Originea presei cu șnec multidisc VOLUTE™

Fiecare VOLUTE™ este o presă cu șnec multidisc. Nu fiecare presă cu șnec multidisc este o VOLUTE™

Fiecare presă cu șnec multidisc care funcționează astăzi — inele fixe, inele mobile și un șnec cu rotație lentă — își are originea într-o cerere de brevet japoneză depusă de AMCON în februarie 1992. Această pagină documentează modul în care a fost dezvoltat mecanismul, de ce a fost necesar și unde este înregistrată invenția originală.

Inventator
Masaaki Sasaki, fondatorul AMCON

Document de prioritate
JP H5-228695 (1992)

Brevet european acordat
EP 0 581 965 B1 (1996)

Fig. 4, EP 0 581 965 B1 — secțiune transversală a cilindrului de deshidratare. Inele fixe (6), inele mobile (30), șnec (31), micro-interstițiu g, canal de ghidare a lichidului (34).

Anii 1970

Problema

Pânze filtrante, apă de spălare și colmatare: stadiul tehnicii înainte de VOLUTE™

AMCON nu a început ca un constructor de utilaje. Fondată în 1974 ca o companie de mentenanță, aceasta deservea fose septice și stații mici de epurare a apelor uzate din complexele de apartamente japoneze. Nămolul lichid din aceste bazine locale trebuia transportat la stațiile centrale de epurare, iar îngroșarea nămolului înainte de transport era modalitatea evidentă de a obține reducerea volumului și a costurilor — însă îngroșătoarele de nămol și presele pentru deshidratarea nămolului din acea perioadă erau prohibitiv de scumpe și dificil de instalat la acea scară.

Principiul dominant de separare era pânza filtrantă: nămolul este încărcat pe o bandă permeabilă, apa se scurge prin aceasta, iar solidele rămân. Punctul slab este structural. Particulele solide fine colmatează progresiv pânza, astfel încât banda trebuie curățată continuu cu apă de spălare sub presiune înaltă. Consecințele sunt bine cunoscute oricărui operator al acelei generații de echipamente: consum mare de apă de spălare, sisteme de duze de pulverizare, benzi supradimensionate pentru a atinge capacitatea de procesare, înlocuirea frecventă a pânzei — și un eșec aproape total în cazul nămolului uleios și gras, care colmatează ireversibil pânza.

Deoarece personalul AMCON întreținea zilnic aceste echipamente, compania cunoștea direct aceste moduri de cedare. În 1982, a construit primul său utilaj propriu — un îngroșător de nămol compact cu pânză filtrantă. Acesta a rezolvat problema dimensiunii și a prețului, dar a moștenit toate limitările pânzei în sine. Lecția învățată din această experiență a stabilit direcția pentru tot ceea ce a urmat: eliminarea completă a pânzei filtrante.

Arhivă, AMCON Inc. — manipularea nămolului la fosele septice ale complexelor de apartamente, anii 1970. Nămolul lichid era transportat în afara amplasamentului; reducerea volumului reprezenta blocajul economic.

Arhivă, AMCON Inc. — primul utilaj propriu (1982): un îngroșător de nămol cu pânză filtrantă. Compact și accesibil, dar supus colmatării pânzei și consumului de apă de spălare.

1991 →

Prima VOLUTE™

Presa cu șnec și lame tip pieptene: un utilaj funcțional cu o problemă de uzură

Arhivă, AMCON Inc. — VOLUTE™ cu lame tip pieptene (brevet 1990, lansare pe piață în aprilie 1991): filtru cu inele stratificate și lame de curățare întrepătrunse.

Arhivă, AMCON Inc. — modul de cedare: sarcina concentrată pe lamele subțiri de curățare provoca ruperea acestora după câteva sute de ore de funcționare.

Cercetarea și dezvoltarea au reînceput în jurul principiului presei cu șnec: fără pânză, viteză de rotație redusă, consum minim de energie. Întrebarea deschisă era cum să fie prevenită colmatarea cilindrului de deshidratare fără apă de spălare. Primul răspuns a fost răzuirea mecanică. Un filtru cilindric a fost asamblat din inele suprapuse cu interstiții înguste, iar fiecare spiră a șnecului purta lame subțiri de curățare, asemănătoare unui pieptene, care pătrundeau în interstiții și împingeau solidele pătrunse înapoi în canalul șnecului.

Utilajul a funcționat, a fost brevetat în 1990 și a intrat pe piață în aprilie 1991 sub numele VOLUTE™ — din latinescul voluta, o spirală. Comenzile au crescut. La fel și un raport recurent din teren: lamele se rupeau după doar câteva sute de ore de funcționare la sarcină maximă.

Propriile documentații de brevet ale companiei sunt sincere cu privire la cauză. Lamele trebuiau fabricate subțiri și cu o precizie ridicată pentru a intra corect în interstițiul fiecărui inel; aceeași geometrie concentra sarcina de răzuire pe partea cea mai slabă. De asemenea, fiecare lamă trebuia montată pe arbore cu o precizie ridicată, ceea ce creștea costurile. Uzura, ruperea și înlocuirea frecventă a paletelor erau inerente conceptului, nu un defect de fabricație. Era nevoie de un alt principiu pentru mecanismul de autocurățare fără colmatare — unul fără nicio piesă dedicată curățării care să se uzeze.

1992

Invenția

Inelele mobile: mecanismul de autocurățare fără colmatare care a definit presa cu șnec multidisc

Ideea decisivă nu a venit la planșeta de proiectare. Călătorind cu un tren de navetiști, fondatorul Masaaki Sasaki a privit rândul de mâini curente care se balansau odată cu mișcarea vagonului și s-a întrebat dacă niște inele care se mișcă ar putea menține singure un filtru curat — fără lame, fără pulverizare. Dacă filtrul cilindric ar fi construit din inele fixe alternând cu inele mobile reținute lejer, șnecul însuși antrenând inelele mobile, interstițiile filtrului ar fi curățate continuu prin însăși funcționarea utilajului. Un prototip a confirmat principiul, iar la 21 februarie 1992 AMCON a depus cererea de brevet pentru „echipamentul de separare solid-lichid” — presa cu șnec multidisc. Mecanismul merită descris cu precizie, deoarece a rămas neschimbat ca principiu în fiecare utilaj VOLUTE™ produs de atunci:

Inele fixe (6)

Stivuite în direcție axială, separate prin distanțiere și strânse cu tije filetate într-un singur cilindru rigid. Lățimea interstițiului dintre inele: G.

Inele mobile (30)

Câte unul în fiecare interstițiu, având grosimea T < G. Diferența definește un micro-interstițiu g pe fiecare față — de ex., G = 6 mm, T = 5 mm rezultă g = 0,5 mm. Inelul este captiv, dar liber să se deplaseze radial și să se rotească.

Șnec (31)

Funcționează în interiorul pachetului de inele și transportă nămolul axial. Diametrul interior D₅ al inelului mobil este mai mic decât diametrul exterior D₄ al șnecului, astfel încât fiecare inel se sprijină pe spira șnecului într-un singur punct de contact P.

Mecanism de autocurățare fără colmatare

Frecarea în punctul P antrenează fiecare inel mobil într-o rotație excentrică în jurul axei șnecului, glisând radial cu o cursă de D₄ − D₅ la fiecare rotație. Mișcarea relativă a fețelor inelelor expulzează continuu solidele din micro-interstiții.

Traseul filtratului

Apa se scurge gravitațional prin micro-interstiții; un canal de ghidare circumferențial (34) de pe fiecare inel mobil dirijează filtratul care iese în partea superioară a pachetului în jos, împiedicând reintrarea acestuia în canalul șnecului.

Consecințe de proiectare menționate deja în cererea din 1992: inelele și distanțierele pot fi realizate groase (rezistență mecanică) în timp ce g rămâne mic; diametrele inelelor de 500–1000 mm sunt fezabile; componentele pot fi din rășină, metal sau ceramică; asamblarea și dezasamblarea sunt simple, deoarece nicio piesă nu trebuie să se întrepătrundă cu precizia unei lame.

Fig. 6, EP 0 581 965 B1 — o rotație a șnecului, stările (a)–(d).

Inelul mobil (30) se rotește în jurul propriei axe X₂ în timp ce glisează radial față de axa șnecului X₁; punctul de contact P se deplasează în jurul circumferinței.

Fig. 1–12

Din documentația de brevet

Ce conținea deja cererea din 1992

Cererea originală este remarcabil de completă. Aceasta nu descrie un singur utilaj, ci întregul spațiu de proiectare pe care AMCON și, mai târziu, imitatorii săi aveau să îl ocupe în următoarele trei decenii:

Fig. 1, EP 0 581 965 B1 — secțiune longitudinală a separatorului complet: alimentare (2), cilindru de deshidratare (5), racord de evacuare a filtratului (4), gură de evacuare a nămolului deshidratat (3), motoreductor (17).

特開平5-228695, p. 8 — secvența de mișcare a inelelor, configurațiile înclinate (Fig. 7–8), șnecul cu segmente de paletă (Fig. 9–10) și utilajul cu doi arbori (Fig. 12) în publicația japoneză originală.

Modul de îngroșare a nămolului

Configurație orizontală: intrare de nămol floculat cu umiditate de 99–98,5 %, ieșire de solide îngroșate la 97–95 % — drenaj gravitațional prin micro-interstiții, suficient de blând pentru a proteja floculii (alimentare prin preaplin, nu prin cădere liberă).

Modul de deshidratare a nămolului

Același cilindru de deshidratare înclinat la 45–90°: coloana de nămol umple canalul șnecului, presiunea internă crește spre gura de evacuare a nămolului deshidratat, iar apa este presată în afară prin interstiții — turtă de nămol cu umiditate sub 85 % dintr-un singur utilaj, înlocuind configurația anterioară în două trepte (îngroșător de nămol + presă).

Modul de sitare

Configurație descendentă pentru îndepărtarea simplă a impurităților grosiere din apele uzate nefloculate (industria alimentară, prelucrarea cărnii, bucătării hoteliere).

Șnec cu segmente de paletă

Un șnec asamblat din segmente individuale de paletă pe o nervură spiralată, decalate cu 1–5° fiecare, formând micro-proeminențe în trepte care cresc frecarea cu solidele; reducerea unghiului de decalaj spre gura de evacuare a nămolului deshidratat crește presiunea internă și conținutul de substanță uscată a turtei.

Utilaje cu mai mulți arbori (cilindri de deshidratare)

Mai mulți cilindri de deshidratare într-o singură carcasă, cuplați prin angrenaje la o singură antrenare — conceptul de scalare a capacității de procesare utilizat încă la unitățile mari VOLUTE™; astăzi, însă, fiecare dintre cilindrii de deshidratare are propria sa antrenare.

Aplicații

Dincolo de nămolul mixt menajer, mecanismul era — și rămâne — aplicabil aproape fiecărui tip de nămol industrial.

Registru

Surse primare

Documentele: unde este înregistrată invenția

Prioritatea pentru presa cu șnec multidisc se bazează pe cererea japoneză din 21 februarie 1992, extinsă la nivel internațional prin PCT și acordată în Europa în 1996. Ambele documente numesc AMCON (Amukon Kabushiki Kaisha, Tokyo) drept solicitant și pe fondatorul companiei drept inventator.

固液分離装置 — Echipament de separare solid-lichid

Publicație

特開平5-228695 (JP H5-228695 A)

Cerere

特願平4-69996 · depusă la 21.02.1992

Publicat

07.09.1993

Solicitant

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

Inventator

佐々木 正昌 (Masaaki Sasaki)

Clasificare int.

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

EP 0 581 965 B1 — Echipament de separare solid-lichid

Depus

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

Prioritate

21.02.1992 · JP 69996/92

Acordat

28.08.1996 · Buletinul 1996/35

State

DE · FR · GB

Titular

Amukon Kabushiki Kaisha, Tokyo

Revendicarea 1

Inele staționare + șnec rotativ, caracterizate prin inele mobile în interstiții, având diametrul interior mai mic decât diametrul exterior al șnecului

Clauza caracterizantă a revendicării 1 — inele mobile cu D₅ < D₄ — reprezintă definiția juridică a principiului multidisc. Fiecare presă cu șnec multidisc ulterioară, indiferent de marca de pe carcasă, implementează mecanismul dezvăluit pentru prima dată aici.

1991→

Continuitate

Trei decenii ale aceluiași principiu, dezvoltat continuu de inventatorul său

Mecanismul multidisc a eliminat ultimul consumabil din presa cu șnec: nicio pânză care să se colmateze, nicio lamă care să se rupă, nicio rampă de pulverizare care să necesite alimentare. Acesta a făcut practică funcționarea nesupravegheată și a deschis calea către tipuri de nămol — nămol uleios și gras, din industria alimentară — de care utilajele bazate pe pânză nu se puteau apropia. AMCON a fabricat mecanismul fără întrerupere de atunci, în calitate de producător de echipamente originale (OEM), și a continuat să îl dezvolte.

Un salt evolutiv uriaș a avut loc în 2021, când AMCON a lansat VOLUTE DUO, un tip complet nou de presă care — datorită designului fără frecare — a dus valoarea utilitară a preselor pentru deshidratarea nămolului la un nivel cu totul nou, în special în ceea ce privește costurile de mentenanță.

Practică

Un singur principiu, numeroase tipuri de nămol

Trei decenii ale aceluiași principiu, dezvoltat continuu de inventatorul său

O presă cu șnec multidisc nu este un obiect fix, ci unul configurabil. Mecanismul — inele fixe, inele mobile, un șnec cu rotație lentă — este invariant, dar nămolul nu este un material unic: conținutul de substanță uscată, conținutul de fibre, uleiurile și grăsimile, dimensiunea particulelor și rezistența floculului variază foarte mult în funcție de sursă. Presa cu șnec clasică VOLUTE™ (spre deosebire de versiunea ulterioară VOLUTE DUO™) este, prin urmare, construită pentru a fi adaptată la nămolul de alimentare, mai degrabă decât vândută ca o unitate universală. Mai mulți parametri sunt stabiliți pentru fiecare aplicație în parte, fără a modifica principiul de bază:

Geometria șnecului

Pasul spirei, unghiul de decalaj al segmentelor de paletă și conicitatea stabilesc viteza de transport și creșterea presiunii interne de-a lungul cilindrului de deshidratare. Cererea din 1992 descrie deja reducerea unghiului de decalaj spre gura de evacuare a nămolului deshidratat pentru a crește conținutul de substanță uscată a turtei — același instrument utilizat și astăzi pentru a regla o presă în funcție de un anumit nămol.

Dimensionarea interstițiului dintre inele

Micro-interstițiul g este ales în funcție de grosimile inelelor și ale distanțierelor și este frecvent setat diferit între zona de îngroșare (intrare) și zona de deshidratare (evacuare) ale aceluiași cilindru de deshidratare, echilibrând debitul de filtrat în raport cu conținutul de substanță uscată a turtei pe lungimea utilajului.

Selectarea antrenării

Puterea motorului și a reductorului, precum și turația, stabilesc capacitatea de procesare și timpul de retenție; o turație mai mică crește concentrația, în timp ce o turație mai mare mărește capacitatea. Grupul de acționare este dimensionat în funcție de regimul de lucru, nu este fix.

Deoarece acești parametri sunt stabiliți pentru fiecare aplicație în parte, o singură presă poate fi adaptată fizic pentru o gamă largă de tipuri de nămol, fără reproiectarea mecanismului. Ceea ce conferă fiabilitate acestei adaptări nu este doar geometria în sine, ci corelarea empirică dintre caracteristicile nămolului de alimentare și configurația aleasă — ce șnec, ce interstiții și ce grup de acționare se potrivesc fiecărui tip de nămol. În calitate de producător original, AMCON a acumulat aceste cunoștințe pe parcursul mai multor decenii și în numeroase industrii, aplicându-le la dimensionarea fiecărui echipament.

Aceasta este diferența practică dintre inventatorul tehnologiei și copiile ulterioare ale mecanismului. Producătorii de copii oferă, de regulă, o singură configurație fixă, pe care o implementează la scară largă, indiferent de natura alimentării. Acolo unde nămolul diferă de ceea ce poate gestiona acea unică configurație, rezultatul este o deshidratare a nămolului insuficientă sau chiar incapacitatea totală de funcționare — adesea la acel preț mai scăzut care a făcut copia atractivă inițial.

Urmează un efect secundar bine documentat: atunci când o unitate neadecvată nu dă randament, operatorii pot atribui această deficiență principiului multidisc în sine, și nu configurației specifice. Astfel, imitațiile de pe piață afectează percepția asupra întregii categorii tehnologice — o consecință reputațională comună producătorilor originali ai multor echipamente industriale, nu doar din domeniul deshidratării nămolului.

Fiecare VOLUTE™ este o presă cu șnec multidisc. Dar nu fiecare presă cu șnec multidisc este VOLUTE™ — doar AMCON construiește originalul.