Origem da Prensa de Parafuso Multidisco VOLUTE™

Toda a VOLUTE™ é uma prensa de parafuso multidisco. Nem toda a prensa de parafuso multidisco é uma VOLUTE™

Todas as prensas de parafuso multidisco em operação atualmente — anéis fixos, anéis móveis e um parafuso sem-fim de rotação lenta — têm origem num único pedido de patente japonês submetido pela AMCON em fevereiro de 1992. Esta página documenta como o mecanismo foi desenvolvido, por que razão foi necessário e onde está registada a invenção original.

Inventor
Masaaki Sasaki, fundador da AMCON

Documento de prioridade
JP H5-228695 (1992)

Concessão europeia
EP 0 581 965 B1 (1996)

Fig. 4, EP 0 581 965 B1 — corte transversal do cilindro de desidratação. Anéis fixos (6), anéis móveis (30), parafuso sem-fim (31), microfenda g, ranhura guia de líquido (34).

Década de 1970

O problema

Telas filtrantes, água de lavagem e entupimento: o estado da técnica antes da VOLUTE™

A AMCON não começou como fabricante de máquinas. Fundada em 1974 como empresa de manutenção, prestava assistência a fossas séticas e a pequenas estações de tratamento de águas residuais em complexos habitacionais no Japão. As lamas líquidas destes tanques locais tinham de ser transportadas para estações de tratamento centrais, e proceder ao espessamento de lamas antes do transporte era a forma óbvia de reduzir o volume e os custos — mas os espessadores de lamas e as prensas de desidratação da época eram proibitivamente caros e difíceis de instalar a essa escala.

O princípio de separação dominante era a tela filtrante: as lamas são carregadas numa tela permeável, a água drena através dela e os sólidos permanecem. A fraqueza é estrutural. Os sólidos finos colmatam progressivamente a tela, pelo que esta tem de ser continuamente limpa com água de lavagem a alta pressão. As consequências são bem conhecidas por qualquer operador dessa geração de equipamento: elevado consumo de água de lavagem, sistemas de bicos de pulverização, telas sobredimensionadas para atingir a capacidade, substituição frequente da tela — e falha quase total com lamas oleosas, que colmatam a tela de forma irreversível.

Como a equipa da AMCON fazia a manutenção diária deste equipamento, a empresa conhecia estes modos de falha em primeira mão. Em 1982, construiu a sua primeira máquina própria — um espessador de lamas compacto de tela filtrante. Resolveu o problema da dimensão e do preço, mas herdou todas as limitações da própria tela. A lição daí retirada definiu o rumo para tudo o que se seguiu: eliminar por completo a tela filtrante.

Arquivo, AMCON Inc. — manuseamento de lamas em fossas séticas de complexos habitacionais, anos 1970. As lamas líquidas eram transportadas para fora do local; a redução de volume era o estrangulamento económico.

Arquivo, AMCON Inc. — a primeira máquina própria (1982): um espessador de lamas de tela filtrante. Compacto e acessível, mas sujeito ao entupimento da tela e à necessidade de água de lavagem.

1991 →

Primeira VOLUTE™

A prensa de parafuso de lâminas em pente: uma máquina funcional com um problema de desgaste

Arquivo, AMCON Inc. — a VOLUTE™ de lâminas em pente (patente de 1990, lançamento no mercado em abril de 1991): filtro de anéis em camadas com lâminas de limpeza engrenadas.

Arquivo, AMCON Inc. — o modo de falha: a carga concentrada nas finas lâminas de limpeza causava a sua rutura após algumas centenas de horas de funcionamento.

A I&D recomeçou em torno do princípio da prensa de parafuso: sem tela, baixa velocidade de rotação, consumo mínimo de energia. A questão em aberto era como evitar que o cilindro de desidratação entupisse sem recorrer a água de lavagem. A primeira resposta foi a raspagem mecânica. Montou-se um filtro cilíndrico a partir de anéis empilhados com fendas estreitas, e cada espira do parafuso sem-fim transportava lâminas de limpeza finas, semelhantes a pentes, que penetravam nas fendas e empurravam os sólidos intrusos de volta para o canal do sem-fim.

A máquina funcionou, foi patenteada em 1990 e entrou no mercado em abril de 1991 sob o nome VOLUTE™ — do latim voluta, uma espiral. As encomendas cresceram. Tal como cresceu um relato recorrente no terreno: as lâminas partiam-se após apenas algumas centenas de horas de funcionamento a plena carga.

Os próprios pedidos de patente da empresa são claros quanto à causa. As lâminas tinham de ser fabricadas com espessura reduzida e elevada precisão para entrarem corretamente na fenda de cada anel; a mesma geometria concentrava a carga de raspagem na peça mais fraca. Cada lâmina tinha também de ser montada no veio com elevada precisão, encarecendo os custos. O desgaste, a rutura e a substituição frequente das pás eram inerentes ao conceito, e não um defeito de fabrico. Era necessário um mecanismo autolimpante sem entupimento diferente — um que não tivesse uma peça de limpeza dedicada sujeita a desgaste.

1992

A invenção

Anéis móveis: o mecanismo autolimpante sem entupimento que definiu a prensa de parafuso multidisco

A ideia decisiva não surgiu numa prancheta de desenho. Ao viajar num comboio suburbano, o fundador Masaaki Sasaki observou a fila de pegas de mão a oscilar com o movimento da carruagem e questionou-se se anéis em movimento poderiam manter um filtro limpo por si próprios — sem lâminas, sem pulverização. Se o filtro cilíndrico fosse construído com anéis fixos alternados com anéis móveis retidos com folga, sendo o próprio parafuso sem-fim a acionar os anéis móveis, as fendas do filtro seriam limpas continuamente pelo próprio funcionamento da máquina. Um protótipo confirmou o princípio e, a 21 de fevereiro de 1992, a AMCON submeteu o pedido de patente para o «aparelho de separação sólido-líquido» — a prensa de parafuso multidisco. Vale a pena descrever o mecanismo com precisão, pois permanece inalterado no seu princípio em todas as máquinas VOLUTE™ produzidas desde então:

Anéis fixos (6)

Empilhados na direção axial, separados por espaçadores e fixados por tirantes num único cilindro rígido. Largura da fenda entre anéis: G.

Anéis móveis (30)

Um em cada fenda, de espessura T < G. A diferença define uma microfenda g em cada face — p. ex., G = 6 mm, T = 5 mm resulta em g = 0,5 mm. O anel está retido, mas livre para se deslocar radialmente e rodar.

Parafuso sem-fim (31)

Funciona no interior do conjunto de anéis e transporta as lamas axialmente. O diâmetro interno D₅ do anel móvel é inferior ao diâmetro externo D₄ do parafuso sem-fim, pelo que cada anel apoia na espira num único ponto de contacto P.

Mecanismo autolimpante sem entupimento

A fricção em P arrasta cada anel móvel numa rotação excêntrica em torno do eixo do sem-fim, deslizando radialmente com um curso de D₄ − D₅ por rotação. O movimento relativo das faces dos anéis expulsa continuamente os sólidos das microfendas.

Percurso do filtrado

A água drena por gravidade através das microfendas; uma ranhura guia circunferencial (34) em cada anel móvel conduz para baixo o filtrado que emerge no topo do conjunto, impedindo a sua reentrada no canal do sem-fim.

Consequências de conceção já assinaladas no pedido de 1992: os anéis e espaçadores podem ser fabricados com grande espessura (resistência mecânica) enquanto g permanece reduzido; são viáveis diâmetros de anéis de 500–1000 mm; os componentes podem ser em resina, metal ou cerâmica; a montagem e desmontagem são simples porque nenhuma peça tem de engrenar com precisão de lâmina.

Fig. 6, EP 0 581 965 B1 — uma rotação do parafuso sem-fim, estados (a)–(d).

O anel móvel (30) roda em torno do seu próprio eixo X₂ enquanto desliza radialmente em relação ao eixo do sem-fim X₁; o ponto de contacto P percorre a circunferência.

Fig. 1–12

Do pedido de patente

O que o pedido de 1992 já continha

O pedido original é notavelmente completo. Descreve não uma única máquina, mas todo o espaço de conceção que a AMCON e, mais tarde, os seus imitadores ocupariam durante as três décadas seguintes:

Fig. 1, EP 0 581 965 B1 — corte longitudinal do separador completo: entrada (2), cilindro de desidratação (5), saída do filtrado (4), saída do bolo (3), motorredutor (17).

特開平5-228695, p. 8 — sequência de movimento dos anéis, disposições inclinadas (Fig. 7–8), parafuso sem-fim de pás segmentadas (Fig. 9–10) e a máquina de duplo veio (Fig. 12) na publicação original japonesa.

Modo de espessamento de lamas

Disposição horizontal: entrada de lamas floculadas com 99–98,5 % de humidade, saída de sólidos espessados a 97–95 % — drenagem por gravidade através das microfendas, suficientemente suave para preservar os flocos (entrada por transbordo, não por queda livre).

Modo de desidratação de lamas

O mesmo cilindro de desidratação inclinado a 45–90°: a coluna de lamas preenche o canal do sem-fim, a pressão interna aumenta em direção à saída do bolo e a água é expelida por compressão através das fendas — bolo de lamas com menos de 85 % de humidade a partir de uma única máquina, substituindo a anterior disposição de duas etapas de espessador de lamas + prensa.

Modo de tamisação

Disposição em declive para remoção simples de impurezas grosseiras de águas residuais não floculadas (processamento alimentar, processamento de carne, cozinhas de hotéis).

Parafuso sem-fim de pás segmentadas

Um parafuso sem-fim montado a partir de peças de pá individuais sobre uma nervura em espiral, desfasadas em 1–5° cada uma, formando microprojeções escalonadas que aumentam a fricção contra os sólidos; a diminuição do ângulo de desfasamento em direção à descarga aumenta a pressão interna e o teor de matéria seca do bolo.

Máquinas multiveio (multicilindro)

Vários cilindros de desidratação numa única estrutura, acoplados a um único acionamento — o conceito de escalonamento da capacidade ainda utilizado nas grandes unidades VOLUTE™; contudo, atualmente, cada um dos cilindros de desidratação possui o seu próprio acionamento.

Aplicações

Para além das lamas mistas municipais, o mecanismo era — e continua a ser — aplicável a quase todos os tipos de lamas industriais.

Registo

Fontes primárias

Os documentos: onde está registada a invenção

A prioridade da prensa de parafuso multidisco assenta no pedido japonês de 21 de fevereiro de 1992, estendido internacionalmente através do PCT e concedido na Europa em 1996. Ambos os documentos indicam a AMCON (Amukon Kabushiki Kaisha, Tóquio) como requerente e o fundador da empresa como inventor.

固液分離装置 — Aparelho de Separação Sólido-Líquido

Publicação

特開平5-228695 (JP H5-228695 A)

Pedido

特願平4-69996 · submetido a 21.02.1992

Publicado

07.09.1993

Requerente

アムコン株式会社 (AMCON INC.), Meguro-ku, Tóquio

Inventor

佐々木 正昌 (Masaaki Sasaki)

Cl. Int.

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

EP 0 581 965 B1 — Aparelho de Separação Sólido-Líquido

Submetido

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

Prioridade

21.02.1992 · JP 69996/92

Concedido

28.08.1996 · Boletim 1996/35

Estados

DE · FR · GB

Titular

Amukon Kabushiki Kaisha, Tóquio

Reivindicação 1

Anéis estacionários + parafuso sem-fim rotativo, caracterizado por anéis móveis nas fendas com diâmetro interno inferior ao diâmetro externo do parafuso sem-fim

A cláusula caracterizadora da reivindicação 1 — anéis móveis com D₅ < D₄ — constitui a definição legal do princípio multidisco. Qualquer prensa de parafuso multidisco posterior, independentemente da marca inscrita na estrutura, implementa o mecanismo aqui divulgado pela primeira vez.

1991→

Continuidade

Três décadas do mesmo princípio, desenvolvido continuamente pelo seu inventor

O mecanismo multidisco eliminou o último consumível da prensa de parafuso: sem tela para colmatar, sem lâmina para partir, sem barra de pulverização para alimentar. Tornou prática a operação sem supervisão e abriu caminho a tipos de lamas — lamas oleosas, ricas em gorduras, da indústria alimentar — nos quais as máquinas baseadas em telas não conseguiam tocar. Desde então, a AMCON tem fabricado o mecanismo de forma ininterrupta, enquanto fabricante do equipamento original, e tem continuado a expandi-lo.

Um enorme salto evolutivo ocorreu em 2021 quando a AMCON lançou a VOLUTE DUO, um tipo de prensa completamente novo que — graças ao seu design sem fricção — elevou o valor utilitário das prensas de desidratação a um patamar totalmente novo, sobretudo em termos de custos de manutenção.

Prática

Um princípio, muitas lamas

Três décadas do mesmo princípio, desenvolvido continuamente pelo seu inventor

Uma prensa de parafuso multidisco não é um objeto fixo, mas sim configurável. O mecanismo — anéis fixos, anéis móveis, um parafuso sem-fim de rotação lenta — é invariante, mas as lamas não são um material único: o teor de matéria seca, o teor de fibras, óleos e gorduras, a granulometria e a resistência dos flocos variam amplamente consoante a origem. A prensa de parafuso clássica VOLUTE™ (distinta da posterior VOLUTE DUO™) é, por isso, construída para ser adaptada à alimentação e não vendida como uma unidade universal. Vários parâmetros são definidos por aplicação, sem alterar o princípio subjacente:

Geometria do parafuso sem-fim

O passo da espira, o ângulo de desfasamento das peças de pá e a conicidade definem a velocidade de transporte e o aumento da pressão interna ao longo do cilindro de desidratação. O pedido de 1992 já descreve a diminuição do ângulo de desfasamento em direção à descarga para elevar o teor de matéria seca do bolo — o mesmo recurso utilizado hoje para ajustar uma prensa a determinadas lamas.

Dimensionamento da fenda entre anéis

A microfenda g é selecionada a partir das espessuras dos anéis e dos espaçadores, sendo frequentemente definida de forma diferente entre a zona de espessamento (entrada) e a zona de desidratação (descarga) do mesmo cilindro de desidratação, equilibrando o caudal de filtrado com o teor de matéria seca do bolo ao longo do comprimento da máquina.

Seleção do acionamento

A potência do motor e do redutor, bem como a velocidade de rotação, definem a capacidade de processamento e o tempo de retenção; uma velocidade mais baixa aumenta a concentração, enquanto uma velocidade mais elevada aumenta a capacidade. O acionamento é especificado consoante o regime de trabalho, em vez de ser fixo.

Uma vez que estes parâmetros são definidos por aplicação, uma única prensa física pode ser ajustada a uma vasta gama de tipos de lamas sem necessidade de redesenhar o mecanismo. O que torna esse ajuste fiável não é apenas a geometria, mas sim a correspondência empírica entre as características da alimentação e a configuração — que parafuso sem-fim, que folgas e que acionamento utilizar para cada tipo de lama. Enquanto fabricante original, a AMCON acumulou esse conhecimento ao longo de várias décadas e em diversas indústrias, aplicando-o na especificação de cada unidade.

Esta é a diferença prática entre o criador original e as cópias posteriores do mecanismo. Os fabricantes de cópias oferecem habitualmente uma única configuração fixa e implementam-na de forma generalizada, independentemente da alimentação. Quando as lamas divergem daquilo para que essa configuração única é adequada, o resultado é uma desidratação insuficiente ou uma falha total de desempenho — frequentemente associada ao preço mais baixo que tornou a cópia apelativa à partida.

Daqui resulta um efeito secundário bem documentado: quando uma unidade mal dimensionada apresenta um desempenho inferior ao esperado, os operadores podem atribuir a falha ao próprio princípio multidisco, em vez de à configuração específica. A presença de imitações no mercado afeta, assim, a perceção de toda a categoria tecnológica — uma externalidade reputacional comum aos fabricantes originais de muitos produtos de engenharia, e não exclusiva da desidratação de lamas.

Cada VOLUTE™ é uma prensa de parafuso multidisco. Mas nem todas as prensas de parafuso multidisco são uma VOLUTE™ — apenas a AMCON constrói o equipamento original.