устройство для приготовления строительной пены

Формула изобретения

1. Устройство для приготовления строительной пены, содержащее рабочую камеру в виде трубы с выходным патрубком и сетками с уложенной между последними насыпной насадкой из массообменных тел, соединенную с выходной стороной камеры предварительного смешения, имеющей с входной стороны патрубки для подачи раствора пенообразователя и сжатого воздуха, отличающееся тем, что указанная насадка в рабочей камере расположена непрерывным слоем, а массообменные тела в указанной насадке выполнены в виде сопел, имеющих осесимметричные формы сопла Лаваля, или конфузора, сопряженного с цилиндром, причем камера предварительного смешения имеет форму цилиндра с соосно расположенным в ее входном конце патрубком для подачи сжатого воздуха, а входной патрубок для подачи раствора пенообразователя выполнен в виде эжектора и расположен в средней части указанной камеры.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что рабочая камера и камера предварительного смешения соосны.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что указанные массообменные тела в пределах указанной насадки являются равновеликими.

4. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что длина указанных массообменных тел примерно равна их внутреннему диаметру в самой широкой его части.

5. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что длину каждого из указанных массообменных тел выбирают в пределах 0,07-0,8% длины рабочей камеры.

6. Устройство по любому из пп. 1-5, отличающееся тем, что отношение длины указанной рабочей камеры к ее внутреннему диаметру принимают в пределах от 5 до 20.

7. Устройство по любому из пп. 1, 3-6, отличающееся тем, что оно содержит две или более камер предварительного смешения, соединенных смесительным патрубком с рабочей камерой, при этом каждая из камер предварительного смешения снабжена входным патрубком для подачи раствора пенообразователя, выполненным в виде эжектора, и патрубком для подачи сжатого воздуха.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительных материалов и изделий, а именно к устройствам для приготовления строительной пены, применяемой в производстве пеноматериалов, а конкретно пенобетона, пеногипса и изделий из этих материалов как конструкционных, так и теплоизоляционных. Для этой цели используют пенообразующее вещество. Пенообразующее вещество, будучи разбавлено водой и перемешано с воздухом, формирует строительную пену. Эту пену перемешивают с водной дисперсией вяжущего, в частности с цементным или гипсовым тестом и при необходимости с мелким заполнителем - песком или другим, в том числе легким материалом - и получают пенобетонную или пеногипсовую смесь. Их заливают в формы или опалубку и изготавливают соответственно изделия или конструкции из пенобетона или пеногипса: блоки, камни, панели, теплоизоляционные плиты, элементы малой архитектуры, объемные элементы ограждающих конструкций и др., а из монолитных пенобетона или пеногипса - также стеновые перегородки, теплоизоляционные слои в ограждающих конструкциях зданий и сооружений, в частности, стенах, перегородках, полах, кровлях и т.п.

Из уровня техники известно устройство для приготовления строительной пены, содержащее рабочую камеру с пакетом сеток, емкостью с насадкой из волокнистого материала и выходным патрубком, соединенную с камерой предварительного смешения, выполненной с входными патрубками для подачи водного раствора пенообразующего вещества (ниже - пенообразующего раствора) и сжатого воздуха, а также турбиной с лопатками и кольцевой трубкой с соплами для подачи пенообразующего раствора на указанные лопатки. Сжатый воздух подхватывает разделенный лопатками на капли пенообразующий раствор и транспортирует его в капельной форме в рабочую камеру, где на насадке и сетках образуется строительная пена [патент РФ 2122889, 1998], под давлением сжатого воздуха выпускаемая через выходной патрубок. В данном устройстве возможно получать мелкодисперсную пену, пузырьки которой имеют размеры в десятые доли миллиметра. Однако указанному устройству свойственны повышенные энергозатраты, так как помимо привода насоса для подачи в смесительную камеру пенообразующего раствора и привода компрессора для сжатого воздуха требуются дополнительные энергозатраты на привод турбины, а также ограниченный ресурс работы основных узлов: лопатки турбины, особенно при наличии в пенообразующем растворе нерастворимого остатка, а также отдельные сетки, не соприкасающиеся с волокнистой насадкой, быстро изнашиваются. Последнее обстоятельство обуславливает нестационарный режим работы устройства и соответственно непостоянство качества пены.

Известно также устройство для приготовления строительной пены, содержащее рабочую камеру с двумя отделениями и входной цапфой. Первое отделение камеры, заполненное насадкой из мелких насыпных тел, снабжено двумя, пропущенными через входную цапфу, отдельно расположенными входными патрубками с соплами для подачи раствора пенообразователя и сжатого воздуха, находящимися в объеме насадки, а второе отделение сообщается с первым через сито для контроля размера пузырьков пены и снабжено выходным патрубком для выпуска пены [патент Великобритании 2219518, 1989] . Достоинствами устройства являются отсутствие движущихся частей и возможность контроля размеров пузырьков строительной пены с помощью сита. Вместе с тем непосредственное соприкосновение сопел для подачи в рабочую камеру раствора пенообразователя и сжатого воздуха с массообменными телами насадки приводит к забиванию сопел, тем самым исключая стационарность режима работы устройства. Кроме того, наблюдаются частичное гашение пены указанным ситом, а также быстрый износ сита и насадки, обуславливая нестационарный режим работы устройства и, соответственно, непостоянство качества пены.

Наиболее близким к изобретению является устройство для приготовления строительной пены, содержащее рабочую камеру в виде трубы с выходным патрубком и сетками с уложенной между последними насыпной насадкой из массообменных тел, соединенную с выходной стороной камеры предварительного смешения, имеющей со входной стороны патрубки для подачи раствора пенообразователя и сжатого воздуха, в котором указанная насыпная насадка помещена вдоль длины рабочей камеры дискретными слоями, формирующими кавитационные лабиринты, с пустыми промежутками между ними, массообменные тела в указанной насадке представляют собой шарики, а именно свинцовую дробь, камера предварительного смешения имеет форму конуса, прилежащего основанием к рабочей камере, а входной патрубок для подачи сжатого воздуха выполнен в виде сопла, соосного обеим указанным камерам, по общей оси которых расположен входной патрубок для подачи раствора пенообразователя в камеру предварительного смешения [патент Великобритании 2060420, 1981 (прототип)]. В указанном устройстве отсутствуют движущиеся части и непосредственный контакт входных патрубков с дисперсной насадкой, не происходит также износ последней. Однако в этом устройстве массообменные тела имеют минимальную удельную поверхность, отнесенную к единице их объема, ибо таково свойство сферы как геометрического тела, тогда как массообменному аппарату, которым является пеногенератор, должна быть свойственна, напротив, максимальная удельная поверхность массообменных тел, отнесенная к единице объема [А.Г. Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: ГНТИ химической литературы, 1955, 755 с. , см. с. 579 581]. Кроме того, свободная укладка таких массообменных тел, как шары, является близкой к плотнейшей [К. Роджерс. Укладки и покрытия. - М. : Мир, 1968, 175 с., см. с. 5], что противоречит известным требованиям к подобным насадкам: в них должен быть обеспечен повышенный свободный объем для улучшения массообмена и снижения гидравлического сопротивления течениям раствора пенообразователя и воздуха, что снижает энергозатраты на прокачивание указанных жидкой и газовой фаз. Отсюда следует, что слишком плотные кавитационные лабиринты из шариков вызывают частичное гашение пены; для повышения свободного объема насадки предусмотрены пустые промежутки между слоями насадки, что обуславливает не только избыточную длину рабочей камеры, но и самое главное - нестационарный режим работы устройства и менее стабильную, более обводненную пену. Обводнению пены дополнительно способствует подача сжатого воздуха в смесительную камеру через сопло, погруженное в раствор пенообразователя. Кроме того, несмотря на общеизвестную идеальную коррозионную стойкость свинца в кислых и нейтральных водных растворах, он корродирует в присутствии органики жирного и ароматического рядов, образуя весьма ядовитые соединения, поэтому насадка из свинца в устройствах для генерирования пены не применяется.

Задачей изобретения является установление стационарного эргодического режима работы устройства посредством существенного изменения строения насадки в рабочей камере и камеры предварительного смешения, при которых достигаются: теоретический минимум энергозатрат на генерирование пены, минимум плотности и наибольшая кратность пены, а также ее однородность.

Указанная задача решается тем, что в устройстве для приготовления строительной пены, содержащем рабочую камеру в виде трубы с выходным патрубком и сетками с уложенной между последними насыпной насадкой из массообменных тел, соединенную с выходной стороной камеры предварительного смешения, имеющей со входной стороны патрубки для подачи раствора пенообразователя и сжатого воздуха, указанная насадка в рабочей камере расположена непрерывным слоем, а массообменные тела в указанной насадке выполнены в виде сопел, имеющих осесимметричные формы сопла Лаваля, или конфузора, сопряженного с цилиндром, причем камера предварительного смешения имеет форму цилиндра с соосно расположенным в ее входном конце патрубком для подачи сжатого воздуха, а входной патрубок для подачи раствора пенообразователя выполнен в виде эжектора и расположен в средней части указанной камеры.

В варианте изобретения рабочая камера и камера предварительного смешения соосны.

В другом варианте изобретения указанные массообменные тела в пределах указанной насадки являются равновеликими.

В следующем варианте изобретения длина указанных массообменных тел примерно равна их внутреннему диаметру в самой широкой его части.

В варианте изобретения длину каждого из массообменных тел выбирают в пределах примерно 0,07 - 0,8% длины рабочей камеры.

В другом варианте изобретения отношение длины указанной рабочей камеры к ее внутреннему диаметру принимают в пределах примерно от 5 до 20.

В следующем варианте изобретения устройство содержит две или более камер предварительного смешения, соединенных смесительным патрубком с рабочей камерой, при этом каждая из указанных камер предварительного смешения снабжена входным патрубком для подачи раствора пенообразователя, выполненным в виде эжектора, и патрубком для подачи сжатого воздуха.

Сущность изобретения заключается в стационарном течении: 1) формирующихся в камере предварительного смешения двух потоков: первого сжатого воздуха, второго двухфазного, включающего в виде внешней (жидкой) фазы раствор пенообразователя и в виде внутренней фазы воздух в виде пузырьков размерами примерно в 1/4-1/2 мм при кратности пены (отношении объемных долей воздуха и жидкой фазы в потоке) не более примерно 3-4 и 2) единого потока, образующегося в результате совмещения указанных потоков в насыпной насадке на протяжении длины рабочей камеры. В указанном едином потоке внешней фазой также является раствор пенообразователя, а внутренней - воздух, но размеры пузырьков внутренней фазы по длине рабочей камеры снижаются от указанных до в среднем примерно 0,03-0,05 мм, или 30-50 мкм, а кратность пены возрастает до примерно 20-25, при которой наличие влаги в пене органолептически не ощущается. Этот процесс диспергирования пузырьков воздуха в жидкой фазе не сводится, как следует из изложенного, к простому делению пузырьков, образованных в камере предварительного смешения, но сопровождается интенсивным воздухововлечением в жидкую фазу. Это происходит в микрообъемах насадки при прохождении двух указанных потоков через множество случайным образом распределенных в объеме насадки осесимметичных сопел, имеющих формы либо сопел Лаваля, либо конфузора, сопряженного с цилиндром. В обоих случаях при истечении из сопел двухфазного потока формируется случайное множество микроструй. Благодаря разности алгебраических значений и векторов скоростей обоих потоков воздуха и двухфазного, включающего жидкость, их микроструи, выходящие из канала сопла Лаваля или из цилиндра сопла второго типа, смешиваются, что ведет к возрастающему бескавитационному вовлечению воздуха в двухфазный поток и превращению последнего в истинную пену. Воздухововлечение происходит вследствие разности давлений в микроструях и окружающей среде, возникающей и поддерживаемой в соответствии с уравнением Д. Бернулли благодаря разности площадей поперечных сечений в указанных соплах. Процесс воздухововлечения в каждом поперечном сечении насыпной насадки является эргодическим. Этот термин означает воспроизводимость любого случайного процесса в масштабах как пространства, так и времени [G.D.Birkhoff. Proof of the ergodic theorem. /Proceedings of the National Academy of the USA , 1931, v. 17, pp. 656 660], что соответствует постоянству во времени средней доли воздуха в пене в любом поперечном сечении рабочей камеры при неизменных термодинамических параметрах давлении, температуре, составе раствора пенообразователя, его вязкости и поверхностном натяжении. Именно это и наблюдается в стеклянной модели рабочей камеры по постоянству размеров упомянутых пузырьков воздуха в любом сечении насадки в рабочей камере. Этот процесс пенообразования заканчивается в зоне выхода указанного единого потока дисперсии воздуха в растворе пенообразователя из упомянутой насадки, где и когда стенки смежных пузырьков, соприкасаясь, формируют истинную пену, выпускаемую через выходной патрубок рабочей камеры. Главной особенностью устройства согласно изобретению является то, что именно в нем осуществлен стационарный эргодический процесс протекающего в нем формирования пены, обуславливающий достижение всех его преимуществ: 1) постоянства качества (плотности, кратности, стойкости) пены в пространстве (то есть вдоль длины потока пены, выдаваемого из выходного патрубка) и во времени (то есть в каждую единицу времени работы устройства); 2) минимального износа всех внутренних элементов устройства; практически износ определяется только растворимостью в водном растворе пенообразователя материалов, используемых для изготовления указанного устройства и его элементов; ни кавитации, ни каких-либо других нестационарностей, приводящих к физическому износу, наблюдаться в данном устройстве не может; одно из свидетельств этого - весьма тихий, равномерный акустический шум при работе устройства; 3) минимальных энергозатрат на пенообразование, что вытекает из стационарного эргодического характера процесса и соответственно максимального его приближения к осуществлению принципа наименьшего действия П. Мопертюи; 4) максимальной регулируемости и саморегулируемости ценообразования; процесс практически мгновенно восстанавливается после любых случайных нарушений, включая отключения привода компрессора для сжатого воздуха, разрывы трубопроводов, шлангов, сбои питания устройства раствором пенообразователя и т.п; на процесс не действуют изменения внешних условий: снижение или прирост температуры среды, раствора пенобразователя и сжатого воздуха, сквозняки. В этих условиях минимальное влияние на процесс генерации и свойства пены оказывают изменения концентрации и вязкости раствора пенообразователя, величин давления подачи последнего и подачи сжатого воздуха в камеру предварительного смешения и других изменений технологических параметров. Это свидетельствует о технологической устойчивости процесса генерации пены, протекающего в устройстве согласно изобретению.

Сущность изобретения поясняется чертежом: на фиг. 1 схематично представлен общий вид устройства в разрезе, на фиг. 2 показано массообменное тело в виде сопла Лаваля, а на фиг. 3 - массообменное тело в виде конфузора с цилиндром. На фиг. 4 - устройство в варианте с двумя камерами предварительного смешениия.

Корпус рабочей камеры 1 соединен с камерой 2 предварительного смешения, выполненной с входным патрубком 3 для подачи раствора пенообразователя, заканчивающимся эжекторным соплом 4, и со входным патрубком 5 для сжатого поздуха, расположенным соосно с камерами 7 и 2 и эжекторным соплом 4. Насыпная насадка состоит из массообменных тел 6 и заполняет объем рабочей камеры между входной и выходной сетками соответственно 7 и 5, последняя из которых соприкасается с выходным патрубком 9 для выпуска готовой пены в емкость для ее хранения или непосредственно в смеситель для приготовления пенобетонной или пеногипсовой смесей. При двух и более камерах 2 последние соединены с рабочей камерой посредством патрубка 10.

Устройство работает следующим образом. Подаваемый из компрессора в патрубок 5 сжатый воздух смешивается с подаваемым посредством насоса или самотеком из емкости в патрубок 3 раствором пенообразователя, выходящим в виде струи из эжектора 4. Полученная первичная дисперсия воздуха в растворе пенообразователя поступает в рабочую камеру и через входную сетку 7 направляется в насадку 6 с массообменными телами, где начинается из первичной дисперсии и идет формирование собственно пены, заканчивающееся у выходной сетки 8 образованием сплошного потока пены, выпускаемого из патрубка 9 в виде связного цилиндрического "бруса", сохраняющего сплошность, способного плавно искривляться под действием силы тяжести и не расслаивающегося (самопроизвольно не делящегося на части) при длине до нескольких десятков метров. Качество пены в "брусе" постоянно на всем его протяжении.

Дозирование пены, подаваемой для получения пеноматериалов в смеситель, предназначенный для перемешивания вяжущего с водой и пеной, или с водой, пеной и заполнителем, осуществляют путем калибровки массы упомянутого "бруса" получаемой пены по времени работы устройства.

Материалом для изготовления указанных камер служит нержавеющая сталь, в качестве материала для сеток и насадки используют различные коррозиестойкие материалы.

Минимум плотности и наибольшая кратность пены, а также ее однородность достигаются при:

- одинаковых размерах всех сопел в насадке;

- наличии в каналах сопел Лаваля пережимов, диаметр которых в 1,2-3 раза меньше их среднего диаметра, а в соплах конфузор/цилиндр при начальном диаметре конфузора в 1,5-3 раза больше диаметра цилиндра;

- примерном равенстве величин осевой длины и среднего внутреннего диаметра указанных сопел, так как это повышает однородность их укладки в насадке и эффективность пенообразующего действия последней;

- длине указанных сопел в пределах 0,07-0,8% длины рабочей камеры;

- отношении длины рабочей камеры к ее диаметру в пределах от 5 до 20.

Устройство согласно изобретению может работать как в периодическом, так и в непрерывном технологических режимах. Периодический режим осуществляется при наличии в устройстве одной камеры предварительного смешения и одного ресивера для сжатого воздуха, поскольку требуется время для подкачки компрессором сжатого воздуха в опорожненный ресивер до достижения заданного уровня давления, обеспечивающего стационарность потока пены. Устройство с двумя указанными ресиверами для одной камеры предварительного смешения или с двумя или более камерами предварительного смешения с соответствующим числом указанных ресиверов используют в том случае, когда требуется непрерывный режим работы. В этом случае второй ресивер поддерживает необходимый уровень давления сжатого воздуха, пока компрессор подкачивает воздух в опорожнившийся первый ресивер, а далее ресиверы сменяют друг друга при непрерывной работе компрессора. В варианте устройства с двумя или более камерами предварительного смешения каждая указанная камера присоединена к своему компрессору и соответствующему ресиверу для сжатого воздуха. Пока в первый ресивер первым компрессором подкачивают сжатый воздух и первая камера предварительного смешения не работает, из второго ресивера с помощью второго компрессора подают сжатый воздух во вторую камеру предварительного смешения, которая в этот период времени находится в рабочем режиме. Затем происходит смена камер предварительного смешения. Третья подобная камера при необходимости в сочетании с третьими компрессором и ресивером позволяет перекрывать возможные краткие перерывы между рабочими периодами первой и второй камер предварительного смешения. При этом начало подкачки сжатого воздуха в указанные ресиверы осуществляют посредством автоматического пуска соответствующего компрессора спустя заданное время после начала опорожнения каждого ресивера. Таким образом, для поддержания непрерывного режима работы требуется по крайней мере частичная автоматизация действия устройства. Кроме того, постоянство заданного уровня рабочего давления в указанных ресиверах поддерживают с помощью автоматически действующих при превышении давления спускных клапанах.

Полученная в данном устройстве строительная пена плотностью примерно от 40 г/л (40 кг/м³) при кратности до 25 содержит пузырьки размерами 30-50 мкм, время начала синерезиса в приборе Мак-Бэна (появления первой капли) не ранее 10 мин, а фактически 15-20 мин, в течение 50 мин после изготовления пена отделяет не более 20 мас.% жидкости против соответственно плотности 65-70 г/л при кратности 12-15, времени появления первой капли не позднее 2-5 минут при отделении около 40-50% массы при изготовлении пены в устройстве согласно прототипу, соответствующему импортным пеногенераторам, поставляемым в настоящее время в Россию и имеющимся на рынке. При изложенных показателях качества пены ее расход на 1 м³ пеноматериалов равной плотности при ее изготовлении в устройстве согласно изобретению примерно на 35-40% ниже по сравнению с пеной, изготовленной в устройстве по прототипу. Таким образом, продукция устройства значительно более экономична по сравнению с известными.

При отклонениях от приведенных выше положений для достижения положительных результатов приходится повышать величины рабочего давления сжатого воздуха и/или концентрацию активного вещества в растворе пенообразователя, что увеличивает энергозатраты и удельный расход пенообразующего вещества, повышает плотность получаемой пены, в частности до 60 г/л, снижает ее кратность до 16-18 и, как правило, снижает другие показатели пены вплоть до уровня, незначительно превышающего их уровни у пены, приготавливаемой в устройстве по прототипу и его аналогах, за исключением однородности пены и устойчивости режима работы устройства, которые остаются значительно лучше, чем при работе известных устройств.

Сопла вида конфузор/цилиндр обычно более экономичны по сравнению с соплами Лаваля по расходу материала и простоте изготовления, они практически не забиваются даже при наличии в растворе пенообразователя значительного количества (до 5%) нерастворимого остатка, но плотность получаемой пены в них на 5-7% выше, и, следовательно, выше расход пены на единицу объема изготавливаемых пеноматериалов, при отсутствии влияния указанного различия формы сопел на однородность пены и постоянство режима работы устройства. Любые другие формы сопел, в частности, замена их трубками, кольцами (типа колец Рашига), полыми сферами с отверстиями, цилиндрами со спиральными внутренними стенками и т.п. существенно снижают качество пены по всем указанным характеристикам, вплоть до появления неоднородности и примесей жидкости, требуют резкого повышения рабочего давления, увеличивая износ насадки и сеток и не приводя при этом к нормализации работы устройства, поэтому не могут быть использованы.

Полученные результаты применения устройства для приготовления строительной пены согласно изобретению свидетельствуют о ряде их неожиданных особенностей по сравнению с уровнем техники: устройство работает в стационарном эргодическом режиме, без заметной акустической эмиссии, без движущихся частей и без износа, способ его применения не требует поддержки разности давлений подаваемых компонентов пены раствора пенообразователя и сжатого воздуха (как в устройстве согласно прототипу), допускает смену насадки через длительные периоды эксплуатации и в то же время позволяет получать пену не только однородную, но и более высокого качества по плотности, кратности и стойкости по сравнению с имеющимися на рынке. Расход такой пены в пеноматериалах минимален, поэтому она более экономична.

Указанные особенности устройства для приготовления строительной пены, включая отсутствие сложностей контроля технического состояния устройства и процесса приготовления в нем пены, а также контроля исходных компонентов пены и их подачи свидетельствуют о том, что устройство удовлетворяет условиям, необходимым для широкого производственного внедрения данного изобретения.