ГОМОГЕНИЗИРУЮЩИЙ КЛАПАН, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ С ВОЛОКНИСТЫМИ ТЕКУЧИМИ СРЕДАМИ
HOMOGENIZING VALVE, IN PARTICULAR, FOR APPLICATION TO FIBROUS FLUIDS

Область, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к гомогенизирующему клапану. В частности, предложенное изобретение может быть применено для гомогенизации текучих сред, например жидкостей, содержащих частицы или агломераты волокон в суспензии, т.е., по существу, продуктов, являющихся жидкими, но подверженных образованию твердых элементов или в любом случае элементов с более высокой плотностью.
Уровень техники
Хорошо известно, что устройства для гомогенизации текучих сред разрушают частицы, уменьшая до минимума их размеры, и делают размеры частиц одинаковыми, уменьшая таким образом разброс размеров частиц.
Указанные гомогенизирующие устройства, в различных известных вариантах осуществления, содержат насос высокого давления и гомогенизирующий клапан. Гомогенизирующий клапан имеет первую камеру, принимающую текучую среду под большим давлением, поставляемую насосом, и вторую камеру, выполненную с возможностью выдачи гомогенизированной текучей среды с низким давлением. Гомогенизирующее действие обеспечивается за счет прохождения жидкости через промежуточное пространство уменьшенного размера, имеющееся между первой и второй камерами. Такое промежуточное пространство образовано проходной головкой, соединенной за одно целое с корпусом клапана, и нажимной головкой, перемещающейся в осевом направлении относительно проходной головки.
Текучая среда, поступающая с входа, давит на поверхность нажимной головки, оказывая на нее давление, которое стремится расширить проходную головку. С нажимной головкой связан толкатель, выполненный с возможностью противодействовать давлению текучей среды в осевом направлении. Размер промежуточного пространства прохода управляется путем непосредственного воздействия на толкатель в зависимости от расхода клапана и рабочих значений давления.
Как упомянуто выше, при проходе через промежуточное пространство, текучая среда теряет давление и одновременно ускоряется, что приводит к фрагментации частиц в суспензии.
Для оптимизации энергии, используемой в процессе гомогенизации, заявитель за последние годы разработал гомогенизирующие клапаны, в которых первая и вторая камеры имеют кольцевую форму. Указанные технические решения описаны в европейском патенте ЕР 810025 и итальянском патенте №1385953, выданных на имя заявителя.
Благодаря кольцевой конструкция двух камер жидкость под высоким давлением надавливает на кольцевую поверхность нажимной головки, позволяя, тем самым, работать с промежуточным пространством меньших размеров по сравнению с известными техническими решениями, при таком же количестве приложенной энергии.
Принципиальным недостатком вышеописанных решений является сниженный срок эксплуатации компонентов, в частности, тех, которые подвержены воздействию высокого давления (т.е. нажимной головки и проходной головки). В случае применения таких устройств с волокнистыми текучими средами, срок эксплуатации компонентов еще более уменьшается из-за абразивности самих текучих сред, что приводит к более быстрому износу компонентов, через которые проходит текучая среда, и необходимости их более частой замены.
Помимо гомогенизации, удаление волокон из волокнистых текучих сред (например, целлюлозной массы) традиционно осуществляют посредством мельниц, гриндеров, содержащих диск или лезвие, ультразвуковой обработкой или холодным прессованием. Тем не менее, такие технические решения имеют различные недостатки, такие как:
слишком низкий или неподходящий для продвижения на рынке выход продукции;
сложность прокачивания текучей среды;
неоднородность обработанной текучей среды;
сложности в измельчении текучей среды на частицы порядка нанометров.
Для обработки волокнистых текучих сред (например, целлюлозной массы) под высоким давлением посредством гомогенизирующего клапана известного типа необходимо работать с давлениями порядка 1500 бар, что влечет за собой высокое энергопотребление, износ компонентов и, как следствие, уменьшение срока их эксплуатации.
Раскрытие изобретения
Учитывая вышеизложенное, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить гомогенизирующий клапан, позволяющий устранить вышеупомянутые недостатки известных устройств.
В частности, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить гомогенизирующий клапан с большим, чем в известных технических решениях, сроком эксплуатации различных компонентов, например нажимной головки и проходной головки.
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить гомогенизирующий клапан, выполненный с возможностью удаления волокон из волокнистых текучих сред, таких как, например, целлюлозная масса, уменьшить энергозатраты при таком же выходе волокнистого продукта и одновременно снизить износ компонентов.
Другими словами, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить гомогенизирующий клапан, позволяющий уменьшить энергозатраты при том же самом выходе волокнистого продукта, увеличивая таким образом расход продукта, обрабатываемого гомогенизирующим устройством.
Другая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить гомогенизирующий клапан, техническое обслуживание которого являлось бы более простым по сравнению с известными техническими решениями.
Поставленные технические задачи, по существу, решены посредством гомогенизирующего клапана, охарактеризованного признаками, изложенными в одном или более пунктах формулы.
Краткое описание чертежей
Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения более понятны из иллюстративного и, следовательно, не носящего ограничительный характер описания, предпочтительного, но не единственно возможного варианта осуществления гомогенизирующего клапана, проиллюстрированного на чертежах, на которых:
на фиг. 1а и 1b показаны в разрезе два различных варианта осуществления гомогенизирующего клапана, выполненного согласно настоящему изобретению соответственно с блокирующим элементом и без него;
на фиг. 2а и 2b в увеличенном масштабе показаны два разных участка (направляющие средства и уплотнительные средства) гомогенизирующего клапана с фиг. 1а-1b;
на фиг. 3а и 3b в увеличенном масштабе показаны два разных участка (направляющие средства и уплотнительные средства) гомогенизирующего клапана с фиг. 1b соответственно в ходе фазы простоя и фазы работы указанного клапана;
на фиг. 4 показана часть (сборный элемент) гомогенизирующего клапана с фиг. 1а-1b на частичном виде в аксонометрии;
на фиг. 5 в аксонометрии показан участок гомогенизирующего клапана с фиг. 1а-1b, с которым соединен зубчатый инструмент.
Осуществление изобретения
На чертежах номером позиции 1 обозначен гомогенизирующий клапан. В частности, предложенный гомогенизирующий клапан особенно подходит для удаления волокон из волокнистых текучих сред, таких как, например, целлюлозная масса.
Клапан 1 содержит корпус 2 клапана, определяющий сквозной канал, проходящий в осевом направлении по отношению к корпусу 2 клапана.
Например, корпус 2 клапана образован узлом, состоящим из по меньшей мере двух отдельных корпусов, т.е. входного корпуса 3 клапана и выходного корпуса 4 клапана, выровненных друг относительно друга в осевом направлении.
Клапан 1 содержит первый поршень 5 и второй поршень 6, расположенные в сквозном канале. Указанные поршни 5 и 6 соединены за одно целое. В частности, первый поршень 5 вставлен в первый участок сквозного канала во входном корпусе 3 клапана, тогда как второй поршень 6 вставлен во второй участок сквозного канала во втором корпусе 4 клапана.
Клапан 1 имеет вход 7 для текучей среды высокого давления и выход 8 для гомогенизированной текучей среды низкого давления. Вход 7 выполнен с возможностью соединения с насосом высокого давления (не показан), который совместно с клапаном 1 составляет гомогенизирующее устройство.
Между корпусом 2 клапана и первым поршнем 5 имеется кольцевая камера 9, с которой соединен вход 7 для текучей среды высокого давления.
Между корпусом 2 клапана и вторым поршнем 6 имеется кольцевая камера 10, с которой соединен выход 8. В частности, вторая кольцевая камера 10 передает гомогенизированную текучую среду низкого давления на указанный выход 8 клапана 1.
В описанных здесь вариантах осуществления клапан 1 содержит две дополнительные камеры 11, 12. В частности предусмотрены:
третья кольцевая камера 11, размещенная между корпусом 2 клапана и первым поршнем 5;
четвертая кольцевая камера 12, размещенная между корпусом 2 клапана и вторым поршнем 6.
В частности, третья камера 11 расположена ниже по потоку первой камеры 9, относительно направления потока текучей среды, и сообщается по текучей среде с первой камерой 9 так, чтобы принимать текучую среду высокого давления.
Четвертая камера 12 расположена выше по потоку второй камеры 10, относительно направления потока текучей среды, и сообщается по текучей среде со второй камерой 10 так, чтобы в эти камеры поступала гомогенизированная текучая среда низкого давления.
В описанных и проиллюстрированных здесь вариантах осуществления, корпус 2 клапана также содержит два промежуточных корпуса 13, 14 клапана, которые выровнены в осевом направлении и расположены между входным корпусом 3 клапана и выходным корпусом 4 клапана.
Как видно на фиг. 1а-1b, камеры 9, 10, 11, 12 расположены друг за другом от верхней до нижней части клапана 1 в следующей последовательности:
первая камера 9;
третья камера 11 выше первой камеры 9;
четвертая камера 12 выше третьей камеры 11;
вторая камера 10 выше четвертой камеры 12.
Клапан 1 содержит кольцевую проходную головку 15, расположенную между первой камерой 9 и второй камерой 10. Проходная головка 15 неразрывно соединена с корпусом 2 клапана.
В описываемом здесь варианте осуществления проходная головка 15 размещена и заключена между третьей камерой 11 и четвертой камерой 12.
Клапан 1 содержит кольцевую нажимную головку 16, соединенную за одно целое с первым поршнем 5 и вторым поршнем 6 с получением сборного элемента 27. Предпочтительно, нажимная головка 16 расположена также между первой камерой 9 и второй камерой 10. В частности, нажимная головка 16 расположена в четвертой камере 12.
Предпочтительно, проходная головка 15 и/или нажимная головка 16 выполнены по меньшей мере частично из керамического материала. Предпочтительно, проходная головка 15 и/или нажимная головка 16 полностью выполнены из керамического материала. Например, используемый керамический материал представляет собой диоксид циркония или спеченный или горячепрессованный нитрид кремния.
Как показано ниже, это обеспечивает повышенную износоустойчивость, в частности при применении с абразивными текучими средами, такими как целлюлозная масса.
Клапан 1 оснащен также средством 19 перемещения сборного элемента 27 в осевом направлении к проходной головке 15, так что нажимная головка 16 определяет с проходной головкой 15 промежуточное пространство 18 для прохода текучей среды от первой камеры 9 ко второй камере 10. В частности, перемещение сборного элемента 27 в направлении проходной головки 15 противодействует давлению, оказываемому текучей средой, содержащейся в первой камере 9 (или в третьей камере 11, при наличии) на нажимную головку 16. В частности, средство 19 перемещения функционально воздействует на продолжение 26 винта 17, которое удерживает в собранном состоянии сборный элемент 27.
Средство 19 перемещения сборного элемента 27 является средством известного типа и дополнительно не описано.
Первый поршень 5 имеет свободный конец 5а, имеющий зубчатый профиль, выполненный с возможностью соединения с зубчатым инструментом или устройством 20 так, чтобы привести сборный элемент 27 во вращение. В частности, зубчатое устройство 20 имеет зубчатый профиль, ответный по отношению к зубчатому профилю свободного конца 5а первого поршня 5, что явно показано на фиг. 5.
Предпочтительно, первая камера 9 и третья камера 11 определяют составную полость, сужающуюся в направлении промежуточного пространства 18. Аналогично, четвертая камера 12 и вторая камера 10 определяют составную полость, сужение которой начинается от промежуточного пространства 18. Другими словами, как видно на фиг. 1а-1b, первая камера 9 и третья камера 11 образуют полость в виде перевернутой воронки (сужающуюся к промежуточному пространству 18), тогда как четвертая камера 12 и вторая камера 10 образуют полость в виде прямо расположенной воронки (расширяющуюся от промежуточного пространства 18).
Предпочтительно, клапан 1 оснащен по меньшей мере первым кольцевым направляющим элементом 21, размещенном в первой кольцевой камере, расположенной между телом 2 клапана и первым поршнем 5, и по меньшей мере первой кольцевой прокладкой 22, размещенной во второй кольцевой камере, расположенной между телом 2 клапана и первым поршнем 5 (см. фиг. 2b).
Аналогично, клапан 1 содержит по меньшей мере второй кольцевой направляющий элемент 23, расположенный в третьей кольцевой камере, имеющейся между корпусом 2 клапана и вторым поршнем 6, и по меньшей мере вторую кольцевую прокладку 24, размещенную в четвертой кольцевой камере, расположенной между корпусом 2 клапана и вторым поршнем 6 (см. фиг. 2а).
Первый и второй направляющие элементы 21, 23 образуют направляющее средство для скольжения сборного элемента 27 в осевом направлении, тогда как прокладки 22, 24 образуют уплотняющее средство.
В вариантах осуществления, описанных и проиллюстрированных в настоящей заявке, направляющие элементы 21 представляют собой «L- образные салазки».
Прокладки 22, 24 предпочтительно представляют собой кольцевые уплотнения известного типа.
В варианте осуществления, показанном на фигурах 1b, 3а и 3b, проходная головка 15 образована внутренним кольцевым элементом 15а, выполненным из керамического материала, и наружным кольцевым элементом 15b, выполненным из стали.
В этом случае клапан 1 также содержит блокирующий элемент 25, расположенный между проходной головкой 15 и нажимной головкой 16, для того чтобы предотвратить повреждение и/или извлечение внутреннего элемента 15а из наружного элемента 15b, обусловленного высокими давлениями. Например, расстояние между проходной головкой 15 и нажимной головкой 16 равно приблизительно 7 мм и определено длиной продолжения 26 винта 17.
Предпочтительно, блокирующий элемент 25 выполнен из нержавеющей стали, например термически обработанной стали марки AISI 630.
Ниже кратко описана работа гомогенизирующего клапана согласно настоящему изобретению.
Текучая среда высокого давления, т.е. среда, давление которой составляет приблизительно 250-700 бар, входит в клапан 1 через вход 7 и достигает первой камеры 9 и третьей камеры 11 ниже по потоку.
Текучая среда подвергается процессу гомогенизации (или микронизации или удалению волокон), проходя через промежуточное пространство 18 между проходной головкой 15 и нажимной головкой 16. В частности, зазор между проходной головкой 15 и нажимной головкой 16 определяется динамическим балансом между силой, которую средство 19 перемещения прикладывает к сборному элементу 27 (и, следовательно, к нажимной головке 16) в направлении проходной головки 15 и объемным расходом жидкости, выходящей из первой камеры 9 и из третьей камеры 11, которая надавливает на нажимную головку 16 и пытается отделить ее от проходной головки 15.
В проходе между промежуточным пространством 18 давление жидкости текучей среды уменьшается от 250-700 бар до величины ниже 100 бар. Предпочтительно, промежуточное пространство 18 имеет форму известного типа.
Гомогенизированная жидкость затем продолжает свое движение и собирается в четвертой камере 10 ниже по потоку, достигая таким образом выхода 8 клапана 1.
Периодически, возможно поворачивать сборный элемент 27 (и, следовательно, нажимную головку 16), приводя зубчатый инструмент или устройство 20 в зацепление с зубчатым профилем на свободном конце 5а первого поршня 5. Вращение зубчатого инструмента 20 также вызывает вращение сборного органа 27 и, следовательно, нажимной головки 16 так, что они изнашиваются равномерно. Предпочтительно, указанная операция выполняется, когда клапан 1 остановлен или не находится под давлением.
Признаки и преимущества гомогенизирующего клапана согласно настоящему изобретению очевидны.
В частности, первый поршень имеет возможность вращения благодаря тому, что его свободный конец имеет зубчатый профиль, подходящий для сцепления с зубчатым профилем или устройством, помещенным снаружи клапана. Нажимная головка, следовательно, также приходит во вращение, что позволяет получить равномерный износ и, следовательно, увеличить срок эксплуатации.
Также, для обеспечения большей устойчивости к износу и разрушению (в особенности в областях применения с абразивными продуктами) проходную головку и нажимную головку выполняют частично или полностью из керамического материала.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 1b (проходная головка с внутренним элементом из керамического материала и наружным элементом из стали), наличие блокирующего элемента является существенным, так как он выполнен из материала устойчивого к износу, но более упругого, чем керамика (AISI 630), он предотвращает разрушение керамики внутреннего элемента и/или извлечение внутреннего элемента из наружного элемента проходной головки.
Кроме того, осевая симметрия клапана позволяет сделать участок около промежуточного пространства «двусторонним», т.е. поменять расположение проходной головки и нажимной головки. В частности, это применимо в решениях, где отсутствует блокирующий элемент (см. фиг. 1а). Также имеется возможность поменять местами блоки «проходная головка - первая камера» и «нажимная головка - вторая камера». Таким образом, по достижении некоторого износа компонентов, подверженных действию высокого давления (например, проходной головки), их меняют местами с компонентами, на которых действовало низкое давление, обеспечивая равномерный износ компонентов.
Более того, размещение третьей камеры за первой камерой позволяет дублировать участок высокого давления клапана, избегая таким образом прямого удара текучей среды высокого давления о первый поршень. Даже более предпочтительно, если первый поршень является длинным и тонким для того, чтобы удовлетворять конкретным требованиям по давлению и расходу.
Кроме того, дублирование участков высокого давления (первая и третья камеры) и участков низкого давления (вторая и четвертая камеры) позволяет более легко разбирать клапан в случае его технического обслуживания и/или замены компонентов.
Этот признак становится особенно значимым в случае обработки абразивных продуктов (например, целлюлозной массы), которая связана со значительным износом компонентов и, следовательно, в случае известных решений требует более частого технического обслуживания и замены компонентов.
Особая суженная конфигурация первой камеры и третьей камеры в направлении промежуточного пространства способствует потоку текучей среды под высоким давлением. Сужение в противоположном направлении четвертой камеры и второй камеры, по которым должна проходить гомогенизированная жидкость под низким давлением, выполняет ту же функцию.
Из-за наличия салазок, расположенных в соответствующих кольцевых камерах, износу, вызываемому скольжением, подвергаются в основном два поршня, которые представляют собой легко заменяемые цилиндрические компоненты. Указанный износ обусловлен в основном высокими рабочими давлениями (до примерно 700 бар), что приводит к существенной вибрации сборного элемента (первый поршень - второй поршень - третий поршень -нажимная головка - винт), в то время как тип текучей среды играет меньшую роль.
Именно высокими значениями рабочих давлений обусловлена необходимость отделять направляющую функцию от уплотняющей функции (в частности, для участка высокого давления), поэтому предусмотрены прокладки, физически отделенные от салазок.
Поскольку прокладки размещены в соответствующих кольцевых камерах, предусмотренных в корпусе клапана, камеры могут быть легко вымыты и, следовательно, не подвержены накоплению твердых агломератов. Такое накопление является крайне нежелательным в случае применения с волокнистыми продуктами (например, целлюлозной массой), так как оно препятствует скольжению поршней.
Технические признаки клапана позволяют ему обрабатывать волокнистые текучие среды, такие как целлюлозная масса, под давлениями около 250-700 бар, а не 1500 бар, обеспечивая тем самым энергосбережение и уменьшение износа компонентов при таком же выходе волокнистого продукта.