РАЗДЕЛ 2
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ОБОРУДОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ
Анализ технологий и оборудования, проведенный в первом разделе данной работы, показал, что транспортирование бетонной смеси бетононасосами и пневмонагнетательными установками с точки зрения энергетических затрат принципиально не отличается. В пневмонагнетательных установках давление воздуха выполняет роль поршня, выталкивающего смесь в магистраль. Смесь движется сплошной однофазной массой. В процессе движения преодолеваются сила статического давления бетонной смеси в трубопроводе и сила трения, которая зависит от возникающих касательных напряжений. Мощность (N), затрачиваемая на транспортирование бетонной смеси в установившемся режиме, определяется зависимостью [65].
, (2.1)
где
?0 - предельное напряжение сдвига, Па;
? - динамическая вязкость, Па?с;
Q- подача смеси по трубопроводу, м3/с;
L - длина магистрали, м;
H - высота подачи бетонной смеси, м;
? - средняя плотность бетонной смеси, кг/м3;
g - ускорение свободного падения, м/с2;
R - радиус транспортной магистрали, м.
Предельное напряжение сдвига и динамическая вязкость бетонной смеси прямо пропорционально влияют на расход мощности при транспортировании и во многом зависят от подвижности бетонной смеси. Проблема транспортирования малоподвижных строительных смесей, как в условиях стройплощадок, так и в заводских условиях всегда актуальна, так как бетоно и растворонасосы, а также пневмонагнетатели, используемые для этих целей, не решают целый ряд вопросов. Особенно следует обратить внимание на тот факт, что чем более жесткая смесь, тем менее приемлемо вышеуказанное оборудование: либо резко сокращается путь транспортирования, либо вообще невозможно ее перемещение по трубопроводу.
Предлагается композиционный способ транспортирования [38], который предусматривает последовательное транспортирование смеси на первом этапе поршневым насосом, а на втором этапе - сжатым воздухом: на способ получен патент Украины [41].
2.1. Способ подачи и особенности конструкции оборудования композиционного способа транспортирования
Оборудование композиционного транспортирования (рис. 1.2) включает в себя двухпоршневой насос с компенсатором неравномерности подачи, камеру смешения потоков бетонной смеси и сжатого воздуха, магистраль подачи бетонной смеси от насоса до камеры смешения и магистраль подачи воздушно-бетонной смеси после камеры смешения, воздушные шланги, передвижную компрессорную установку и гаситель скорости воздушно-бетонного потока в конце транспортирования.
В камеру смешения 3 прямоточным растворобетононасосом 1 с постоянной скоростью V1 подается бетонная смесь, а от передвижной компрессорной установки 8 поступает сжатый воздух. В камере смешения поток бетонной смеси разрушается струями сжатого воздуха и образуется многофазный, полидисперсный поток воздушно-бетонной смеси, который в дальнейшем после установившегося движения транспортируется по трубопроводу с постоянной скоростью V2 воздушно-бетонной смеси.
При композиционном транспортировании бетонных смесей по трубопроводу наблюдаются два различных процесса:
- движение бетонной смеси как неньютоновской жидкости от насоса до камеры смешения;
- движение диспергированной бетонной смеси в турбулентных потоках сжатого воздуха после камеры смешения.
Рис. 2.1. Технологическая схема композиционного транспортирования строительной смеси:
1 - двухпоршневой прямоточный растворобетононасос; 2 - магистраль подачи бетонной смеси от насоса до камеры смешения длиной L1; 3 - камера смешения потока бетонной смеси со сжатым воздухом; 4 - магистраль подачи воздушно-бетонной смеси после камеры смешения длиной L2; 5 - магистраль подачи бетонной смеси до камеры смешения на высоту H1; 6 - магистраль подачи воздушно-бетонной смеси после камеры смешения на высоту H2; 7 - воздушный шланг; 8 - передвижная компрессорная установка; 9 - гаситель.
Бетонная смесь обладает свойствами бингамовской, псевдопластичной, тиксотропной и максвелловской жидкости. Наиболее адекватно бетонная смесь может быть представлена бингамовской жидкостью. Ранее проведенные исследования показали, что в процессе транспортирования пневмонагнетательными установками бетонная смесь становится более жесткой. Это объясняется смачиванием водой стенок трубопровода во время движения смеси. Под действием сжатого воздуха, присутствующего в транспортирующем трубопроводе, стенки высыхают. Удаление воды происходит в результате косвенной сушки бетонной смеси. При композиционном транспортировании на второй стадии наблюдается прямая сушка бетонной смеси, эффективность которой во много раз выше за счет увеличения поверхности контакта частиц с воздухом. Кроме того, во время транспортирования смеси потоком сжатого воздуха свободная вода мелко диспергируется и присутствует в воздухе в виде тумана. В конце транспортирования происходит разделение воздушно-бетонного потока, которое обеспечивает установленный гаситель. Конструктивные особенности гасителя должны обеспечить полное улавливание бетонной смеси, освободившейся от излишков воды и отвод воздуха с максимальным содержанием свободной воды.
Таким образом, возможность удаления свободной воды при композиционном транспортировании позволяет с учётом высушивания внутренних стенок трубопровода ещё понизить в конце транспортирования первоначальную подвижность бетонной смеси. Поэтому, заведомо зная, что в конце транспортирования по трубопроводу снижается подвижность бетонной смеси, появляется возможность увеличения дальности ее перекачивания насосом за счет повышения первоначального содержания воды. Однако для реализации композиционного транспортирования необходимо исследовать процессы взаимодействия рабочих органов машин, входящих в комплект оборудования, с перекачиваемой бетонной смесью.
2.2. Особенности взаимодействия потока строительной смеси со сжатым в