ГОМОГЕНИЗАТОР

Техническое решение относится к устройствам для гомогенизации пластичных, структурированных высоковязких веществ, обладающих неньютоновскими свойствами, и может найти применение в химической, нефтехимической, фармакологической, пищевой, радиотехнической и других отраслях промышленности, где требуется микронное и субмикронное перемешивание разнородных веществ.
Известна конструкция пластосмесителя серии ПС для смешения и глубокой гомогенизации пластических масс, состоящего из камеры, загрузочной воронкой с откидной крышкой, пневмоцилиндра с плунжером для проталкивания массы в зазор между фигурными валками, вращающимися навстречу друг другу, и разгрузочного узла (Шаповалов Ю.Н., Шеин B.C. Машины и аппараты общехимического назначения. Учебное пособие.- Воронеж, издательство Воронежского университета, 1981, с. 97-98).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточное микросмешение фигурными валками, из-за образования застойных зон в зазорах между их поверхностями. Это требует увеличение времени обработки и снижает общую производительность.
Известен аппарат АЗ2-4, состоящий из емкости с перемешивающим устройством (тихоходной мешалки) и эллиптическим днищем, рубашки для охлаждения или обогрева обрабатываемого продукта, роторного перемешивающего устройства типа ГАРТ и электродвигателя. Роторная головка имеет вихревую камеру, образованную вращающимся ротором и неподвижным статором.
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная производительность, при перемешивании высоковязких, неньютоновских и структурированных растворов, эмульсий и суспензий, та как часть жидкости в застойных зонах емкости не попадает в зону работы роторного перемешивающего устройства, а медленно перемешивается тихоходной мешалкой на периферии.
Известен экструдер для получения гранул, содержащий цилиндрический корпус расположенные в корпусе червяк и прерыватель овальной формы, формующую головку с выпускными отверстиями, имеющую поперечное сечение внутренней поверхности в форме эллипса, привод вращения червяка и пружину, при этом выпускные отверстия расположены симметрично на малой оси эллипса формующей головки, прерыватель закреплен посредством пружины на конце червяка и снабжен валиком, установленным в подшипнике, расположенном в съемной крышке, причем размер большой оси овала прерывателя равен внутреннему размеру малой оси эллипса формующей головки (описание к патенту на полезную модель РФ №133435 B01J 2/20, 2013).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится малое время пребывания в зоне смешения формующей головки и выпускных отверстиях, что не обеспечивает необходимую степень гомогенизации на микроуровне и требует повторной дополнительной переработки, что снижает общую производительность.
Известен экструдер для получения гранул, содержащий цилиндрический корпус, расположенный в корпусе червяк и прерыватель овальной формы, формующую головку с выпускными отверстиями, имеющую поперечное сечение внутренней поверхности в форме эллипса, привод вращения червяка и пружину, причем выпускные отверстия расположены симметрично на малой оси эллипса формующей головки, прерыватель закреплен посредством пружины на конце червяка и снабжен валиком, установленным в подшипнике, расположенном в съемной крышке (описание к патенту на полезную модель РФ №167122, U1 2016).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится низкая производительность, из-за остановки оборудования на ремонт связанных с подтяжкой и заменой пружиной.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип относится гомогенизатор А1-ОГМ, предназначенный для получения тонкоизмельченного однородного продукта, который состоит из электродвигателя, станины, кривошипно-шатунного механизма с системами смазки и охлаждения, блока с гомогенизирующей в манометрической головоломками и предохранительным клапаном. Гомогенизирующая головка представляет собой корпус, в котором находится цилиндрический клапан. Под давлением жидкость приходит через щель гомогенизирующей головки с большой скоростью и затем выводится через штуцер из гомогенизатора (Машины и аппараты пищевых производств. Книга 1/ Под редакцией В.А. Панфилова.-М.: Высшая школа, 2001, с 464-466).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, является невысокая скорость гомогенизирующей головки.
Техническим результатом предлагаемой конструкции гомогенизатора является увеличение производительности.
Поставленный технический результат достигается тем, что в гомогенизатор, содержащий цилиндрический корпус и гомогенизирующую головку, причем гомогенизирующая головка состоит из червяка и прерывателя овальной формы, формующей головки, имеющей поперечное сечение внутренней поверхности в форме эллипса, привод вращения червяка и пружину, при этом прерыватель закреплен посредством пружины на конце червяка и снабжен валиком, установленным в подшипнике, расположенном в съемной крышке, а на конце валика дополнительно последовательно друг за другом установлены роликовые подшипники с цилиндрическими и коническими роликами, отношение длины большой оси овала прерывателя к длине малой оси эллипса формующей головки подчиняется условию:
где  - длина большой оси овала прерывателя, мм;
L- длина малой оси эллипса формующей головки, мм.
Выполнение гомогенизирующей головки из червяка и прерывателя овальной формы, формующей головки позволяет интенсивно перемещать материал по корпусу гомогенизатора, что способствует увеличению производительности.
Выполнение формующей головки, имеющей поперечное сечение внутренней поверхности в форме эллипса, позволяет периодически при вращении прерывателя перекрывать выпускные отверстия без применения специально установленного диска из эластичного материала, который быстро изнашивается с потерей эластичных свойств и калибра выпускных отверстий. Поэтому в гомогенизаторе с заявленными размерами осей овала прерывателя и эллипса формующей головки срок службы гомогенизатора возрастает, что приводит к росту производительности.
Рост производительности также обеспечивает установка цилиндрической пружины между концом червяка и прерывателя, так как малая инерция прерывателя и гидроклин образующийся при вращении червяка в зазоре между прерывателем овальной формы и формующей головкой, имеющей поперечное сечение внутренней поверхности в форме эллипса, позволяют перевести работу формующей головки, выпускающей перерабатываемый материал через выпускные отверстия и калибрующей гранулы, в колебательный режим с большой амплитудой, что способствует уменьшению эффективной вязкости перерабатываемой среды, повышению ее текучести и скорости течения перерабатываемого материала в выпускных отверстиях, а значит и росту производительности.
Снабжение прерывателя валиком, установленным в подшипнике, расположенным в съемной крышке предотвращает смещение червяка относительно оси экструдера, приводящее к трению гребней червяка о внутреннюю поверхность корпуса и их износу, что уменьшает срок службы, увеличивает время ремонта, а значит приводит к снижению производительности.
Выполнение условия (1) для отношения длины большой оси овала прерывателя к длине малой оси эллипса внутренней поверхности формующей головки обеспечивает прерывистое вращение червяка с крутильными колебаниями угловой скорости вращения, так как за один оборот червяка зазор между наружной поверхностью прерывателя и внутренней поверхность отверстия формующей головки становится минимальным, когда большая ось овального прерывателя совпадает с направлением малой оси внутренней поверхности эллипса формующей головки, то максимальным, когда больше оси прерывателя и формующей головки совпадают. Это приводит к изменению крутящего момента, а следовательно изменению угловой скорости вращения овального прерывателя, причем это изменение происходит рывками за счет угловой деформации пружины, установленной между прерывателем и концом червяка.
Такая угловая вибрация, сопровождаемая крутильными колебаниями формующей головки и приводит к тиксотропному разжижению высоковязких неньютоновских жидкостей, разрушению их структуры и способствует интенсивному перемешиванию из-за снижения эффективной вязкости, а значит росту производительности.
Увеличение верхнего значения условия (1), равного 0,93, может привести к смещению прерывателя относительно оси вращения, механическому контакту поверхности овального прерывателя с внутренней эллиптической поверхностью отверстия формующей головки. Это потребует остановки работы, ремонта, что увеличивает вспомогательные затраты времени, снижает основное время работы, а значит и производительность.
Уменьшения нижнего значения условия (1), равного 0,88, снижает амплитуду круговых колебаний овального прерывателя и не обеспечивает снижение эффективной вязкости неньютоновских высоковязких жидкостей, что препятствует быстрому взаимному смешению компонентов на микро- и макроуровнях, требует увеличения времени переработки и приводит к снижению производительности.
Дополнительная установка на конце валика последовательно друг за другом роликовых подшипников с цилиндрическими и коническими роликами обеспечивает при движении жидкости в зазорах между сепараторами дополнительное микросмешение, а изменение формы роликов меняет направление траектории, разрывает линии тока, увеличивает время микроперемешивания, что способствует повышению производительности.
На фиг. 1. представлен общий вид в разрезе предлагаемой конструкции гомогенизатора, на фиг. 2 - поперечное сечение А-А фиг. 1.
Гомогенизатор состоит из цилиндрического корпуса 1, внутри которого осесимметрично установлен червяк 2. На выходе червяка 2 установлен прерыватель 3 овальной формы в формующей головке 4, имеющей поперечное сечение отверстия в форме эллипса, причем длина 1 большой оси овала прерывателя 3 и длина L малой оси эллипса внутренней поверхности формующей головки 4 подчиняются условию (1). На входе червяк 2 соединен с валом 5 привода посредством муфты 6, а на выходе червях 2 соединен с прерывателем 3 пружиной 7 через отверстия фланца 10.
Прерыватель 3 снабжен валиком 8 установленным в подшипнике 9. На выходе формующая головка 4 снабжена съемным фланцем 10 с отверстием для выхода перемешиваемой жидкости. Помимо подшипника 9 на валике 8 в формующей головке 4 установлены дополнительно последовательно друг за другом подшипники с цилиндрическими роликами 11, коническими роликами 12 и 13.
Гомогенизатор работает следующим образом.
В цилиндрический корпус 1 подают жидкость для гомогенизации в ней компонентов и включают привод, который через вал 5 передает вращение шнеку 2, а от него через пружину 7 к прерывателю 3 овальной формы и соединенным с ним валику 8, вращающемуся в подшипнике 9, роликовому подшипнику 11 с цилиндрическими роликами и роликовых коническим подшипниках 12 и 13. Жидкость предварительно смешивается на макроуровне витками шнека 2 и попадает внутрь формующей головки 4. Так как последняя имеет поперечное сечение отверстия в форме эллипса, то вращающийся в ней прерыватель 3 овальной формы за один оборот дважды создает то минимальный зазор между эллиптической поверхностью отверстия формующей головки 4 (как показано на фиг. 2), то максимальный зазор, что соответственно приводит к максимальному к крутящему моменту сопротивления, то к минимальному. Эти изменения крутящего момента передаются пружине 7, которая заставляет совершать круговые колебания прерывателю 3. Под действием этих круговых колебаний жидкость в формующей головке 4 тиксотропно разжижает, ее структура разрушается, а эффективная вязкость уменьшается, что приводит к интенсивному микроперемешиванию. Из формующей головки 4 такая жидкость попадает в зазоры между шариками подшипников 9 и 11, а далее между цилиндрическими роликами подшипников 11 и коническими роликами подшипников 12 и 13. Вращающаяся в обоймах и сепараторах этих подшипников шарики и ролики рвут линии тока жидкости, изменяя траекторию ее движения, что приводит к гомогенизации ее компонентов. Обработанная таким образом гомогенизированная жидкость выходит наружу.
Таким образом, установка внутри формующей головки 4, имеющей поперечное сечение отверстия в форме эллипса, прерывателя 3 овальной формы с отношением длины большой оси овала прерывателя 3 к длине малой оси эллипса отверстия в формующей головки 4, подчиняющемуся условию (1), и дополнительная установка на конце валика 8 последовательно друг за другом роликового подшипника 11 с цилиндрическими роликами и коническими подшипниками 12 и 13 с роликами, позволяет создавать в жидкости крутильные колебания, тиксотропно разжижающими жидкость, уменьшающими ее эффективную вязкость и разрушающими структуру, а затем при попадании жидкости в зазоры между шариками подшипника 9, цилиндрическими роликами подшипника 11 и коническими роликами подшипников 12 чтобы интенсифицировать макро- и макроперемешивание и гомогенизировать компоненты жидкости с высокой производительностью.