Кожен VOLUTE™ — це багатодисковий шнековий прес. Проте не кожен багатодисковий шнековий прес — це VOLUTE™
Кожен багатодисковий шнековий прес, що працює сьогодні — нерухомі кільця, рухомі кільця та тихохідний шнек — бере свій початок від однієї японської патентної заявки, поданої компанією AMCON у лютому 1992 року. На цій сторінці задокументовано, як розроблявся цей механізм, чому в ньому виникла потреба та де зафіксовано оригінальний винахід.
Винахідник
Масаакі Сасакі (Masaaki Sasaki), засновник AMCON
Пріоритетний документ
JP H5-228695 (1992)
Європейський патент
EP 0 581 965 B1 (1996)
Рис. 4, EP 0 581 965 B1 — поперечний переріз зневоднювального барабана. Нерухомі кільця (6), рухомі кільця (30), шнек (31), мікрозазор g, канавка для відведення рідини (34).
1970-ті
Проблема
Фільтрувальні полотна, промивна вода та забивання: рівень техніки до появи VOLUTE™
Компанія AMCON починала не як виробник обладнання. Заснована в 1974 році як сервісна організація, вона обслуговувала септики та малі очисні споруди стічних вод житлових комплексів у Японії. Рідкий осад із таких локальних резервуарів доводилося вивозити на центральні очисні споруди, і згущення осаду перед транспортуванням було очевидним способом зменшити об’єм і витрати — однак тогочасні згущувачі осаду та преси для зневоднення осаду були надмірно дорогими та складними в монтажі для об’єктів такого масштабу.
Основним принципом розділення було фільтрувальне полотно: осад подається на водопроникну стрічку, вода дренується крізь неї, а тверда фаза залишається. Слабке місце такої схеми є конструктивним. Дрібнодисперсні частинки поступово забивають пори тканини, тому стрічку потрібно безперервно очищувати промивною водою під високим тиском. Наслідки добре відомі кожному оператору обладнання того покоління: велика витрата промивної води, системи форсунок, збільшені габарити стрічок для досягнення потрібної продуктивності, часта заміна полотна — і практично повна відмова при роботі з жировмісним шламом, який необоротно заліплює фільтрувальну тканину.
Оскільки фахівці AMCON обслуговували таке обладнання щодня, компанія знала про ці причини відмов із власного досвіду. У 1982 році вона сконструювала свою першу власну установку — компактний згущувач осаду з фільтрувальним полотном. Це вирішило проблему габаритів та ціни, але установка успадкувала всі недоліки самого полотна. Винесений із цього урок визначив напрямок усіх подальших розробок: повністю відмовитися від фільтрувального полотна.
Архів AMCON Inc. — поводження з осадом на септиках житлових комплексів, 1970-ті роки. Рідкий осад вивозили автоцистернами; зменшення об’єму осаду було головним економічним вузьким місцем.
Архів AMCON Inc. — перша установка власної розробки (1982): згущувач осаду з фільтрувальним полотном. Компактний і доступний за ціною, але схильний до забивання тканини та потреби у промивній воді.
1991 →
Перший VOLUTE™
Шнековий прес із гребінчастими скребками: працездатна машина з проблемою зношування
Архів AMCON Inc. — VOLUTE™ із гребінчастими скребками (патент 1990 р., вихід на ринок у квітні 1991 р.): набірний кільцевий фільтр з очисними пластинами, що входять у зазори.
Архів AMCON Inc. — характер поломки: навантаження, сконцентроване на тонких очисних пластинах, призводило до їх руйнування через кілька сотень мотогодин.
Дослідження та розробки відновилися навколо принципу шнекового преса: без фільтрувального полотна, з низькою частотою обертання та мінімальним енергоспоживанням. Відкритим залишалося питання, як запобігти забиванню зневоднювального барабана без використання промивної води. Першим рішенням стало механічне вишкрібання. Циліндричний фільтр збирали з пакета кілець із вузькими зазорами, а кожен виток шнека мав тонкі гребінчасті очисні пластини, які входили в ці зазори і виштовхували застряглі тверді частинки назад у канал шнека.
Установка працювала, була запатентована у 1990 році й вийшла на ринок у квітні 1991 року під назвою VOLUTE™ — від латинського слова voluta (спіраль). Кількість замовлень зростала. Але разом із нею зростала й кількість однотипних рекламацій з об’єктів: очисні пластини ламалися всього через кілька сотень годин роботи під повним навантаженням.
У власних патентних матеріалах компанії причину описано відверто. Пластини потрібно було виготовляти тонкими і з високою точністю, щоб вони чітко входили в зазор між кільцями; ця ж геометрія концентрувала навантаження від тертя на найслабшій ділянці. Крім того, кожну пластину потрібно було з високою точністю монтувати на валу, що здорожчувало виробництво. Зношування, поломки та часта заміна лопаток були закладені в самій концепції, а не виникали через виробничий брак. Був потрібен інший механізм самоочищення із захистом від забивання — такий, де немає окремої очисної деталі, що зношується.
1992
Винахід
Рухомі кільця: механізм самоочищення із захистом від забивання, що сформував концепцію багатодискового шнекового преса
Вирішальна ідея прийшла не за креслярською дошкою. Їдучи в приміському поїзді, засновник компанії Масаакі Сасакі спостерігав, як ряд підвісних поручнів-кілець гойдається в такт руху вагона, і замислився: чи можуть кільця, які рухаються, самостійно підтримувати чистоту фільтра — без скребків і без промивної води. Якщо зібрати зневоднювальний барабан із почергово розташованих нерухомих кілець і вільно посаджених рухомих кілець, які приводяться в рух самим шнеком, то фільтрувальні зазори безперервно прочищатимуться за рахунок самої роботи механізму. Прототип підтвердив цей принцип, і 21 лютого 1992 року AMCON подала патентну заявку на «апарат для розділення твердої та рідкої фаз» — багатодисковий шнековий прес. Цей механізм варто описати детально, оскільки його принцип дії залишається незмінним у кожній установці VOLUTE™, випущеній з того часу:
Нерухомі кільця (6)
Укладені в осьовому напрямку, розділені дистанційними шайбами і стягнуті шпильками в єдиний жорсткий зневоднювальний барабан. Ширина зазору між кільцями: G.
Рухомі кільця (30)
По одному в кожному зазорі, товщиною T < G. Різниця утворює мікрозазор g з кожного торця — наприклад, при G = 6 мм і T = 5 мм отримуємо g = 0,5 мм. Кільце утримується в пакеті, але може вільно зміщуватися в радіальному напрямку та обертатися.
Шнек (31)
Обертається всередині пакета кілець і транспортує осад в осьовому напрямку. Внутрішній діаметр рухомого кільця D₅ менший за зовнішній діаметр шнека D₄, тому кожне кільце спирається на гребінь витка в одній точці контакту P.
Механізм самоочищення із захистом від забивання
Тертя в точці P затягує кожне рухоме кільце в ексцентричне обертання навколо осі шнека, при цьому кільце зміщується радіально з ходом D₄ − D₅ за один оберт. Відносний рух торців кілець безперервно виштовхує тверді частинки з мікрозазорів.
Відведення фільтрату
Вода стікає самопливом крізь мікрозазори; кільцева напрямна канавка (34) на кожному рухомому кільці спрямовує фільтрат, що виходить у верхній частині пакета, вниз по контуру, запобігаючи його повторному потраплянню в канал шнека.
Конструктивні переваги, зазначені вже в заявці 1992 року: кільця та дистанційні шайби можна робити товстими (механічна міцність), зберігаючи при цьому малий зазор g; стають можливими діаметри кілець 500–1000 мм; деталі можуть виготовлятися з полімерів, металу або кераміки; складання та розбирання є простими, оскільки жодна деталь не потребує прецизійного припасування, як у випадку зі скребками.
Рис. 6, EP 0 581 965 B1 — один оберт шнека, положення (a)–(d).
Рухоме кільце (30) обертається навколо власної осі X₂, одночасно зміщуючись радіально відносно осі шнека X₁; точка контакту P переміщується по колу.
Рис. 1–12
З матеріалів патентної заявки
Що вже містила заявка 1992 року
Первинна заявка є напрочуд вичерпною. Вона описує не одну конкретну машину, а весь спектр конструктивних рішень, у якому AMCON, а згодом і виробники-імітатори, працюватимуть протягом наступних трьох десятиліть:
Рис. 1, EP 0 581 965 B1 — поздовжній розріз апарата в зборі: подача осаду (2), зневоднювальний барабан (5), патрубок відведення фільтрату (4), вікно вивантаження кеку (3), мотор-редуктор (17).
特開平5-228695, с. 8 — послідовність руху кілець, похилі виконання (Рис. 7–8), шнек із сегментними лопатками (Рис. 9–10) та двовальна установка (Рис. 12) в оригінальній японській публікації.
Режим згущення осаду
Горизонтальне компонування: зфлокульований осад вологістю 99–98,5 % на вході, згущений осад вологістю 97–95 % на виході — гравітаційне дренування крізь мікрозазори є достатньо дбайливим, щоб не руйнувати флокули (подача переливом, без вільного падіння).
Режим зневоднення осаду
Той самий зневоднювальний барабан, встановлений під кутом 45–90°: стовп осаду заповнює канал шнека, внутрішній тиск зростає у напрямку до вікна вивантаження кеку, і вода віджимається крізь зазори — зневоднений осад вологістю менше 85 % отримують на одній установці, яка замінює попередню двоступеневу схему «згущувач осаду + прес».
Режим проціджування
Компонування з від’ємним нахилом для простого вилучення грубих домішок із незфлокульованих стічних вод (харчова промисловість, м’ясопереробка, кухні готелів).
Шнек із сегментними лопатками
Шнек, зібраний з окремих сегментних лопаток на спіральному гребені зі зміщенням на 1–5° кожна, що утворює ступінчасті мікровиступи для підвищення тертя об тверду фазу; зменшення кута зміщення у напрямку до вивантаження підвищує внутрішній тиск і вміст сухих речовин у кеку.
Багатовальні (багатобарабанні) установки
Кілька зневоднювальних барабанів в одному корпусі з передачею від спільного приводу — концепція масштабування продуктивності, яка й досі використовується у великих установках VOLUTE™, проте сьогодні кожен зневоднювальний барабан оснащується власним індивідуальним приводом.
Сфери застосування
Окрім комунальної суміші сирого осаду та надлишкового активного мулу, цей механізм був — і залишається — придатним практично для будь-якого типу промислового шламу.
Документація
Першоджерела
Документи: де зафіксовано винахід
Пріоритет на багатодисковий шнековий прес ґрунтується на японській заявці від 21 лютого 1992 року, розширеній на міжнародному рівні за процедурою PCT і захищеній європейським патентом у 1996 році. В обох документах заявником виступає компанія AMCON (Amukon Kabushiki Kaisha, Токіо), а винахідником — її засновник.
Публікація
特開平5-228695 (JP H5-228695 A)
Заявка
特願平4-69996 · подано 21.02.1992
Опубліковано
07.09.1993
Заявник
アムコン株式会社 (AMCON INC.), Meguro-ku, Tokyo
Винахідник
佐々木 正昌 (Masaaki Sasaki)
МПВ (Int. Cl.)
B30B 9/14 · B01D 29/17, 29/25, 29/37 · C02F 11/12
Подано
18.02.1993 · PCT/JP93/00199 (WO 93/16867)
Пріоритет
21.02.1992 · JP 69996/92
Видано патент
28.08.1996 · Бюлетень 1996/35
Держави дії
DE · FR · GB
Патентовласник
Amukon Kabushiki Kaisha, Tokyo
Пункт 1 формули
Нерухомі кільця + поворотний шнек, що відрізняється наявністю в зазорах рухомих кілець, внутрішній діаметр яких є меншим за зовнішній діаметр шнека
Обмежувальна ознака пункту 1 формули винаходу — рухомі кільця зі співвідношенням D₅ < D₄ — є юридичним визначенням багатодискового принципу. Кожен наступний багатодисковий шнековий прес, незалежно від бренду на корпусі, реалізує механізм, вперше розкритий у цьому документі.
1991→
Спадкоємність
Три десятиліття незмінного принципу, який безперервно вдосконалюється його винахідником
Багатодисковий механізм дозволив усунути зі шнекового преса останній витратний елемент: більше немає полотна, яке забивається, скребків, які ламаються, чи колектора промивної води. Це зробило реальною роботу в автоматичному режимі без постійної присутності персоналу та дозволило ефективно працювати з типами осадів — нафтошламами, жировмісним шламом, осадами харчової промисловості — які були недоступними для обладнання з фільтрувальними тканинами. Відтоді AMCON як оригінальний виробник обладнання (OEM) безперервно випускає та розвиває цей механізм.
Величезний еволюційний стрибок відбувся у 2021 році, коли AMCON випустила VOLUTE DUO — абсолютно новий тип преса, який завдяки своїй безконтактній конструкції вивів експлуатаційну цінність пресів для зневоднення осаду на принципово новий рівень, особливо з точки зору витрат на технічне обслуговування.
Практика
Один принцип — безліч типів осаду
Три десятиліття незмінного принципу, який безперервно вдосконалюється його винахідником
Багатодисковий шнековий прес — це не шаблонний виріб, а конфігурована система. Сам механізм — нерухомі кільця, рухомі кільця та тихохідний шнек — є незмінним, проте осад не є однорідним матеріалом: концентрація сухої речовини, вміст волокон, вміст жирів і нафтопродуктів, гранулометричний склад та міцність флокул суттєво відрізняються залежно від джерела утворення. Тому класичний шнековий прес VOLUTE™ (на відміну від новішої серії VOLUTE DUO™) конструюється під параметри конкретного вхідного осаду, а не продається як одна універсальна машина. Під кожне застосування індивідуально підбирається низка параметрів без зміни базового принципу дії:
Геометрія шнека
Крок витків, кут зміщення сегментних лопаток і конусність вала визначають швидкість транспортування та наростання внутрішнього тиску вздовж зневоднювального барабана. Вже у заявці 1992 року описано зменшення кута зміщення у напрямку до вивантаження для підвищення вмісту сухих речовин у кеку — цей самий інструмент використовується і сьогодні для налаштування преса під конкретний осад.
Калібрування міжкільцевих зазорів
Величина мікрозазору g визначається товщиною кілець та дистанційних шайб і часто задається різною в зоні згущення (на вході) та в зоні зневоднення (на виході) одного й того самого зневоднювального барабана, забезпечуючи оптимальний баланс між швидкістю відведення фільтрату та вмістом сухих речовин у кеку по довжині машини.
Вибір приводу
Номінальні параметри електродвигуна й редуктора, а також частота обертання визначають продуктивність і час перебування осаду в барабані: нижча швидкість підвищує концентрацію сухих речовин, а вища — пропускну здатність. Привід підбирається відповідно до конкретного робочого завдання, а не є стандартним і фіксованим.
Оскільки ці параметри задаються індивідуально під конкретне застосування, ту саму базову конструкцію преса можна адаптувати до широкого спектра типів осаду без перепроєктування самого механізму. Надійність такого налаштування забезпечується не лише геометрією, а й емпіричною відповідністю між характеристиками вихідного осаду та конфігурацією обладнання — який саме шнек, які зазори та який привід обрати для певного осаду. Як розробник і оригінальний виробник технології, компанія AMCON накопичувала цю базу даних протягом кількох десятиліть у багатьох галузях промисловості й застосовує її під час підбору кожної установки.
Саме в цьому полягає практична відмінність між розробником оригіналу та пізнішими копіями механізму. Виробники копій зазвичай пропонують одну фіксовану конфігурацію і застосовують її повсюдно, незалежно від характеристик вхідного осаду. Коли властивості осаду виходять за межі можливостей цієї єдиної конфігурації, результатом стає недостатнє зневоднення осаду або повна непрацездатність обладнання — часто попри нижчу ціну, яка спочатку й зробила копію привабливою.
Кожен VOLUTE™ — це багатодисковий шнековий прес. Проте не кожен багатодисковий шнековий прес є VOLUTE™ — оригінал виготовляє лише AMCON.