ЭКСТРУДЕР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАНУЛ

Техническое решение относится к устройствам для грануляции пластичных, пастообразных и высоковязких неньютоновских структурированных веществ и может найти применение в химической, нефтехимической, металлургической, машиностроительной, горноперерабатывающей, фармакологической, пищевой, строительной, сельскохозяйственной и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах переработки твердообразных отходов.
Известна конструкция промышленного гранулятора ФШ 020К01, состоящего из корпуса, загрузочной камеры, составного шнека с протирочной головкой, двухроторного нагнетателя, фильерной решетки, зажима фильерной решетки, пневмоцилиндров и узла привода (А.С. Тимонин. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования. Справочник. Изд. 2-е, переработанное и дополненное. Т.2. - Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2002, с. 283).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится высокая эффективная вязкость пластичных, пастообразных, неньютоновских, структурированных материалов, предназначенных для гранулирования, которая не позволяет выдавливать перерабатываемый материал в виде гранул через отверстия фильерной решетки с высокой скоростью, что снижает производительность гранулятора.
Известен экструдер для получения гранул, содержащий цилиндрический корпус, расположенные в корпусе червяк и прерыватель, укрепленный на выходном конце червяка, формующую головку с крышкой, укрепленную на торце корпуса и имеющую аксиальные выпускные отверстия, смещенные относительно червяка, и привод вращения червяка, при этом прерыватель выполнен в виде диска овальной формы, а формующая головка имеет внутреннее поперечное сечение внутренней поверхности в форме эллипса и снабжена эластичным диском, в котором выполнены выпускные отверстия, причем диаметр окружности, проходящей через оси выпускных отверстий, не превышает максимального размера овального диска. Кроме того, отношение максимального размера овального диска к минимальному диаметру эллипса составляет 0,8-0,95, а сам экструдер снабжен пружиной, установленной между червяком и приводом вращения (Авт. св. СССР №1586766, B01J 2/20, 1990).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится малая амплитуда колебаний при вращении червяка и прерывателя из-за их большой массы и сопротивления перерабатываемого материала в корпусе, что не обеспечивает достаточного снижения эффективной вязкости перерабатываемой среды и приводит к невысокой скорости ее подачи в выпускные отверстия при формовании гранул, а значит приводит к малой производительности по гранулам. Кроме того, быстрый износ выпускных отверстий в эластичном диске и консольная установка червяка и прерывателя без опоры на выходном конце приводит к трению гребней червяка о внутреннюю рабочую поверхность корпуса, их механическому износу, что требует периодической остановки работы экструдера на ремонт, а значит снижает его основное время работы и производительность.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип является 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, 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 (Патент на полезную модель РФ №133435, B01J 2/20, 2013).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная амплитуда круговых колебаний формующей головки, не позволяющая в достаточной мере снизить эффективную вязкость пластичных, пастообразных и высоковязких неньютоновских, структурированных перерабатываемых сред, что снижает скорость их движения в формующей головке к выпускным отверстиям, а значит уменьшает производительность по гранулам. Кроме того, круговые колебания формующей головки не распространяются на перерабатываемую среду, движущуюся внутри корпуса, что также приводит к снижению производительности.
Техническим результатом предлагаемой конструкции экструдера для получения гранул является увеличение производительности по гранулам за счет резкого уменьшения эффективной вязкости перерабатываемых пластичных, пастообразных и высоковязких неньютоновских и структурированных сред как в формующей головке, так и перемещаемой их части червяком внутри корпуса.
Поставленный технический результат достигается тем, что в экструдере для получения гранул, содержащем 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, а размер большой оси овала прерывателя равен внутреннему размеру малой оси эллипса формующей головки, при этом корпус установлен на цилиндрических пружинах, упругость каждой из которых определяется выражением:
где a - упругость пружин, Н/м;
m - масса цилиндрического корпуса с червяком, прерывателем, формующей головкой, подшипником, пружиной, валиком съемной крышкой и перерабатываемым материалом, кг;
ω - скорость вращения червяка, об/с;
n - число цилиндрических пружин.
Установка корпуса на цилиндрических пружинах обеспечивает вертикальные колебания корпуса с червяком, прерывателем, формующей головкой, подшипником, пружиной, валиком и съемной крышкой, которые передаются на перерабатываемый материал, перемещаемый червяком внутри корпуса, и на этот же материал в формующей головке. Под действием этих вертикальных колебаний пластинчатый, пастообразный, структурированный перерабатываемый материал, обладающий неньютоновскими свойствами, снижает эффективную вязкость, что способствует увеличению скорости перемещения перерабатываемой среды червяком внутри корпуса и подачи ее к выпускным отверстиям в формующей головке, а значит способствует увеличению производительности.
Установка каждой пружины с упругостью, определяемой выражением (1), позволяет перевести вертикальные колебания корпуса с червяком, прерывателем, формующей головкой, подшипником, пружиной, валиком, съемной крышкой и перерабатываемым материалом в резонансный режим вертикальных колебаний перерабатываемый материал внутри корпуса и формующей головки. Резонансный режим колебаний соответствует резкому возрастанию амплитуды вертикальных колебаний, что в большей степени способствует уменьшению эффективной вязкости пластичной, пастообразной, структурированной перерабатываемой среды, обладающей неньютоновскими свойствами, а значит способствует увеличению скорости ее движения в корпусе и формующей головке и росту производительности. Корпус с расположенными в нем червяком, прерывателем, формующей головкой, подшипником, пружиной, валиком, съемной крышкой и перерабатываемым материалом, имеющими массу m, вместе с цилиндрическими пружинами образуют пружинный маятник, обладающий собственной частотой колебаний:
где m/n - масса, приходящая на одну пружинку [С.П. Мясников, Т.Н. Осанова. Пособие по физике. - М.: Высшая школа, 1988, с. 339].
При скорости вращения червяка «прерыватель вращается с той же скоростью, а гидроклин, образующий при каждом обороте прерывателя, когда большая ось овала прерывателя пересекает малую ось эллипса формующей головки, приводит к гидроудару, частота которого совпадает со скоростью вращения червяка:
Приравнивая правые части уравнений (2) и (3) после алгебраических преобразований, получаем выражение (1) для упругости каждой цилиндрической пружины, обеспечивающей резонансный режим колебаний корпуса с червяком, прерывателем, формующей головкой, подшипником, пружиной, валиком, съемной крышкой и перерабатываемым материалом, с большой амплитудой.
Таким образом, установка корпуса на цилиндрических пружинах, каждая из которых обладает упругостью, описываемой выражением (1), позволяет перевести режим работы экструдера для получения гранул в резонансный режим колебаний перерабатываемой среды, находящейся внутри корпуса, и в формующей головке, что позволяет значительно снизить эффективную вязкость пластичных, пастообразных, структурированных перерабатываемых сред, обладающих неньютоновскими свойствами, увеличить скорость их переработки, а значит повысить производительность.
На фиг. 1 показан продольный разрез экструдера, корпус которого установлен на цилиндрических пружинах; на фиг. 2 - поперечное сечение формующей головки с прерывателем в сечении А-А фиг. 1.
Экструдер для получения гранул содержит цилиндрический корпус 1, расположенные в корпусе червяк 2 и прерыватель 3 овальной формы, укрепленный на конце червяка 2, формующую головку 4, укрепленную на торце корпуса 1 и имеющую поперечное сечение в форме эллипса, выпускные отверстия 5, расположенные симметрично на малой оси эллипса формующей головки 4, при этом размер большой оси овала прерывателя 3 равен внутреннему размеру малой оси эллипса формующей головки 4. Экструдер снабжен приводом вращения 6, вал которого соединен с червяком 2 посредством муфты 7, а прерыватель 3 закреплен на конце червяка 2 посредством пружины 8. Торец корпуса 1 закрыт съемной крышкой 9, в которой установлен подшипник 10, при этом прерыватель 3 снабжен валиком 11, закрепленным в этом подшипнике 10. Корпус 1 установлен на цилиндрических пружинах 12, каждая из которых имеет упругость а, описываемую выражением (1).
Экструдер работает следующим образом. Перерабатываемый материал подается червяком 2 к выпускным отверстиям 5 формующей головки 4, имеющей поперечное сечение внутренней поверхности в форме эллипса. Прерыватель 3 получает вращение от привода вращения 6 червяка 2 через муфту 7, червяк 2 и цилиндрическую пружину 8. Так как прерыватель 3 имеет овальную форму, то он образует канал переменного сечения, то запирающего выпускные отверстия 5, как показано на фиг. 2, так как размер малой оси эллипса формующей головки 4 равен размеру большой оси овала прерывателя 3, то открывающего их. Когда выпускные отверстия 5 открыты, перерабатываемый материал проходит сквозь них наружу, когда закрыты - подача перерабатываемого материала прекращается, и образующиеся гранулы отделяются от выпускных отверстий 5. При вращении прерывателя 3, закрепленного посредством пружины 8 на торце червяка 2, из-за образующегося гидроклина между овальной поверхностью прерывателя 3 и поперечным сечением в форме эллипса формующей головки 4 прерыватель 3 то замедляет свое движение с накоплением упругой энергии в пружине 8, то ускоряет движение. Периодическое колебательное вращение прерывателя 3 приводит к снижению эффективной вязкости и колебаниям давления, которое не только увеличивает скорость движения перерабатываемого материала, а значит и производительность, но и уплотняет перерабатываемый материал, находящийся в отверстиях 5, с получением на выходе гранул с гладкой поверхностью и однородных по форме и размерам. Дополнительная опора червяка 2 и прерывателя 3, образованная валиком 11 с подшипником 10, не позволяет гребням червяка 2 соприкасаться при вращении с рабочей внутренней поверхностью корпуса 1, что увеличивает срок службы экструдера, а значит его производительность. Кроме того, при вращении прерывателя 3 гидроклин, образующий при каждом обороте прерывателя 3, приводит к гидроударам, частота которых совпадает со скоростью вращения ϖ червяка 2, а так как оно еще и совпадает с собственной частотой колебаний каждой цилиндрической пружины 12, образующей пружинный маятник с массой, равной массе m, корпуса 1 с червяком 2, прерывателем 3, формующей головкой 4, подшипником 10, пружиной 8, валиком 11, съемной крышкой 9 и перерабатываемым материалом. Такое совпадение частот вынужденных колебаний гидроударов, возникающих между формующей головкой 4 и прерывателем 3, и собственным частот колебаний каждой цилиндрической пружины 12 приводит к резонансному режиму вертикальных колебаний с большой амплитудой перерабатываемой среды, находящейся в корпусе 1 и в формующей головке 4, что уменьшает эффективную вязкость пластичных, пастообразных, высоковязких, структурированных веществ, обладающих неньютоновскими свойствами, и приводит к росту производительности.
Пример. Масса цилиндрического корпуса 1 с червяком 2, прерывателем 3, формующей головкой 4, подшипником 10, пружиной 8, валиком 11, съемной крышкой 9 и перерабатываемым материалом составляет m=560 кг. Число пружин 12 n=4, скорость вращения червяка 2 составляет ω=12 об/с.
Согласно выражению (1) упругость каждой из 4-х пружин 12 должна быть:
.
Это значит, что под действием силы 81 H каждая из пружин 12 деформируется в статическом состоянии на 1 мм.
Согласно уравнению (2) собственная частота колебаний пружинного маятника:
,
то есть собственная частота вертикальных колебаний корпуса 1 с червяком 2, прерывателем 3, формующей головкой 4, подшипником 10, пружиной 8, валиком 11, съемной крышкой 9 и перерабатываемым материалом, находящимся внутри корпуса 1, и формующей головкой 4 совпадает с частотой гидроударов, в гидроклине, образующемся при каждом обороте червяка 2 и валика 11, то есть совпадает со скоростью вращения а червяка 2 и валика 11. Это совпадение частот вызывает резонансные вертикальные колебания с большой амплитудой перерабатываемого материала, находящегося внутри корпуса 1 и формующей головки 4, разрушающих структуру структурированных материалов и уменьшающих эффективную вязкость пластичных, пастообразных высоковязких сред, обладающих неньютоновскими свойствами, это приводит к увеличению скорости движения таких сред внутри корпуса 1 и формующей головки 4 и возрастанию производительности при получении гранул.