Двухроторные смесители закрытого типа

Смесители, роторы которых занимают около 60% общего объема смесительной камеры, называют закрытыми роторными смесителями (ЗРС). Их применяют для смешения полимеров с наполнителями, приготовления полимерных композиций, введения в полимер стабилизаторов, пластификаторов, красителей и других ингредиентов. Типичный ЗРС (рис. 4.25) состоит из камеры 2, образованной двумя стальными полуцилиндрами и двумя боковыми стенками 19; внутри камеры навстречу друг другу вращаются роторы 3. В массивных боковых стенках установлены роликовые подшипники роторов 20. Зазор между стенкой и шейкой роторов уплотняется специальным устройством 18.

Смесительная камера монтируется на чугунной станине 1. В верхней части камеры располагается загрузочное окно, над которым установлена загрузочная воронка 5 с откидывающейся заслонкой 6, передвигаемой пневмоприводом 4. При загрузке смесителя заслонка отклоняется к стенке воронки и открывает отверстие в боковой стенке прямоугольной загрузочной шахты, по которой смешиваемые материалы ссыпаются в смесительную камеру. По окончании загрузки заслонка возвращается в вертикальное положение, перекрывая при этом отверстие в стенке шахты и препятствуя выбросу пылящих компонентов наружу при работе смесителя.

В прямоугольной шахте расположен верхний затвор 10, установленный на штоке 9 воздушного цилиндра 7 с поршнем 8. При загрузке смесителя затвор перемещается в крайнее верхнее положение, открывая доступ в камеру смесителя. По окончании загрузки затвор опускается вниз и через окно в камере смесителя давит на находящийся в камере материал, создавая в нем избыточное гидростатическое давление, равное 0,35–0,7 МПа.

Выгрузка готовой смеси производится через нижнее окно в камере, которое во время загрузки и смешения закрыто нижним затвором 14, состоящим из фигурного клина, укрепленного на корпусе пневмоцилиндра 15. Шток 13, на котором установлен поршень пневмоцилиндра, укреплен на станине. Поэтому при подаче воздуха в одну из полостей цилиндра последний вместе с клином перемещается по направляющим под смесительной камерой, закрывая или открывая камеру снизу. Подача сжатого воздуха в цилиндр осуществляется через каналы, просверленные в штоке 13.

В зависимости от формы поперечного сечения и конфигурации роторов (см. рис. 4.24) различают ЗРС с овальными роторами (рис. 4.24, з), с трехгранными и четырехгранными роторами (рис. 4.24, к) и с цилиндрическими роторами (рис. 4.24, и).

В отечественной промышленности получили распространение ЗРС с овальными роторами – так называемые смесители типа Бенбери.

Процесс ламинарного смешения сопровождается интенсивным тепловыделением. Для отвода тепла смеситель имеет систему охлаждения. Роторы охлаждают конденсатом, поступающим во внутреннюю полость по трубам 16 и разбрызгиваемым по всей полости ротора через установленные на трубке форсунки. Из роторов охлаждающая вода сливается через воронку 17 и поступает в установленную на линии стока воронку 12.

Стенки камеры могут прогреваться пропускаемым через паровую рубашку паром и охлаждаться как пропусканием охлажденного конденсата через рубашку, так и орошением стенок камеры конденсатом снаружи, поступающим на поверхность камеры через многочисленные патрубки, присоединенные к коллектору 11.

Гребень нижнего затвора 14 и верхний затвор имеют полости, которые охлаждаются водой.

Привод ЗРС осуществляется, как правило, от синхронных электродвигателей большой мощности через редуктор с помощью шарнирной муфты 21. В настоящее время наиболее распространены два варианта кинематических схем привода.

Первый вариант (рис. 4.26, а) состоит из встроенного в смеситель редуктора, первая ступень которого образована парой приводных шестерен 4, а вторая – парой фрикционных шестерен 3, которые передают вращающий момент от приводного ротора 1 к ведомому ротору 2. При этом они одновременно обеспечивают и необходимое соотношение скоростей вращения роторов. Обычно передаточное число фрикционных шестерен лежит в интервале 1,14–1,16. Частота вращения роторов производственных смесителей составляет: для тихоходных смесителей – около 20 об/мин, для быстроходных смесителей – около 70 об/мин.

Обычно для привода смесителя используют быстроходный синхронный электродвигатель мощностью 700 и более кВт с частотой вращения выходного вала 750–1500 об/мин. Поэтому между встроенным редуктором смесителя и двигателем устанавливают дополнительный редуктор 5. Выходной вал редуктора соединяется с ведущим валом редуктора смесителя посредством; эластичной муфты 10.

Недостатки привода такого типа: громоздкость, тяжелые условия работы фрикционных и приводных шестерен встроенного] редуктора, обычно расположенных внутри ограничительного кожуха, а также перегрузки роторных подшипников распорными я окружными усилиями, возникающими на шестернях привода.:

Второй вариант привода (рис. 4.26, б) отличается наличием; только одного выносного блок-редуктора 7, совмещающего в себе функции редуктора и фрикционных шестерен. Два выходных вала блок-редуктора соединяются с роторами смесителя посредством валов с карданными шарнирами 8. Благодаря этому удается полностью разгрузить подшипники роторов от усилий, возникающих в приводных и фрикционных шестернях. Все шестерни – как приводные 4, так и фрикционные 3 – располагаются в общем блок-редукторе. Применение подшипников качения, высококачественных косозубых шестерен, циркуляционной системы смазки позволило создать компактный блок-редуктор для передачи мощности, превышающей 1500 кВт. Карданные шарниры 8 допускают небольшой перекос и смещение валов, между которыми они установлены. Это снижает требования к точности монтажа, упрощает и удешевляет сборку и установку смесителя» Привод смесителя осуществляется от быстроходного электродвигателя 9, на одной оси с которым установлен возбудитель 10.

Роторы смесителя. В настоящее время в ЗРС применяют три типа роторов. Овальные роторы (см. рис. 4.24, з) в поперечном сечении имеют форму сужающегося к одному концу эллипса, заостренный конец которого переходит в вершину винтовой лопасти. Одна из них, имеющая большую длину (0,55–0,65 длины ротора), расположена по винтовой линии с углом подъема около 30°, а вторая (0,35–0,45 длины ротора) – с углом подъема около 45°. Угол охвата ротора каждой из лопастей не превышает 90°.

Трехгранные роторы (см. рис. 4.24, к), обычно применяющиеся в ЗРС фирмы «Вернер – Пфляйдерер», имеют лопасти, напоминающие зуб шевронной шестерни. Поперечное сечение этих роторов имеет форму трехгранной призмы с вогнутыми гранями.

Винтовые роторы (см. рис. 4.24, и), обычно применяемые в ЗРС фирмы «Интермикс – Шоу», состоят из цилиндрического сердечника, на поверхности которого расположены два винтовых выступа (угол подъема винтовой линии – около 42°).

Первые два типа роторов вращаются с различными скоростями, так как гребни роторов не входят в зацепление. Винтовые роторы вращаются с одинаковыми скоростями, так как выступы нарезки одного ротора входят во впадины нарезки другого. Существует модификация овальных роторов, в которой на каждом роторе вместо двух лопастей расположено по четыре – две длинных и две коротких (см. рис. 4.24, л). Такие роторы обеспечивают примерно полуторакратное сокращение времени смешения.

Роторы обычно изготавливают из стального литья. На гребень (кромку лопасти) ротора для увеличения срока службы смесителя наплавляют твердый сплав (победит, сормайт). На гребни роторов, работающих во взрывоопасной среде, наваривают неискрящие сплавы. Роторы смесителей обычно устанавливают на двух радиально-сферических роликовых подшипниках. Наружное кольцо одного из подшипников жестко фиксируется в корпусе, а второе выполняется плавающим. Смазка подшипников осуществляется от лубрикатора.

Уплотнения роторов. Для предотвращения потерь ингредиентов через зазоры между цапфами вращающихся роторов и стенками камеры в конструкции РЗС предусмотрены специальные уплотнения. Уплотнение сальникового типа (рис. 4.27) состоит из установленной на роторе 1 манжеты 8 и набора медно-графитовых колец 7, размещенных в стальной втулке 3, прикрепленной к боковой стенке 2. Уплотняющее усилие создается грундбуксой 6, на которую нажимают пружины 5, установленные по окружности уплотнения на шпильках 4. Для уменьшения трения в зазоры между кольцами нагнетается смазка.

Лабиринтное уплотнение (рис. 4.28, а) состоит из запрессованной в стенку 2 неподвижной втулки 3 и подвижного кольца 4.

Втулка и кольцо имеют проточки в виде торцевых концентрических канавок, так что выступы втулки входят в соответствующие канавки, и наоборот. Узкий лабиринт, образованный таким размещением деталей, создает препятствие выходу расплава из камеры. Кроме этого на внутренней поверхности втулки 3 имеется винтовая канавка. Гладкая поверхность шейки ротора 1, взаимодействуя с заполняющим канавку расплавом, приводит его в движение. В результате находящийся в канавке расплав начинает двигаться в сторону камеры смесителя против направления потока утечек, создаваемого избыточным давлением в камере.

Торцевое уплотнение с автоматически регулирующимся уплотняющим усилием (рис. 4. 28,6) состоит из напрессованной на шейку ротора 1 центрирующей втулки 3, на которую насажена уплотняющая втулка 8, прижатая пружинами 4 к бронзовому кольцу 5, укрепленному в гнезде неподвижной обоймы 6. Втулка 8 вращается вместе с ротором. Расплав, попадая в пространство между стенкой 2 и втулкой 8, прижимает втулку к поверхности кольца 5 с силой, пропорциональной давлению в камере

смесителя. Установленное между втулками 3 и 8 резиновое кольцо 7 предотвращает утечку расплава через кольцевой зазора между втулками. Кольцо 5 является сменной деталью, и его по мере износа заменяют другим. В область контакта трущихся частей подается смазка под давлением из лубрикатора.

Механизм смешения в камере ЗРС

Для качественного описания процесса смешения рассмотрим схему взаимодействия рабочих органов смесителя (рис. 4.29). В начальный период работы после загрузки всех ингредиентов весь рабочий объем камеры и часть горловины загрузочной воронки вследствие большого удельного объема части ингредиентов могут быть заполнены материалом. На этой стадии верхний затвор давит на смесь ингредиентов, находящуюся в горловине загрузочной воронки, с усилием, складывающимся из веса затвора и усилия, создаваемого пневмоцилиндром привода. По мере смешения смесь становится более компактной и занимает уже только рабочую камеру. На этой стадии верхний затвор замыкает смесительную камеру, и его нижняя часть оказывается как бы продолжением внутренней стенки камеры.

Полимерная композиция подвергается интенсивной деформации сдвига в серповидном зазоре между поверхностью камеры и передней поверхностью лопасти смесителя (область / на рис. 4.29) и в цилиндрическом зазоре между сердечником ротора и стенкой камеры (область III). В начальный момент смешения скорость деформации сдвига во всем объеме материала очень мала. Интенсивной деформации материал подвергается лишь в областях / и // . Затем по мере разогрева материала и его размягчения (плавления) деформации сдвига начинает подвергаться материал, находящийся в областях /// и IV.

Двигаясь по винтовой поверхности лопасти, материал перемещается вдоль оси ротора. Суммируясь с движением по окружности, это осевое перемещение приводит к тому, что находящаяся в серповидном зазоре смесь движется по сложной траектории, напоминающей вытянутую вдоль оси ротора пространственную восьмерку. Двигаясь по таким перекрещивающимся под разными углами линиям тока, частицы смеси равномерно распределяются по всему объему смесителя.