Устройство смешивания

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Ковалев Сергей Иванович(72) Автор Ковалев Сергей Иванович(73) Патентообладатель Ковалев Сергей Иванович(57) Устройство смешивания, содержащее горловину загрузочного бункера для подачи исходных компонентов сырья, имеющую крышку с отверстиями для отвода водяного пара и газов из рабочей камеры, смонтированной на раме, оборудованной транспортировочными колесами, систему подогрева рабочей камеры с теплозащитным кожухом, блок смешивания, вал которого установлен в рабочей камере на подшипниковых опорах и соединен с приводом, причем блок смешивания выполнен в виде вала с установленными на нем кольцевыми элементами и винтовой лопастью шнека на внешней поверхности кольцевых элементов, жестко прикрепленных к наружной поверхности колец, лоток и шиберный затвор со стороны, противоположной приводу, для выгрузки готовой мастики, отличающееся тем, что рама дополнительно оборудована винтовыми упорами для выравнивания рабочей камеры в горизонтальное положение, блок смешивания соединен с реверсивным приводом через редуктор и муфту и установлен параллельно и ниже относительно оси рабочей камеры на 5-10 от ее диаметра так, что наружная торцевая кромка винтовой лопасти вовлекается в процесс диспергирования разогретой смеси в обметаемом зазоре,размер которого меньше толщины пограничного слоя битумной смеси на поверхности 94832013.08.30 обечайки нижней части рабочей камеры, каждый кольцевой элемент состоит из одного кольца и одной пары диаметрально расположенных лопастей, жестко связанных со ступицей и кольцами, причем диаметр кольцевого элемента определяется из условия равенства объемов внутренний и внешней полости, где кольцевые элементы образуют внутреннюю полость, оставшийся объем - внешняя полость рабочей камеры, при этом лопасти кольцевого элемента повернуты относительно оси на угол 1, обеспечивающий оптимальные условия перемешивания и аксиального перемещения смеси, а каждый кольцевой элемент отстоит от соседнего на расстоянии своей длины и повернут вокруг оси вала относительно предыдущего кольцевого элемента на угол 90, взаимное положение лопастей кольцевых элементов и винтовой лопасти шнека отвечает условиям 12, где 2 - угол атаки лопасти шнека, и разнонаправленности углов их атаки.(56) 1.2182867. Устройство смешивания относится к многофункциональным устройствам, применяемым в строительстве для приготовления битумно-полимерных композитных дисперсноармированных кровельных материалов (мастик) с высокой степенью однородности из демонтированного и предварительно измельченного застарелого битумно-рубероидного кровельного покрытия с добавками пластификаторов и модификаторов, осуществляющих в одном устройстве заданный набор технических функций - нагревание, естественную вентиляцию, реверсивное вращение и разрушение пограничного слоя смеси, которые позволяют реализовать для повышения однородности перерабатываемой рабочей смеси (далее - смеси) заданный набор технологических операций - интенсивное смешение и диспергирование (измельчение растиранием), плавление, обезвоживание и удаление газов из камеры смешения, пластификацию, модификацию и объемное (дисперсное) армирование. Наиболее близкой к заявляемому устройству по технической сущности являются установка смешения 1. Установка содержит впускное устройство для подачи исходных компонентов (предварительно демонтированных и измельченных слоев старого битумнорубероидного покрытия) в смесительную камеру, установленную наклонно в рабочем положении с возможностью вращения мешалки в виде вала с установленными на нем кольцевыми элементами. Каждый кольцевой элемент состоит из двух колец, ступицы, пары широких лопастей и двух пар узких лопастей, жестко связанных со ступицей и кольцами. Лопасти повернуты относительно оси на угол, обеспечивающий продвижение битумнорубероидной массы по плоскостям лопастей. Каждый кольцевой элемент повернут вдоль оси вала относительно предыдущего в сторону, обеспечивающую продвижение битумнорубероидной массы в направлении, противоположном направлению выгрузки на 360/, где- количество кольцевых элементов. К наружной поверхности колец жестко крепится шнек. К недостаткам прототипа относится его ограниченная функциональность, обеспечивающая только нагрев и перемешивание смеси, нельзя осуществить интенсивное диспергирование ингредиентов и других образований в смеси до необходимого размера фрагментов. Это объясняется тем, что конструктивно выполненный уклон рабочей камеры для обеспечения выгрузки смеси готового материала не позволяет реализовать качественное смешивание на этапе его подготовки, поскольку шнек - элемент блока возвратнопоступательного движения, имеющего однонаправленное вращательное движение, при котором шнек направляет поток смеси в сторону устройства выгрузки, расположенного в нижней части рабочей камеры, что приводит к нежелательному скоплению минеральных добавок и включений, содержащихся в битумно-рубероидной смеси, которая вызывает заклинивание этим скоплением части лопасти шнека, находящейся в нижнем положении. 2 94832013.08.30 Такая работа блока смешивания приводит к образованию фрагментированных застойных зон во всем объеме внутренней полости рабочей камеры, в том числе и со стороны, противоположной лотку выгрузки. При использовании прототипа в габаритах, при скоростях и температурах смешивания, допустимых для практического использования данного вида технологии, возникают следующие недостатки внутренние полости кольцевых элементов блока смешивания имеют избыточное насыщение лопастями, увеличивая этим гидравлическое сопротивление аксиальному потоку смеси ширина зазора между кольцевыми элементами блока смешивания недостаточная конструктивные условия организации встречных потоков смеси не определены разогретая битумная смесь имеет большую адгезию и вязкость, обуславливающих наличие толстого пограничного слоя на контактных поверхностях лопастей и обечайки рабочей камеры, усложняющего ее эффективное перемешивание перемешивание битумно-рубероидной массы в установке 1 достигается за счет движения разнонаправленных аксиальных потоков посредством поворота кольцевых элементов вдоль оси вала в сторону, противоположную направлению выгрузки. Поэтому получение мастики с приемлемой степенью однородности в такой установке практически не реализуемо. Недостаточное дробление загружаемого сырья не обеспечивает быстрого обезвоживания ингредиентов смеси, характеризующегося выделением газовых пузырьков в объеме смеси, необходимом для последующей модификации битума и пластификации композитного материала, что увеличивает срок и энергоемкость его изготовления. Задачей, для решения которой предназначено заявляемое устройство, является повышение его производительности и надежности при термомеханической безотходной переработке сырья из старых гетерогенных битумсодержащих кровельных покрытий, а также привносимых в смесь ингредиентов, их обезвоживание и удаление газов из камеры смешения путем естественной вентиляции непосредственно на кровле здания или сооружения, повышение качества перемешивания, диспергирования (измельчение растиранием) и объемного армирования для повышения степени однородности смеси, а также восстановление его пластических, гидрофобных и адгезионных свойств битумно-полимерного композитного материала до требуемых, при условии внесения в смесь специальных ингредиентов - модификаторов и пластификаторов. Решение поставленной задачи достигается тем, что устройство смешения, содержащее горловину загрузочного бункера для подачи исходных компонентов сырья, имеющую крышку с отверстиями для отвода водяного пара и других газов из рабочей камеры, смонтированной на раме, оборудованной транспортировочными колесами, систему подогрева рабочей камеры с теплозащитным кожухом, блок смешивания, вал которого установлен в рабочей камере на подшипниковых опорах и соединен с приводом, причем блок смешивания выполнен в виде вала с установленными на нем кольцевыми элементами и винтовой лопастью шнека на внешней поверхности кольцевых элементов, жестко прикрепленными к наружной поверхности колец, лоток и шиберный затвор со стороны, противоположной приводу, для выгрузки готовой мастики,рама дополнительно оборудована винтовыми упорами для выравнивания рабочей камеры в горизонтальное положение,блок смешивания соединен с реверсивным приводом через редуктор и муфту и установлен параллельно и ниже относительно оси рабочей камеры на 5-10 от ее диаметра так, что наружная торцевая кромка винтовой лопасти вовлекается в процесс диспергирования разогретой смеси в обметаемом зазоре, размер которого меньше толщины пограничного слоя битумной смеси на поверхности обечайки нижней части рабочей камеры,каждый кольцевой элемент состоит из одного кольца и одной пары диаметрально расположенных лопастей, жестко связанных со ступицей и кольцами, причем диаметр кольцевого элемента определен из условия равенства объемов внутренней и внешней полости,где кольцевые элементы образуют внутреннюю полость, оставшийся объем - внешняя по 3 94832013.08.30 лость рабочей камеры, при этом лопасти кольцевого элемента повернуты относительно оси на угол 1, обеспечивающий оптимальные условия перемешивания и аксиального перемещения смеси, а каждый кольцевой элемент отстоит от соседнего на расстоянии своей длины и повернут вокруг оси вала относительно предыдущего кольцевого элемента на угол 90, взаимное положение лопастей кольцевых элементов и винтовой лопасти отвечает условиям 12 и разнонаправленности углов их атаки. В устройстве, которое устанавливается на ремонтируемой кровле, производится безотходная переработка старых гетерогенных битумсодержащих кровельных покрытий путем интенсивного перемешивания и диспергирования ингредиентов и фрагментов смеси,тепловая регенерация битума из него, обезвоживание ингредиентов смеси и удаление газов из камеры смешения, пластификация и модификация битума, дисперсное (объемное) армирование смеси для получения мастичной консистенции с высокой степенью однородности со стабильными эксплуатационными свойствами единым технологическим циклом (переделом), обеспечивающим ее нанесение на поверхность кровли для формирования на ней бесшовного гидроизолирующего покрытия после его остывания. Для решения поставленной задачи упомянутые выше технологические операции (процессы или функции), а именно интенсивное смешивание и диспергирование (измельчение перетиранием), плавление, обезвоживание (выпаривание влаги) и удаление газов из камеры смешения, пластификация, модификация и объемная (дисперсная) структуризация осуществляют в рабочей камере смешения, ограниченной обечайкой 1 одного устройства,представленного на фиг. 1-2, единым технологическим циклом (переделом) по условной схеме загрузка компонента 1 - воздействие 1 (стадия 1) загрузка компонента 2 - воздействие 2 (стадия 2) воздействие 3 (стадия 3)загрузка компонента- воздействие(стадия ) выгрузка готового продукта. Повышение степени однородности смеси при одновременной переработке сырья в максимально сжатые сроки является главным условием энергоэффективности технологии,которое достигается только при одновременном сочетании конструктивной реализации в одной установке технических функций организации встречного движения коаксиальных потоков смеси с возможностью их перемешивания, одновременной смены их направленности при реверсе вращения блока смешения, а также организации принудительного разрушения пограничного слоя смеси у поверхности обечайки по всей длине нижней части камеры смешения, обезвоживании и удалении газов из рабочей камеры - позволяет реализовать упомянутые выше технологические функции приготовления смеси. В конце технологического цикла подготовки смеси разогретая эмульсионносуспензионная композитная мастика с высокой степенью однородности готова к выгрузке и нанесению на поверхность кровли известными способами. Срок использования кровельного покрытия, изготовленного в устройстве, реализующем функцию объемного структурного армирования композитного материала, увеличивается приблизительно в 2 раза. Предложенное техническое решение разъясняется фиг. 1-7, на которых схематически изображена конструкция устройства, ее основные узлы, а также схемы ориентации и установки лопастей, формирующих разнонаправленные аксиальные потоки смеси коаксиальной архитектуры Полезная модель поясняется фигурами. Фиг. 1 - устройство в сборе фиг. 2 - продольный разрез устройства фиг. 3 - вид А на фиг. 1 фиг. 4 - поперечный разрез устройства по - на фиг. 1 фиг. 5 - видкольцевого элемента на фиг. 4 фиг. 6 - видкольцевого элемента на фиг. 5 (показано без винтовой лопасти) фиг. 7 - схема устройства винтовой лопасти на кольцевом элементе ( - горизонтальная проекция вектора скорости частицы битумной массы в начальный момент вращения вала). 94832013.08.30 Обозначения на фиг. 1-7 1 - обечайка рабочей камеры 2 - кожух теплозащитный 3 редуктор 4 - электропривод реверсивный 5 - бункер загрузочный с крышкой с отверстиями 6 - затвор шиберный 7 - рабочие винтовые упоры 8 - муфта 9 - рама 10 - транспортировочные колеса 11 - лоток выгрузки мастики 12 - вал 13 - горловина загрузочного бункера 14 - стенки торцевые 15 - опоры подшипниковые 16 - кольцевые элементы 17 шнек (винтовая лопасть) 18 - нагревательные элементы плоские 19 - кольцо кольцевого элемента 20 - ступица 21 - лопасти кольцевого элемента 22 - зона диспергирования. Рабочая камера, состоящая из обечайки 1 преимущественно цилиндрической формы и двух торцевых стенок 14, смонтированных на жесткой раме 9 с четырьмя транспортировочными колесами 10, дополняется четырьмя вертикальными винтовыми упорами 7 с шарнирно закрепленными на них опорными площадками для надежной фиксации устройства в рабочем (горизонтальном) положении на неровной кровле. На внешнюю поверхность обечайки рабочей камеры 1 навиваются плоские электронагревательные элементы 18 для ее разогрева. Обечайка рабочей камеры 1 покрывается защитным термоизолирующим кожухом 2 для уменьшения тепловых потерь и выравнивания температуры по ее поверхности. Внутри рабочей камеры устанавливается блок смешивания, выполненный в виде вала 12 с установленным на нем набором (батареей) одинаковых кольцевых элементов 19, на которых жестко закреплена винтовая лопасть шнека 17 по всей длине блока смешивания. Вал 12 блока смешивания через муфту 8 и редуктор 3 соединяется с валом реверсируемого электропривода 4. Батарея кольцевых элементов 16 образует внутреннюю полость, оставшийся объем - внешняя полость рабочей камеры. Диаметр кольцевого элемента определяется из условия равенства объемов внутренней и внешней полости. Это условие при полном заполнении рабочей камеры смесью является необходимым для осуществления одинакового массопереноса и в прямом, и в обратном направлении, уменьшается вероятность возникновения застойных зон, влияющих на увеличение эффективности ее перемешивания. Кольцевой элемент 16 состоит из кольца 19, ступицы 20 и двух диаметрально расположенных лопастей 21, развернутых относительно оси вала 12 на угол 13045 и жестко связанных с кольцом 19 и ступицей 20, которая жестко крепится на валу 12. Кольцевые элементы 16 установлены друг от друга на длину элемента, каждый элемент развернут вокруг оси вала относительно предыдущего на угол 90. Такое синхронное крестообразное расположение лопастей 21 всех кольцевых элементов позволяет выводить лопасти 21 последующих кольцевых элементов из турбулентной зоны предыдущих, то есть уменьшается гидравлическое сопротивление аксиальной составляющей потоку смеси. Лопасти 21 кольцевых элементов выполняют функцию перемешивания посредством радиального перемешивания и аксиального перемещения смеси. На внешних поверхностях кольцевых элементов 16 жестко закреплена винтовая лопасть шнека 17 цилиндрической формы, параметры устройства которой отвечают достаточному условию, по которому локальный угол атаки лопасти шнека 2 находится в зоне зеркальной симметрии по отношению к углу атаки лопастей кольцевых элементов 1(фиг. 7) относительно плоскости, перпендикулярной оси вала и проходящей через любую общую точку лопасти любого кольцевого элемента и лопасти шнека на поверхности кольца, при этом 12. При однонаправленном вращательном движении вала блока смешивания в условиях не сплошного физического разделения потоков, имеющих коаксиальную архитектуру, только эти конструктивные ограничения позволяют организовать разнонаправленное аксиальное движение смеси во внутренней и внешней полостях рабочей камеры. Через зазоры между кольцевыми элементами смесь перетекает из полости в полость не только у торцевых стенок рабочей камеры, но и по всей длине блока смешивания, что интенсифицирует ее перемешивание и, как следствие, повышает эффективность других технологических процессов плавления, обезвоживания и удаления газов из камеры сме 5 94832013.08.30 шения, пластификации, модификации и диспергирования ингредиентов и фрагментов в смеси. Различная производительность (массоперенос) во внутренних и внешних полостях блока смешивания на разных стадиях технологического процесса (недогруженность камеры смешения) компенсируется перетеканием смеси через зазоры между кольцевыми элементами. Вал 12 блока смешивания устанавливается на опорах подшипников 15, закрепленных в торцевых стенках рабочей камеры 1, параллельно и ниже оси рабочей камеры на 5-10 от ее диаметра, при этом диаметр наружной торцевой кромкой винтовой лопасти шнека 17 составляет 90-95 от внутреннего диаметра рабочей камеры. Такие размеры блока смешивания и условие его расположения в рабочей камере 1 формируют зазор 22 по всей длине нижней ее части между обметаемой поверхностью обечайки рабочей камеры и наружной кромкой винтовой лопасти шнека 17, размер которого намного меньше толщины пограничного слоя даже полностью разогретой битумной массы. Поэтому частицы битумизированного картона (основа рубероида) и другие компоненты смеси, пребывая в состоянии покоя на поверхности обечайки и по толщине пограничного слоя, испытывают сдвигающее (вдоль образующей обечайки) силовое воздействие кромки вращающейся лопасти шнека. В результате чего твердые частицы целлюлозы (картона) и минеральные включения, участвуя в силовом взаимодействии с поверхностями устройства и между собой, разрушаются (дробятся и дезинтегрируются). То же происходит и с крупными пузырьками нерастворенных расплавленных компонентов модификатора, находящимися между твердыми частицами, - они распадаются на более мелкие. Создаваемое напряжение сдвига в смеси, находящейся в зазоре 22, при рабочих скоростях вращения блока смешивания обеспечивает диспергирование твердых частиц и пузырьков нерастворенных расплавленных компонентов модификатора, находящихся в битумосодержащей смеси. Реверсивный электропривод, циклично изменяя направление движения блока смешивания, изменяет направление аксиального движения смеси во внутренней и внешней полостях рабочей камеры для интенсивной дезинтеграции неоднородностей компонентов,находящихся в расплавленной смеси, извлекает их из застойных зон рабочей камеры, образующихся в процессе приготовления смеси из-за ее недогруза сырьем. Реверсивный электропривод соединяется с валом 12 блока смешивания через редуктор 3 и муфту 8. Вращение блока смешивания реверсируется посредством переключения направления вращения реверсивного электропривода 4 для интенсификации перемешивания и диспергирования ингредиентов и фрагментов смеси, их перемещения из застойных зон рабочей камеры. Это позволяет сократить технологический цикл подготовки смеси для получения эмульсионно-суспензионной смеси разогретой мастики с высокой степенью однородности. Через отверстия в крышке загрузочного бункера посредством естественного выноса водяного пара и других газов с поверхностного слоя смеси на всех стадиях технологического процесса ее приготовления осуществляется обезвоживание компонентов смеси от физически связанной воды, накопленной в процессе эксплуатации старых битумных кровельных материалов, а также в других компонентах, добавляемых в смесь на разных этапах технологического цикла приготовления, а также удаление газов из камеры смешения с целью пластификации, модификации и объемного (дисперсного) армирования смеси. Затвор 6 и лоток 11, установленные на торцевой стенке обечайки рабочей камеры,предназначены для выгрузки мастики. Работа устройства. В предварительно разогретую нагревательными элементами 18 рабочую камеру через горловину бункера 5 поэтапно загружаются ингредиенты, необходимые для приготовления мастики, при включенном электроприводе 4, вращение которого через редуктор 3 и муфту 8 передается на вал 12 блока смешивания. Лопасти кольцевого элемента 21 и лопасти шнека 17 при однонаправленном вращении блока смешивания обеспечивают разнонаправленное аксиальное движение смеси во внутренней и внешней полостях блока смешивания соответственно. Смесь, достигнув в посту 6 94832013.08.30 пательном (аксиальном) движении во внутренних полостях блока смешивания торцевых стенок 14, перетекает через зазор между торцевыми стенками 14 и кольцевыми элементами 16 во внешнюю полость блока смешивания и продолжает вращательно-поступательное движение в обратном направлении под воздействием винтовой лопасти. При движении компонентов смеси вдоль образующей в нижней части обечайки рабочей камеры по всей ее длине и наружной кромкой винтовой лопасти шнека 17 при любом направлении его вращения производится их диспергирование. Вращение вала 12 блока смешивания циклически реверсируется согласно требований технологического регламента переключением направления вращения реверсивного электропривода 4. При вращении блока смешивания, при котором винтовая лопасть движет смесь в направлении лотка выгрузки 11, готовая к применению мастика выгружается через лоток 11 после открытия шиберного затвора 6. Технический результат от создания устройства заключается в осуществлении с его помощью разнонаправленного интенсивного перемешивания и диспергирования ингредиентов смеси, ее объемного армирования до высокой степени однородности, а также выгрузку готовой смеси на кровлю непосредственно на месте и ко времени ее использования. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 9