康有新，馮小六，丁立利，賀成柱

(甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

防滲透氣砂主要由沙漠沙和風(fēng)積沙為原料制備而成，是通過(guò)“增強(qiáng)水的表面張力”原理研制開(kāi)發(fā)出的一種具有呼吸功能的防滲材料。這種材料的特別之處是可以做到透氣防水，可以有效解決人類(lèi)當(dāng)前面臨的水資源短缺、土壤環(huán)境惡化、工程滲漏等世界性難題。而制備防滲透氣砂的核心就是加熱攪拌裝置。

目前利用沙漠沙制備防滲透氣砂的工藝大同小異，各有優(yōu)缺點(diǎn)，但無(wú)論哪種制備工藝，均需將沙漠沙加熱到工藝指標(biāo)要求的溫度后與改性劑反應(yīng)。由于沙漠沙自身導(dǎo)熱系數(shù)(0.344 2 W/(m·k))和比熱容(0.88 kJ/(kg·℃))較低，粒徑不規(guī)則間隙大，導(dǎo)致荒漠沙升溫過(guò)程緩慢，將沙漠沙加熱到140 ℃時(shí)所需時(shí)間較長(zhǎng)。在文獻(xiàn)[1]中提到的是一種臥式攪拌機(jī)，該加熱攪拌機(jī)的攪拌室和加熱室是相互連通的，且加熱介質(zhì)為熱蒸汽，與物料充分接觸，改善了物料升溫緩慢的現(xiàn)狀；但加熱攪拌裝置軸端會(huì)產(chǎn)生漏料情況；其次考慮到現(xiàn)有工藝要求，沙漠沙不能與加熱介質(zhì)接觸。在文獻(xiàn)[2]中提到的單軸絞龍的加熱攪拌機(jī)解決了軸端漏料的問(wèn)題，但攪拌方式不合理，攪拌質(zhì)量較低且容易產(chǎn)生較大噪音。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種立式加熱攪拌機(jī)，該裝置由攪拌鍋體和加熱爐體構(gòu)成，采用固體燃料作為熱源，該裝置對(duì)設(shè)備所需材料及性能要求比較高，導(dǎo)致成本較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。文獻(xiàn)[4]采用了導(dǎo)熱油為熱源，通過(guò)熱油爐將導(dǎo)熱油加熱，然后利用高溫油泵將導(dǎo)熱油強(qiáng)行輸送到加熱設(shè)備，該方式對(duì)于整體物料加熱效果好，受熱均勻，但升降溫較慢，對(duì)設(shè)備的密閉性要求較高，因此不適合該物料的加熱。

基于以上加熱攪拌機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，筆者提出并設(shè)計(jì)了一種臥式單軸雙螺帶加熱攪拌裝置，以傳熱學(xué)理論分析、設(shè)計(jì)選型計(jì)算為理論基礎(chǔ)，以性能試驗(yàn)研究分析為實(shí)際依據(jù)，設(shè)計(jì)制造出了加熱攪拌裝置。

1 加熱攪拌裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

臥式雙螺帶加熱攪拌裝置機(jī)身為U型雙層夾套結(jié)構(gòu)，采用陶瓷電加熱形式。臥式單軸雙螺帶加熱攪拌裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)架、筒體、雙螺帶、加熱元件組、測(cè)溫系統(tǒng)、保溫裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等構(gòu)成。雙螺帶轉(zhuǎn)子為該攪拌裝置的核心部件，主要有空心軸、立柱、外圈螺帶、內(nèi)圈螺帶、刮板裝置組成，內(nèi)外圈螺帶纏繞方向相反。卸料口裝有電動(dòng)插板閥，機(jī)身不同位置布置測(cè)溫裝置檢測(cè)物料溫度，整機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

圖1 臥式單軸雙螺帶加熱攪拌機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖1.機(jī)架 2.測(cè)溫裝置 3.筒體 4.雙螺帶攪龍 5.刮板裝置 6.空心軸 7.聯(lián)軸器 8.減速機(jī) 9.帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 10.變頻電機(jī) 11.電加熱板組 12.保溫裝置

1.2 工作原理

工作時(shí)，首先啟動(dòng)加熱攪拌機(jī)加熱元件，通過(guò)螺旋輸送器定量加入荒漠沙，啟動(dòng)攪拌，待荒漠沙溫度到達(dá)一定溫度(通過(guò)生產(chǎn)工藝確定200 ℃)后，加入一定量的改性劑，混合物料在雙螺帶攪龍旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)下向前或向上推送、中心物料被內(nèi)螺帶帶動(dòng)下向后推送，被向上推送的物料上升到一定高度被拋落時(shí)既產(chǎn)生周向運(yùn)動(dòng)又產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而形成剪切混合和擴(kuò)散混合為主、對(duì)流混合為輔的混合過(guò)程。同時(shí)混合物料通過(guò)加熱元件間接傳熱升溫，在螺帶旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)下高溫物料與低溫物料之間、物料與周?chē)諝庵g的相互傳熱，使混合物料均勻升溫達(dá)到180 ℃時(shí)進(jìn)行相互反應(yīng)，生成防滲透性砂，通過(guò)卸料口自動(dòng)卸料完成產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程。

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

筒體大小是加熱攪拌裝置的重要參數(shù)之一，直接決定改性荒漠砂產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率，筒體大小主要體現(xiàn)容積、傳熱面積等參數(shù)。

2.1.1 筒體容積

正常工作時(shí)，按生產(chǎn)工藝需求確定每批次混合物料的質(zhì)量，根據(jù)物料攪拌機(jī)容積計(jì)算公式[5],計(jì)算攪拌機(jī)容積為：

(1)

式中：φ為物料填充系數(shù)，一般取φ=0.6～0.85；q為每批次混合物料的質(zhì)量，kg；γ為混合物料容重，kg/m3。

2.1.2 傳熱面積

加熱攪拌機(jī)把物料的溫度升高所需的熱量可由公式(2)計(jì)算：

Q=CvmΔT

(2)

式中：Q為總能量，kJ；Cv為物質(zhì)的比熱容，kJ/kg·℃；m為物質(zhì)的質(zhì)量，kg；ΔT為物料的溫差升高，℃。

物料在U型筒體內(nèi)，與筒壁之間存在溫度梯度，傳熱隨時(shí)會(huì)發(fā)生。熱量傳遞的方式以導(dǎo)熱為主，對(duì)流傳熱為輔，用于描述導(dǎo)熱的傳熱公式稱(chēng)為傅里葉定律，它表示為：

(3)

式中：Q為單位時(shí)間內(nèi)的傳熱量，W；k為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；A為傳熱面積，m2；ΔT為通過(guò)材料的溫度差，℃；δ為材料的厚度，m。

由式(1)、(3)可得，要使物料在規(guī)定時(shí)間內(nèi)溫度滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝要求，又能使物料混合均勻?yàn)槟康墓餐瑳Q定筒體尺寸。設(shè)計(jì)筒體直徑d為720 mm，長(zhǎng)度L為1 600 mm，高度h為850 mm。

2.2 螺帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

攪拌裝置攪龍由一定螺距的螺旋鋼帶分段焊接制成，攪拌裝置攪龍結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。外層螺帶4-1和內(nèi)層螺帶4-2通過(guò)支撐圓鋼桿4-3與空心軸6連接成一個(gè)具有足夠剛性的整體。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中外圈螺帶由筒體之間存在間隙，混合物料在受熱情況下易粘接在筒壁上，影響筒壁傳熱，特設(shè)計(jì)刮板裝置5，保證筒壁粘料。該刮板裝置采用易彎曲伸縮的彈性鋼片，用螺栓固定方便更換。

圖2 攪拌機(jī)攪龍結(jié)構(gòu)示意圖4-1.外層螺帶 4-2.內(nèi)層螺帶 4-3.圓鋼桿 5.刮板裝置 6.空心軸

外層螺帶直徑D1計(jì)算公式為：

D1=d-2δ

式中：δ為為外層螺帶與槽底間隙，取5 mm；d為筒體內(nèi)直徑，mm。

內(nèi)外螺帶的帶面寬度:b≈0.06D1

螺距:L=λD1

式中：λ為變距系數(shù)，取λ=0.3～1。

基于以上計(jì)算設(shè)計(jì)，并結(jié)合攪拌機(jī)械設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算取外層螺帶直徑D1=690 mm、帶面寬b=50 mm、螺距L=385 mm；內(nèi)層螺帶直徑D2=345 mm，其他尺寸和外層螺帶相同。

3 精確計(jì)量稱(chēng)重

在加熱攪拌裝置中物料與化學(xué)改性劑反應(yīng)的狀態(tài)是體現(xiàn)物料質(zhì)量的重要指標(biāo)，而精確計(jì)量物料與化學(xué)改性劑的用量是關(guān)鍵核心。該裝置采用4個(gè)懸臂梁式稱(chēng)重傳感器，每個(gè)傳感器量程為0～1 000 kg；同時(shí)斷開(kāi)加熱箱體上面的硬管連接，改為軟連接。根據(jù)之前估計(jì)的設(shè)備重量為 2.7t，實(shí)際重量占量程總數(shù)的比重為：2.7/4 =0.675，該范圍下精度較高，預(yù)計(jì)精度在±4 ‰。安裝形式采用圖示動(dòng)載模塊安裝方式，4個(gè)角通過(guò)膨脹螺絲固定稱(chēng)重限位塊底座，并保證 4 個(gè)角平面度要求，最后將設(shè)備放置在稱(chēng)重模塊上，前后左右按圖示方法制作擋板。傳感器安裝示意圖如圖3所示。

圖3 稱(chēng)重傳感器安裝示意圖

4 傳熱效率影響分析

加熱攪拌裝置采用板式加熱器，具體為陶瓷加熱板；板式加熱器是間接供熱方式中的核心部件，通過(guò)板式加熱器將熱量傳遞到U型內(nèi)筒壁，再由筒內(nèi)壁傳遞給物料，因此，傳熱效率直接影響生產(chǎn)效率及生產(chǎn)質(zhì)量。下面通過(guò)理論及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地試驗(yàn)分析，影響傳熱效率有以下幾個(gè)因素。

4.1 加熱功率

加熱功率直接影響加熱板產(chǎn)生的熱量，從而影響傳熱效率；功率越大，產(chǎn)生的熱量越多，傳熱效率越高。

4.2 保溫效果

板式加熱器附著在U型筒體的外壁，加熱板加熱時(shí)溫度從兩側(cè)進(jìn)行傳熱，一側(cè)通過(guò)外筒壁傳遞給物料，另一側(cè)暴露在空氣中；為了增加加熱裝置的傳熱效率，在加熱板的外側(cè)緊貼一層保溫層，讓加熱板傳遞的熱量不易散失，讓產(chǎn)生的熱量盡可能多的傳遞給物料；保溫效果越好，散熱損耗越小，傳熱效率越高。

4.3 安裝規(guī)范[9]

在進(jìn)行加熱板安裝時(shí)，由于安裝手段不一，缺乏有效的技術(shù)指導(dǎo)，對(duì)一些板式發(fā)生錯(cuò)位的現(xiàn)象無(wú)視，導(dǎo)致加熱板沒(méi)有緊密貼合外筒壁，減小了受熱面積，降低了傳熱效率；如圖4所示，該裝置采用陶瓷加熱板，安裝時(shí)將每塊加熱板緊貼在U型外筒壁，且每塊加熱板保留一定的安全間隙；每組加熱板內(nèi)側(cè)放置一個(gè)溫控器，當(dāng)溫控器的溫度模擬信號(hào)傳輸給PLC，最終顯示的加熱板溫度高于承受的上限溫度時(shí)，停止供電加熱，當(dāng)顯示的溫度低于下限溫度時(shí)，啟動(dòng)供電加熱；在筒壁的U型面兩側(cè)，安裝數(shù)個(gè)溫度傳感器，使得物料與溫度傳感器充分接觸且不與其它部件干涉，最終得到物料當(dāng)下的實(shí)際溫度。

圖4 陶瓷加熱板及安裝位置

4.4 材質(zhì)及攪拌

不同的材質(zhì)傳熱的速度也不一樣；其次，適當(dāng)?shù)臄嚢钑?huì)增加物料顆粒的流動(dòng)性，從而增加了傳熱效率。

5 性能試驗(yàn)分析

在材料試驗(yàn)車(chē)間開(kāi)展了防滲透性氣砂生產(chǎn)試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程對(duì)物料升溫速率、設(shè)備表面溫度做了詳細(xì)記錄，并通過(guò)計(jì)算的設(shè)備散熱損耗。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所列。

表1 臥式單軸雙螺帶加熱攪拌裝置的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果：

(1) 由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該裝置在進(jìn)行計(jì)量稱(chēng)重時(shí)，稱(chēng)重的精度在500±2 kg，能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝要求。

(2) 該機(jī)的平均熱損失13.2%，小于電阻直接加熱熱損耗的20%，保溫效果顯著。

(3) 500 kg物料平均升溫時(shí)間在40 min內(nèi)，遠(yuǎn)小于該項(xiàng)目實(shí)施要求時(shí)間45 min，加熱時(shí)間滿(mǎn)足工藝時(shí)間及生產(chǎn)量。

6 結(jié) 論

通過(guò)總結(jié)臥式單軸雙螺帶加熱攪拌裝置的設(shè)計(jì)方法，結(jié)合常見(jiàn)的加熱攪拌裝置的特點(diǎn)，介紹加熱攪拌裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理，設(shè)計(jì)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)，分析精確計(jì)量稱(chēng)重、傳熱效率影響、性能試驗(yàn)研究，并建立加熱攪拌裝置的模型機(jī)構(gòu)，得到的結(jié)論如下。

(1) 臥式單軸雙螺帶式加熱攪拌裝置相比于普通的加熱攪拌裝置結(jié)構(gòu)更加緊湊，在同等的時(shí)間內(nèi)，加熱效率更高、攪拌均勻度更好、物料生產(chǎn)質(zhì)量更好。

(2) 該裝置解決了傳統(tǒng)模式的攪拌低效區(qū)和攪拌死區(qū)，讓鍋體內(nèi)有效利用的空間更大；其次，解決了物料化學(xué)反應(yīng)后粘接在內(nèi)筒壁及轉(zhuǎn)軸的問(wèn)題；

(3) 以陶瓷電加熱為熱源，使得物料升溫時(shí)間快、受熱均勻受熱面積大、熱傳導(dǎo)途徑短、散熱損失小，設(shè)備操作簡(jiǎn)單且安全高效。