Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (отрасль - промышленность строительных материалов и конструкций)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА МОДИФИЦИРОВАННЫХ СУХИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ ЭНТРОПИИ ПРОЦЕССА ПЕРЕМЕШИВАНИЯ

Шайбаков Владислав Данисович

Москва - 2007

Диссертационная работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном строительном университете

Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор Ильин Анатолий Сергеевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Вердиян Мэлс Аспандарович

- кандидат технических наук, Грищенко Владимир Анатольевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Московский институт коммунального хозяйства и строительства» (МИКХиС)

Защита состоится ______________2007 г. в _____ часов на заседании диссертационного совета Д.212.138.06 при ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу: 129332, Москва, Ярославское шоссе 26, ауд._____

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета.

Автореферат разослан «__ » ________ 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Густов Д.Ю.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время широкое распространение получают строительные технологии, основанные на применении модифицированных сухих смесей (смеси с модифицирующими химическими добавками), которые за непродолжительный период времени заняли лидирующие позиции в таких видах работ, как облицовочные, напольные и отделочные.

В условиях растущего потребления и производства модифицированных сухих строительных смесей, росте конкуренции, все более актуальной становится задача повышения эффективности производства при минимальных капитальных вложениях. И какая бы стратегия не была применена для решения поставленной задачи, наиболее важным является обеспечение стабильности свойств сухой смеси при минимальных затратах.

Стабильность свойств сухой смеси определяет, с одной стороны, контроль свойств исходных материалов и своевременная корректировка состава при изменении этих свойств в нормируемом диапазоне, с другой стороны - обеспечение точного воспроизведения лабораторных составов в многотонажном производстве, что целиком зависит от технологической схемы производства, используемого оборудования и отлаженности режимных параметров его работы.

Существующие теоретические и эмпирические модели, описывающие процесс качественного смешивания компонентов в виду отсутствия единых взглядов на суть процесса и единой методики проведения эксперимента не находят применения в производстве сухих строительных смесей для отладки режимных параметров работы смесителей.

В настоящее время в изучение закономерностей образования пространственно-временных структур в системах различной природы: физических, химических, биологических, экономических, социальных и т.д. все более глубоко проникает энтропия, что позволяет говорить об актуальности ее применения и для исследований основных закономерностей процесса смешивания сухих компонентов.

Цель работы. Целью работы является разработка методики описания интенсивности процесса смешивания компонентов сухих строительных смесей на основе информационной энтропии и расчета продолжительности промешивания.

Задачи работы:

- провести обзор используемых на предприятиях производящих модифицированные сухие строительные смеси технологий и оборудования для смешивания, методов определения качества смешивания и ограничения продолжительности смесительного процесса, методов моделирования смесительного процесса;

- разработать модель смешивания основанную на теории информационной энтропии и алгоритм расчета, позволяющие описать интенсивность смесительного процесса и рассчитать оптимальное время смешивания;

- разработать методику проведения эксперимента на промышленных установках по сбору данных для построения функции зависимости энтропии от времени и расчета продолжительности смесительного процесса;

- провести практическую апробацию разработанной методики на промышленной установке;

- изучить влияние последовательности загрузки компонентов и конструкции лопастей смесителей на интенсивность смесительного процесса и разработать рекомендации по их усовершенствованию.

Объект исследования. Объектом исследований является процесс смешивания компонентов сухих строительных смесей в циклических горизонтальных одновальных смесителях.

Гипотеза. Работа основана на том предположении, что существенное изменение структуры физической системы сопровождается возрастанием потока энтропии от нулевого уровня до максимума в оптимальный момент времени, после прохождения которого поток энтропии уменьшается и стабилизируется на новом уровне.

Методы исследований. В диссертационной работе использовано математическое моделирование процесса перемешивания компонентов сухих строительных смесей с помощью функции зависимости энтропии от времени. Для проведения исследований была составлена программа на языке FORTRAN. Обработка экспериментальных данных и получение результатов проводилось с помощью ЭВМ.

Научная новизна работы. Научная новизна работы состоит в следующем:

1. В ходе обзора используемых методов определения качества смеси получаемой в процессе смешивания сухих компонентов установлено, что их применение для расчета продолжительности перемешивания является затруднительным.

2. Разработана модель основанная на теории информационной энтропии, позволяющая описать интенсивность смесительного процесса дисперсных систем и рассчитать оптимальное время смесительного процесса.

3. Разработана методика практического применения разработанной модели для расчета продолжительности перемешивания.

4. На основе разработанной методики в ходе экспериментальных работ показано влияние последовательности ввода основных компонентов и добавок, а также конструкции лопастей смесителя на эффективность процесса смешивания.

Практическая ценность работы.

- результаты исследований влияния длительности смесительного процесса на качество смеси в соответствии с разработанной методикой показали возможность ее применения в производстве модифицированных сухих строительных смесей для расчета продолжительности смесительного процесса;

- сформулированы рекомендации к проектированию основных параметров смесителей способствующие повышению эффективности процесса смешивания;

- результаты исследований выполненные на двух промышленных установках по производству сухих строительных смесей показывают возможность применения разработанной методики для сравнительной оценки эффективности горизонтальных одновальных смесителей циклического действия.

Достоверность полученных результатов. Достоверность работы подтверждается соответствием результатов обработки полученных экспериментальных данных с помощью разработанной методики оценке качества продукта в процессе смешивания.

На защиту выносится. На защиту выносятся следующие результаты работы:

1. Модель описания интенсивности смесительного процесса и определения оптимального времени смешивания на основе информационной энтропии.

2. Методика проведения эксперимента на промышленных установках по сбору данных для построения функции зависимости энтропии от времени и расчета продолжительности смесительного процесса.

3. Методика ввода компонентов сухой смеси в горизонтальный одновальный смеситель работающий в режиме центрифугирования.

4. Конструкция циклического горизонтального одновального смесителя и режим работы при производстве модифицированных сухих строительных смесей

Апробация работы. Результаты работы прошли апробацию в ООО «Консолит», ОАО «Гипсобетон», и на международной научно-технической конференции «Интерстроймех 2006».

Публикации. По работе опубликовано десять статей.

Объемы работы. Работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы, включающего 80 наименований отечественной и зарубежной литературы. Общий объем работы составляет 148 страниц машинописного текста.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность темы, приведена формулировка цели и задачи диссертационной работы, указана научная новизна и практическая ценность работы.

Первая глава. В первой главе представлен обзор современного состояния и перспектив производства сухих строительных смесей в задачах жилищного строительства.

На фоне растущего объема жилищного строительства проявляется все больший интерес к модифицированным сухим строительным смесям (см. рис. 1 и рис. 2). При этом повышение спроса, способствующее увеличению предложения, ставит перед производителями серьезный вопрос о том, каким образом увеличивать объемы производства не снижая качество выпускаемой продукции: либо монтировать новые технологические линии, либо изыскивать скрытые производственные ресурсы в уже действующих производственных установках. Второй вариант является менее капиталоемким и следовательно в условиях высокой конкуренции более целесообразным к применению.

Поскольку производительность технологической линии по выпуску модифицированных сухих строительных смесей определяется прежде всего производительностью смесителя, а статус общепризнанного стандарта в производстве сухих строительных смесей принадлежит сегодня горизонтальным одновальным смесителям, то увеличение объемов выпуска можно осуществить за счет интенсификации смесительного процесса.



Рис. 1 Динамика производства модифицированных ССС в России

Рис. 2 Доли ССС отдельных видов в объеме выпуска в 2005 году

В связи с тем, что повышение эффективности смесителя не должно приводить к ухудшению качества выпускаемого продукта, то для осуществления работ по оптимизации смесительного процесса необходимо наличие методики позволяющей проследить влияние конструкции смесителя и длительности процесса смешивания на качество выпускаемой строительной смеси.

Параметром оценки качества смеси, является коэффициент неоднородности:

,

где - эмпирическая дисперсия выборки;

- полная дисперсия генеральной совокупности.

Полная дисперсия генеральной совокупности определяться следующим образом

,

где - дисперсия метода измерений;

- дисперсия генеральной совокупности.

Для 2-х случаев ход смесительного процесса во времени представлен на рис. 3. В идеальном случае ход соответствует кривой «b». В случае кривой «а» достигает лишь доверительного интервала .

Рис. 3 Влияние способа измерений на расчет времени перемешивания

Выбор времени смешивания здесь стоит остановить на моменте, в который кривая результата измерений погружается в доверительный интервал. В месте с тем величина доверительного интервала и срок достижения доверительного интервала зависят от объема выборки (см. рис. 4) и расчет времени перемешивания вследствие этого затрудняется, что наводит на мысль о том, что в основе методики расчета продолжительности перемешивания должен лежать более информативный параметр.

Рис. 4 Влияние объема выборки на расчет времени перемешивания

Вторая глава. Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям процесса смешивания сухих строительных смесей на основе информационной энтропии.

В данной главе представлены мнения отечественных и зарубежных ученых: Макарова Ю.И., Фомичева А.Г., Ахмадиева Ф.Г., Александровского А.А., Lacey P.M., Rouse H.E. и др., о механизме процесса смешивания, представлены выводы о влиянии физико-механических свойств и концентрации компонентов на протекание процесса смешивания и качество смеси, рассмотрены методы моделирования процесса смешивания сухих смесей.

Процесс смешивания можно представить состоящим из следующих элементарных процессов, протекающих одновременно, но имеющих разное влияние на качество в каждый из интервалов времени: перемещение группы смежных частиц из одного участка массы в другой внедрением (процесс конвективного смешения) зона I изображенная на рис. 5; постепенное перераспределение частиц различных компонентов через вновь



Рис. 5 Кинетика процесса перемешивания

образованную границу их раздела (процесс диффузионного смешивания) зона II изображенная на рис. 5; сосредоточение частиц, имеющих одинаковую массу в соответствующих местах смесителя за счет образования скользящих поверхностей внутри массы и действия гравитационных или инерционных сил (процесс сегрегации) зона III изображенная на рис. 5. Максимальное качество смеси достигается во время конвективного смешивания, в меньшей мере во время диффузионного смешивания, а сегрегация способствуют, в некоторой мере, обратному процессу. смешивание информационный энтропия лопасть

На основе гипотезы, что существенное изменение структуры физической системы сопровождается возрастанием потока энтропии от нулевого уровня до максимума в оптимальный момент времени, после прохождения которого, поток энтропии уменьшается и стабилизируется на новом уровне, в данной главе излагается теория моделирования процесса смешивания модифицированных сухих строительных смесей на основе информационной энтропии.

Согласно данной теории аналитическая зависимость для описания динамики потока информационной энтропии H(t) во времени t может быть представлена в следующем виде

,

где , - коэффициенты, характеризующие интенсивность протекания процесса смешивания.

Полученная аналитическая зависимость позволяет определить критическую точку, в которой поток энтропии возрастает до максимального значения

После достижения точки начинает происходить снижение потока неопределенности и дальнейшее его стабилизация на новом стационарном уровне.

В случае приготовления многокомпонентной смеси ситуация с достижением максимума информационно энтропии несколько сложнее чем при приготовлении двухкомпонентной смеси. Это связано с тем, что при одновременном смешивании компонентов значительно отличающихся по своему содержанию в смеси и по своим физико-механическим характеристикам период конвективного распространения каждого из компонентов по объему смеси с момента его загрузки будет различен, равно как и период диффузионного смешивания, что определяет момент начала сегрегации. Данная особенность протекания процесса смешивания многокомпонентных смесей в целях получения наибольшей неупорядоченности структуры смеси накладывает некоторые требования на последовательность загрузки исходных компонентов и определенность моментов времени, когда необходимо загружать тот или иной компонент в соответствии с процессами уже протекающими в рабочей камере смесителя.

Третья глава. В третьей главе представлена методика применения информационной энтропии для описания интенсивности смесительного процесса и определения оптимального времени смешивания.

Оптимальное время смешивания основных компонентов смеси можно определить выявив тот момент, в который распределение основных компонентов в объеме смеси является наиболее равномерным, что возможно только при сравнительной оценке нескольких исходов опыта и определении функциональной зависимости между ними в хронометрическом разрезе.

Согласно определению информационной энтропии, информационная энтропия имеет минимальное значение равное нулю при полной определенности системы, т.е. в момент когда незнание о структуре системы отсутствует, и можно с уверенностью отметить, что система полностью определена до начала смесительного процесса, т.е. в момент t=0, и именно в этот момент информационная энтропия имеет минимальное значение , далее в процессе смешивания будут присутствовать некоторые промежуточные значения информационною энтропии , а в некоторый момент времени система достигнет максимального значения информационной энтропии характеризующего ее полную разупорядоченность, то есть состояние при котором незнание структуры системы достигает положительного экстремума.

Таким образом текущие значения информационной энтропии будет лежать в интервале , то есть можно ввести понятие приведенной величины информационной энтропии определяемое следующим выражением

,

В ходе проведения эксперимента и обработки данных можно получить функции зависимости информационной энтропии от времени описывающую интенсивность распределения основных компонентов и добавок в объеме смеси, которая позволяет определить время смешивания основных компонентов и добавок по достижении которого смесь не становиться более однородной и следовательно дальнейшее смешивание является не целесообразным, а также определить последовательность ввода компонентов позволяющую повысить эффективность эксплуатации смесителя (см. рис. 6).

Рис. 6 Совмещение графиков интенсивности распределения основных компонентов и добавок в объеме смеси (графики построены на основе экспериментальных исследований проведенных на примышленной установке №3 ООО «Консолит»):

1) график интенсивности распределения основных компонентов в объеме смеси; 2) график интенсивности распределения добавок в объеме смеси.

Четвертая глава. В четвертой главе представлена методика обоснования конструктивно-технологических и режимных параметров смесителя на основе информационной энтропии.

В настоящее время в качестве параметра характеризующего интенсивность смесительного процесса используется безразмерный критерий Фруда:

,

где R - максимальный радиус лопасти;

- угловая скорость вращения;

g - ускорение свободного падения.

Критерий Фруда позволяет дать характеристику интенсивности процесса перемешивания, оперируя конструктивными и режимными параметрами оборудования, но не имеет связи с технологическими параметрами и физико-механическими свойствами перемешиваемых материалов. И для своего применения в качестве параметра характеризующего интенсивность перемешивания требует наличия методики определения оптимального времени смешивания.

Использование для расчета времени перемешивания информационной энтропии позволяет оценивать эффективность работы смесителей через сравнение величин коэффициентов и , характеризующих интенсивность элементарных процессов, при этом коэффициент - характеризует интенсивность протекания конвективного и диффузионного смешивания, а коэффициент - максимальную величину сегрегации которая может наблюдаться в смесителе данной конструкции. Условие позволяющее произвести сравнительную оценку смесителей разных конструкций и выбрать наиболее эффективный имеет вид

,

Пятая глава. В данной главе представлены результаты применения разработанной методики моделирования смесительного процесса и определения оптимального времени смешивания на практике, для сравнения эффективности смесителей различных конструкций. Экспериментальные исследования проводились на промышленных установках (ПУ) по выпуску модифицированных сухих строительных смесей ООО «Консолит» и ОАО «Гипсобетон» (см. рис. 7).

Рис. 7 Схема цепей оборудования технологических линий по производству сухих строительных смесей ООО «Консолит» и ОАО «Гипсобетон»: 1 - расходные бункера; 2 - дозатор вяжущих и минеральных наполнителей; 3 - патрубок ввода добавок; 4 - смеситель; 5 - накопительный бункер; 6 - фасовочная машина.

Исследования перемешивания сухой смеси в смесителе с целью повышения эффективности его работы проводились в два этапа:

1. Цель этапа: Экспериментальное исследование влияния режима перемешивания сухой смеси в смесителе на качество готового продукта.

Проводимые мероприятия: Выпуск опытно-промышленных партий плиточного клея для керамической плитки (см. табл. 1), отбор и обработка набора проб. Испытания проводились за 5 замесов общим весом 6000 кг. Каждый замес характеризовался одинаковой длительностью процесса перемешивания (1, 2, 3, 5 и 6 минут). При фасовке из каждого замеса отбирались через 2 мешка пробы весом 2-2,5 кг в количестве 22 шт. По каждой пробе фиксировался вес 1 литра смеси, затем большая часть проб сдавалась на переработку, за исключением контрольных проб отправляемых на лабораторный контроль.

Таблица 1 Состав смеси плиточного клея для керамической плитки

Компонент	Содержание, %	Насыпной вес, кг\м3
Воскресенский кварцевый песок	62.75	1450
Портландцемент CEM 52,5	30	1050
Гуровский минеральный порошок	7	1050
Добавки	0.25	400

2. Цель этапа: Обработка результатов экспериментов. Анализ влияния режима перемешивания сухой смеси в смесителе на качество готового продукта.

Таблица 2 Характеристики исследованных смесителей

Показатель	ООО «Консолит»	ОАО «Гипсобетон»
Частота вращения ротора, об/мин	140	100
Мощность привода вращения ротора, кВт	22	22
Число Фруда	7,82	6,7
Коэффициент интенсивности смешивания	1.23	1.45
Коэффициент интенсивности смешивания	1.61	0.75

Рис. 8 Графики интенсивности смесительного процесса в смесителях применяемых на промышленных установках по выпуску сухих строительных смесей:

ООО «Консолит»; 2) ОАО «Гипсобетон»

Рис. 9 Конструкции рабочих органов смесителей применяемых на промышленных установках по выпуску сухих строительных смесей:

Проводимые мероприятия: Анализ интенсивности процесса смешивания с помощью разработанной теории применения информационной энтропии. На основе экспериментальных данных по разработанной методике были определены коэффициенты интенсивности смешивания и (см. табл. 2), и получены графики интенсивности смесительного процесса в исследуемых смесителях (см. рис. 8), согласно которым смеситель, эксплуатируемый на промышленной установке ОАО «Консолит», характеризуется более интенсивным перемешиванием чем смеситель эксплуатируемый на промышленной установке ОАО «Гипсобетон», причиной чего является более высокая частота вращения ротора и конструкция лопастей (см. рис. 9). Сравнение эффективностей смесителей и причин их различия позволило определить направления оптимизации конструкции смесителя эксплуатируемого на промышленной установке ОАО «Гипсобетон».

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выполненный анализ основных направлений развития и совершенствования техники и технологии смешивания сухих материалов показал, что в свете современных технологий перспективны циклические горизонтальные одновальные смесители работающие в режиме центрифугирования, которые возможно применять на производствах любой мощности, что делает актуальным исследование повышения эффективности их работы.

2. Установлено, что применение существующих методов исследования эффективности работы смесителей, приводит к возникновению противоречий при ограничении времени смешивания, поскольку в их основе лежит понятие дисперсия зависящее от объема выборки. Показаны пути совершенствования моделирования процесса смешивания за счет применения более информативных показателей чем дисперсия.

3. Разработана модель описания процесса смешивания дисперсных систем основанная на информационной энтропии. Показано, что в случае производства модифицированных сухих строительных смесей важным фактором повышения эффективности работы смесителя является последовательность ввода компонентов, а в качестве показателей характеризующих эффективность конструктивно-технологических параметров смесителя могут выступать коэффициенты интенсивности протекания процесса смешивания и . Коэффициент характеризует интенсивность протекания конвективного и диффузионного смешивания, а коэффициент - максимальную величину сегрегации которая может наблюдаться в смесителе данной конструкции.

4. Разработана методика практического применения модели описания процесса смешивания дисперсных систем основанной на информационной энтропии, применение которой на практике позволяет сравнить эффективность работы горизонтальных одновальных смесителей различных конструкций.

5. Осуществлена апробация разработанной методики на ООО «Консолит» и ОАО «Гипсобетон».Проведены сравнительные испытания смесителей применяемых на промышленных установках ООО «Консолит» и ОАО «Гипсобетон», в ходе которых были подтверждены результаты теоретических исследований. Показано, что эффективность работы смесителя можно повысить изменением конструктивно-технологических и режимных параметров.

6. Основными требованиями к конструкции горизонтальных одновальных смесителей являются:

- циклический принцип действия смесителя;

- коэффициент Фруда более 3;

- наличие 2-х типов лопастей расположенных на разных радиусах с уклоном в двух плоскостях: параллельной и перпендикулярной оси вращения;

- наличие как минимум 3-х загрузочных отверстий: для ввода добавок, для ввода основных компонентов, воздуховод.

7. Уменьшение времени перемешивания на промышленной установке по производству модифицированных сухих строительных смесей ОАО «Консолит» позволяет повысить производительность технологической линии на 1,35 т /час (25%), без ущерба качеству выпускаемого продукта.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Шайбаков В.Д. Подход к оценке оптимального времени смешивания сухих строительных смесей на основе энтропии // Техника и технология. - М.: Спутник+, 2006. - №5 (17) - с. 89-91

2. Шайбаков В.Д. Оценка качества смешивания на основе информационной энтропии // Техника и технология. - М.: Спутник+, 2006. - №5 (17) - с. 85-88

3. Ильин А.С., Шайбаков В.Д., Фадин Ю.М. Основные положения энтропийного подхода к описанию структурированности сложных систем. Сборник трудов БГТУ. - Белгород: 2006

4. Шайбаков В.Д., Садовникова О.И. Структурный подход к оценке оптимального времени смешивания компонентов сухих строительных смесей. Сборник материалов международной научно-технической конференции «Интерстроймех 2006» - М.: МГСУ, АПК, 2006 - с. 292-295

5. Ильин А.С., Шайбаков В.Д. Об оценке оптимального времени смешивания компонентов сухих строительных смесей на основе энтропии. Сборник материалов международной научно-технической конференции «Интерстроймех 2006». - М.: МГСУ, АПК, 2006 - с. 286-291

6. Шайбаков В.Д. Ильин А.С. Повышение эффективности производства модифицированных сухих строительных смесей путем оптимизации смесительного процесса // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2006 - №12. - с. 48

7. Ильин А.С., Гареев М.Г., Садовникова О.И., Шайбаков В.Д., Богданов В.С. Направления совершенствования технологии производства сухих строительных смесей. Сборник трудов БГТУ. - Белгород: 2006 - c. 95-97

8. Ильин А.С., Садовникова О.И., Шайбаков В.Д., Гареев М.Г. Классификация смесителей сухих строительных смесей (ССС). Сборник материалов международной научно-технической конференции «Интерстроймех 2006. - М.: МГСУ, АПК, 2006 - с. 296-298

9. Ильин А.С., Шайбаков В.Д. Перспектива разработки рациональных конструкций смесителей с горизонтальными валами // Сборник трудов №2. Механизация и автоматизация строительства и строительной индустрии. - М.: МГСУ, АПК, 2005. - с. 110-111

10. Шайбаков В.Д. Повышение эффективности производства модифицированных сухих строительных смесей путем оптимизации смесительного процесса // Механизация строительства. 2007 - №4. - с. 17-18

Размещено на Allbest.ru

...