Способы получения пен и пеногенераторы
Пены, как и другие дисперсные системы, можно получать двумя способами: диспергационным и конденсационным. При диспергационном способе пена образуется в результате интенсивного совместного диспергирования пенообразующего раствора и воздуха. Технологически диспергирование может осуществляться: 1) при прохождении струй газа через слой жидкости (в барботажных или аэрационных установках, в аппаратах с «пенным слоем», в пеногенераторах некоторых типов, имеющих сетку, орошаемую пенообразующим раствором); 2) при действии движущихся устройств на жидкость в атмосфере газа или при действии движущейся жидкости на преграду (в аппаратах при перемешивании мешалками, встряхивании, взбивании, переливании растворов); 3) при эжектировании воздуха движущейся струей раствора.
Конденсационный способ получения пен основан на изменении параметров физического состояния системы, приводящим к пресыщению раствора газом. К этому же способу относится образование пен в результате химических реакций и микробиологических процессов, сопровождающихся выделением газообразных продуктов. Пересыщение раствора газом в результате вспенивания может происходить при создании пониженного давления в аппарате с раствором, при повышении температуры раствора.
По способам пенообразования аппаратуру для получения воздушно-механических пен делят [65] на следующие группы: устройства, в которых пена образуется при барботирования воздуха через раствор пенообразующего вещества; воздушно-пенные стволы, работающие по принципу соударения струй раствора; пеногенераторы, в которых пенообразование происходит на сетках. В барботажных аппаратах для получения пены в аппарат подводят барботажный воздух под давлением до 0,3 МПа. При этом пена заполняет свободное пространство резервуара, транспортируется в пенопровод и по рукавной линии выбрасывается наружу в виде струи. Аппараты барботажного типа генерируют пену кратностью более 20, а дальность полете струи – 12-15 м.
Пена, получаемая барботажными способами, например, диспергированием газа с помощью перегородок, закрепленных в нижней части пенных аппаратов, в начальный момент представляет собой газовую эмульсию. Скорость превращения ее в полиэдрическую пену зависит от скорости всплывания пузырьков и последующего вытекания «избыточной» жидкости, которые определяются их размерами, долей газа и концентрацией ПАВ. В качестве барботирующих устройств используют [95] пористые пластины и патроны из стекла, керамики и пластмассы, а также сетки различного плетения. Оригинальной модификацией пористых материалов являются эластичные пластины, диаметр которых изменяется в зависимости от давления пропускаемого газа.
В пеногенераторе для пенобетона (заявка 1313377 Япония, СО4В 38/10, опубл. 18.12.1989) пенообразователь подается по трубе в сосуд, заполненный пеногенерирующими элементами. Одновременно в сосуд подается сжатый воздух. В верхней части аппарата происходит диспергация воздушных пузырей и стабилизация их размеров.
Дальнейшим развитием пеногенератора (а. с. 403561 СССР, В28С 5/38, опубл. 1970), содержащего емкость, в которой размещен патрубок с перфорацией на конце, соединенный с источником сжатого воздуха, и трубчатый рассекатель потока с установленными на коаксиальной ему оси лопастями, является выполнение трубчатого рассекателя в виде параллельно расположенных и контактирующих по образующим трубок, а лопасти установлены на оси свободно и размещены под последними (а.с. 852583 СССР, В28С 5/38, опубл. 07. 08. 1981). Пеногенератор содержит емкость 1 (рис. 2), в которой размещен патрубок 2 с перфорацией на конце, соединенный с источником сжатого воздуха 3, и трубчатый рассекатель 4 потока с установленными на коаксиальной ему оси лопастями 5.
Рис. 2. Пеногенератор
Трубчатый рассекатель 4 (рис. 2) выполнен в виде параллельно расположенных и контактирующих по образующим трубок, а лопасти 5 установлены на оси свободно и размещены под последними. Пеногенератор содержит корпус 6, крышку 7, выходной патрубок 8. Вентиль 9 служит для регулирования подачи сжатого воздуха. При работе емкость 1 заполняется пенообразователем. К вводному патрубку присоединяется шланг от компрессора, по которому струя воздуха поступает через патрубок 2 с перфорацией на конце в раствор пенообразователя. Патрубок 2 выполнен из резинового шланга и имеет на конце серию отверстий диаметром 0,5-1 мм. В результате барботирования воздухом пенообразователя на поверхности последнего образуется пена, которая поступает в корпус 6 пеногенератора с крышкой 7 и, пройдя рассекатель пены 4 и лопасти 5, подается по выходному патрубку 8 к пенобетоносмесителю. При прохождении пены через рассекатели она измельчается. Наиболее стабильная и устойчивая пена, имеющая диаметр пузырьков 2-3 мм, образуется при пропускании струи пены через трубки диаметром 3-5 мм.
В пеногенераторах струйного типа пенообразующий раствор под давлением подается через несколько форсунок, расположенных под некоторым углом к оси ствола, так что струи раствора соударяются в фокусе, дробятся, перемешиваются и при этом вовлекают воздух через отверстия в корпусе ствола.
В воздушно-пенных стволах струйного типа (рис. 3, а) пенообразующий раствор под давлением от насоса по шлангу поступает в 3-4 жидкостных распылителя, расположенных под определенным углом к оси ствола так, что при истечении струи сходятся в одной точке. При взаимном ударе струй происходит распыление раствора со смешением его с воздухом, который за счет разряжения в диффузоре засасывается туда через отверстия в стволе. Образующаяся в результате интенсивного перемешивания раствора и воздуха пена выводится через трубу, причем в стволы возможно принудительно вводить сжатый воздух. Пенообразователь с водой можно смешивать как в отдельном резервуаре заблаговременно, так и непосредственно в генераторе. В последнем случае жидкий пенообразователь или его концентрированный раствор из резервуара дозировано подают в струю воды за счет разряжения в диффузоре. Дозированную подачу пенообразователя из резервуара можно осуществлять с помощью гибкой диафрагмы. В установках струйного типа используют также лопастные насосы, подающие в пенопровод генератора раствор пенообразователя и одновременно эжектирующие воздух, причем подача пенообразователя и воздуха может осуществляться раздельно. Однако пеногенераторы струйного типа генерируют пену с относительно небольшой кратностью пены (10-100), что объясняется тем, что объем эжектируемого воздуха незначителен. Положительным качеством пеногенераторов этого типа является большая дальность транспорта струи пены при относительно небольших давлениях.
Рис. 3. Схемы воздушно-пенного ствола струйного типа (а), сетчатого пеногенератора (б), центробежно-осевого пеногенератора (в) и установки для гидродинамических испытаний воздушно-пенных стволов (г)
В способе приготовления пены для производства строительных материалов (а. с.718275 СССР, В28С 5/00, опубл. 28. 02. 1980), преимущественно пеногипса, включающем приготовление раствора пенообразователя и воздуха и отбор пены, для снижения расхода пенообразователя, сокращения времени приготовления пены и повышения ее качества, диспергирование смеси раствора пенообразователя и воздуха осуществляют путем отбора части непрерывно подаваемого под давлением 0,22-1,2 МПа потока смеси, вращения этой части с последующим встречным слиянием потоков в зоне максимального гидравлического давления вращающейся части смеси, в 1,1-6 раз меньшего давления непрерывного потока смеси, а отбор пены ведут в зоне с минимальным гидравлическим давлением вращающейся части смеси. В отличие от известных способов приготовления пены [96, 97], являющихся малопроизводительными и требующими повышенного расхода пенообразователя, что обусловлено образованием неустойчивой ячеистопленочной дисперсной системы с пленками раствора пенообразователя большой толщины, предлагаемый способ отличается большей эффективностью. При реализации способа 1%-ный раствор пенообразователя (сульфанола) из расходного бака шестеренчатым насосом марки БГ 11-24 А непрерывно нагнетают в выходной патрубок центробежного насоса марки 2К-6, развивающего давление 0,22 МПа.
Конструктивные усовершенствования пеногенераторов направлены на снижение степени разрушения перемещаемой пены, увеличение дальности ее транспортирования, улучшение качества пены. Например, увеличение дальности полета струи пены достигается созданием кольцевого зазора между внутренней стенкой корпуса (и соответственно пакета сеток) и движущимся потоком пены. При этом свободный воздух, образуя вокруг пенной массы воздушную оболочку, предотвращает разрушение пены о стенки. Также диспергирование пены возможно с помощью радиально расположенных вращающихся «ершиков», что обеспечивает получение пузырьков пены диаметром 0,2-2 мм. Для снижения сопротивления потоку пены в устройствах стационарного типа – сетка или пакет сеток, канал выполняют с гофрами, причем для увеличения кратности пены такие устройства снабжают вентиляторами (пат.1313596 Англия, опубл. 1973)
В пеногенераторах, в которых пена образуется при диспергировании газа на сетку, одновременно на нее поступает раствор пенообразователя в виде капель с помощью распылителя или сетка орошается раствором пенообразователя. Если воздух подается принудительно с помощью вентилятора или компрессора, то образуется пена кратностью более 1000. Для увеличения дальности подачи высокократных пен возможно подавать их совместно с низкократной пеной.
Пенообразование на сетках является достаточно эффективным способом получения высокократной пены и реализуется в нескольких разновидностях устройств подобного типа. Чаще всего пенообразующий раствор под давлением поступает на сетку через распылитель в виде капель (рис. 3, б), где: 1 – корпус со стволом; 2 – пакет сеток; 3 – распылитель; 4 – вентилятор; 5 – электродвигатель; 6 – трубка подачи раствора. При этом поток воздуха, эжектируемый струей раствора или подаваемый принудительно с помощью вентилятора, предварительно перемешивается с распыленным раствором перед сеткой (для этого в некоторых конструкциях предусмотрен диффузор) и выдувает на сетке пузырьки пены. В аппаратах других конструкций на сетку орошаемую водным раствором пенообразователя, подается мощный поток воздуха, который обеспечивает получение пены. Кратность образующейся пены при этом способе пенообразования может достигать 1000 и более и в основном определяется размерами ячеек сетки, степенью дробления струи раствора, а также параметрами воздушного потока (расходом и скоростью). Вентилятор для подачи на сетку воздуха работает, как правило, автономно. Пеногенераторы с вентиляторами более громоздки, чем те, в которые воздух поступает в результате эжектирования его потоком раствора. Поэтому в некоторых пеногенераторах с вентилятором используется водяная турбина, подключенная параллельно к линии, подводящей раствор пенообразователя в распылительные насадки (пат. 3955987 США, опубл. 1976; пат. 208674 ГДР, опубл. 1980). В генераторе такого типа подача раствора к насадкам и турбинке могут осуществляться независимо. На линии подачи раствора устанавливают специальный вентиль, позволяющий отключать подачу раствора к распылителям, а линия, по которой в этом случае протекает раствор через турбинку, соединяется с основным резервуаром, куда и возвращается раствор. Необходимо учитывать, что образование пены с помощью сеток происходит только при определенном интервале скорости потока воздуха, предельные значения которого зависят от концентрации пенообразователя и размеров ячеек сетки.
В устройстве для приготовления технической пены (а. с. 337529 СССР, Е21F 5/00, опубл.1970) включающем корпус с соединенными с ним патрубками для подачи сжатого воздуха, пенообразующего раствора и воды, и сопло с диффузором и сетками, причем патрубок выдачи пены выполнен в виде усеченного конуса и имеет на концевой части вкладыш с сетками, для повышения качества пены патрубок для подачи воды выполнен в виде усеченного конуса и соединен меньшим основанием с меньшим основание патрубка выдачи пены, причем патрубок для подачи пенообразующего раствора закреплен в месте соединения последних, а размеры ячеек каждой предыдущей сетки превышают размеры каждой последующей сетки (а. с. 958105 СССР, В28С 5/38, опубл.15.09.1982). При прохождении воды через узкое сечение патрубка 1 (рис. 4) скорость потока возрастает, а давление падает с образованием зоны разряжения. Поэтому пенообразующий раствор по патрубку 2 поступает в патрубок выдачи пены 3 и проходит через вкладыш 4 с сетками 5, в результате чего образуется поток пены.
Рис. 4. Устройство для приготовления технической пены
Для повышения эффективности в работе путем регулирования кратности пены устройство для приготовления технической пены, содержащее корпус с патрубками для подачи сжатого воздуха или воды и пенообразующего раствора и втулку с сетками (а. с. 958105 СССР, В28С 5/28, опубл. 1982), оно снабжено расположенной в корпусе конической втулкой с многозаходными винтовыми канавками, выполненными на ее наружной и внутренней поверхностях и направленными противоположно одна относительно другой, а патрубки снабжены механизмом синхронного регулирования их проходного сечения, причем отношение площади сечения патрубка подачи сжатого воздуха или воды в местах соединения с корпусом составляет 0,4-0,8, а втулки с сетками выполнены с резьбовой поверхностью и расположены одна в другой с возможностью осевого перемещения (а. с. 1074731 СССР, В28С 5/38, опубл.23. 02. 1984). Устройство содержит корпус 1 (рис. 5) с патрубками 2 и 3 для подачи сжатого воздуха или воды и пенообразователя, и втулки 4 с сетками 5. В корпусе 1 установлена коническая втулка с многозаходными винтовыми канавками, выполненными на ее наружной и внутренней поверхностях и направленными противоположно одна относительно другой. В патрубках 2 и 3 смонтированы клапаны 7 и 8 для регулирования подачи сжатого воздуха, воды или пенообразователя, причем отношение площади сечения патрубка подачи пенообразователя и площади сечения патрубка подачи сжатого воздуха или воды в местах соединения с корпусом составляет 0,4-0,8. На штоках клапанов 7 и 8 установлены на резьбе шестерни 9 и 10, которые находятся в зацеплении друг с другом и смонтированы в соответствующих патрубках 2 и 3 на подшипниках 11 и 12. Шестерня 9 выполнена с маховиком 13, а в патрубках 2 и 3 установлены фиксаторы 14 и 15, которые входят в продольные пазы штоков клапанов 7 и 8 и препятствуют их повороту вокруг осей.
Рис. 5. Устройство для приготовления технической пены
При работе по патрубку 2 (рис. 5) в корпус 1 подается сжатый воздух или вода. Одновременно по патрубку 3 подается пенообразователь. Соотношение компонентов регулируется путем вращения маховика 13, обеспечивающего изменение положения клапанов 7 и 8. Сжатый воздух или вода, проходя через узкое сечение корпуса 1, увлекает за собой пенообразующий раствор, затем эта смесь, перемещаясь через коническую втулку 6, имеющую многозаходные винтовые канавки, закручивается в противоположно направленные потоки, которые на выходе из конической втулки 6 перемешиваются между собой. Далее смесь проходит через втулки 4 с сетками 5 с образованием потока пены. Качество и кратность пены регулируется изменением расстояния между сетками 5, а также между сеткой и корпусом 1.
Развитием устройства для получения технической пены, содержащего коллектор с распылителями и диафрагму с отверстиями и сетками (а. с. 538717 СССР, А62С 5/04, опубл. 1975), для улучшения качества пены и сокращения расхода пенообразователя, является снабжение диафрагмы кольцами с лопастями и коническими отражателями, причем лопатки смонтированы на внутренней поверхности каждого кольца под углом 17-25° к их образующей и соединены отражателем, угол при вершине которого составляет 120-160°, а сопла распылителей расположены внутри колец, при этом отношение площади живого сечения распылителя к площади основания конического отражателя составляет 0,1-0,3, а отношение расстояния между распылителями и основанием конического отражателя к расстоянию между распылителями и сетками, смонтированными с возможностью их смещения оних относительно других составляет 0,2-0,4 (а. с. 1135670 СССР, В 28С 5/38, опубл.23. 01. 1985). Устройство содержит корпус 1 (рис. 6), коллектор 2 с распылителями 3, диафрагму 4 с отверстиями, обойму 5, сетки 6. В отверстия диафрагмы 4 вмонтированы кольца 7, в которых размещены лопатки 8, соединенные между собой коническими отражателями 9.
Рис. 6. Устройство для получения технической пены
При работе в корпус 1 (рис. 6) подается сжатый воздух, который проходя через кольца 7 диафрагмы 4 при взаимодействии с лопатками 8, закручивается, образуя вихревой поток. Одновременно в коллектор 2 нагнетают пенообразующий раствор, который, выходя из распылителей 3, попадает на конические отражатели 9. При этом потоки раствора разбиваются на мелкие капли и летят навстречу вихревому потоку воздуха. Смесь, проходя через сетки 6, образует непрерывный поток пены.
В устройстве для приготовления технической пены (а. с. 1364484 СССР, В28С 5/38, опубл.31. 05. 1985), содержащем (рис. 7) соединенные между собой патрубки для подачи пенообразующего раствора и диспергирующего агента, имеющий сетки патрубок образования пены, для повышения качества пены, применяется дополнительный патрубок с металлически элементами в виде стружки, расположенными после патрубка образования пены.
Рис. 7. Устройство для приготовления технической пены
Устройство содержит соединенные между собой патрубок 1 (рис. 7) для подачи раствора пенообразователя, патрубок 2 для подачи сжатого воздуха и патрубок образования пены, содержащий две последовательные камеры-патрубка, одна из которых входная камера 3 смешивания с размещенными в ней сетками 4 и другой камерой 5 – диспергирования, которая может быть выполнена, например, из прорезиненного шланга и заполнена металлической стружкой 6 из нержавеющей стали. При прохождении пены с кратностью 10-120 и устойчивостью 1 час, используют сетку 4 с размером ячеек крупностью 10-140 мкм. Выполнение камеры 5 диспергирования в виде шланга обеспечивает неподвижность металлической стружки за счет сил сцепления, возникающих между стружкой и стенками шланга. При работе в патрубок 1 под давлением поступает 3%-ный раствор пенообразователя ПО-1. Из патрубка 1 пенообразователь подается во входную камеру 3 смешивания, куда одновременно подается воздух. Смесь проходит через металлические сетки 4 и в виде пены поступает в выходную камеру 5 диспергирования с металлической стружкой 6 из нержавеющей стали, где происходит дополнительное диспергирование пены. Готовая пена по пенопроводу 7 поступает в растворосмеситель.
Пеногенератор, содержащий корпус, патрубок для подвода пенообразующего раствора, конический патрубок с сеткой сферической формы, дроссельную насадку, коническую пружину, меньшим основанием прикрепленную к насадке, а большим – к сетке, и ограничительное кольцо (а. с. 1600797 СССР, А62С 5/04, опубл. 1988), для повышения качества пены, он снабжен (рис. 8) фильтрующим приспособлением с дополнительным патрубком, выполненным в виде усеченной конической обечайки, меньшим основанием сопряженной с цилиндрической обечайкой.
Причем соотношение длин конического патрубка (L), усеченной конической (N) и цилиндрической (M) обечаек составляет 1:1:3-1:1,2:3,2, а фильтрующее приспособление расположено внутри цилиндрической обечайки и выполнено в виде соединенных торцевыми поверхностями колец с квадратом в поперечном сечении, при этом соотношение диаметров большего основания конического патрубка (d1), цилиндрической обечайки (d2) и отверстия кольца (d3) составляет 1:0,5:0,33-1:0,65:0,38, а соотношение расстояния от линии сопряжения конической и цилиндрической обечаек до фильтрующего приспособления (A), его длины (B) и расстояния от торцевой кромки дополнительного патрубка до фильтрующего приспособления (C) составляют 1:0,75:1-1:0,8:1,2 (а. с. 1698070 СССР, В28С 5/38, опубл. 15.12.1991).
Рис. 8. Пеногенератор
Пеногенератор содержит корпус 1 (рис. 8), патрубок 2 для подачи пенообразователя, конический патрубок 3 для выхода пены с сеткой 4 сферической формы, дроссельную насадку 5, коническую пружину 6, ограничительное кольцо 7, дополнительный патрубок, состоящий из двух обечаек – цилиндрической 8 и сопряженной с ней по меньшему основанию конической 9, фильтрующее приспособление в виде колец 10, установленных торцами друг к другу, отверстия 11 для подачи воздуха. При сечении фильтрующего кольца образуется квадрат. При работе на выходе из насадки 5 скорость потока пенообразователя резко возрастает и поток распадается на капли, которые, увлекая воздух, входящий через отверстие 11, с силой ударяют о распылительную сетку 4 и, проходя через нее, образуют однородную пену, чему способствует возможность перемещения сетки 4 за счет пружины 6. При входе пены в коническую обечайку 9 при постепенном сближении ее стенок происходит образование сплошного потока пены за счет сглаживания его периферийных участков. При этом указанное соотношение диаметров конической и цилиндрической обечаек обеспечивает эффективное протекание процесса без чрезмерного увеличения скорости потока пены. Причем в цилиндрической обечайке на участке перед кольцами 10 скорость потока пены выравнивается, а при прохождении его через фильтрующее приспособление 10 – снижается.
Конструкция центробежно-осевого динамического пеногенератора (рис. 3, в), где: 1- корпус; 2- вращающийся барботажный барабан; 3- подшипник скольжения; 4- капиллярный диспергатор воздуха; 5- гидравлическая муфта; 6- сальник муфты, позволяет получать пены в широком интервале кратности, но с узким интервалом диаметров пузырьков (100-120 мкм). Действие этого пеногенератора основано на том, что единичный пузырек отрывается под суммарным действием различных сил на ранней стадии его формировании, и поэтому основное влияние на размер пузырьков оказывает диаметр отверстия трубчатых капилляров. В таком пеногенераторе гидродинамические условия пенообразования изменяются путем изменения числа оборотов барботажного барабана. Пенообразующий раствор через муфту поступает во вращающийся барботажный барабан и распределяется в нем в виде цилиндрического слоя. Воздух проходит через капиллярные диспергаторы и цилиндрический слой раствора, а образующаяся пена удаляется из барабана по трубе.
Наиболее важными характеристиками пеногенераторов и получаемой пены являются производительность, кратность пены и дальность транспорта пенной струи. Кратность генерируемой пены зависит от многих факторов: особенно значительное влияние оказывает давление раствора. Например, для воздушно-пенных стволов существует оптимальное давление на уровне 0,4 МПа, обеспечивающее получение пены наибольшей кратности. Кроме давления на кратность пены влияют природа и концентрация пенообразователя, условия внешней среды, особенно температура и концентрация солей в используемой воде. Для регулирования кратности пены на наружной поверхности трубы могут быть размещены группы насадок, при вращении которых образуется факел распыленного раствора, направленный на сетку. При этом насадки имеют выходные отверстия различных форм для получения факела различного вида. Этим достигается лучшее перемешивание частиц раствора с воздухом, а изменением скорости вращения насадок и расхода раствора через них можно регулировать кратность получаемой пены. Дальность транспортирования струи пены с повышением кратности уменьшается, так как при этом сокращается ее плотность. Очень легкие высокократные пены (кратностью около 1000) тормозятся непосредственно у ствола. Поэтому для доставки их к месту применения используют пеноводы, выполненные из пластиков, а дальность перемещения пены по такой трубе зависит от мощности двигателя, вращающего вентилятора, и развиваемого им давления.
Для замедления гидродинамических процессов в низкократной пене с целью длительного сохранения ее структуры, можно рекомендовать следующие меры:
1) использование способа пенообразования, дающего максимально однородную по кратности пену, например при смешении потоков газа и раствора в трубе или на сетках, взбивание жидкости механическими устройствами;
2) получение пены с максимально высокой степенью дисперсности и минимальной полидисперсностью, что достигается понижением поверхностного натяжения и гомогенизацией пены;
3) использование композиций ПАВ и специальных добавок максимально увеличивающих степень «заторможенности» адсорбционных слоев, а также поверхностную и объемную вязкость.
Расчет воздушно-пенных стволов струйного типа сводится [65, 88] к определению диаметра отверстий насадки-распылителя, диаметра и длины трубы сопла и площади отверстий (рис. 9) для подсоса воздуха в соответствии с уравнениями [98]:
ω = Qp / ξ 
; ω2 = β ω1 = Qп ω1 / Qр; ω3 = (β - 1) Qп / β Vв; (3)
где ω1, ω2, ω3 - соответственно площади сечения насадки-распылителя, трубы сопла и отверстий для подсоса воздуха, м2; Qр, Qп – производительность по раствору и пене, л/мин.; ξ – коэффициент расхода жидкости для насадки-распылителя; Vв - скорость потока воздуха, м/с; β – кратность пены; g – ускорение свободного падения м/с2; Р – давление перед соплом, Па.
Рис. 9. К расчету сетчатого пеногенератора
Определяющими для расчета ω1, ω2, ω3 являются давление, развиваемое насосом (р); минимальная производительность пеногенератора по пене (Qп) и кратность пены (β). Основные конструктивные параметры пеногенератора воздушно-пенного типа небольшой производительности, рассчитанные по уравнениям (5) при заданных значениях β = 10 и Qр = 0,02 м3/мин и проверенные при гидродинамических испытаниях [65, 88] лабораторного образца на установке, изображенной на рис.10, г (где 1 - емкость; 2 - насос; 3 - манометр; 4 - пеногенератор), представлены в табл. 3.
Таблица 3 - Результаты гидравлических испытаний воздушно-пенного ствола
| Диаметр насадки-распылителя, мм | Давление перед стволом, р• 10-5 Па | Расход раствора, Qp•103, м3/мин | Производительность по пене (л/мин) при диаметре трубы | Кратность пены при диаметре трубы | ||
| 20 мм | 14 мм | 20 мм | 14 мм | |||
| 5,8 | 7,0 | |||||
| 2,5 | 7,0 | 8,5 | ||||
| 9,0 | 11,0 | |||||
| 2,5 | 5,0 | 6,0 | ||||
| 2,5 | 6,0 | 7,0 | ||||
| 8,0 | 10,0 | |||||
| 10,8 | 5,0 | 7,0 | ||||
| 2,5 | 11,5 | 7,0 | 9,0 | |||
| 8,0 | 12,0 |
Угол наклона насадок-распылителей к оси ствола определяют экспериментально (α = 4-6°). При использовании стволов с α ≥ 8° пена в условиях опыта не образуется, поскольку из-за короткой длины струи в конусной части ствола создается слишком низкое разряжение для подсоса воздуха. Для 1 %-го сульфанола НП-1 в воде давление пенообразующего раствора перед стволом должно быть не менее 0,25-0,3 МПа, так как иначе значительно уменьшится производительность пеногенератора и кратность получаемой пены. Два этих параметра зависят также от диаметра насадки-распылителя, причем диаметр 2,5 мм обеспечивает кратность пены на уровне β = 10. Определенное влияние на кратность пены оказывают размеры трубы: при меньшем диаметре получается пена более высокой кратности.
В расчет сетчатого пеногенератора входит определение параметров распылителя. Например, основным параметром для центробежной форсунки наиболее часто применяемой в качестве распылителя, является геометрическая характеристика А [99]:
А = (D/d) / (S''/S'); (4)
где D и d – соответственно диаметр камеры завихрения; S'' и S' – площади входного и выходного сечений.
С помощью геометрической характеристики А, значение которой задается в зависимости от типа форсунки [100], определяют коэффициент расхода идеальной жидкости ξо, по которому рассчитывается эквивалентная скорость реальной жидкости Vэ = ξоVо. Скорость истечения жидкости Vо можно определить по формуле:
Vо = ψ √ 2Р/ρ, (5)
где Р – давление жидкости; ρ – плотность жидкости; ψ – коэффициент скорости (для воды – 0,97).
При известной массовой производительности пеногенератора G можно определить диаметр выходного сечения центробежной форсунки:
d = 
(6)
Диаметр камеры завихрения D определяют исходя из принятого значения А и расчетного значения d.
Из геометрических размеров других элементов пеногенератора рассчитывают: dс – диаметр пакета сеток; lд – длину диффузора; dг и lг – диаметр и длину горловины; lр – расстояние от распылителя до передней кромки диффузора (рис. 9). Если известен диаметр пакета сеток, то при α = 8° (угол конусности) геометрические размеры (в мм) пеногенератора рассчитывают [65, 88] по эмпирическим соотношениям:
dг = 0,72 dс; lг = 0072 dс; lр = 0,65 dс; lд = lс. (7)
Площадь пакета сеток Fс рассчитывают в два этапа. При заданной объемной производительности пеногенератора Qп (по пене) площадь пакета сеток вычисляется по уравнению:
Fс = Qп / Vп, (8)
где Vп – оптимальная скорость выхода пены [Vп = 0,25 Rо/(πδ); Rо = 0,06-0,09 м2/с – для обычно применяемых концентраций пенообразователя ПО-1, а размеры ячеек сетки δ принимают равными 0,6-2,0 мм].
Второй этап расчета основных геометрических элементов пеногенератора сетчатого типа предусматривает построение двух графических зависимостей: расхода воздуха от давления (или давления от кратности) и потерь давления от кратности пены. Точка пересечения полученных кривых характеризует расчетное давление перед пакетом сеток и расчетную кратность. Если расчетное значение кратности отличается от заданного более чем на 20 %, изменяют произвольно принятый размер ячеек сетки и повторяют расчет [65, 88]. На рис. 10, а и б представлены результаты испытаний диффузоров с разными углами конусности.
Рис. 10. Зависимости кратности генерируемой пены от давления раствора (а) и концентрации ПАВ (б), а также кратности пены от давления перед пеногенератором при различных концентрациях пенообразователя (в)
Как видно из рис. 10, а, кратность пены с увеличением давления линейно возрастает. Это обусловлено тем, что с увеличением скорости жидкости повышается и эжектирующая способности, а следовательно, и кратность пены. При увеличении концентрации ПАВ в растворе кратность пены также возрастает.
Данные о влиянии «живого сечения» сетки на кратность пены показывают, что существует определенное значение F, которому соответствует максимальная кратность пены. Это обусловлено тем, что при небольших значениях F сопротивление сетки слишком велико и соответственно количество эжектируемого воздуха незначительно. При высоких значениях этого параметра часть воздуха может проходить через сетку, не участвуя в пенообразовании. Влияние диаметра горловины на кратность пены обусловлено снижением местного сопротивления и более эффективным использованием раствора в пенообразовании. Необходимо отметить, что влияние давления на кратность пены неоднозначно и в значительной степени определяется как конструктивными особенностями пеногенератора, так и концентрацией и свойствами пенообразователя. Это подтверждается данными полученными (рис. 10, в) при испытании воздушно-механического сетчатого пеногенератора с вентилятором и использованием растворов хлорного сульфонала.
При расчете центробежно-осевого пеногенератора (рис. 3, в) принимаются следующие допущения: режим барботирования воздуха не зависит от режима работы пеногенератора; гидравлическое сопротивление пеноотвода не зависит от структуры образующейся пены; высота слоя пенообразующего раствора постоянна в течение всего времени работы пеногенератора. Основным конструктивным параметром является диаметр отверстий диспергатора воздуха, обеспечивающий устойчивую работу пеногенератора.
Отрыв пузырька в поле центробежных сил происходит на ранней стадии его формирования, поэтому равновесие пузырька необходимо рассматривать исходя из строгого учета влияния на отрыв его объема и формы. В центробежном поле выталкивающая сила изменяется пропорционально отношению центробежной силы к силе тяжести. Отношение этих сил можно определить путем сравнения ускорений, действующих на пузырек в центробежном и гравитационном полях. Это отношение (или фактор разделения [101]) определяется по уравнению:
К 
= 
; (9)
где n – частота вращения, мин–1; Rб - радиус барботажного барабана пеногенератора.
Значение выталкивающей силы, действующей в поле центробежных сил:
F= 
(10)
где r, R – радиус пузырька и капиллярного отверстия.
Уравнение (9), с учетом соотношения F = 2pRs можно использовать для расчета среднего радиуса пузырька. Даже проверяют условие предотвращения обратного продавливания раствора путем определения наименьшей критической скорости воздуха в барботажном отверстии Vкр по уравнению, приведенному в работе [102], с учетом влияния поля центробежных сил [выражения (9)]. Значение Vкр для выбранного радиуса капиллярного отверстия сравнивают со скоростью воздуха, определенной для пузырькового режима барботирования Vо [101]. Если Vкр 
Vо, то путем последовательного уменьшения размера капилляра добиваются условия Vкр > Vо. Для нового значения радиуса барботажного отверстия проверяют выполнение заданных требований к дисперстности пены. Если они не выполняются, расчет повторяют, изменив число оборотов барботажного барабана. При выполнении требований к дисперстности пены рассчитывают параметры сжатого воздуха, геометрические размеры барабана, примерную площадь сечения капилляров.
Для генерации пены могут использоваться различные варианты насосных гидродинамических кавитационных пеногенераторов [103, 104], например известны устройства для приготовления технической пены (а. с. 445585 СССР, В28С5/38, опубл. 1974), содержащие рабочий бак, центробежный насос, систему трубопроводов и пневмоцилиндр, при этом центробежный насос соединен высасывающим и нагнетающим трубопроводом с рабочим баком, который оборудован трубкой подсоса воздуха, вмонтированной во всасывающий трубопровод, а на выходе нагнетающего трубопровода закреплено разбрызгивающее приспособление.
Для приготовления пены могут использоваться [38] пеновзбиватели, состоящие из барабана, лопастного вала (при 240 об/мин) и электродвигателя. При этом пеновзбиватель должен быть расположен под смесителем (растворомешалки типов С-208, С-209, и С-290, бетономешалки типа С-356, смесители типа СМ-806, пенобетономешалки типов Л-315 и СМ-578),чтобы приготовленная пена выливалась в него путём опрокидывания барабана пеновзбивателя.
Пенообразователями могут служить центробежные насосы консольного типа 6К6, 8К6, КНШ, КНФ и др. При этом необходимо применять ёмкости для пены, устанавливаемые над растворомешалками, например в схеме приготовления пены центробежным насосом (рис. 11): 1-насос; 2- бак для пенообразователя; 3- дозировочный бак; 4 – прорезиненный шланг; 5 – бак для пены; 6 – смеситель для приготовления бетон