бетона в смесителях принудительного действия, повышается экономия цемента на 15-30%, а время твердения сокращается в 1,5-2 раза. При этом прочность изделий также повысится на 10-15%. 

Методы и материалы

Применялся метод, по которому для исследования процесса перемешивания сыпучих строительных материалов использовалась теория цепей Маркова. Это связано с тем, что перемешивание - стохастический (случайный) процесс, который характеризуется огромной сложностью расчёта и моделирования. Благодаря исследованию процесса перемешивания другими учёными, выяснилось, что наиболее удобной и наиболее применимой для расчета математической модели перемешивания является теория цепей Маркова, которая способна учитывать множество факторов этого стохастического процесса: неоднородный состав смеси, дискретность или непрерывность процесса и т.д. Также применялись методы описания, сравнения, наблюдения.

Также после экспериментов, проводилась проверка математической модели на "адекватность", с помощью программного комплекса MATLAB.

Приборы: лабораторная установка для исследования процесса плоского перемешивания, прибор для измерения амплитуды и частоты (ВИБРОТЕСТ МГ-4), простейший зеркальный фотоаппарат с возможностью высокоскоростной съёмки (модель Canon EOS 1200d), секундомер.

Материалы: в экране установки находились шайбы металлические 2 типоразмеров: (4мм – для моделирования частиц мелкой фракции и 11мм – для моделирования частиц крупной фракции). Это было сделано для большей простоты расчёта, т.к. большее количество размеров частиц очень усложнит получения нужного результата.

Описание и обсуждение результатов

Лабораторная установка: представляет из себя экран из 2 плоских листов прямоугольной формы из органического стекла, на который нанесены линии разграничения слоёв перемешивания. Сам экран внизу ровно по середине имеет отверстие, через который проходит составной эксцентриковый вал от электродвигателя. Экран подвешен также в углах на 4 пружинах умеренной жёсткости. Пружины прикреплены к жёсткой раме. Рама установки жёстко (т.е. жёсткая заделка) прикреплена к станине.                                             Описание экспериментов: идея опытов состоит в том, чтобы создать плоскую модель перемешивания, путём получения зависимостей концентрации частиц в слое, от времени самого проводимого процесса. Были взяты частицы 2 типоразмеров (это было сделано для большей простоты расчёта, т.к. большее количество размеров частиц очень усложнит получения нужного результата),  было задано время перемешивания, было известно количество малых частиц при неизменной концентрации крупных частиц. Время опыта составляло от 10 до 60 секунд, т.к. процесс происходит очень интенсивно. К установке был подключён электродвигатель, с составным эксцентриковым валом, ось вала была немного смещена от оси самого электродвигателя, что вызывало при заданной частоте вращения вала колебания, которые имели направление «снизу-вверх». Общее направление колебаний было круговым.  Весь экран при включении электродвигателя начинал колебаться, в результате чего, частицы 2 типоразмеров в замкнутом пространстве начинали распределяться между собой, т.е. происходил простой процесс перемешивания.                                                                                                                                                     После экспериментов, благодаря фотофиксации, были сделаны фотографии, показывающие изменение динамики расположение частиц в слоях. Благодаря этому были построены графики зависимости количества частиц в слое, от времени эксперимента. После этого происходила проверка модели на "адекватность" на программном комплексе MATLAB.

Результаты работы: 1) В соответствии с поставленной целью и задачами экспериментальных исследований разработан алгоритм их выполнения. 2) Разработана и изготовлена установка плоскоэкранного вибрационного смесителя для проведения поисковых и основных экспериментов. 3) Разработана простейшая одномерная ячеечная модель эволюции состояния смеси в смесителе, учитывающая сегрегацию ключевого компонента в смеси. 4) Предложены методы и различные мероприятия по подавлению негативного влияния сегрегации на качество смеси. 5) Проведено технико-экономическое обоснование выбора смесительного оборудования на предприятии. 

Также при проведении расчетно-экспериментальных исследований процессов плоского периодического перемешивания на установках плоской формы были решены следующие задачи1)Отработана методика определения стохастических коэффициентов сегрегации и макродиффузии ячеечной модели по опытным кинетикам перемешивания. 2) Доказана адекватность ячеечной модели для описания процесса.

Используемые источники
1) Макаров Ю. И. Аппараты для смешения сыпучих материалов. – М.: Машиностроение. – 1973. –216 с.
2) Е.А. Баранцева, В.Е. Мизонов, Ю.В. Хохлова. Процессы смешивания сыпучих материалов: моделирование, оптимизация, расчет: Монография/ Иван. гос. энерго. ун-т. Иваново, 2008. - 108с.
3) Хохлова Ю.В. Исследование процессов смешивания сыпучих материалов в лопастных смесителях непрерывного действия. – И.:ИГЭУ, 2009. – 120 с.
4) Гениев Г.А. Вопросы динамики сыпучей среды. / Г.А. Гениев - М.: Стройиздат, 1958.-122с.
5) Баруча-Рид А. Т. Элементы теории Марковских процессов и их приложения. - М.: Наука, 1969. - 511с.
6) Баранцева Е.А. Моделирование и оптимизация процессов смешивания сыпучих материалов. – И.:ИГЭУ им. В.И.Ленина, 2010. – 262с.


Information about the project
Surname Name
Ilya Goglev
Project title
Research of technological processes of mixing of bulk building materials
Summary of the project
The flat mixing processes are investigated. Main types of mixers are described. The theory of Markov chains for the description of the
mixing process are applied. Experimental setup a flat mixing was constructed and experiments are conducted. The mathematical model are tested on the software package MATLAB. Measures to reduce the negative impact of segregation are proposed.
Keywords
Mixing, segregation, diffusion, Markov chains, natural mixing, forced mixing, mixers.