УСТРОЙСТВО ДЛЯ СУШКИ ИЗМЕЛЬЧЕННОГО ПИЩЕВОГО ПРОДУКТА
DEVICE FOR DRYING GRINDED FOOD PRODUCTS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к устройствам для сушки, а именно к узлам аэродинамических сушилок комбинированного типа, конкретнее к устройствам для сушки измельченного пищевого продукта, содержащим корпус, имеющий патрубок подачи измельченного продукта, выходное отверстие выхода подсушенного продукта, патрубок для подачи теплоносителя, причем внутри корпуса находится вращающийся вал с лопастями дробления-измельчения, имеющий подшипниковый узел, и может быть использовано в сельскохозяйственной и медицинской отраслях промышленности.
В данном описании используются следующие термины.
Радиальные подшипники качения — тип подшипников, предназначенный для восприятия радиальной нагрузки (действует перпендикулярно оси вала). При работе радиальной нагрузке может сопутствовать и осевая нагрузка (аксиальная) - она действует по оси вала и радиальные подшипники могут воспринимать последнюю лишь частично.
Радиально-упорные подшипники предназначены для восприятия комбинированной радиально-осевой нагрузки, подающейся под углом от одного кольца к другому, при этом степень осевой нагрузки, под которой может функционировать изделие, прямо зависит от угла контакта шариков (или роликов) с дорожками качения (см. фиг. 1). Сложная конструкция и работа при высоких скоростях вращения делают подшипники этого типа чрезвычайно чувствительными к качеству применяемых при их производстве  материалов и точности обработки, поэтому необходимо подчеркнуть разницу между двумя разными типами подшипников: упорно-радиальными и радиально-упорными. Первые распространены значительно меньше, чем вторые, и являются, по сути, разновидностью упорных подшипников, воспринимая в первую очередь нагрузки осевые (аксиальные).
Уровень техники
Из уровня техники известно устройство для сушки измельченного пищевого продукта, содержащее корпус, имеющий патрубок подачи измельченного продукта, выходное отверстие выхода подсушенного продукта, патрубок для подачи теплоносителя, причем внутри корпуса находится вращающийся вал с лопастями дробления-измельчения, имеющий подшипниковый узел, см. патент на изобретение №2628845, опубл. 22.08.2017.
Данное устройство для сушки измельченного пищевого продукта является наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату устройством и выбрано за прототип предлагаемого изобретения.
Недостатком этого устройства является ограниченная скорость вращения вращающегося вала, ограниченная скоростью 3000 оборотов в минуту, что объясняется конструкцией подшипникового узла, которая, кроме того, не позволяет производить быстрый ремонт устройства. В этом устройстве вал с подшипниковым узлом снимается через низ, для чего корпус необходимо каждый раз устанавливать набок. Конструктивное решение было обусловлено невозможностью выставления зазоров в подшипниках, то есть вал в сборе с подшипниковым узлом крепился на корпус.
То есть проблемой устройства является ограничение скорости вращения лопастей вращающегося вала, что приводит к ограничению диапазона обрабатываемой и получаемой продукции.
Раскрытие изобретения
Опирающееся на это оригинальное наблюдение настоящее изобретение, главным образом, имеет целью предложить устройство для сушки измельченного пищевого продукта, позволяющее, по меньшей мере, сгладить как минимум один из указанных выше недостатков, а именно обеспечить расширение диапазона частоты вращения вала, при одновременном упрощении обслуживания устройства, что и является поставленной технический задачей.
Для достижения этой цели устройство для сушки измельченного пищевого продукта содержит корпус, имеющий патрубок подачи измельченного продукта, выходное отверстие выхода подсушенного продукта, патрубок для подачи теплоносителя, причем внутри корпуса находится вращающийся вал с лопастями дробления-измельчения, имеющий подшипниковый узел. Подшипниковый узел включает в себя первый радиальный подшипник, расположенный внизу подшипникового узла, закрытого нижней крышкой, и второй упорно-радиальный подшипник, расположенный в верхней части подшипникового узла в месте посадки на него вращающегося вала.
Благодаря таким выгодным характеристикам и изменениям в конструкции подшипникового узла появляется возможность изготовления вращающегося вала на токарном станке за один проход, что устраняет ошибку по несоосности. Нижний первый подшипник радиальный. Он предотвращает радиальные биения. Верхний второй подшипник - упорно-радиальный, он несет основную нагрузку. Таким образом, можно увеличивать частоту вращения вращающегося вала с лопастями. Это приводит к возможности усиления работы противодавления (разница между повышенным и пониженным давлением), увеличения кинетической энергии удара, создания кавитации на выходе в выходном отверстии выхода подсушенного продукта, обычно выполненного в виде соплового механизма и на кромке лопастей, при этом понижается псевдоожиженный слой и, наоборот, соответственно, становится возможным работать с разным количеством теплоносителя и разной температурой. То есть становится возможным быстро подсушивать и досушивать.
Происходит комбинирование различных видов сушки в одном агрегате: кинетическая энергия выбивания влаги ударами, вихревая труба, псевдоожиженный слой, условия кавитационного состояния на выходном отверстии выхода подсушенного продукта (сопле) и на лопастях, вращающихся на валу, выбивание влаги разностью давлений.
Существует вариант изобретения, в котором подшипниковый узел включает в себя третий радиальный подшипник, опирающийся с одной стороны на первый радиальный подшипник, а с другой на нижнюю крышку.
Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность дополнительно усиливать вращающийся вал и обеспечивать соосность его вращения, что важно для использования различных типов сырья, где требуется широкий диапазон регулирования скорости вращения вращающегося вала в зависимости от нагружения, плотности подаваемого сырья.
Существует и такой вариант изобретения, в котором подшипниковый узел включает в себя четвертый упорно-радиальный подшипник, опирающийся одной стороной на второй упорно-радиальный подшипник, а с другой стороны на упорные гайки и контргайки, накрученные на вращающийся вал.
Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность дополнительно усиливать вращающийся вал и обеспечивать еще более высокую соосность его вращения, что важно для использования различных типов сырья, где требуется широкий диапазон регулирования скорости вращения вращающегося вала в зависимости от нагружения, плотности подаваемого сырья. Когда зазоры при установке верхних подшипников выставляется шайбами (две шайбы - шайба и контршайба) и шайбы накручиваются на вращающийся вал, причем шайбы находятся между верхним (верхними) и нижним (нижними) подшипниками, то такое изменение в конструкции облегчает выбор зазоров на верхних подшипниках, что исключает ошибки при изготовлении и установке, делает возможным монтировать вал сверху, без сильного демонтажа всей конструкции.
Совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения неизвестна из уровня техники для устройств аналогичного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения, а так как проблема, которую решает данное изобретение, долгое время не могла быть решена, на существующих установках, что показывает неочевидность данного решения для специалиста в данной области, что в свою очередь свидетельствует о соответствии критерию «наличие изобретательского уровня» для изобретения.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества данного изобретения ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
- фиг. 1 изображает разрез радиально-упорного подшипника согласно уровню техники,
- фиг. 2 изображает общий вид устройства для сушки измельченного пищевого продукта согласно уровню техники,
- фиг. 3 изображает общий вид устройства для сушки измельченного пищевого продукта с другой стороны согласно уровню техники,
- фиг. 4 изображает схематический вертикальный разрез вращающегося вала с лопастями дробления-измельчения согласно изобретению,
- фиг. 5 изображает схематический вертикальный разрез подшипникового узла согласно изобретению,
- фиг. 6 изображает общий вид вращающегося вала с лопастями дробления-измельчения согласно уровню техники,
- фиг. 7 изображает этапы работы устройства для сушки измельченного пищевого продукта согласно изобретению.
Согласно фиг. 1-6 устройство для сушки измельченного пищевого продукта содержит корпус 1, имеющий патрубок 2 подачи измельченного продукта, выходное отверстие 3 выхода подсушенного продукта, патрубок 4 для подачи теплоносителя, причем внутри корпуса находится вращающийся вал 5 с лопастями 51 дробления-измельчения, имеющий подшипниковый узел 6.
Подшипниковый узел включает в себя первый радиальный подшипник 61, расположенный внизу подшипникового узла, закрытого нижней крышкой, и второй упорно-радиальный подшипник 62, расположенный в верхней части подшипникового узла в месте посадки на него вращающегося вала.
Преимущественно подшипниковый узел включает в себя третий радиальный подшипник 63, опирающийся с одной стороны на первый радиальный подшипник 61, а с другой на нижнюю крышку подшипникового узла 11.
Преимущественно подшипниковый узел включает в себя четвертый упорно-радиальный подшипник 64, опирающийся одной стороной на второй упорно-радиальный подшипник 62, а с другой стороны на упорные гайки и контргайки, накрученные на вращающийся вал 5, которые показаны на фиг. 5 как 65 и 66.
На фигурах также показаны:
7 - ось вращения,
8 – шкивовый вал.
Осуществление изобретения
Устройство для сушки измельченного пищевого продукта работает следующим образом.
Приведем наиболее исчерпывающий пример реализации изобретения. Имея в виду, что данный пример не ограничивает применения изобретения. Согласно фиг. 7:
Этап А1. Исходное сырье подают внутрь устройства через патрубок подачи измельченного продукта 2.
Этап А2. Через патрубок для подачи теплоносителя 4 создают поток теплоносителя, например вентилятором-дымососом среднего или высокого давления, соединенным с теплогенератором. Начальная температура Т=60-80°С. Количество воздуха, как и теплоносителя, варьируется в зависимости от физических свойств сырья и имеет оптимальные значения 20-40 тыс. куб. м/ч.
Этап А3. Подают такой теплоноситель по касательной в предлагаемое устройство. При этом создается закрученный вихрь. Когда в цилиндрическую трубу по касательной к ее внутренней поверхности подается поток воздуха высокого давления, он движется по окружности и под действием центробежных сил прижимается к поверхности. Возникают достаточно большие силы трения, которые тормозят поток и нагревают его. Поэтому на стенках корпуса предлагаемого устройства выделяется тепло и слой воздуха у стенки нагревается. А в центре корпуса царит пониженное давление потому, что центробежные силы оттягивают воздух от центральной зоны.
Этап А4. Раскручивают расположенный в центре предлагаемого устройства вал 5 с закрепленными на нем лопастями 51, например верхними, средними и нижними ножами со скоростью до 6000 об/мин, так что в центре предлагаемого устройства создается еще более пониженное давление. Струя прилипает к закругленной  поверхности корпуса предлагаемого устройства. При этом на ней в средней части создается разрежение, увлекающее сырье вверх в область ножевой части. При этом боковая стенка препятствует свободному поступлению воздуха с одной стороны струи воздушной смеси, создавая вихрь в зоне пониженного давления.
Этап А5. Может быть опционально использована специальная конструкция ножей и угол заточки, а именно когда нижние и верхние ножи имеют углы лопастного закручивания по хорде в диапазоне 40-50° в корне, 30-40° на средней части хорды и 15-25° на конце, которая создает необходимую подъемную силу и скос потока от центра к периметру, где находится так называемая "подушка" от теплоносителя, запущенного по касательной. Продукт входит в подушку у стенки под углом. Это увеличивает площадь соприкосновения с теплоносителем в десятки раз. Подушка-теплоноситель закручен в вихрь. Законцовки ножей загибаются или нет в зависимости от физических свойств продукта - плотности и влажности.
Этап А6. Продукт находится на ножах в области между областью пониженного и повышенного давления. Также происходит и механическое воздействие - кинетическая энергия на продукт от ножей, что серьезно снижает влажность. Продукт при движении в вихре бросает из области повышенного давления в область пониженного и обратно. Создается эффект эксплозии и имплозии. Также подушка у стенки препятствует залипанию продукта.
Воздух в корпусе предлагаемого устройства движется по окружности, а такое движение является неравномерным, т.к. здесь постоянно меняется вектор движения. Во-вторых, воздух резко тормозится из-за трения в трубе. Объединение двух неравномерных видов движения - вращательного и замедляющегося - приводит к заметному выбросу энергии.
Этап А7. Дополнительную подъемную силу продукту придают нижние, средние и верхние ножи винты, которые работают больше не как нож и пластины, а как система подъема и уноса сырья в выходное отверстие выхода 3 подсушенного продукта, преимущественно выполненное в виде конуса, расположенного над корпусом предлагаемого устройства.
Последовательность этапов является примерной и позволяет переставлять, убавлять, добавлять или производить некоторые операции одновременно без потери возможности производить сушки и дробление продукта.
Промышленная применимость
Устройство для сушки измельченного пищевого продукта может быть осуществлено специалистом на практике и при осуществлении обеспечивают реализацию заявленного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения.
В соответствии с предложенным изобретением изготовлен опытный образец устройства для сушки измельченного продукта.
В качестве средства подачи нагретого воздуха в устройство использовался дымосос 30 кВт (26000 куб. м/ч).
Испытания опытного образца устройства для сушки измельченного продукта показали, что он обеспечивает расширение диапазона частоты вращения вала до 1500-6000 об/мин, при одновременном упрощении обслуживания устройства
Увеличение оборотов до 4000 об/мин делается уменьшением диаметра шкива и увеличения мощности двигателя до 55 кВт.
Увеличение оборотов до 6000 об/мин достигается использованием 100 Гц двигателя с мощностью 90 кВт. Запас по мощности приводится для запаса по силам тока под нагрузкой.
Действительно, становится возможной сушка при различных значениях температуры теплоносителя в зависимости от количества оборотов, количества ножей, их конфигурации. Можно также использовать шкивы разного диаметра, различной конструкцией подшипникового узла (увеличение количества подшипников). Таким образом достигается частота вращения на валу в диапазоне 1500-6000 об/мин, что влияет на разность давлений в зонах повышенного давления и пониженного давления. При 6000 об/мин винты ставить не желательно из-за высокой линейной скорости на концах лопастей. Длина лопасти выбирается из условия ограничения по скоростям. Это приводит к возможности применения теплоносителя в более широких диапазонах температур – от 20 до 90 градусов Цельсия. Установка различной скорости вращения на валу зависит от физико-химических свойств материала (сырья). При высоких оборотах могут устанавливаться ребра жесткости в ножевой части или создаваться замкнутый контур для предотвращения предельных изгибов (моментов).
Дополнительным полезным техническим результатом заявленного изобретения является то, что оно позволило за счет изменения в конструкции подшипникового узла расширять диапазон выпускаемой продукции.