Многоконусный струйный пеногенератор
Устройство предназначено для получения высокодисперсной пены и используется при производстве пенобетонных изделий. Пеногенератор содержит корпус с патрубками для подачи пенообразующего раствора и сжатого воздуха, представляющий собой основную смесительную камеру. В камере многоярусно расположены одна в другой с образованием кольцевого зазора насадки в виде усеченных конусов со сквозными отверстиями. Корпус удлинен в сторону выхода продукта с образованием дополнительной камеры, заполненной керамической крошкой размером 5-10 мм. На дне установлен отражатель в виде конической пружины с шагом витков меньше, чем величина керамической крошки. Объем дополнительной камеры составляет не менее 3/4 объема смесительной камеры, а диаметр дополнительной камеры предпочтительно в пять раз больше диаметра камеры смешения диффузора. Технический результат состоит в снижении энергоемкости процесса получения высокодисперсной пены за счет использования более низких рабочих давлений. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области смешения жидкостей и газов с получением высокодисперсной пены и может быть использовано, например, в промышленности строительных теплоизоляционных и акустических бетонов, при производстве ячеистых блоков безавтоклавной обработки.
Уровень техники
Известны воздушно-пенные стволы струйного типа для вспенивания водных растворов, используемых при пожаротушении [1]. Однако такие конструкции не могут быть использованы при производстве пенобетонов, так как они предназначены для приготовления пен большой кратности, 50-100 и более.
При производстве пенобетонов кратность пены должна быть не более 10-15 [2].
Известен аппарат струйного смешения газообразных и жидких компонентов, содержащий смеситель для предварительного смешивания активного газового реагента и добавляемого распыленного потока жидкого реагента с получением двухфазного потока газожидкостной среды. Двухфазная смесь поступает в сужающееся сопло аппарата, и в камере смешения происходит дополнительное смешивание за счет инжекции добавочного реагента. Известное решение позволяет повысить эффективность процесса смешения, однако усложняет его осуществление и практически требует размещения в технологической линии дополнительного устройства для получения двухфазного рабочего потока. Кроме того, аппарат имеет одно сопло и диффузор, поэтому контакт между средой и фазой в таком аппарате кратковременный, что требует приложения больших движущих сил для достижения поставленной цели [3].
Из известных технических решений более близкой по конструктивным признакам к заявляемому объекту является установка для непрерывного вспенивания молока [4]. Входящий в ее состав пеногенератор выполнен в виде вертикальной емкости с многоярусно расположенными одна в другой с образованием кольцевого зазора насадками в виде усеченных конусов со сквозными отверстиями, площади которых увеличиваются к выходу продукта и образуют канал с углом раствора предпочтительно до 1°. Данный аппарат предназначен для вспенивания вязких (сгущенное молоко) и высоковязких (казеин и казеинаты) продуктов. Кроме того, процесс смешения осуществляется при относительно высоких давлениях, не менее 25×105 Па.
Пеногенератор подобной конструкции можно использовать и для получения пены из водного (невязкого) раствора пенообразователя при производстве пенобетона [5]. Вспениваемая жидкость, проходя по конусам, находится в постоянном контакте с воздухом, при этом каждая пара сопрягаемых конусов создает гидроудар, обеспечивающий дробление воздуха в жидкости. Устройство позволяет получать высокодисперсную пену плотностью от 85 до 100 г/л и стойкостью от 70 до 52 мин. Однако процесс смешения невязких растворов в данном аппарате осуществляется при еще более высоких рабочих давлениях.
Раскрытие изобретения
Заявляемым изобретением решается задача снижения энергоемкости процесса получения высокодисперсной пены на многоконусном струйном пеногенераторе за счет использования более низких рабочих давлений.
Поставленная задача решается тем, что в многоконусном струйном пеногенераторе, содержащем корпус с патрубками для подачи пенообразующего раствора и сжатого воздуха, представляющий собой основную смесительную камеру с многоярусно расположенными одна в другой с образованием кольцевого зазора насадками в виде усеченных конусов со сквозными отверстиями, и диффузор, согласно заявляемому изобретению корпус выполнен удлиненным в сторону выхода продукта с образованием дополнительной камеры, совмещенной с основной смесительной камерой через диффузор, заполненной диспергирующим материалом и имеющей патрубок вывода продукта, причем объем дополнительной камеры составляет не менее 3/4 объема основной смесительной камеры, а диаметр дополнительной камеры предпочтительно в пять раз больше диаметра камеры смешения диффузора.
Для приготовления пены требуется произвести диспергацию пенообразователя воздухом с образованием новой развитой поверхности пузырьков пены. Образование такой поверхности требует больших затрат энергии. Дополнительная камера, заполненная диспергирующим материалом, позволяет увеличить поверхность и время контакта струи водного раствора пенообразователя с газом, следовательно, значительно увеличивается интенсивность массообмена между газом и жидкостью.
Как показали опыты, объем дополнительной камеры должен составлять не менее % объема основной смесительной камеры. Уменьшение этого объема приводит к ухудшению качества пены. На качество пенообразования существенное влияние оказывает и диаметр дополнительной камеры, который должен быть предпочтительно в пять раз больше диаметра камеры смешения диффузора. При внезапном расширении потока на выходе из диффузора механическая энергия вспениваемой жидкости и свободного, не вошедшего в структуру предварительно вспененного раствора воздуха рассеивается. При этом возникают благоприятные условия для пенообразования. Увеличение диаметра дополнительной камеры более чем в пять-шесть раз по сравнению с камерой смешения диффузора приводит к образованию застойный зон и ухудшению качества вспенивания. Уменьшение диаметра дополнительной камеры приведет к резкому увеличению габаритов аппарата, что нецелесообразно с эксплуатационной точки зрения.
Таким образом, очевидно, что лишь в совокупности отличительные признаки заявляемого пеногенератора обусловливают возможность получения высокодисперсной пены при использовании более низких рабочих давлений. Благодаря этому появилась возможность в 5-6 раз уменьшить давление рабочего и инжектируемого потоков для достижения необходимого качества вспенивания, что в свою очередь позволило значительно снизить энергоемкость процесса.
Анализ уровня данной области техники не выявил технических решений, которым присуща вся совокупность аналогичных отличительных признаков, направленных на решение поставленной задачи, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «изобретательский уровень».
Диаметр отверстия патрубка вывода продукта оказывает существенное влияние как на устойчивость работы аппарата, так и на качество пенообразования. При диаметре отверстия патрубка меньше, чем диаметр камеры смешения диффузора, аппарат работать не будет из-за большого противодавления, а при диаметре отверстия патрубка больше, чем диаметр выходного отверстия диффузора, напротив, создается слишком малое противодавление, что ухудшает качество пенообразования.
Следовательно, диаметр отверстия патрубка вывода продукта должен быть таким, чтобы обеспечить и устойчивую работу аппарата, и качество получаемой пены при минимальных давлениях рабочего и инжектируемого потоков, то есть оптимальная величина диаметра этого отверстия лежит в диапазоне от величины диаметра камеры смешения диффузора до диаметра выходного отверстия диффузора.
В качестве диспергирующего материала лучше всего использовать керамическую крошку. Причем под керамической крошкой можно понимать керамзит, бой кирпича, а также бой изоляторов. Благодаря развитой контактной поверхности происходит стабилизация пены с высокой степенью дисперсности пузырьков.
Использование керамической крошки в качестве заполнителя проводит к тому же к снижению себестоимости пеногенератора, так как этот материал практически ничего не стоит и в условиях стройки всегда имеется под рукой в неограниченном количестве.
Для образования оптимальной плотности упаковки заполнителя, что также сказывается на качестве ценообразования, величина керамической крошки должна быть предпочтительно 5-10 мм.
С целью предохранения от уноса из камеры керамической крошки и сохранения постоянства противодавления на дне дополнительной камеры установлен отражатель в виде конической пружины с шагом витков меньше, чем величина керамической крошки, обеспечивающий устойчивую работу аппарата в продолжительном режиме эксплуатации. В отличие от сетчатых отражателей, межвитковый зазор конической пружины не заращивается, даже когда используется некачественный ПАВ, образующий нерастворимый осадок в водном растворе, и в качестве диспергирующего заполнителя - более слабый и склонный к разрушению материал, например керамзит.
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен общий вид многоконусного струйного пеногенератора, схематичное изображение.
Осуществление изобретения
Пеногенератор содержит корпус 1 с патрубками для подачи пенообразующего потока 2 и сжатого воздуха 3. Корпус 1 представляет собой основную смесительную камеру I с диаметром D1, в которой соосно установлены многоярусно расположенные одна в другой с образованием кольцевого зазора насадки 4 в виде усеченных конусов со сквозными отверстиями. В конце ряда конических насадок установлен диффузор 5. Корпус удлинен в сторону выхода продукта и образует дополнительную камеру II с диаметром D2. Емкость дополнительной камеры II заполнена керамической крошкой 6 размерами 5-10 мм. Объем дополнительной камеры II составляет не менее 3/4 объема основной смесительной камеры I, а ее диаметр D2 предпочтительно в пять раз больше диаметра dкс камеры смешения диффузора. На дне дополнительной камеры II установлен отражатель 7 в виде конической пружины с шагом витков меньше, чем величина керамической крошки. Дополнительная камера II имеет патрубок вывода готового продукта 8 с отверстием диаметра dп, величина которого больше диаметра камеры смешения диффузора dкс, но не больше диаметра выходного отверстия диффузора dв, то есть dкс<dп≤dв.
Многоконусный струйный пеногенератор работает следующим образом. Водный раствор пенообразователя под давлением не менее 5 атм [(5×105)Па] подается в патрубок 2, одновременно в патрубок 3 инжектируется воздух под давлением, обеспечивающим устойчивую работу аппарата. Обычно это в 1,5-2,5 раза меньше, чем давление подаваемого раствора (рабочего потока).
Вспениваемая жидкость, проходя по конусным насадкам 4, находится в постоянном контакте с воздухом, при этом каждая пара сопрягаемых конусов создает гидроудар, обеспечивающий дробление воздуха в жидкости. От величины этих гидроударов и их количества зависит эффект диспергирования. При этом эффективность процесса дробления достигается за счет создания возможно большего контакта между средой и фазой и максимального использования энергии рабочего и инжектируемого потоков, двигающихся в одном направлении. Конусность насадок обеспечивает растяжение подвижной пленки и еще большее диспергирование пузырьков.
Далее смесь раствора и воздуха проходит диффузор 5 и поступает в дополнительную камеру II, где контактирует с поверхностями керамической крошки 6 и продолжает активно диспергироваться. Из отверстия патрубка 8 вытекает вспененная жидкость с высокой дисперсностью пузырьков, средний диаметр которых в зависимости от давления подаваемого раствора и инжектируемого воздуха может меняться в широких пределах от 20 до 300 мкм. Тем самым создаются условия для расширения номенклатуры получаемого пенобетона по плотности.
Пример.
В производственных условиях качество вспененного раствора характеризуется двумя показателями:
- плотностью - П (г/л);
- скоростью расслоения и отстоя - С (мл/мин).
Качество вспененного раствора считается удовлетворительным, если его плотность П=100÷110 г/л и скорость расслоения С=50/30 мл/мин.
При использовании предлагаемой конструкции пеногенератора при подаче рабочего потока под давлением 7×105 Па и инжектируемого воздуха под давлением 3,5×105 Па была получена пена, у которой плотность П=100 г/л; С=50/80 мл/мин, то есть более устойчивая от расслоения, что отразилось и на качестве полученного пенобетона. Результаты физико-механических испытаний показали повышение прочности пенобетона на 48%, снижение коэффициента теплопроводности на 25% и повышение марки по морозостойкости до F 35.
Использование водного раствора пенообразователя и сжатого воздуха с меньшим давлением при получении пены позволяет снизить энергию, вносимую в устройство, и тем самым уменьшить энергозатраты.
Источники информации
1. Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. - М.: Химия. 1983 г., с.135, рис.63.
2. Кобидзе Т.Е. и др. Взаимосвязь структуры пены, технологии и свойств получаемого пенобетона. // Строительные материалы, 2005, №1, с.26-29.
3. Авторское свидетельство SU №1039539, МПК B01F 3/04, опубл. 07.09.83, бюл. №33.
4. Авторское свидетельство SU №459198, МПК A01J 11/04, A23C 9/16, опубл. 05.02.75, бюл. №5.
5. Шлегель И.Ф., Шаевич Г.Я., Бородин В.А. и др. Струйный пеногенератор для получения пенобетона высокого качества. // Строит. материалы, 2005, №12, С.36-37.
1. Многоконусный струйный пеногенератор, содержащий корпус с патрубками для подачи пенообразующего раствора и сжатого воздуха, представляющий собой основную смесительную камеру с многоярусно расположенными одна в другой с образованием кольцевого зазора насадками в виде усеченных конусов со сквозными отверстиями, и диффузор, отличающийся тем, что корпус выполнен удлиненным в сторону выхода продукта с образованием дополнительной камеры, совмещенной с основной смесительной камерой через диффузор, заполненной диспергирующим материалом и имеющей патрубок вывода продукта, причем объем дополнительной камеры составляет не менее 3/4 объема основной смесительной камеры, а диаметр дополнительной камеры предпочтительно в пять раз больше диаметра камеры смешения диффузора.
2. Пеногенератор по п.1, отличающийся тем, что диаметр отверстия патрубка вывода продукта больше диаметра камеры смешения диффузора, но не больше диаметра выходного отверстия диффузора.
3. Пеногенератор по п.1, отличающийся тем, что диспергирующий материал выполнен в виде керамической крошки.
4. Пеногенератор по п.3, отличающийся тем, что величина керамической крошки предпочтительно 5-10 мм.
5. Пеногенератор по п.1, отличающийся тем, что на дне дополнительной камеры установлен отражатель.
6. Пеногенератор по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что отражатель выполнен в виде конической пружины с шагом витков меньше, чем величина керамической крошки.
