ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЕПАРАТОР
DIELECTRIC SEPARATOR

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано для разделения сыпучих семенных смесей.
Известен диэлектрический сепаратор (а.с. СССР №829190). Сепаратор содержит питатель, рабочий орган, выполненный в виде барабана из диэлектрика и расположенный под углом к горизонту, систему электродов с чередующейся полярностью, приемники продуктов разделения, причем внутри поверхность барабана выполнена с пазами, в которых размещены электроды, диэлектрическое покрытие нанесено на внутреннюю поверхность барабана.
Недостатком известного устройства является низкое качество сепарации, высокие затраты энергии на нее и небольшая производительность.
В известном устройстве электроды расположены вдоль барабана с одинаковым расстоянием (шагом) между ними. Разделить ворох зерна (сыпучую семенную смесь), состоящий более чем из двух компонентов разного размера (фракций), этот сепаратор не может, что снижает качество сепарации. То есть этот сепаратор разделяет семена, размер и вес (масса) которых позволяет силе электрического поля, возникающего между электродами чередующейся полярности, притягивать и удерживать семена на внутренней поверхности барабана, от семян, масса которых больше, чем сила их притяжения к внутренней поверхности барабана. Поэтому семенной ворох (сыпучую семенную смесь) сепаратор (за один проход через него) разделяет без фракционирования, что сильно снижает качество сепарации. Для разделения семенной смеси на фракции в данном сепараторе проводят ступенчатое сепарирование, то есть семенную смесь пропускают через сепаратор несколько раз, используя различные режимы, заключающиеся в изменении напряжения электрического поля и частоты вращения барабана. В результате чего снижается производительность и увеличиваются затраты энергии (электроэнергии). Затраты энергии увеличивает и то, что в данном устройстве электроды располагаются по всему периметру барабана, что делает его более энергоемким и тяжелым. То есть энергия тратится не только на повторное сепарирование, но и на вращение более тяжелого барабана.
Известен диэлектрический сепаратор (а.с. СССР №1242238) - прототип, который содержит диэлектрический барабан с пазами на внутренней поверхности, установленный под углом к горизонту, питатель, размещенный внутри барабана, электроды чередующейся полярности, расположенные в пазах, и приемник продуктов разделения, установленный в барабане, причем пазы выполнены по окружности барабана и имеют переменный шаг, увеличивающийся по ходу движения материала, а приемник продуктов разделения имеет перегородки, размещенные поперек барабана. При этом электроды в данном устройстве размещены по окружности поперек барабана.
Переменный шаг электродов позволяет создавать электрическое поле по разным зонам сепарации различной силы притяжения семян, что и позволяет семена делить на фракции.
Недостатком известного устройства, как и у предыдущего аналога, является низкое качество сепарации при больших затратах энергии и небольшая производительность.
Низкое качество сепарации (разделения) сыпучих материалов (например, сыпучей семенной смеси) происходит по ряду причин. Перемещение семян (зерна) из одной зоны сепарации в другую в данном устройстве происходит за счет наклона барабана под углом к горизонту. При сепарации по мере вращения барабана в приемник для семян попадают более тяжелые зерна (семена), а остальные счищаются щеткой и просыпаются вниз для дальнейшего сепарирования. Падая вертикально вниз, зерно (семена) смещается за счет наклона барабана относительно своего первоначального положения на его внутренней поверхности на расстояние, равное углу наклона барабана, умноженного на высоту падения зерна. То есть чем больше угол наклона барабана и высота падения зерна, тем больше его перемещение в осевом направлении за один оборот барабана. При малых углах наклона барабана семена после отделения их щеткой от его поверхности падают вниз, и часть из них попадает в прежнюю зону сепарации. После чего они ложатся вторым слоем и частично закрепляются на уже притянутые электрическим полем семена. Так как они уже через другие семена закрепляются слабее, то часть из них отрывается и скатывается вниз, а другие попадают в приемники других фракций. Все это сильно снижает качество сепарации. Увеличение угла наклона барабана до двадцати градусов и выше приводит к скатыванию некоторых семян (особенно округлой формы) в нижнюю часть барабана и даже выводит часть семян за барабан, что тоже снижает качество сепарации. Приходится повторно сепарировать семена, снижая производительность сепарации.
Еще одним фактором, отрицательно влияющим на качество сепарации, является рикошет семян счищаемых щеткой и падающих на стенки барабана, который наблюдается при работе сепараторов по известным техническим решениям. При этом траектория движения семян после рикошета непредсказуема, часть из них рикошетом попадает в приемники других фракций, снижая качество сепарации. Для некоторого снижения рикошета увеличивают напряжение тока, подаваемого на электроды, тем самым увеличивая притяжение зерна к стенкам барабана и увеличивая расход энергии на сепарацию. Затраты энергии также увеличивает и тяжелый барабан, вес которому придают электроды, и очищающая щетка, которая в процессе работы притормаживает его.
Таким образом, технический результат заключается в улучшении качества сепарации при снижении затрат энергии и увеличении производительности.
Технический результат достигают тем, что диэлектрический сепаратор, содержащий выполненный из диэлектрика вращающийся барабан, электроды чередующейся полярности, питатель, приемники продуктов разделения, отличается тем, что вращающийся барабан установлен горизонтально и размещен внутри наружного полого статора в форме подковы в поперечном сечении, который неподвижно закреплен и разделен на несколько зон сепарации по ходу движения материала, каждая из которых имеет систему электродов чередующейся полярности с измененным шагом, при этом верхний и нижний концы статора в поперечном сечении смещены на угол 10° от его вертикальной оси, а приемники продуктов разделения крупной и мелкой фракций размещены парами параллельно друг другу внутри вращающегося барабана в каждой зоне сепарации, а продольные ближние концы каждой пары соединены между собой и расположены под верхним окончанием статора, причем приемники крупной фракции снабжены выводами зерна за пределы барабана, а мелкой фракции - в следующую зону сепарации, при этом приемник мелкой фракции, расположенный в последней зоне сепарации, снабжен выводом зерна за пределы барабана.
Таким образом, предложенное устройство содержит выполненный из диэлектрика вращающийся барабан, установленный горизонтально. В этом барабане происходит сепарация (разделение) сыпучей семенной смеси.
Вращающийся барабан установлен горизонтально. Горизонтальное положение барабана позволяет не скатываться части семян (особенно округлой формы) по уклону барабана (как у вышеприведенных аналогов) в следующие зоны сепарации и не попадать им в другие приемники и другие фракции, а также не выпадать наружу барабана. Движение зерновой смеси (сыпучей семенной смеси) по барабану у представленного решения задачи обеспечивается не наклоном барабана, как у аналога и прототипа, а системой приемников мелкой фракции, снабженных выводами зерна (сыпучей семенной смеси) в следующие зоны сепарации, что позволяет улучшить качество сепарации (табл. 2), положительно влияя на достижение технического результата.
Горизонтальное положение барабана совместно с системой приемников и выводов зерна в следующие зоны сепарации позволяет избежать падения зерна и его ударов о стенки барабана, как у вышеприведенных аналогов, то есть избежать рикошет зерен, что тоже улучшает качество сепарации, положительно влияя на достижение технического результата предложенным решением задачи.
Вращающийся барабан размещен внутри наружного полого статора в форме подковы в поперечном сечении, который неподвижно закреплен и разделен на несколько зон сепарации по ходу движения материала (сыпучей семенной смеси), каждая из которых имеет систему электродов чередующейся полярности с измененным шагом. Данные признаки тоже являются существенными и способствуют достижению представленным решением задачи технического результата.
Вращающийся барабан в данном случае не имеет электродов, то есть он облегчен и его масса (вес) значительно меньше, чем вес барабанов по представленным выше аналогичным техническим решениям. В том числе из-за этого на работу сепаратора уходит на 5-7% меньше энергии (электроэнергии), чем по аналогичным техническим решениям, что положительно влияет на достижение технического результата предложенным устройством.
Переменный шаг электродов (расстояние между ними) необходим для улучшения сепарации, то есть для деления зерновой смеси на фракции (в каждой зоне сепарации свой шаг электродов, обеспечивающий разной силы притяжение семян). Чередующаяся полярность электродов необходима для создания статором электрического поля, которое обеспечивает притяжение зерна к внутренней поверхности вращающегося внутри статора полого барабана. То есть полый внутренний барабан вращается в электрическом поле, созданном электродами статора, который закреплен неподвижно, а значит, и электроды, расположенные внутри него, также находятся в неподвижном состоянии.
Верхний и нижний концы статора в поперечном сечении смещены на угол 10 градусов от его вертикальной оси, а приемники продуктов разделения крупной и мелкой фракций размещены парами параллельно друг другу внутри вращающегося барабана в каждой зоне сепарации, а продольные ближние концы каждой пары соединены между собой и расположены на продольной оси барабана, причем приемники крупной фракции снабжены выводами зерна за пределы барабана, а мелкой фракции - в следующую зону сепарации, при этом приемник мелкой фракции, расположенный в последней зоне сепарации, снабжен выводом зерна за пределы барабана. Эти признаки тоже являются существенными и в совокупности с другими признаками позволяют представленному решению задачи достичь технический результат.
Нижний конец статора в поперечном сечении смещен на угол 10° (фиг. 2) от его вертикальной оси, потому что в таком параметре лучше и надежнее осуществляется «захват» каждого семени электрическим полем статора на внутренней поверхности вращающегося барабана, так как в этом случае зерновая смесь более равномерно распределяется в зоне сепарации (семя не притягивается к внутреннему барабану через другие семена, а притягивается непосредственно к его поверхности) (табл. 1).
Верхний конец статора в поперечном сечении смещен на угол 10° (фиг. 2) от его вертикальной оси, потому что в таком параметре более качественно разделяются (сепарируются) семена, «захваченные» электрическим полем статора в зонах сепарации (табл. 1).
Приемники продуктов разделения крупной и мелкой фракций размещены парами параллельно друг другу внутри вращающегося барабана в каждой зоне сепарации, а продольные ближние концы каждой пары соединены между собой и расположены под верхним окончанием статора. Притянутые электрическим полем, образуемым электродами статора, к внутренней поверхности вращающегося барабана семена посредством вращательных движений вращающегося внутри статора барабана поднимаются вверх, где под действием силы тяжести, пересиливающей силу притяжения электрического поля электродов статора, семена отрываются от поверхности барабана и падают вниз в приемник крупной фракции семян. Более мелкие и легкие семена имеют меньшую тяжесть и вращаются с барабаном далее (сила притяжения электрического поля, создаваемого электродами статора, в этом случае больше силы тяжести, воздействующей на них). Семена вместе с вращающимся барабаном доходят до окончания электродов статора, а значит, и электрического поля, которое больше их не удерживает на внутренней поверхности вращающегося барабана, и падают в приемник мелкой фракции. При этом сепарация осуществляется в каждой зоне сепарации, проходя которые, зерновая смесь делится (сепарируется) на фракции по массе. Поэтому приемники продуктов разделения крупной и мелкой фракций размещены парами параллельно друг другу внутри вращающегося барабана (где и происходит сепарация) в каждой зоне сепарации, которые различаются шагом электродов (расстоянием между электродами), а значит, силой притяжения семян к барабану. Продольные, ближние концы каждой пары соединены между собой для того, чтобы падающее сверху зерно не попадало между концами, падая в низ барабана, забивая его и ухудшая качество сепарации, требуя дополнительных затрат энергии на дополнительную сепарацию.
Продольные, ближние концы каждой пары соединены между собой и расположены под верхним окончанием статора. Располагают их под верхним окончанием статора потому, что электрическое поле, притягивающее семена к внутренней поверхности вращающегося барабана, заканчивается как раз вместе с окончанием статора. Поэтому крупные и тяжелые семена падают под действием силы тяжести, пересиливающей силу их притяжения, в приемник крупной фракции, находящийся под статором, а более мелкие и легкие падают сразу после верхнего окончания статора там, где отсутствует электрическое поле, в приемник семян мелкой фракции.
Причем приемники крупной фракции снабжены выводами зерна (семян) за пределы барабана, а мелкой фракции - в следующую зону сепарации. Приемники крупной фракции выводят отфракционированное (отсепарированное) по весу (массе) зерно за пределы барабана, а мелкой фракции - в следующую зону сепарации для дальнейшего сепарирования. Такое многократное сепарирование (фракционирование) также улучшает качество сепарации (табл. 2) и способствует достижению технического результата. К тому же при такой конструкции диэлектрического сепаратора, по сравнению с вышеприведенными аналогами, отсутствует падение зерна, счищаемого щеткой, из верхней части барабана в нижнюю (в предложенном устройстве оно доставляется по наклонно расположенным выводам зерна мелкой фракции в нижнюю часть вращающегося барабана в следующие зоны сепарации), что позволяет избежать рикошет зерен и улучшить качество сепарации.
Приемник мелкой фракции, расположенный в последней зоне сепарации, снабжен выводом зерна за пределы барабана. После прохождения сыпучей семенной (зерновой) смесью последней зоны сепарации от нее остаются практически отходы, которые, оставаясь в барабане, могут только забить его, ухудшив качество сепарации, поэтому они выводятся за пределы барабана.
Таким образом, каждый существенный признак необходим, а их совокупность достаточна для достижения предложенным решением задачи технического результата.
Представленное техническое решение поясняют два чертежа, где на фиг. 1 схематично изображен продольный разрез диэлектрического сепаратора. Цифрами и буквами обозначены: 1 - вращающийся барабан; 2 - статор; 3 - вывод зерна (семян) в следующую зону сепарации из приемника мелкой фракции; 4 - ввод зерна (семян) в первую зону сепарации барабана; 5 - выводы зерна (семян) из приемников крупной фракции; 6 - вывод зерна (семян) из последнего приемника мелкой фракции за пределы барабана; 7 - электроды с переменным шагом, С - шаг между электродами.
На фиг. 2 схематично изображен поперечный разрез диэлектрического сепаратора, где цифрами и буквами обозначены: 1 - вращающийся барабан; 2 - статор; 7 - электроды статора; 8 - приемник крупной фракции; 9 - приемник мелкой фракции; L - пассивный сектор сепарации; F - активный сектор сепарации.
Диэлектрический сепаратор работает следующим образом. Статор 2 (фиг. 1) сепаратора имеет несколько зон сепарации по ходу движения материала по барабану (сыпучей семенной смеси), в каждой из которых расположены электроды с определенным шагом и два приемника продуктов разделения: крупной фракции 8 (фиг. 2) или семян с большей плотностью и массой и других семян с меньшей плотностью и массой - мелких фракций 9 (фиг. 2). Семена (зерно) из питателя попадают на нижнюю часть полого вращающегося барабана 1 (фиг. 2), находящуюся в нижней части статора 2 (фиг. 1) подковообразной формы (в форме подковы), в первую зону сепарации (зон сепарации может быть от двух и больше) активного сектора сепарации F (фиг. 2), который характеризуется наличием электрического поля, создаваемого электродами статора 7 (фиг. 2). Так как в первой зоне сепарации расстояние между электродами статора самое маленькое, то здесь самая большая сила электрического поля и сила притяжения семян (зерна), далее по статору в следующих зонах сепарации по ходу движения материала (сыпучей семенной смеси) по барабану расстояние между электродами увеличивается, сила электрического поля уменьшается и уменьшается сила притяжения семян электрическим полем к барабану. Семена притягивает к внутренней поверхности вращающегося диэлектрического барабана, находящегося внутри статора, электрическое поле статора. Вращающийся барабан перемещает притянутые электрическим полем к его внутренней поверхности семена (по мере вращения барабана) в верхнюю часть. Здесь под действием силы тяжести семена с большей массой отделяются от барабана и падают в приемник семян крупной фракции 8 (фиг. 2). Семена (зерно) с меньшим весом (массой) остаются притянутыми к внутренней поверхности барабана и передвигаются с его вращением далее до окончания статора. Начиная с этого места, электроды статора отсутствуют, отсутствует и электрическое поле, создаваемое ими. Заканчивается активный сектор сепарации F (фиг. 2) и начинается пассивный сектор сепарации L (фиг. 2). Семена больше не удерживаются притяжением электрического поля на внутренней поверхности вращающегося диэлектрического барабана и падают под действием силы тяжести в приемник семян мелкой фракции продуктов разделения 9 (фиг. 2). Приемники семян крупной и мелкой фракций располагают парами в каждой зоне сепарации барабана параллельно друг другу. Их продольные ближние концы соединены между собой и расположены под окончанием статора. Соединены их продольные ближние концы между собой для того, чтобы между приемниками не было щели (продольного отверстия), в которую может попасть часть особенно мелких семян, упасть внутрь барабана, ухудшить качество сепарации и увеличить расход энергии на нее. Поэтому в приемник семян крупной фракции попадают только тяжелые и плотные семена. В приемник семян мелкой фракции попадают все остальные семена и поступают через вывод зерна (семян) 3 (фиг. 1) далее в нижнюю часть вращающегося барабана в следующую зону сепарации, где процесс повторяется, только отделяются (сепарируются) уже семена меньшей массы и размера.
Зоны сепарации отличаются друг от друга разным расстоянием (шагом) между электродами, а значит, и разной силой электрического поля, которое создает разную силу притяжения семян к внутренней поверхности вращающегося барабана. В начале (в первой зоне сепарации) шаг между электродами самый маленький и сила притяжения семян к барабану самая большая. Здесь к барабану притягиваются все семена. Отделяются же в первой зоне сепарации под действием силы тяжести самые тяжелые. Далее по зонам сепарации отделяются семена с меньшей массой, а после прохождения семенным ворохом (сыпучей семенной смесью) всех зон сепарации остатки сыпучей семенной смеси из последнего приемника мелкой фракции через вывод семян 6 (фиг. 1) выводятся наружу барабана.
Работу сепаратора регулируют изменением электрического напряжения тока, подаваемого на электроды, и скоростью вращения барабана (полого барабана). При работе предложенного устройства улучшается качество сепарации, уменьшаются затраты энергии на сепарирование и увеличивается производительность, так как качество сепарации семенной смеси достигает 95% (табл. 2) и необходимость повторного сепарирования, как у вышеприведенных аналогов, отпадает, что и увеличивает производительность.