УСТАНОВКА ОБЕЗВОЖИВАНИЯ БИТУМА С ДИНАМИЧЕСКОЙ ЛОТКОВОЙ СИСТЕМОЙ Российский патент 2004 года по МПК E01C19/08 C01C3/12 

Изобретение относится к строительству автомобильных дорог и может быть использовано для приготовления горячей асфальтобетонной смеси.

Известно, что в настоящее время в основном эксплуатируются железобетонные битумные хранилища ямного типа с различными видами подогрева. Эти битумохранилища в последние десятилетия, особенно в средней полосе и на юге России, сильно обводняются в связи со значительным подъемом уровня грунтовых вод. Поэтому в процессе подготовки битума при приготовлении асфальтобетонной смеси обязательной операцией является выпаривание влаги. Для выпаривания воды и разогрева битума до 130-150°С применяют котлы БКЖ-15, ДС-6, СИ-201 и т.д. (Портнягин В.Д. Особенности подготовки битумов и приготовление асфальтобетонных смесей. Учебное пособие. Министерство автомобильных дорог РСФСР. - М., 1988, 81 с., с.40), представляющие собой простейшие по конструкции тепловые аппараты, сварные резервуары емкостью 10-20 м³, в нижней части рабочего пространства которых расположены ТЭН(ы) или жаровые трубы. Котлы работают на принципе свободной конвекции. Поскольку вязкость битумов велика (условия для тепло и массопереноса весьма затруднительны), то с целью сокращения времени подготовки температурные напоры в котлах предельно повышены: температура поверхности электронагревателей 400-600°С, нижних жаровых труб порядка 500°С и выше.

Недостатками данных устройств обезвоживания являются:

1. Процесс обезвоживания битума осуществляется со всей массой, находящейся в емкости.

2. Обезвоживание битума протекает при высокой температуре длительное время (что приводит к изменению структуры битума и ухудшению его свойств).

3. Наличие в установках нагревателей с температурой поверхности 400-600°С приводит к сильному перегреву битума и его коксованию.

Известна установка обезвоживания битума, основанная на использовании СВЧ-излучения (Патент №2184186, Бюл. №18 от 27.06. 2002 г., МКл Е 01 С 19/08, С 10 С 3/18). Установка обладает рядом достоинств и обеспечивает обезвоживание битума во всем его объеме за счет свойств СВЧ-энергии, но ей присущи и недостатки, к которым следует отнести:

1) сложность как конструкции установки, так и ее эксплуатации;

2) необходимость работы на АБЗ высококвалифицированного специалиста по электронике и обеспечение высокой общей культуры производства, что пока на наших АБЗ создать невозможно;

3) малый срок службы магнетронов и их высокая стоимость (магнетрон мощностью 50 кВт с блоком питания стоит до 200 тыс. руб.);

4) необходимость отдельного помещения и ежемесячный контроль СВЧ-излучения службой госсанэпиднадзора.

Поэтому в настоящее время производство не готово для широкого внедрения СВЧ технологии обезвоживания битума.

Наиболее близким техническим решением является установка для нагрева и обезвоживания битума (см. SU №579369, кл. Е 10 С 19/08, 15.12.1977, 3 с., Бюл. 41, 1977), которая содержит обогреваемую емкость, резервуар пароотделителя с рубашкой, заполненный теплоносителем, и размещенным в нем валом, на котором установлены пластины и лопасти, и запорно-раздаточную аппаратуру, при этом для ускорения процесса обезвоживания битума за счет интенсификации процесса обезвоживания каждая лопасть установлена с возможностью радиального перемещения внутри пластины и подпружинена со стороны внутренней кромки, а противоположная кромка имеет вырезы.

Вышеописанная установка для нагрева и обезвоживания битума имеет ряд существенных недостатков, к числу которых следует отнести:

1) изготовление лопастей, их установка в пластины с подпирающими пружинами, а затем установка их совместно с валом в корпус пароотделителя в данной конструкции при отсутствии направляющих практически невыполнимы (с учетом центровки вала внизу);

2) массивные лопасти внутри пластины сместятся вниз (см. SU №579369, кл. Е 10 С 19/08, 15.12.1977, 3 с., фиг.3), ибо подпирающие пружины 13 не обеспечат их удержания в требуемом положении, а это нарушит работоспособность установки;

3) необходимость идеальной центровки вала относительно поверхности цилиндрического корпуса резервуара пароотделителя, выполненной с высокой точностью;

4) удержание вала за счет повышения жесткости пружин неизбежно приведет к росту сил трения, а следовательно, к увеличению энергозатрат;

5) в описании изобретения не раскрыт принцип работы насоса-дозатора (см. SU №579369, 3 на фиг.1). Он работает по принципу разомкнутого цикла и не ясно какими параметрами (объемом, уровнем, влажностью битума и т.п.) определяется его производительность;

6) разделительное кольцо 16 (см. SU №579369, фиг.2) предлагаемой конструкции, без заборных ячеек и дальнейшей выдачи битума из них, не обеспечит равномерного распределения битума по верхней части поверхности цилиндрического корпуса резервуара пароотделителя, поэтому рабочей поверхностью нагрева битума по всей длине окружности в корпусе пароотделителя являются только средняя и нижняя его части, что может привести к перегреву верхней части корпуса резервуара пароотделителя, изменению его размеров и нарушению работоспособности установки;

7) так как внутренняя поверхность стенок цилиндрического пароотделителя вертикальна, то при движении по ней лопастей происходит смещение части битума первоначально на лопасти, а затем и на пластины. Это приведет к затеканию битума к пружинам, коксованию и исключению движения лопастей.

Отмеченные недостатки, на наш взгляд, являются существенными, исключающими возможность работоспособности установки и ее использования для обезвоживания битума.

Задачей изобретения является сохранение свойств битума при его обезвоживании за счет снижения температуры теплоносителя (180-210°С), а также сокращение интервала времени обезвоживания, что достигается повышением скорости переноса теплоты от нагревателя к битуму за счет теплопроводности, свободной и созданной вынужденной конвекциями, а также введением теплового излучения.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемой установке динамическая лотковая система выполнена в виде соединенных между собой элементами связи N расходящихся лопастей горизонтального вращающегося барабана (ротора), внешние края которых имеют загиб в направлении вращения барабана и скользят по внутренней поверхности цилиндрического кожуха, соединенного в нижней части со сливной и заборной битумными емкостями. Битум порциями зачерпывается из заборной емкости внешними загибами лопастей и затем при вращении барабана растекается тонким слоем по поверхностям лопастей, которые выполняют роль динамических лотков. Динамика обезвоживания битума обеспечивается изменением угла наклона лопастей, что приводит к переменности скорости движения слоя битума и его толщины, а также перемешиванию битума и существенному увеличению воспринимаемого количества теплоты. Вращение лопастей барабана обеспечивает принудительное течение тонкого слоя предварительно подогретого битума по их поверхностям с переменной скоростью. Тепло, необходимое для испарения воды и дополнительного подогрева битума, получается им за счет теплопроводности от нагретых лопастей, вынужденного конвекционного движения и теплового излучения от нагретого до 200-210°С кожуха, по внутренней поверхности которого скользят загнутые края лопастей. При растекании битума по поверхности вращающейся лопасти (динамического лотка) обеспечивается условие выхода водяных включений на поверхность тонкого слоя битума, где за счет поглощения тепла от нагретых лопастей (теплообмена) и интенсивного инфракрасного излучения от внутренней поверхности кожуха, происходит нагрев битума, существенное снижение его вязкости, а также более свободное выделение влаги из тонкого слоя битума и активное испарение водяных включений. Выделенные пары удаляются потоком горячего воздуха (нагретого до температуры 110-120°С), проходящего в верхней части установки.

Особенность конструкции динамического лотка (вращающегося барабана с лопастями) обеспечивает использование обеих поверхностей лопастей, в результате чего возрастает эффективная длина динамического лотка. Кроме этого использование N лопастей позволяет дополнительно повысить производительность обезвоживания в N раз. При оптимальном подборе периода вращения барабана, длины и ширины лопастей (динамических лотков) процесс обезвоживания происходит одновременно на 6 лопастях при N=8 в непрерывном режиме с необходимой производительностью и малом времени нахождения битума при высокой температуре, что исключает возможность его окисления.

Использование динамики перемещения битума по поверхностям лопастей и выделение влаги на его поверхность за счет переменности скорости движения битума и изменения толщины слоя позволяет повысить эффективность теплообмена в 5-7 раз, а следовательно, сократить длительность процесса обезвоживания. Замкнутость рабочего объема установки и размещение ее внутри теплоизолирующего корпуса существенно сокращает внешние потери тепла и обеспечивает повышение экономичности установки.

Сущность изобретения заключается в том, что установка обезвоживания битума с динамической лотковой системой, содержащая теплоизолирующий корпус, в котором размещены установленные в цилиндрическом кожухе и соединенные между собой элементами связи лопасти, внешние края которых скользят по внутренней поверхности кожуха, соединенного в нижней части с имеющей выходной патрубок сливной емкостью, заборную битумную емкость с входным патрубком, при этом сливная и заборная емкости имеют нагреватели, а на наружной поверхности кожуха закреплены дополнительные нагреватели, двигатель с редуктором для вращения лопастей, отличается тем, что лопасти установлены горизонтально с образованием динамической лотковой системы, их внешние края имеют загиб в направлении вращения лопастей, а цилиндрический кожух в нижней части сообщен с заборной емкостью, имеющей датчик уровня, соединенный с управляемым вентилем, заборная и сливная битумные емкости расположены соответственно по ходу вращения лопастей, имеют термодатчики и разделены вертикальной перегородкой, которая смещена в сторону наружной стенки сливной емкости, причем верхний край перегородки отстоит от центра оси лотковой системы на расстоянии, равном внутреннему радиусу кожуха, на верхней наружной поверхности которого укреплен термодатчик, а торцевые поверхности кожуха выполнены в верхней части с отверстиями для прохода горячего воздуха.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана установка с теплоизолирующим корпусом и нагревателями верхней поверхности цилиндрического кожуха, а на фиг.2 - динамическая лотковая система с битумной емкостью, на фиг.3 представлены 2 варианта выполнения барабана с N=8 лопастями соединенными элементами связи, а на фиг.4 представлен рисунок, поясняющий динамику процесса обезвоживания в предлагаемой установке.

Установка обезвоживания битума с динамической лотковой системой (фиг.1 и фиг.2) содержит заборную 1 и сливную 2 битумные емкости, соединенные с ними соответственно входной 3 и выходной 4 патрубки, управляемый вентиль 5, нагреватели 6, 7 и 8, горизонтально вращающийся барабан 9, содержащий N соединенных элементами связи 10 и 11 расходящихся лопастей 12, внешние края которых имеют загиб 13 в направлении вращения и скользящих по внутренней поверхности цилиндрического кожуха 14, который соединен в нижней части с заборной и сливной битумными емкостями, разделенными между собой вертикальной перегородкой 15, которая смещена в сторону наружной стенки сливной емкости, причем ее верхний край 16 отстоит от центра оси барабана на расстояние, равное внутреннему радиусу цилиндрического кожуха, кроме того, заборная битумная емкость снабжена датчиком уровня 17, соединенным с управляемым вентилем 5, нагреватели 8 укреплены на верхней наружной поверхности кожуха, а его торцевые поверхности содержат в верхней части отверстия 18 для прохода горячего воздуха. Все устройство расположено внутри теплоизолирующего корпуса 19, а барабан приводится во вращение двигателем 20 с редуктором 21. В установке имеются три системы автоматического регулирования температуры:

- в заборной емкости 1 температура поддерживается на уровне 98-100°С за счет нагревателя 6;

- в сливной емкости 2 температура поддерживается 115-120°С за счет нагревателя 7;

- на поверхности кожуха 4 поддерживается температура 200-210°С за счет дополнительных нагревателей 8, установленных на внешней поверхности кожуха.

Датчики температуры (термопары) 22, 23 и 24 установлены соответственно в заборной 1, сливной 2 емкостях и на поверхности кожуха 14.

Установка с динамической лотковой системой для обезвоживания битума имеет три режима работы (подготовка, обезвоживание и самоочистка) и работает следующим образом.

Подготовка. Этот режим соответствует началу работы установки, находившейся перед этим неопределенное время в выключенном состоянии. Заборная и сливная битумные емкости пусты. Включаются нагреватели 8, и при достижении температуры 200°С на поверхности кожуха 14 включается барабан, который совершает несколько холостых оборотов, и за счет поглощения инфракрасного излучения и теплопроводности температура лопастей повышается до 170-200°С, и подается команда на заполнение заборной емкости.

Обезвоживание. Заборная битумная емкость заполняется предварительно разогретым до 100°С битумом до уровня, определяемого датчиком 17. Кроме этого, температура, необходимая для начала процесса обезвоживания, поддерживается нагревателем 7. При вращении барабана первая лопасть, погрузившаяся в заборную емкость, захватывает определенную порцию битума и начинает перемещать ее по поверхности разогретого кожуха. При этом уровень битума в заборной битумной емкости сразу восстанавливается с помощью управляемого вентиля 5. Разогретая до 170-200°С поверхность лопасти приводит к локальному нагреву битума и сильному снижению его вязкости. Высокое значение температуры лопасти и внутренней поверхности кожуха приводят к первоначальному выделению влаги и незначительному вспениванию. Процесс испарения воды не дает битуму существенно повысить температуру. Дальнейшее испарение влаги происходит за счет теплопроводности и теплового излучения нагретой до 200-210°С внутренней поверхности кожуха. Потери тепла на испарение влаги компенсируются нагревателями 8. При переходе лопастью горизонтального положения контакт забранной порции битума с разогретой поверхностью кожуха прекращается, битум начинает стекать к оси барабана по поверхности лопасти и подогревается снизу горячей поверхностью лопасти, а сверху - инфракрасным излучением от внутренней поверхности кожуха. При этом угол наклона лопасти непрерывно увеличивается, движение битума происходит с возрастающей скоростью, что приводит как к интенсивному растеканию и формированию тонкого слоя, так и к выделению на поверхности битума оставшейся влаги. Растекание битума и интенсивное ИК-излучение от внутренней поверхности кожуха обеспечивает окончательное испарение влаги. Поток горячего воздуха способствует испарению и удаляет пары влаги через отверстия 18 в верхней части кожуха. По мере приближения угла наклона лопасти к 180 градусам происходит ее очищение от битума и повышение ее температуры за счет поглощения лучистой энергии. Битум перемешивается и собирается в седловине цилиндрического элемента связи 11 в области оси барабана. При дальнейшем повороте барабана создаются условия для стекания битума по наружной поверхности предыдущей лопасти от оси барабана к периферии. Битум продолжает подогреваться за счет поглощения ИК-излучения и принудительной конвекции. Эта лопасть к данному моменту является хорошо прогретой и битум натекает на нее ровным слоем в состоянии переменного ламинарного течения, что способствует удалению оставшихся включений влаги. Битум, достигший края лопасти, полностью обезвожен, стекает в сливную емкость 2 нагретым до температуры 110-120°С. Тепловой контакт заборной и сливной емкостей через стенку 15 обеспечивает предварительный нагрев битума за счет запаса тепла в обезвоженном битуме. Это способствует повышению экономичности процесса обезвоживания в предлагаемой установке.

Описанные выше процессы происходят на каждой соседней паре лопастей. В результате этого производительность установки значительно возрастает, и в целом установка работает в непрерывном режиме. Полное обезвоживание порции битума на лопасти за один оборот барабана обеспечивается тем, что лопасть захватывают ровно столько битума, сколько можно обезводить имеющимися источниками тепла за один оборот. Регулировка этого количества осуществляется датчиком уровня 17, мощностью нагревателя 8 и скоростью вращения барабана. Эти параметры устанавливаются в соответствии с влагосодержанием битума. Кроме этого повышение эффективности обезвоживания можно достичь путем использования специальных активаторов 25 у краев лопастей (фиг.3 б), которые увеличивают поверхность нагрева битума. При необходимости дополнительно поверхность лопастей может быть изготовлена криволинейной для увеличения длины и более эффективного изменения скорости движения.

На фиг.4 представлена температурно-временная диаграмма динамики процессов обезвоживании битума на лопасти в зависимости от угла поворота барабана на интервале 0-360 градусов. При каждом обороте лопасти можно выделить три фазы: 1 - фаза захвата заданной порции; 2 - фаза обезвоживания, которая в соответствии с описанными выше процессами разбита на части (α, β и γ). На диаграмме указаны ориентировочные значения температур в различных частях установки, соответствующие данной фазе; 3 - фаза слива обезвоженного битума. Фаза слива начинается со значений ϕ=270 градусов до угла, соответствующего контакту лопасти с верхним краем перегородки 16.

Самоочистка. Это режим работы установки, предшествующий выключению. После принятия решения о прекращении работы установки и ее выключении выполняются следующие операции:

1) прекращается поступление битума в заборную битумную емкость, но вращение барабана продолжается, выключаются нагреватели 6 и 7 в заборной и сливной емкостях;

2) битум из сливной битумной емкости удаляется через выходной патрубок 4, а из заборной битумной емкости - путем инверсии битумного насоса;

3) барабан делает несколько холостых оборотов, в результате чего поверхности лопастей очищаются, а остатки битума попадают в сливную битумную емкость и удаляются;

4) выключаются нагреватели 8, установленные на поверхности кожуха, и прекращается вращение барабана;

5) установка приходит в исходное состояние и может быть вновь включена в любой момент (см. режим “Подготовка”).

Увеличение числа лопастей существенно не влияет на динамику описанного выше процесса обезвоживания, т.к. для всех лопастей он идет параллельно, но увеличивается влияние теневого эффекта, ограничивающее воздействие ИК-излучения на поверхность слоя битума.

Замкнутость объема в совокупности с теплоизолирующим корпусом дополнительно уменьшает потери энергии и повышает экономическую эффективность установки.

Расчеты для случая N=8 показывают, что для обезвоживания битума с 3%-ной влажностью с производительностью 1,5 т/ч необходимо, чтобы внутренний диаметр кожуха был 1,5 м, а длина лопастей 2 м. При суммарной мощности нагревателей 55 кВт частота вращения барабана составляет 2 об/мин.

Применение установки обезвоживания битума с динамической лотковой системой позволяет сохранять качество битума за счет:

- снижения температуры процесса обезвоживания,

- уменьшения интервала времени его нахождения при высокой температуре благодаря повышению скорости переноса теплоты от нагревателя к битуму за счет теплопроводности, свободной и созданной вынужденной конвекции, а также введением теплового излучения.

Кроме этого применение предлагаемой установки позволит существенно снизить энергетические затраты и значительно улучшить экологию на АБЗ за счет меньшего выделения токсичных газов из битума при его подготовке.

Изобретение относится к строительству автомобильных дорог и может быть использовано для приготовления горячей асфальтобетонной смеси. Технический результат - сохранение свойств битума при его обезвоживании за счет снижения температуры теплоносителя (180-210°С), а также сокращение интервала времени обезвоживания, что достигается повышением скорости переноса теплоты от нагревателя к битуму за счет теплопроводности, свободной и созданной вынужденной конвекции, а также введением теплового излучения. Установка обезвоживания битума содержит теплоизолирующий корпус, в котором размещены установленные в цилиндрическом кожухе и соединенные между собой элементами связи лопасти, внешние края которых скользят по внутренней поверхности кожуха, соединенного в нижней части с имеющей выходной патрубок сливной емкостью, заборную битумную емкость с входным патрубком, двигатель с редуктором для вращения лопастей. Сливная и заборная емкости имеют нагреватели, а на наружной поверхности кожуха закреплены дополнительные нагреватели. Лопасти установлены горизонтально с образованием динамической лотковой системы, их внешние края имеют загиб в направлении вращения лопастей, а цилиндрический кожух в нижней части сообщен с заборной емкостью, имеющей датчик уровня, соединенный с управляемым вентилем, при этом заборная и сливная битумные емкости расположены соответственно по ходу вращения лопастей, имеют термодатчики и разделены вертикальной перегородкой, которая смещена в сторону наружной стенки сливной емкости. Верхний край перегородки отстоит от центра оси лотковой системы на расстояние, равное внутреннему радиусу кожуха, на верхней наружной поверхности которого укреплен термодатчик, а торцевые поверхности кожуха выполнены в верхней части с отверстиями для прохода горячего воздуха. 4 ил.

Установка обезвоживания битума, содержащая теплоизолирующий корпус, в котором размещены установленные в цилиндрическом кожухе и соединенные между собой элементами связи лопасти, внешние края которых скользят по внутренней поверхности кожуха, соединенного в нижней части с имеющей выходной патрубок сливной емкостью, заборную битумную емкость с входным патрубком, при этом сливная и заборная емкости имеют нагреватели, а на наружной поверхности кожуха закреплены дополнительные нагреватели, двигатель с редуктором для вращения лопастей, отличающаяся тем, что лопасти установлены горизонтально с образованием динамической лотковой системы, их внешние края имеют загиб в направлении вращения лопастей, а цилиндрический кожух в нижней части сообщен с заборной емкостью, имеющей датчик уровня, соединенный с управляемым вентилем, при этом заборная и сливная битумные емкости расположены соответственно по ходу вращения лопастей, имеют термодатчики и разделены вертикальной перегородкой, которая смещена в сторону наружной стенки сливной емкости, причем верхний край перегородки отстоит от центра оси лотковой системы на расстояние, равное внутреннему радиусу кожуха, на верхней наружной поверхности которого укреплен термодатчик, а торцевые поверхности кожуха выполнены в верхней части с отверстиями для прохода горячего воздуха.