Способ подачи сыпучего твердого криогенного вещества в поток сжатого воздуха и устройство для его осуществления
METHOD FOR FEEDING BULK SOLID CRYOGENIC SUBSTANCE INTO COMPRESSED AIR STREAM AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники
Заявленное изобретение относится к машиностроению, в частности к устройствам для очистки поверхностей от загрязнений, и может найти применение в различных областях промышленности: автомобилестроении, авиастроении, кораблестроении, атомной промышленности, литейном производстве, машиностроении, химической и нефтегазовой, пищевой, полиграфии, легкой, энергетике и электронике. А именно для очистки насосов и резервуаров, нефтепромыслового оборудования; удаление различных органических покрытий и загрязнений (лаки, краски, масла, воск, мастика, плесень, водоросли, клей, сажа и другие отложения); очистки от ржавчины; удаления граффити со стен; очистки электротехнического оборудования: генераторов, электродвигателей, вентиляторов, компрессоров, радиаторов, печатных плат; очистки пресс-форм, изложниц, стержневых ящиков в литейной промышленности; очистки автомобильных узлов на автомойках; очистки технологического оборудования в пищевой промышленности; удаление радиоактивных загрязнений. При этом очищаемая поверхность может быть металлической, стеклянной, пластмассовой, резиновой, из кирпича и т.д.
Уровень техники
Очистка сухим льдом эффективно используется в широком спектре практического применения - от удаления шлака до очистки печатных плат. Этот способ очистки может быть с успехом использован для эксплуатирующегося оборудования без повреждения и демонтажа, что значительно снижает время его простоя.
В отличие от обычных токсичных химических веществ, воды под высоким давлением и абразивной очистки, при криогенной очистке используются сухие частицы льда в потоке воздуха с высокой скоростью. При этом нет технологических неудобств, связанных с обработкой вторичного сырья и утилизации отходов. Физика процесса очистки углекислотой заключается в следующем. Частицы сухого льда ускоряются в носителе, в качестве которого используется сжатый воздух. В этом струйная очистка сухим льдом в принципе аналогична пескоструйной обработке. Так как сухой лед имеет относительно низкую плотность, процесс основан на высокой скорости частиц для получения необходимой энергии удара. При столкновении с поверхностью сухой лед сублимирует (испаряется), при этом происходит чрезвычайно быстрый процесс теплообмена между гранулами льда и поверхностью. Влага при испарении сухого льда не образуется. Затем газ расширяется в сотни раз по сравнению с объемом гранулированного сухого льда в течение нескольких миллисекунд, вызывая микровзрыв в точке удара, в результате чего загрязнение разрушается. Из-за большой разности температур между частицами льда и очищаемой поверхностью происходит также тепловой удар, разрушающий загрязняющее покрытие. Это явление особенно ярко проявляется при обработке неметаллического покрытия, например, лакокрасочного на металлической подложке.
Системы дробеструйной очистки существуют уже несколько десятилетий. Как правило, частицы, подают в поток транспортировочного газа и транспортируют в виде захваченных частиц в дутьевую форсунку, из которой частицы выходят, направляясь к заготовке или другой цели.
Из уровня техники известно устройство для струйной обработки сухим льдом (WO 2015040072 A1, опубл. 26.03.2015). Устройство содержит средство подачи сжатого воздуха, которое выполнено в виде линии подачи сжатого воздуха и управляющего контроллера для управления расходом и давлением потока сжатого воздуха в линии сжатого воздуха в замкнутом и/или разомкнутом режиме; устройство для хранения и подачи сухого льда и колесо для объединения сжатого воздуха из линии сжатого воздуха с определенным количеством сухого льда для получения смеси сжатого воздуха и сухого льда. Устройство для создания турбулентного потока в потоке сжатого воздуха расположено в области линии сжатого воздуха между управляющим контроллером и шлюзом колеса.
Из уровня техники (US 4389820 A, опубл. 1983-06-28) известна дробеструйная машина, использующая сублимируемые частицы. Известное устройство включает в себя формовочное средство для производства частиц, имеющих, по существу, одинаковую длину, дозирующее средство для приема частиц и для введения частиц в поток газа для транспортировки низкого давления и сопло для ускорения частиц и обеспечения сопряженного с ним потока газа с низкой скоростью и высоким давлением. Сопло выполнено с возможностью преобразования потока газа с низкой скоростью и высоким давлением в поток газа с высокой скоростью и низким давлением. Трубопровод, соединенный с соплом и дозирующим средством, принимает частицы и вводит частицы в высокоскоростной поток газа низкого давления внутри сопла, который захватывает частицы и ускоряет их до высокой скорости на выходе.
Из уровня техники известно устройство струйной очистки гранулами (US 4947592 A, опубл. 1990-08-14). Известное устройство содержит корпус, определяющий внутреннюю полость, имеющую разнесенные станции приема и выгрузки гранул, и радиальный транспортный ротор для транспортировки гранул из приемной станции до станции выгрузки. Радиальный транспортный ротор дополнительно включает в себя множество транспортных полостей, каждая из которых образована на периферийной поверхности радиального транспортного ротора для приема гранул для радиального перемещения между приемной и разгрузочной станцией. Приемная станция сообщается с источником сублимируемых гранул.
Многие известные из уровня техники устройства выполнены с вращающимися роторами, выполненными с полостями или карманами для транспортировки гранул в поток транспортируемого газа. В контакте с поверхностью ротора используются части корпуса, представляющие собой уплотнения. В уплотнениях выполнены полости или карманы. Такие уплотнения обычно прижимаются к поверхности ротора независимо от того, вращается ли ротор или работает ли система. Усилие уплотнения приводит к сопротивлению уплотнения, создавая момент сопротивления, который должен быть преодолен двигателем, вращающим ротор. Когда крутящий момент передается на вращение ротора, на двигателе возрастает значительная пусковая нагрузка, влияющая на размер и износ двигателя. Роторы большого диаметра предшествующего уровня техники также обеспечивают значительный моментный рычаг, через который сопротивление уплотнения создает значительный крутящий момент.
В известных из уровня техники роторах выполнены карманы, образованные на периферийной поверхности ротора. Недостатком известных роторах является неполная выгрузка гранул из карманов. Кроме того, расстояние между карманами и отсутствие тщательного, равномерного смешивания транспортного газа и гранул в питателе приводит к появлению импульсов.
Сущность изобретения
Задачей, решаемой заявленным изобретением, является создание надежного и высокопроизводительного устройства для очистки сухим льдом, в котором будет обеспечена максимальная выгрузка гранул сухого льда из карманов.
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении надежности и в повышении производительности процесса очистки сухим льдом, за счет увеличения расхода гранул сухого льда с порционном валом с одинаковой рабочей площадью, а также за счет дробления гранул в области смешения за счет вихревого потока сжатого воздуха, и уменьшения риска закупоривания за счет больших каналов течения воздуха.
Надежность зависит от снижения риска закупориваемости гранулами сухого льда его частицами узких пространств и проходных сечений в блоке подачи гранул в тракт сжатого воздуха и критического сечения сопла (1) для очистки. Гранулы сухого льда, используемые для очистки, традиционно выполнены диаметром 3 мм и длиной 15-30 мм, что может приводить к закупориванию.
На производительность очистки влияет расход подачи гранул в тракт сжатого воздуха. Поэтому при одной и той же рабочей площади порционного вала расход можно увеличить за счет оптимального количество и объема каждого паза, но главным показателем является скорость вращения порционного вала. При этом чем выше скорость вращения, тем меньше времени паз с гранулами пребывает в области течения воздуха, поэтому для обеспечения должного вымывания гранул из пазов требуется более интенсивный потока воздуха, которая устремляется в пазы и вымывает гранулы.
Также на риск закупоривания и скорость очистки влияет наличие узких мест, через которые протекает воздух, так как воздух имеет обычно влажность, то влага имеет свойство при контакте с гранулами сухого льда превращаться в водяной лед, который нарастает на поверхностях узких щелей и тем самым уменьшает проходное сечение, что приводит к повышению гидравлического сопротивления и уменьшению давления (агрессивности) очистки.
Технический результат заявленной группы изобретения достигается за счет того, что устройство подачи сыпучего твердого криогенного вещества в поток сжатого воздуха, выполненное с возможностью подачи гранул твердого криогенного вещества из бункера в поток сжатого газа, содержащее, корпус, выполненный с входным и выходным каналами для потока сжатого воздуха, герметично установленное в корпус нижнее уплотнение, порционный вал, установленный в нижнее уплотнение и выполненный с возможностью вращения вокруг оси вращения, при этом указанный порционный вал выполнен с периферийной поверхностью, в которой сформировано множество разнесенных пазов, а в нижнем уплотнении выполнен сквозной продольный канал, выполненный с возможностью обеспечения беспрепятственного протекания сжатого воздуха вдоль порционного вала от входного канала к выходному каналу с обеспечением вымывания гранул твердого криогенного вещества из пазов порционного вала за счет вихревого движения сжатого воздуха, при этом сквозной продольный канал ограничен снизу корпусом и по бокам нижним уплотнением, а сверху порционным валом, при этом входной канал выполнен таким образом, что ось входного канала расположена перпендикулярно оси сквозного продольного канала нижнего уплотнения и смещена относительно оси сквозного продольного канала по вертикальной плоскости.
В частном случае реализации заявленного технического решения входной и выходной каналы выполнены таким образом, что оси каналов смещены друг относительно друга в горизонтальной плоскости.
В частном случае реализации заявленного технического решения выполнено с двумя входными каналами.
В частном случае реализации заявленного технического решения входной канал и сквозной продольный каналы выполнены таким образом, что обеспечивают движение потока сжатого воздуха с двойным изменением направления потока, при этом переход от канала к каналу выполнен с радиусами закругления.
В частном случае реализации заявленного технического решения входные и выходные каналы, а также сквозной продольный канал выполнены с переменным сечением и/или формой по длине канала.
В частном случае реализации заявленного технического решения в нижней части нижнего уплотнения выполнены пассивные пазы, соединенные с каналом для потока сжатого воздуха.
В частном случае реализации заявленного технического решения нижнее уплотнение выполнено с непрерывным замкнутым пазом по своей периферийной поверхности в который установлено уплотнительное кольцо.
В частном случае реализации заявленного технического решения дополнительно содержит верхнее уплотнение, установленное на нижнее уплотнение и выполненное с поверхностью, контактирующей с периферийной поверхностью порционного вала и снабженное крышкой, в которой дополнительно установлены средства для перемешивания гранул твердого криогенного вещества, совершающие возвратно-поступательные действия за счет пневмоцилиндров.
В частном случае реализации заявленного технического решения порционный вал выполнен с двумя рядами окружных пазов, при этом каждый окружной ряд содержит шесть пазов.
В частном случае реализации заявленного технического решения пазы в порционном валу выровнены по угловому смещению на 360 градусов вокруг оси и имеют вид вычитаемой из тела порционного вала выдавленной призмы вдоль оси порционного вала, при этом осевой и окружной ряды расположены таким образом, что осевая и окружная ширины пазов перекрывают, но не пересекаются друг с другом.
В частном случае реализации заявленного технического решения порционный вал установлен на подшипниках, а вращение порционного вала осуществлено за счет мотор-редуктора, с которым порционный вал соединен через упругую муфту.
В частном случае реализации заявленного технического решения подшипники установлены в стенках, расположенных с торцевых поверхностей корпуса блока подачи, при этом в одной стенке выполнена крышка для обеспечения возможности извлечения порционного вала в сторону противоположную от мотор-редуктора.
Технический результат заявленной группы изобретения достигается также за счет того, что способ подачи сыпучего твердого криогенного вещества в поток сжатого воздуха, включает этапы, на которых подают гранулы твердого криогенного вещества в область над порционным валом; подают гранулы в пазы порционного вала; обеспечивают постоянное вращение порционного вала и перемещают гранулы твердого криогенного вещества в область под давлением; подают в блок подачи гранул сжатый воздух с обеспечением движение потока сжатого воздуха с двойным изменением направления потока, и создают завихрение потока сжатого воздуха и вихревым потоком сжатого воздуха вымывают гранулы твердого криогенного вещества из пазов порционного вала, при этом создают давление в пассивных пазах нижнего уплотнения и обеспечивают герметичное уплотнение порционного вала.
В частном случае реализации заявленного технического решения обеспечивают движения потока сжатого воздуха по горизонтальной прямой, далее обеспечивают резкий поворот в сторону вертикального направления и осуществляют резкий поворот в сторону горизонтального направления.
В частном случае реализации заявленного технического решения осуществляют повороты движения потока на 90 градусов.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
На Фиг. 1 - изображено мобильное устройство для очистки сухим льдом;
На Фиг. 2 - общий вид мобильного устройства для очистки сухим льдом;
На фиг. 3 - изображен блок подачи гранул в разобранном виде с мотор-редуктором;
На фиг. 4 - изображен блок подачи гранул в разобранном виде;
На фиг. 5 - изображен разрез корпуса блока подачи гранул с установленным нижним уплотнением и порционным валом;
На фиг. 6 - изображен вид сверху на блок подачи гранул и мотор-редуктор;
На фиг. 7 - изображен вид А-А и В-В фиг. 6;
На фиг. 8 - изображен вид С-С фиг. 6;
На фиг. 9 - изображен вариант с двумя входными и одним выходным каналами, при этом данный в данном варианте технического решения входные каналы могут быть выполнены выходными, а выходной канал выполнен в виде входного;
На фиг. 10 - изображен вариант направления траектории сжатого воздуха в блоке подачи гранул;
На фиг. 11 - изображен вариант направления траектории сжатого воздуха в блоке подачи гранул;
На фиг. 12 - изображены вихревые линии тока движения среды для настоящего изобретения с широким каналом. Изометрия.
На фигурах цифрами обозначены следующие конструктивные элементы:
1 - сопло; 2 - быстроразъемное соединение; 3 - ручка; 4 - быстроразъемное соединение; 5  -ручки мобильной установки; 6 - мобильная установка, содержащее устройство для очистки сухим льдом; 7 - люк ; 8 - пульт управления ; 9 - вилка питания; 10 - щель; 11 - элементы управления; 12 - курок; 13 - быстроразъемное соединение; 14 - струйный шланг; 15 - кабель управления; 16 - быстроразъемное соединение; 17 - быстроразъемное соединение; 18 - колеса с поворотным стопором; 19 - съемные дверцы; 20 - пневматические колеса; 21 - быстроразъемное соединение для подключения струйного шланга ; 22 - блок подачи гранул; 23 - гибкий рукав для подачи гранул из бункера; 24 - регулятор давления; 25 - бункер для хранения гранул; 26 - подвеска бункера; 27 - быстроразъемное соединение; 28 - фильтр; 29 - ниппель подключения источника воздуха; 30 - корпус; 31 - стенка внутренняя; 32 - стенка внешняя; 33 - подшипники; 34 - кольцо уплотнительное; 35 - нижнее уплотнение; 36 - верхнее уплотнение; 37 - порционный вал; 38 - крышка; 39 - плита; 40 - труба; 41 - стакан; 42 - муфта; 43 - вал приводной; 44 - мотор редуктор; 45 - вкладыш; 46 - крышка вкладыша; 47 - штуцер; 48 - пневмоцилиндр; 49 - втулка; 50 - бампер; 51 - внешняя цилиндрическая поверхность порционного вала; 52 - паз порционного вала; 53 - периферийная поверхность нижнего уплотнения; 54 - непрерывный замкнутый паз; 55 - внутренняя поверхность корпуса; 56 - цилиндрическая поверхность; 57 - пассивные пазы; 58 - сквозной канал; 59 - входной канал; 60 - выходной канал; 61 - отверстия для крепления; 62 - фаска; 63 - хвостовик; 64 - прямое направление движения потока сжатого воздуха; 65 - вертикальное направление движения потока сжатого воздуха; 66 - горизонтальное направление движения потока сжатого воздуха; 67 - стенка.
Раскрытие изобретения
В общем виде устройство подачи сыпучего твердого криогенного вещества в поток сжатого воздуха может быть выполнено стационарно, а может быть выполнено в виде мобильной установки. Пример такой мобильной установки приведен на фиг. 1 и фиг. 2. Описание, приведенное ниже, показывает пример исполнения такой мобильной установки.
Мобильное устройство выполнено на раме, установленной на колесах. Внутри, в верхней части рамы размещен бункер (25) для хранения гранул твердого криогенного вещества и блок подачи (22) гранул. Блок подачи (22) гранул соединен с бункером (25) посредством гибкого рукава (23). Бункер (25) закреплен на раме посредством подвесов (26).
Установка выполнена с возможностью подачи сжатого воздуха в блок подачи (22) гранул. Для этого установка снабжена патрубками, расположенными внутри установки. Установка снабжена ниппелем (29) для подключения источника сжатого воздуха. Ниппель посредством патрубка соединен с фильтром (28). Фильтр (28) необходим для фильтрации и отвода капельной влаги из сжатого воздуха. При этом патрубки и фильтр (28) снабжены быстроразъемным соединением (27) для съема фильтра. Для регулирования давления поступающего сжатого воздуха в блок подачи (22) гранул установка снабжена регулятором давления (24), что обеспечивает регулирование агрессивности очистки. Установка также снабжена пневматическим быстроразъемным соединением (21) для подключения струйного шланга (14). Быстроразъемное соединение (21) установлено на выходе из блока подачи (22) гранул твердого криогенного вещества. Траектория течения сжатого воздуха внутри мобильной установки: (29-28-24-22-21).
Струйный шланг (14) соединен с соплом (1) и необходим для подачи смеси сжатого воздуха с гранулами твердого криогенного вещества к соплу (1). Сопло (1) удерживается и направляется оператором для очистки с помощью ручки (3), на которой размещены элементы управления (11) и курок (12) для начала очистки. Для быстрой смены сопел, подключения струйного шланга и кабеля управления (15) на рукоятке предусмотрено быстроразъемное соединение (2), (4), (13), (16) и (17). В мобильной установке предусмотрена панель управления (8), вилка питания (9). Колеса мобильной установки выполнены двух типов - колеса поворотные со стопором (18) и силовые пневматические колеса (20). По бокам мобильной установки расположены съемные дверцы (19).
Гранулы твердого криогенного вещества через люк (7) закладываются в бункер (25) и через гибкий рукав (23) подаются к блоку подачи (22). К блоку подачи также подключается сжатый воздух. Внутри блока подачи (22) гранулы твердого криогенного вещества смешиваются с сжатым воздухом, далее смесь через струйный шланг (14) подаются к соплу (1). В сопле (1) гранулы за счет быстрого потока воздуха ускоряются и вылетают из щели (10).
Далее приведено детальное описание со ссылками на Фиг. 3 - Фиг. 9 блока подачи (22) гранул представляющего из себя устройство подачи сыпучего твердого криогенного вещества в поток сжатого воздуха. Конструкция блока подачи (22) гранул является предметом настоящего изобретения.
Корпус (30) является базовым элементом конструкции блока подачи гранул, несет силовую нагрузку и пропускает через себя сжатый воздух, задает первый поворот потока воздуха. Корпус (30) выполнен из металла, в частном случае из алюминия.
В корпусе (30) выполнен входной канал (59) для подачи сжатого воздуха и выходной канал (60) для подачи смеси посредством шлангов к соплу (1). К входному каналу (59) и выходному каналу (60) присоединены штуцеры (47), к примеру сваркой. К штуцерам (47) входного и выходного каналов присоединены посредством быстроразъемных соединений патрубок подачи сжатого воздуха и струйный шланг (14) соответственно.
При этом в варианте реализации заявленного технического решения к штуцерам входного канала (59) может быть подсоединен струйный шланг (14) и входной канал (59) в данном варианте реализации заявленного технического решения будет являться выходным каналом, при чем к штуцеру (47) выходного канала (60) при данном варианте реализации заявленного технического решения подсоединен патрубок подачи сжатого воздуха.
Также еще один вариант реализации заявленного изобретения приведен на Фиг. 9. В данном варианте реализации заявленного технического решения выполнено два входных канала (59), к которым подключены через штуцер патрубки подачи сжатого воздуха, а выходной канал (60) при этом варианте один, к которому через штуцер подключен струйный шланг. Также данные два входных канала (59) могут быть подсоединены к двум струйным шлангам (14) и являться выходными каналами, а выходной канал в данном случае подключен к патрубку подачи сжатого воздуха и является входным каналом.
В корпусе выполнены отверстия (61), необходимые для вкручивая винтов, посредством которых на корпусе (30) зафиксированы внешняя (32) и внутренняя стенки (31).
В верхнюю часть корпуса (30) установлено нижнее (35) уплотнение. Нижнее уплотнение (35) соединено с верхним уплотнением (36) с образованием внутренней цилиндрической полости, в которую установлен порционный вал (37).
Корпус (30) соединен в внутренней (31) и внешней (32) стенками. Внутренняя стенка (31) прикреплена к корпусу (30) с помощью болтов и несет нагрузку от сжатого воздуха и удерживает подшипник (33), несет нагрузку по моменту вращения, передаваемого от мотор-редуктора (44). Внешняя стенка (32) прикрепляется к корпусу (30) с помощью болтов, несет нагрузку от сжатого воздуха, удерживает подшипник (33); позволяет вытаскивать порционный вал (37); удерживает вкладыш (45). В варианте реализации заявленного технического решения внешняя (32) и внутренняя (31) стенки корпуса (30) выполнены из металла, в частном случае из алюминия.
Корпус (30) соединен с мотор-редуктором (44) посредством стакана (41). С одной стороны стакан (41) соединен с корпусом упомянутого мотор-редуктора (44), а с другой стороны соединен с внутренней стенкой (31). Соединения стакана выполнены посредством болтового соединения.
Муфта (42) с одной стороны присоединена к приводному валу (43) мотор-редуктора (44) и зафиксирована на нем в осевом и угловом положении за счет болтов, а с другой стороны соединена с хвостовиком (63) порционного вала. Указанные соединения муфты с хвостовиком порционного вала и с приводным валом мотор - редуктора осуществлено внутри стакана (41). Муфта (42) передает момент с приводного вала (43) на хвостовик (63) порционного вала (37). Муфта (42) блокирует порционный вал (37) в осевом положении с одной стороны.
Мотор-редуктор (44) работает от электричества или сжатого воздуха для формирования вращения приводного вала (43) при необходимом моменте для проворачивания порционного вала (37) при определенном давлении сжатого воздуха, протекающего под нижним уплотнением (35).
Порционный вал (37) удерживается с возможностью вращения подшипниками (33), установленными во внешней и внутренней стенках, для вращения (33) мотор редуктором (44) вокруг оси порционного вала (37).
Порционный вал (37) одним своим торцом посредством хвостовика (63) соединен с муфтой (42), которая соединена с приводным валом (43) мотор редуктора (44). Другой торец порционного вала (37) вставлен во внутреннее кольцо подшипника (33), установленного во внешней стенке (32). Подшипник (33), установленный во внешней стенке (32) закрыт крышкой (46) через вкладыш (45). Вкладыш изготовлен из фторопласта. Посадка между подшипниками и порционным валом позволяет легко извлечь порционный вал из блока подачи гранул, сняв удерживающую крышку (46) вкладыша и вкладыш (45), и выдвинуть порционный вал (37) через подшипник (33). Порционный вал (37) имеет ось вращения и внешнюю цилиндрическую поверхность (51), по поверхности расположены на 360 градусов как минимум в один ряд как минимум один паз (52). С одного своего торца порционный вал (37) содержит хвостовик (63) для принятия момента от муфты (42). С другого торца порционного вала (37) выполнено резьбовое отверстие для обеспечения выемки. Резьбовой вал, например болт, может быть вставлен в упомянутое резьбовое отверстие для облегчения вынимания порционного вала.
Нижнее уплотнение (35) имеет по своей периферийной поверхности (53) непрерывный замкнутый паз (54) в который устанавливает кольцо (34) уплотнительное. Кольцо (34) сжимается между нижним уплотнением (35) внутри паза (54) и внутренней поверхностью (55) корпуса (30), тем самым не дает перетекать сжатому воздуху из-под нижнего уплотнения. В верхней части нижнего уплотнения (35) выполнена частично цилиндрическая поверхность (56), которой уплотнение прижимается к порционному валу (37). В нижней части нижнего уплотнения (35) выполнены продольные пассивные пазы (57), в которых воздух не двигается, они необходимы для увеличения площади давления.
Продольные пассивные пазы выполнены внутри нижнего уплотнения вдоль цилиндрической поверхности (56) и отделены от упомянутой поверхности стенкой (67). Между продольными пассивными пазами в нижнем уплотнении (35) выполнен сквозной канал (58) через который движется основной поток сжатого воздуха от входного канала (59) до выходного канала (60) корпуса (30). Канал (58) проходит насквозь тела уплотнения (35) и пересекается с поверхностью (56), тем самым образует сквозное окно на цилиндрической поверхности (56) нижнего уплотнения (35) для вымывания сжатым воздухом гранул из пазов (52) порционного вала (37). Нижнее уплотнение (35) частично расположено в полости корпуса (30), причем кольцо уплотнения (34) расположено в пазе (54), герметично взаимодействуя с канавкой и внутренней стенкой корпуса (30). Нижнее уплотнение (35) включает поверхность (56), которая в собранном виде контактирует с периферийной поверхностью (51) порционного вала (37), образуя с ней уплотнение. Нижнее уплотнение (35) герметизирует порционный вал (37) за счет давления сжатого воздуха, тем самым не дает проникать сжатому воздуху область над порционным валом (37); задает второй поворот потока воздуха что приводит к созданию вихревого потока под порционным валом (37).
Кольцо (34) находится в сжатом состоянии при установленном нижнем уплотнении (35) в корпус (30) и препятствует выходу воздуха из-под нижнего уплотнения (35). Кольцо (34) выполнено из упругого материала, в частности из резины.
Корпус (30) выполнен с фаской (62) по периметру верхней части корпуса (30) для упрощенной установки нижнего уплотнения (35) с надетым кольцом уплотнения (34).
Ссылаясь на Фиг. 5 - Фиг. 9 для ясности объяснения, как описано выше, нижнее уплотнение (35) расположено частично в корпусе (30). Причем нижнее уплотнение (35) установлено с внутренней поверхностью (55) корпуса (30) герметично. Герметичность между нижним уплотнением (35) и внутренней поверхностью (55) корпуса (30) обеспечивается за счет установленного уплотнительного кольца (34) в непрерывный замкнутый паз (54). Непрерывный замкнутый паз (54) выполнен по периферийной поверхности (53) нижнего уплотнения (35).
Стенка (67) каждого продольного пассивного паза (57) нижнего уплотнения (35) отстоит от цилиндрической поверхности (56) нижнего уплотнения (35), и вместе они образуют дугообразную стенку (67). Дугообразная стенка (67) является относительно тонкой стенкой между полостью каждого пассивного паза (57) и цилиндрической поверхностью (56) нижнего уплотнения (35).
Дугообразная стенка (67) является достаточно гибкой для передачи значительной части давления, оказываемого на поверхность стенки (67) со стороны полости каждого пассивного паза (57), на поверхность (51) порционного вала (37) поверхностью (56). Когда сжатый воздух проходит по каналу (58) для сжатого воздуха, давление сжатого воздуха в каждом пассивном пазу (57) давит на поверхность стенки (67), прижимая поверхность (56) к поверхности (51) порционного вала (37). Гибкость дугообразной стенки (67) позволяет дугообразной стенке соответствовать форме поверхности (51) порционного вала (37) и передавать значительную часть давления на поверхность (56), побуждая поверхность (56) к уплотнительному контакту с поверхностью (51) порционного вала.
В иллюстрированном варианте осуществления уплотнительная поверхность (56) контактирует с поверхностью (51) порционного вала (37) под углом около 180°.
Изображенная конфигурация позволяет приложить усилие уплотнения практически по всему углу контакта и, по существу, по нормали к поверхности (51) порционного вала (37). Конечно, можно использовать и другие уплотнительные устройства, даже те, которые не приводятся в действие сжатого воздуха, когда пассивные пазы (57) являются частью транспортного газового потока.
Отмечается, что по мере увеличения давления сжатого воздуха увеличивается требуемое усилие уплотнения между поверхностью (51) порционного вала (37) и поверхностью (56) нижнего уплотнения (35). В изображенном варианте осуществления сила уплотнения между поверхностью (51) порционного вала (37) и поверхностью (56) пропорциональна давлению сжатого воздуха. В свою очередь, нагрузка на порционный вал (37) и мотор-редуктор (44) пропорциональна давлению транспортируемого газа. Это уменьшает износ ротора и уплотнения, а также увеличивает срок службы двигателя.
Хотя в изображенном варианте осуществления в проточной части сжатый воздух прижимает поверхность (56) поверхности (51) порционного воздуха (37), давление, приводящее в действие уплотнение к поверхности (51) порционного вала (37), может исходить из любого источника.
Порционный вал (37) изготовлен из анодированного алюминия с твердым покрытием и изображен в виде цилиндра, хотя могут использоваться и другие формы, например конические, и могут быть использованные другие материалы, например, нержавеющая сталь.
Подшипники (33), установленные во внешнюю (32) и внутреннюю (31) стенки удерживают порционный вал (37) при вращении, при это порционный вал установлен с гарантированным зазором по внутреннему кольцу подшипников (33).
В изображенном варианте порционный вал (37) имеет диаметр 40 мм. Настоящее изобретение включает использование порционного вала (37), имеющего диаметр приблизительно 40 мм.
Порционный вал (37) включает в себя периферийную поверхность (51), в которой сформировано множество разнесенных пазов (52). В показанном варианте осуществления имеется два окружных ряда пазов (52), причем каждый окружной ряд имеет шесть пазов (52).
Пазы (52) выровнены по угловому смещению на 360 градусов вокруг оси и имеют вид вычитаемой из тела порционного вала (37) выдавленной призмы вдоль оси порционного вала (37), также пазы (52) могут быть представлены в видео отверстий других форм. Осевой и окружной ряды расположены таким образом, что осевая и окружная ширины пазов (52) перекрывают, но не пересекаются друг с другом.
В изображенном варианте исполнения блока подачи отсутствует осевая нагрузки на порционный вал ни со стороны уплотнения, ни со стороны подшипников.
Верхнее уплотнение (36) также включает поверхность, которая в собранном виде контактирует с периферийной поверхностью (51) порционного вала (37). Верхнее уплотнение (36) закрывает порционный вал (37) за счет удержания крышкой (38). Между валом и верхним уплотнением имеется всегда небольшой зазор, который в несколько раз меньше размера гранул, на уплотнение сверху ничего не давит. Верхнее уплотнение предотвращает высыпание гранул сухого льда за пределы блока подачи (22) гранул твердого криогенного вещества, и направляет гранулы твердого криогенного вещества в пазы (52) порционного вала (37). Верхнее уплотнение (36) сверху закрыто крышкой (38), тем самым замыкает стенки и формирует единую силовую и герметичную конструкцию.
К крышке (38) прикреплена плита (39). В плите и крышке выполнено отверстие. Соосно отверстию к плите (39) прикреплена труба (40), тем самым организован вход для гранул твердого криогенного вещества в блок (22) подачи гранул. Крепление может быть выполнено, к примеру сваркой.
При этом, внутри крышки (38) установлены бамперы (50). Бамперы (50) Служат для дробления комков сцепленных гранул, которые образовываются от влаги при длительном или некачественном хранении гранул, а также в перерывах очистки при наполненном бункере. Для установки бамперов в боковой поверхности крышки (38) выполнены отверстия в которые установлены бамперы (50). Бамперы (50) совершают возвратно-поступательные движения за счет пневмоцилидров (49), соединенных с бамперами (50) через втулки (48). Втулки (48) служат для уменьшения теплопритоков от крышки (38) к пневмоцилиндрам (49).
В общем в варианте реализации заявленного технического решения блок подачи гранул (22) может быть выполнен без верхнего уплотнения. В данном варианте будет перерасход гранул твердого криогенного вещества за счет высыпания их за пределы блока подачи гранул. При этом технический результат будет достигаться также, как и при использовании верхнего уплотнения.
Гранулы твердого криогенного вещества подаются из бункера (25) для хранения гранул посредством гибкого рукава (23), соединенного с трубой (40), в блок подачи (22) гранул, где попадают в пазы (52) порционного вала (37). Порционный вал (37) при постоянном вращении принимает сверху гранулы твердого криогенного вещества, а снизу гранулы освобождают пазы (52) за счет вихревого потока воздуха.
Верхнее уплотнение (36) и нижнее уплотнение (35) изготовлены антифрикционного конструкционного материала, например, графитонаполненного фторопласта или из высокомолекулярного полиэтилена. Концы поверхностей уплотнения, примыкающих к подшипнику (33), установленного во внешней стенке (32), скошены для облегчения установки порционного вала (37).
Вся конструкция блока подачи (22) гранул выполнена для облегченной замены трущихся компонентов при проведении технического обслуживания или ремонта. При отсутствии сжатого воздуха изношенный или поврежденный порционный вал (37) вытаскивают через подшипники, снимается верхняя крышка и верхнее уплотнение, вытаскивается изношенное или поврежденное нижнее уплотнение. В обратном порядке заменяются изношенные или поврежденные детали для восстановления работоспособности блока подачи гранул.
Блок подачи (22) гранул твердого криогенного вещества содержит транспортный газовый канал, выполненный от входного канала (59) до выходного канала (60), при этом оси впускного и выпускного канала выполнены перпендикулярно оси сквозного продольного активного паза нижнего уплотнения, при чем оси впускного и выпускного отверстия смещены относительно оси активного паза по вертикальной плоскости и смещены друг относительно друга в горизонтальной плоскости.
Сжатый воздух течет под порционным валом (37) и вдоль него по сквозному каналу (58) свободно от входного канала (59) к выходному каналу (60) в любом положении порционного вала (37). Сжатый воздух течет под порционным валом (37) даже если бы в порционном валу не было пазов или же если пазы в каком-то положении вала не находились в нижнем положении.
Вымывание гранул происходит от вихревого потока сжатого воздуха, который расширяется при совпадении паза (52) в порционном вале (37) со сквозным каналом (58) нижнего уплотнения (35).
Эффект завихрения осуществляется за счет входного канала (59): в начале пути поток движется по горизонтальной прямой (64), потом резкий поворот примерно на 90 градусов в сторону вертикального направления (65), резкий поворот примерно на 90 градусов в сторону горизонтального направления (66).
При этом направление (64) обеспечивается за счет входного канала (59), первый поворот (64-65) за счет тупика, а второй поворот (65-66) за счет сквозного канала (58) нижнего уплотнения (35). При этом канал в направлении (66) ограничен снизу корпусом (30), по бокам уплотнением (35), а сверху порционным валом (37).
В пассивных пазах (57) нижнего уплотнения (35) отсутствует движение воздуха за счет чего возникает максимальная степень прижатия стенок (67) нижнего уплотнения (35) к периферийной поверхности (51) порционного вала (37). В отличии от аналога, у которых в камерах происходит движения воздуха, а согласно уравнению Бернулли происходит падение давления.
Как показано на Фиг. 5, Фиг. 7 в входной канал (59) сообщен с выходом каналом (60) сжатого воздуха через сквозной канал (58). При этом входящий поток сжатого воздуха заворачивается и создает вихревой поток под порционным валом (37). Вихревой поток сжатого воздуха способствует повышенному вымыванию частиц из пазов (52) порционного вала (37) и их излому что снижает риск закупоривания критического сечения сопла (1) для очистки. Пример такого завихрения указан на фигуре 12.
К примеру, при оборотах вала в 100 об/мин с диаметром вала 40 мм окружная скорость вала или входа паза составляет примерно 0.2 м/с. При ширине канала в 16 мм и ширине паза в 10 мм, время открытия и закрытия канала составляет примерно 0,13 секунд. При этом скорость потока воздуха, к примеру при 7 атм. и расходе 5000 нл/мин в канале с площадью поперечным сечением 256 кв. мм может составлять примерно 46 м/с. Если длина рабочей части вала в длину составляет 80 мм, то воздух проводит это расстояние примерно за 0,003 секунды, то есть 43 раза успевает обновиться поток воздуха с момента открытия до момента закрытия паза в валу.
В отличии от аналогов для осуществления данной системы не требуется специально направлять поток среды или часть потока среды в пазы или карманы, так как за счет завихрения среды сама попадает и омывает линиями тока вихря внутреннюю поверхность пазов (52) порционного вала (37).
В настоящем изобретении поток среды выходит с резким двойным изменением своего канала для создания завихрения в трех координатной системе. Подробное описание направления потока приведено ниже.
Приведенное далее по тексту описание пояснено на фиг. 12. Если за ось порционного вала (37) взять ось X, то для максимального эффекта завихрения сначала поток среды должен двигаться по оси Y, потом резко менять направление на ось Z, в потом резко менять на ось X, за счет чего будет создаваться завихрение.
При этом расстоянии между точками заворота потоков с Y на Z и с Z на X, не должно превышать десяти размеров эквивалентного диаметра канала (58) под порционным валом (37).
Завихрение потока объясняется центробежной силой, на первом резком повороте придается закручивание потока в плоскости в которой и осуществляется резкий поворот, а потом уже закрученный поток по инерции продолжает крутиться но при этом за счет второго резкого перехода уходит в сторону по оси X под порционным валом (37) и тем самым создается вихревой поток.
Таким образом конструкция блока подачи (22) непосредственно влияет на заявленный технический результат поскольку обеспечивает два резких изменения потока среды вплоть до 180 градусов при необходимости на каждом изменении потока.
В данном заявке диаметр вала 40 мм, хотя он может быть и других размеров: желательный размер от 35 до 50 мм, допустимый от 20 до 100 мм.
Условный диаметр проходных сечений является теоретической величиной который невозможно измерить, но он влияет на режим течения среды (скорость, турбулентность). Формула для расчета условного диаметра сечения канала: корень из деления четырехкратной площади поперечного сечения на число Пи.
Каналы могут иметь не призматическую форму и менять геометрию вдоль канала. При этом условный диаметр будет рассчитываться как средний по длине канала.
При этом поток сжатого воздуха в вертикальном направлении (65) может состоять из частей потока сжатого воздуха прямого направления (64) и потока сжатого воздуха горизонтального направления (66) как на фиг. 10, или поток сжатого воздуха может иметь собственное независимое вертикальное направление (65) как на фиг. 11.
Условный диаметр траекторий (64. 65, 66) составляет 20 мм, хотя желательный размер от 15 до 25 мм, допустимый от 5 до 50 мм.
Длина траектории (64 и 65) не ограничена, а вот длина траектории (66) является важным параметром, так как задает плечо завихрения, длина траектории (65) составляет 20 мм, хотя желательный размер от 15 до 35 мм, допустимый от 10 до 50 мм.
Допускается резкий поворот при переходе от канала к каналу, но также могут предусматриваться и радиусы закругления как в текущей сборке чтобы помочь воздуху начать закручиваться и снизить сопротивление от тупиковой стенки. При этом радиус составляет в данной сборке 20 мм, хотя желательный размер до 35 мм, допустимый до 50 мм.
Когда длина (66) будет длиннее 50 мм или короче 5 мм, а радиус закругления (64-65) будет тоже выше 50 мм то потеряется эффект закручивания потока.
Когда условный диаметр траекторий (64, 65, 66) будет ниже 5 мм, то гидравлическое сопротивление будет слишком высоко и давление очистки (агрессивность) снизится, а если больше 50 мм, то скорость вихря будет мала чтобы эффективно вымывать гранулы из пазов. Данное изобретение относится для источников воздуха с расходом от 1000 нл/мин до 20000 нл/мин.
Как видно из фиг. 10 и фиг. 11 линии (64) и (66) являются скрещивающимися, это является важным моментом, так как в ином случае линия (65) вырождается в точку.
Также важен угол между скрещивающими прямыми (64) и (66), для данной конструкции он составляет 90 градусов, хотя желательный размер от 60 до 120 градусов, допустимый от 30 до 160 градусов.
Также важен угол между скрещивающими прямыми (64) и (65), для данной конструкции он составляет 90 градусов, хотя желательный размер от 60 до 120 градусов, допустимый от 30 до 160 градусов.
Также важен углол между скрещивающими прямыми (65) и (64), для данной конструкции он составляет 90 градусов, хотя желательный размер от 60 до 120 градусов, допустимый от 30 до 160 градусов.
При выходе за указанные допустимые пределы углов интенсивность вихря будет мала чтобы эффективно вымывать гранулы из пазов (52) порционного вала (37).
Таким образом, выполнение блока подачи гранул (22) с открытым каналом (58) вдоль и под порционным валом (37) с таким проходным сечением и такой формы и такого угла захода основного потока воздуха что основной поток закручивается при движении вдоль оси канала (58), так что линии тока вихря основного потка заходят в пазы вала, что лучше влияет на вымывание гранул из пазов (52) порционного вала (37). За счет вихревого потока воздуха гранулы «вымываются» из пазов.
Нужно отметить что гранулы обычно имеют геометрию продолговатых цилиндров, а за счет удлиненных пазов (52) порционного вала (37), которые чуть больше их длины, гранулы более компактнее помещаются в пазы (52) и тем самым увеличивает расход гранул при одной и той же частоте вращения, диаметре вала (37) и его рабочей длины.
Также за счет вихревого потока сжатого воздуха и его высокой скорости сжатого воздуха, к примеру 46 м/с, гранулы ломаются попадая в его поток и двигаясь под нижнем уплотнением (35) внутри корпуса (30) начинают ломаться, что ведет к их меньшему размеру и уменьшает риск закупоривания узкого сечения в сопле (1) для очистки. За счет открытого канала (58) под порционным валом (37) гранулам есть место куда упасть из пазов (52).
За счет постоянного открытого канала в любом угловом положении порционного вала (37) и отсутствия необходимости протекания через пазы (52) порционного вала (37), уменьшается потеря давления, что влияет на агрессивность очистки.
Также за счет входа потока почти под прямым углом происходит закручивание потока, что лучше влияет на «вымывание» гранул из пазов (52).
При этом нижний заход (под углом) в паз может иметь как криволинейную поверхность для сглаживания потока либо резкий переход, влияние на завихрение это не будет, так как поток среды сам примет наиболее удобную ему траекторию.