Произход на мултидисковата VOLUTE™ шнекова преса

Всяка VOLUTE™ е мултидискова шнекова преса. Не всяка мултидискова шнекова преса е VOLUTE™

Всяка работеща днес мултидискова шнекова преса – с неподвижни пръстени, подвижни пръстени и бавно въртящ се шнек – води началото си от една японска патентна заявка, подадена от AMCON през февруари 1992 г. Тази страница документира как е разработен механизмът, защо е бил необходим и къде е регистрирано оригиналното изобретение.

Изобретател
Масааки Сасаки (Masaaki Sasaki), основател на AMCON

Приоритетен документ
JP H5-228695 (1992)

Европейски патент
EP 0 581 965 B1 (1996)

Фиг. 4, EP 0 581 965 B1 – напречно сечение на обезводняващия цилиндър. Неподвижни пръстени (6), подвижни пръстени (30), шнек (31), микропроцеп g, направляващ канал за течност (34).

1970-те години

Проблемът

Филтърни платна, промивна вода и запушване: нивото на техниката преди VOLUTE™

AMCON не започва дейността си като производител на машини. Основана през 1974 г. като компания за поддръжка, тя обслужва септични ями и малки пречиствателни станции за отпадъчни води към японски жилищни комплекси. Течната утайка от тези локални резервоари трябва да се извозва до централни пречиствателни станции, а сгъстяването на утайките преди транспортиране е очевидният начин за намаляване на обема и разходите – но тогавашните утайкосгъстители и обезводняващи преси са непосилно скъпи и трудни за монтаж в такъв мащаб.

Доминиращият принцип на разделяне е филтърното платно: утайката се подава върху пропусклива лента, водата се оттича през нея, а твърдите вещества остават. Слабото място е конструктивно. Фините неразтворени вещества постепенно задръстват платното, поради което лентата трябва непрекъснато да се почиства с промивна вода под високо налягане. Последствията са добре известни на всеки оператор на това поколение оборудване: голяма консумация на промивна вода, системи от разпръскващи дюзи, преоразмерени ленти за постигане на капацитет, честа смяна на платното – и почти пълен отказ при мазна утайка, която запушва платното необратимо.

Тъй като персоналът на AMCON поддържа това оборудване ежедневно, компанията познава тези проблеми от първа ръка. През 1982 г. тя конструира първата си собствена машина – компактен утайкосгъстител с филтърно платно. Той решава проблема с размера и цената, но наследява всички ограничения на самото платно. Извлечената поука определя посоката за всичко, което следва: пълно елиминиране на филтърното платно.

Архив, AMCON Inc. – третиране на утайки при септични ями на жилищни комплекси, 1970-те години. Течната утайка се извозва извън обекта; намаляването на обема е основното икономическо предизвикателство.

Архив, AMCON Inc. – първата собствена машина (1982 г.): утайкосгъстител с филтърно платно. Компактен и достъпен, но податлив на запушване на платното и изискващ промивна вода.

1991 →

Първата VOLUTE™

Шнековата преса с гребеновидни пластини: работеща машина с проблем с износването

Архив, AMCON Inc. – VOLUTE™ с гребеновидни пластини (патент 1990 г., пускане на пазара през април 1991 г.): слоест пръстеновиден филтър с навлизащи в процепите почистващи пластини.

Архив, AMCON Inc. – характер на повредата: натоварването, концентрирано върху тънките почистващи пластини, води до счупване след няколкостотин работни часа.

Развойната дейност започва отново около принципа на шнековата преса: без платно, ниска скорост на въртене, минимална консумация на енергия. Отвореният въпрос е как да се предпази обезводняващият цилиндър от запушване без промивна вода. Първият отговор е механично изстъргване. Цилиндричният филтър е сглобен от наредени пръстени с тесни процепи, а всяка витка на шнека носи тънки гребеновидни почистващи пластини, които навлизат в процепите и избутват проникващите твърди частици обратно в канала на шнека.

Машината работи, патентована е през 1990 г. и излиза на пазара през април 1991 г. под името VOLUTE™ – от латинското voluta, спирала. Поръчките растат. Заедно с тях расте и броят на повтарящите се сигнали от обектите: пластините се чупят само след няколкостотин часа работа при пълно натоварване.

Собствените патентни заявки на компанията описват причината откровенo. Пластините е трябвало да се произвеждат тънки и с висока точност, за да навлизат правилно във всеки процеп между пръстените; същата тази геометрия концентрира натоварването при изстъргване върху най-слабата част. Освен това всяка пластина трябва да се монтира на вала с висока прецизност, което оскъпява производството. Износването, счупването и честата смяна на пластините са присъщи на концепцията, а не производствен дефект. Необходим е различен самопочистващ се механизъм без запушване – такъв, в който няма отделна почистваща част, която да се износва.

1992

Изобретението

Подвижни пръстени: самопочистващият се механизъм без запушване, който дефинира мултидисковата шнекова преса

Решаващата идея не идва пред чертожната дъска. Пътувайки в крайградския влак, основателят Масааки Сасаки наблюдава редицата висящи дръжки за правостоящи, които се поклащат от движението на вагона, и се запитва дали пръстени, които се движат, не биха могли сами да поддържат филтъра чист – без пластини и без промивна вода. Ако цилиндричният филтър се изгради от редуващи се неподвижни пръстени и свободно задържани подвижни пръстени, като самият шнек задвижва подвижните пръстени, филтърните процепи биха се почиствали непрекъснато от самата работа на машината. Прототипът потвърждава принципа и на 21 февруари 1992 г. AMCON подава патентна заявка за „апарат за разделяне на твърда и течна фаза“ – мултидисковата шнекова преса. Механизмът заслужава точно описание, тъй като принципът му остава непроменен във всяка машина VOLUTE™, произведена оттогава:

Неподвижни пръстени (6)

Подредени в аксиална посока, разделени с дистанционни шайби и стегнати със свързващи болтове в един твърд цилиндър. Ширина на процепа между пръстените: G.

Подвижни пръстени (30)

По един във всеки процеп, с дебелина T < G. Разликата определя микропроцеп g от всяка страна – напр. при G = 6 mm и T = 5 mm се получава g = 0,5 mm. Пръстенът е ограничен аксиално, но може свободно да се измества радиално и да се върти.

Шнек (31)

Върти се вътре в пакета от пръстени и транспортира утайката аксиално. Вътрешният диаметър D₅ на подвижния пръстен е по-малък от външния диаметър D₄ на шнека, така че всеки пръстен лежи върху витката на шнека в една контактна точка P.

Самопочистване

Триенето в точка P увлича всеки подвижен пръстен в ексцентрично въртене около оста на шнека, при което той се плъзга радиално с ход D₄ − D₅ на всеки оборот. Относителното движение на челните повърхности на пръстените непрекъснато изтласква твърдите частици от микропроцепите.

Път на филтрата

Водата се оттича гравитачно през микропроцепите; периферен направляващ канал (34) върху всеки подвижен пръстен отвежда филтрата, излизащ в горната част на пакета, надолу, предотвратявайки повторното му навлизане в канала на шнека.

Конструктивни предимства, отбелязани още в заявката от 1992 г.: пръстените и дистанционните шайби могат да бъдат дебели (механична здравина), докато g остава малък; постижими са диаметри на пръстените от 500–1000 mm; компонентите могат да бъдат от полимер, метал или керамика; сглобяването и разглобяването са лесни, тъй като никоя част не трябва да се зацепва с точността на режещи пластини.

Фиг. 6, EP 0 581 965 B1 – един оборот на шнека, състояния (a)–(d).

Подвижният пръстен (30) се върти около собствената си ос X₂, като същевременно се плъзга радиално спрямо оста на шнека X₁; контактната точка P се премества по окръжността.

Фиг. 1–12

От заявката

Какво вече се съдържа в заявката от 1992 г.

Оригиналната заявка е забележително пълна. Тя описва не една отделна машина, а цялото конструктивно пространство, което AMCON, а по-късно и нейните имитатори, ще заемат през следващите три десетилетия:

Фиг. 1, EP 0 581 965 B1 – надлъжен разрез на целия сепаратор: вход (2), обезводняващ цилиндър (5), изход за филтрат (4), изход за обезводнена утайка (3), мотор-редуктор (17).

特開平5-228695, стр. 8 – последователност на движението на пръстените, наклонени конфигурации (Фиг. 7–8), шнек със сегментни лопатки (Фиг. 9–10) и двуваловата машина (Фиг. 12) в оригиналната японска публикация.

Режим на сгъстяване на утайки

Хоризонтално разположение: флокулирана утайка с влажност 99–98,5 % на входа, сгъстена утайка с влажност 97–95 % на изхода – гравитачно отводняване през микропроцепите, достатъчно щадящо, за да запази флокулите (подаване чрез преливник, а не чрез свободно падане).

Режим на обезводняване на утайки

Същият елемент, наклонен под 45–90°: стълбът от утайка запълва канала на шнека, вътрешното налягане нараства към изхода за обезводнена утайка и водата се изстисква през процепите – обезводнена утайка с влажност под 85 % от една-единствена машина, заменяща предишната двустъпална схема от утайкосгъстител и преса.

Режим на пресяване

Наклонено надолу разположение за просто отстраняване на едри примеси от нефлокулирани отпадъчни води (хранително-вкусова промишленост, месопреработка, хотелски кухни).

Шнек със сегментни лопатки

Шнек, сглобен от отделни пластинчати сегменти върху спирален гребен, изместени на 1–5° един спрямо друг, образуващи стъпаловидни микроиздатини, които увеличават триенето в твърдите вещества; намаляването на ъгъла на изместване по посока на изхода увеличава вътрешното налягане и съдържанието на сухо вещество в обезводнената утайка.

Многовалови (многоцилиндрови) машини

Няколко обезводняващи цилиндъра в един корпус, свързани чрез предавка към общо задвижване – концепцията за увеличаване на производителността, която все още се използва при големите инсталации VOLUTE™; днес обаче всеки от обезводняващите цилиндри разполага със собствено задвижване.

Приложения

Освен за битова смесена сурова утайка, механизмът е бил – и остава – приложим за почти всеки вид промишлена утайка.

Документация

Първични източници

Документите: къде е регистрирано изобретението

Приоритетът за мултидисковата шнекова преса се основава на японската заявка от 21 февруари 1992 г., разширена международно чрез договора за патентно коопериране (PCT) и защитена с европейски патент през 1996 г. И в двата документа като заявител е посочена AMCON (Amukon Kabushiki Kaisha, Токио), а като изобретател – основателят на компанията.

固液分離装置 — Апарат за разделяне на твърда и течна фаза

Публикация

特開平5-228695 (JP H5-228695 A)

Заявка

特願平4-69996 · подадена на 21.02.1992 г.

Публикувана

07.09.1993

Заявител

アムコン株式会社 (AMCON INC.), Мегуро-ку, Токио

Изобретател

佐々木 正昌 (Masaaki Sasaki)

МПK (Int. Cl.)

B30B 9/14 · B01D 29/17, 29/25, 29/37 · C02F 11/12

EP 0 581 965 B1 — Апарат за разделяне на твърда и течна фаза

Подадена

18.02.1993 г. · PCT/JP93/00199 (WO 93/16867)

Приоритет

21.02.1992 г. · JP 69996/92

Издаден патент

28.08.1996 г. · Бюлетин 1996/35

Държави

DE · FR · GB

Притежател на патента

Amukon Kabushiki Kaisha, Токио

Патентна претенция 1

Неподвижни пръстени + въртящ се шнек, характеризиращи се с подвижни пръстени в процепите с вътрешен диаметър, по-малък от външния диаметър на шнека

Характеризиращата част на претенция 1 – подвижни пръстени с D₅ < D₄ – е правното определение на мултидисковия принцип. Всяка по-късна мултидискова шнекова преса, независимо от марката върху корпуса, прилага механизма, разкрит за първи път тук.

1991→

Приемственост

Три десетилетия на един и същ принцип, непрекъснато развиван от своя изобретател

Мултидисковият механизъм премахва и последния консуматив от шнековата преса: няма платно, което да се задръства, няма пластина, която да се счупи, няма колектор с дюзи за промивна вода. Той прави възможна работата без постоянен надзор от оператор и позволява обработката на видове утайки – мазна утайка, богата на мазнини утайка и утайка от хранително-вкусовата промишленост – с които машините с филтърно платно не могат да се справят. Оттогава AMCON произвежда механизма без прекъсване като производител на оригиналното оборудване и продължава да го усъвършенства.

Огромен еволюционен скок настъпва през 2021 г., когато AMCON пуска на пазара VOLUTE DUO – изцяло нов тип преса, която благодарение на своята безконтактна конструкция издига експлоатационната стойност на пресите за обезводняване на утайки на съвсем ново ниво, особено по отношение на разходите за поддръжка.

Практика

Един принцип, много видове утайки

Три десетилетия на един и същ принцип, непрекъснато развиван от своя изобретател

Мултидисковата шнекова преса не е фиксирано изделие, а конфигурируема система. Механизмът – неподвижни пръстени, подвижни пръстени и бавно въртящ се шнек – е неизменен, но утайката не е еднороден материал: съдържанието на сухо вещество, съдържанието на влакна, маслата и мазнините, размерът на частиците и здравината на флокулите варират в широки граници според източника. Поради това класическата шнекова преса VOLUTE™ (за разлика от по-късната VOLUTE DUO™) се конструира така, че да бъде адаптирана към конкретната входяща утайка, а не да се продава като една универсална машина. Няколко параметъра се задават според конкретното приложение, без да се променя основният принцип:

Геометрия на шнека

Стъпката на витката, ъгълът на изместване на сегментните лопатки и конусността определят скоростта на транспортиране и нарастването на вътрешното налягане по дължината на обезводняващия цилиндър. Още заявката от 1992 г. описва намаляването на ъгъла на изместване към изхода за повишаване на съдържанието на сухо вещество в обезводнената утайка – същият подход, използван и днес за настройка на пресата към дадена утайка.

Оразмеряване на процепите между пръстените

Микропроцепът g се избира чрез дебелината на пръстените и дистанционните шайби и често се задава с различна стойност в зоната на сгъстяване (вход) и зоната на обезводняване (изход) на един и същ обезводняващ цилиндър, балансирайки между дебита на филтрата и съдържанието на сухо вещество в обезводнената утайка по дължината на машината.

Избор на задвижване

Параметрите на електродвигателя и редуктора, както и скоростта на въртене, определят производителността и времето на престой; по-ниската скорост повишава концентрацията, а по-високата увеличава капацитета. Задвижването се оразмерява според конкретното приложение, вместо да е фиксирано.

Тъй като тези параметри се задават индивидуално за всяко приложение, една и съща физическа преса може да се адаптира към широк спектър от видове утайки без промяна в конструкцията на механизма. Надеждността на тази настройка се дължи не само на геометрията, но и на емпиричната връзка между характеристиките на входящата утайка и конфигурацията — кой шнек, кои хлабини и кое задвижване са подходящи за дадена утайка. Като оригинален производител, AMCON е натрупал това ноу-хау в продължение на няколко десетилетия и в множество индустрии и го прилага при специфицирането на всяко едно съоръжение.

В това се състои практическата разлика между създателя на технологията и по-късните копия на механизма. Производителите на имитации обикновено предлагат една-единствена фиксирана конфигурация и я внедряват масово, независимо от входящата утайка. Когато утайката се различава от това, за което е подходяща тази единствена конфигурация, резултатът е недостатъчно обезводняване на утайки или пълен отказ на процеса — често на онази по-ниска цена, която първоначално е направила копието привлекателно.

От това следва добре познат страничен ефект: когато неправилно подбрано съоръжение не постига желаните резултати, операторите могат да отдадат неуспеха на самия мултидисков принцип, а не на конкретната конфигурация. Така имитациите на пазара уронват престижа на цялата технологична категория — репутационен риск, характерен за оригиналните производители на много инженерни продукти, а не само при оборудването за обезводняване на утайки.

Всяко съоръжение VOLUTE™ е мултидискова шнекова преса. Но не всяка мултидискова шнекова преса е VOLUTE™ — само AMCON произвежда оригинала.