ГОМОГЕНИЗАТОР ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
HIGH PRESSURE HOMOGENIZER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к гомогенизаторам высокого давления.
Уровень техники
Как широко известно, в области обработки текучих сред под высоким давлением, в частности, по отношению к областям применения микронизации эмульсий, часто используются устройства стабилизации дисперсий и контролируемого клеточного разрыва/разбиения текучей среды, называемые гомогенизаторами. Такие устройства обычно включают в себя насос с поршнями, которые осуществляют синхронное переменное движение с помощью коленчатого вала (или кулачкового вала) со взаимным сдвигом на угол 360°/n, где n - количество насосных поршней, которые перемещаются, повышая давление текучей среды внутри рабочей части машины (количество поршней обычно варьируется от одного до максимум восьми поршней).
В частности, гомогенизаторы включают в себя регулируемый клапан (называемый гомогенизирующим клапаном), который осуществляет принудительный проход подлежащей обработке текучей среды из области высокого давления в область низкого давления или, в любом случае, в область более низкого давления. Поршневой насос расположен выше по потоку от клапана и приводится в действие электрическим двигателем, который перемещает коленчатый вал.
Между двигателем и насосом расположен также зубчатый редуктор, состоящий из колесной системы, и там, где присутствует, параллельной осевой или планетарной редукторной системы.
Данная кинематическая цепь служит для преобразования вращательного движения вала в переменное прямолинейное движение, жестко передавая его насосным поршням.
Таким образом, каждый поршень генерирует пульсирующее сжимающее воздействие на подлежащую обработке текучую среду. Пульсации отдельных поршней объединяются (в отношении фиксированного сдвига, представленного относительными углами между отдельными коленьями коленчатого вала) в коллекторе, генерируя единую результирующую пульсацию, непосредственно воспринимаемую гомогенизирующим клапаном.
max
max
Каждый насосный поршень генерирует в своей собственной компрессионной камере пульсирующее давление в диапазоне от 0 до p бар, где p = максимальное значение, на которое рассчитана машина и которое может превышать даже 2000 бар.
max
Если гомогенизатор оборудован только одним поршнем, вся пульсация 0 - p также одинаково воспринимается гомогенизирующим клапаном и элементами (например, датчиком) ниже по потоку от насосных клапанов.
В случае набора поршней амплитуда результирующих пульсаций сглаживается по сравнению со случаем насосов, состоящих из одного поршня, но тем не менее воспринимается ниже по потоку от насоса.
Кроме того, коленчатый вал (или кулачковый вал) сконструирован с относительными фиксированными углами между коленьями, поэтому сдвиг между пульсациями также остается фиксированным. Вследствие этого результирующая пульсация, хотя и сглаживается, но никогда не устраняется и всегда остается постоянной.
Тем не менее, известные гомогенизаторы, описанные выше, обладают рядом недостатков, связанных, большей частью, с жизненным циклом отдельных элементов.
Действительно, давление и пульсирующий поток текучей среды оказывают значительные потенциальные воздействия на движущиеся механические части гомогенизирующего клапана.
Данные воздействия на соответствующий подвижный элемент клапана, который работает на небольших осевых расстояниях относительно фиксированного элемента, способствуют повреждению всей конструкции клапана, особенно в фазах пульсаций, соответствующих нижним пикам.
Кроме того, нагнетающее воздействие подвергает отдельные элементы, подверженные воздействию пульсации, циклу усталостной нагрузки, что ведет к значительному сокращению жизненного цикла таких элементов.
Износ элементов (который определяет их жизненный цикл) прямо пропорционален скорости вращения коленчатого вала (частоте пульсации) и давлениям нагнетания текучей среды.
По этой причине при высоких эксплуатационных характеристиках (скорости нагнетания и давлении) все элементы, взаимодействующие при сжатии, будут иметь очень короткий жизненный цикл.
В документе US 6827479 раскрыт сопловый клапан с фиксированной геометрией и система контроля скоростей переднего хода масляно-гидравлических поршней, причем за счет контроля скоростей хода поршней осуществляется непосредственная регулировка давления (без свободы воздействия относительно последнего). На практике это означает, что, как только будет зафиксирована скорость переднего хода поршней (закон движения и, следовательно, скорость потока), автоматически фиксируется и давление гомогенизации, и система по существу имеет лишь одну степень свободы.
Раскрытие изобретения
В данном контексте технической задачей на базисе настоящего изобретения является обеспечение гомогенизатора, с помощью которого будут преодолены упомянутые выше недостатки решений, известных из уровня техники.
В частности, цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить гомогенизатор, который может использоваться при высоких давлениях с одновременной минимизацией механических воздействий, способствующих сокращению жизненного цикла отдельных элементов, которые взаимодействуют при нагнетательных операциях.
В частности, цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить гомогенизатор, который способен устранить эффект пульсации при нагнетании, чтобы уменьшить напряжения, ведущие к повреждениям гомогенизирующего клапана и упомянутых выше элементов.
Указанная техническая задача и названные цели достигаются по существу посредством гомогенизатора по настоящему изобретению, включающего в себя комбинацию технических признаков в одном или более пунктах прилагаемой формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из схематичного, а потому неограничительного описания предпочтительного, но не исключительного варианта осуществления гомогенизатора со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- на Фиг. 1 схематически изображена рабочая схема элементов, выполняющих операцию нагнетания подлежащей гомогенизации текучей среды; и
- на Фиг. 2 изображена блок-схема рабочего цикла операций нагнетания подлежащей гомогенизации текучей среды;
- на Фиг. 3 изображена схема контроля гомогенизатора с обратной связью.
На прилагаемых схематических чертежах позиция 1 обозначает гомогенизатор высокого давления в целом.
Осуществление изобретения
Гомогенизатор включает в себя набор насосных поршней 2а, 2b, каждый из которых конфигурирован для нагнетания подлежащей гомогенизации жидкости путем подачи ее к общему коллектору 6 для сбора нагнетаемой жидкости.
Следует отметить, что далее в настоящем описании, исключительно в качество неограничительного примера, ссылки будут сделаны только на два цилиндра 3a, 3b. Однако количество цилиндров и, соответственно, поршней может быть любым в зависимости от типа гомогенизатора, области применения и скорости потока подлежащей гомогенизации жидкости.
В коллекторе 6 располагается гомогенизирующий клапан (который здесь не описывается и не иллюстрируется, так как имеет известную конструкцию), который принимает подлежащую гомогенизации жидкость. Жидкость, поступающая в клапан, имеет значение давления и скорость потока, определяемые воздействием упомянутых выше насосных поршней 2а, 2b.
Предпочтительно, каждый поршень 2а, 2b связан с соответствующим масляно-гидравлическим цилиндром 3a, 3b.
В предпочтительном варианте гомогенизатор 1 включает в себя набор масляно-гидравлических цилиндров 3a, 3b, каждый из которых снабжен соответствующим насосным поршнем 2а, 2b.
Каждый масляно-гидравлический цилиндр 3a, 3b включает в себя соответствующий гидравлический контур, имеющий пропорциональный клапан для подачи масла к цилиндру 3a, 3b.
Благодаря наличию гидравлического контура возможно управлять законом переменного движения каждого цилиндра 3a, 3b и, вместе с тем, каждого соответствующего поршня 2а, 2b путем подачи масла, контролируемой пропорциональными масляными клапанами.
Фактически, пропорциональные клапаны, которые здесь не описываются и не иллюстрируются, так как имеют известную конструкцию, регулируют давление и скорость потока масла в цилиндры 3a, 3b и тем самым осевое усилие и скорость хода соответствующих поршней 2а, 2b.
Гомогенизатор 1 также включает в себя электронную систему 5 для контроля и регулировки насосных поршней 2а, 2b с целью независимого контроля закона движения каждого отдельного поршня 2а, 2b.
В частности, как показано на схеме на Фиг. 2, электронная система 5 контроля и регулировки соединена с пропорциональными клапанами соответствующих масляно-гидравлических цилиндров 3a, 3b для регулировки давления и скорости потока масла к отдельным цилиндрам (и вместе с тем осевого усилия и скорости хода данных цилиндров и, следовательно, насосных поршней).
В предпочтительном варианте система 5 соединена аналогичным образом с датчиком, установленным на коллекторе 6, для верификации значений давления подлежащей гомогенизации жидкости, которая нагнетается поршнями 2а, 2b. Таким образом, функциональные параметры пропорционального клапана изменяются посредством регулировки подачи масла к отдельным цилиндрам 3a, 3b в соответствии с давлением, замеренным в коллекторе 6, в целях поддержания устойчивой скорости потока и давления.
Благодаря соединению с датчиком, установленным на коллекторе 6, для верификации значений давления подлежащей гомогенизации жидкости, которая нагнетается поршнями 2а, 2b, система 5 обеспечивает возможность изменения функциональных параметров пневматического пропорционального клапана, который приводит в действие пневматический цилиндр, перемещающий подвижную часть гомогенизирующего клапана, что позволяет поддерживать подлежащую регулировке заданную фиксированную величину давления в соответствии со значением давления, замеренным в коллекторе 6, также независимо от скорости потока.
В отличие от документа US 6827479 в настоящем изобретении гомогенизация происходит посредством гомогенизирующего клапана переменной геометрии, регулировка которого осуществляется с помощью системы обратной связи, контролируемой тем же программным обеспечением (принадлежащим электронной системе 5), которое также регулирует скорость переднего хода масляно-гидравлических насосных поршней. После того как скорость хода поршней будет зафиксирована (закон движения, скорость потока), остается возможность свободно зафиксировать значение давления: система имеет две степени свободы, которыми можно управлять независимо (скорость потока и давление), что позволяет получить любую комбинацию давления и скорости потока и их устойчивую диаграмму.
В документе US 6827479 по мере увеличения (уменьшения) скорости поршня аналогичным образом соответственно увеличивается (уменьшается) давление гомогенизации, тогда как в настоящем изобретении представлена инновационная схема на Фиг. 3, согласно которой при увеличении скорости поршня можно получить увеличение или уменьшение давления гомогенизации, и при уменьшении скорости поршня можно получить увеличение или уменьшение давления гомогенизации.
Подобная регулировка возможна и при полностью ручном режиме работы.
Как показано на Фиг 1, следует отметить, что отдельные гидравлические цилиндры 3a, 3b имеют диаграмму пульсации, представленную графиками 4а, 4b. Диаграмму для цилиндров 3a, 3b задают так, чтобы она соответствовала перепадам в движении отдельных поршней 2а, 2b. Другими словами, первый поршень 2а (который подает продукт) постепенно увеличивает свою скорость, увеличивая при этом скорость потока (график 4а). Первый поршень 2а достигает максимальной скорости, которая поддерживается в течение заданного периода, и, когда он почти достигает предельной точки хода, начинается снижение по наклонной вплоть до достижения нулевого значения. В этой фазе снижения второй поршень 3b (отведенный назад под действием втягивающего усилия) одновременно начинает рост по наклонной (график 4b) с тем же уклоном, что и снижение первого поршня 2а.
Данный сдвиг фаз, контролируемый электронной системой 5 отдельно для каждого цилиндра 3a, 3b (и таким образом для каждого поршня 2а, 2b), определяет сумму скоростей и тем самым постоянную скорость потока, как показано диаграммой 7 (график 4с). В иллюстрируемом случае, описанном в качестве примера выше, присутствуют только два цилиндра 3a, 3b, работа которых координируется так, чтобы определить указанную выше результирующую 7. Однако в случае нескольких (более двух) цилиндров отдельные переменные перемещения поршней 2а, 2b регулируются системой 5 таким образом, чтобы исключить скачки между ростом и падением по наклонной, то есть исключить результирующий эффект пульсации.
За счет этого подлежащая гомогенизации жидкость нагнетается к гомогенизирующему клапану с постоянной скоростью потока, что означает постоянное давление гомогенизации, за исключением начального скачка, а следовательно, означает и достижение одной из предварительно поставленных целей.
В предпочтительном варианте система 5 непосредственно регулирует отдельные пропорциональные клапаны гидравлических контуров каждого цилиндра 3a, 3b независимым образом, что позволяет избежать проблемы результирующего пульсационного движения и фиксированного сдвига фаз между разными поршнями.
Другими словами, создавая оптимальный закон движения для каждого поршня и комбинируя эти законы в соответствии со сдвигом фаз, установленным действующим программным обеспечением электронной системы 5, можно генерировать такую комбинацию скоростей потока в коллекторе 6, которая обеспечит как постоянную сумму самих скоростей потока (результирующая 7), так и в равной степени постоянное давление.
Кроме того, имеется возможность менять сдвиги фаз при варьировании вязкости жидкого продукта, подлежащего гомогенизации, и давления на входе в цилиндры 2а, 2b.
Благодаря этому удается сохранить несколько критически важных механических элементов, которые уже не подвергаются пульсационному воздействию при операциях нагнетания. В частности, гомогенизирующий клапан принимает подлежащую обработке жидкость при постоянном давлении и скорости потока благодаря результирующему эффекту 7 отдельных поршней 2а, 2b.
Это преимущество обеспечивается тем фактом, что цилиндры 3a, 3b являются масляно-гидравлическими и поэтому могут регулироваться независимо одной программой действующего программного обеспечения.
Кроме того, количество повышающих/понижающих скачков двух поршней (график 4 с) составляет лишь 5-6 в минуту и в любом случае менее 15 в минуту (вследствие уменьшения скорости поршней), что значительно отличается от приблизительно 160 пульсаций в минуту у коленчатого вала, известного из уровня техники, который вращается как раз со скоростью около 160 об/мин, и в любом случае данные скачки сглаживаются за счет присутствия в электронных кулачках наклонных участков с повышением и снижением скорости самих поршней.
Это важно, поскольку постоянная скорость потока и давления возможны в идеальной ситуации, но в действительности скачки фаз замещения поршней указывают на наличие оттоков через насосные поршни; это может вызывать небольшие отклонения от расчетного давления, которое варьируется в соответствии с прикладываемым максимальным давлением и составляет предпочтительно от 0 до 100 бар. Расчетное давление на протяжении центральных фаз хода поршня при этом остается абсолютно неизменным.
Очень низкое количество циклов в минуту продлевает срок службы элементов, подверженных циклам усталостной нагрузки, и снижает вероятность повреждения гомогенизирующего клапана, поскольку количество пиков давления (позитивных или негативных) сокращается и вместе с ним сокращается возможность воздействия между фиксированными и подвижными частями.
Кроме того, возможности применения гомогенизатора 1 значительно расширяются, он лучше адаптируется к высоким давлениям и к вязкости обрабатываемой жидкости. Это преимущество обусловлено также возможностью независимой регулировки отдельных цилиндров 3a, 3b.
Еще одно преимущество настоящего гомогенизатора, который может работать с давлениями от 0 до 4000 бар, состоит в том, что его контроль может быть полностью дистанционным.
Настоящий гомогенизатор позволяет выполнять процедуру гомогенизации, в которой законы движения для каждого поршня создаются и комбинируются в соответствии со сдвигом фаз, задаваемым пользователем так, чтобы генерировать такую комбинацию скоростей потока ниже по потоку от клапанов/насосных поршней внутри коллектора, которая может обеспечить постоянную сумму указанных скоростей потока и тем самым постоянное давление к гомогенизирующему клапану.
Существует возможность регулировать сдвиг фаз между началом движения второго поршня и остановом первого за счет применения соответствующих наклонных участков изменения скорости, начало и конец которых может в полной мере контролироваться программным обеспечением.
Поскольку максимальное рабочее давление и вязкость обрабатываемой текучей среды варьируются, за счет изменения сдвигов можно уменьшить амплитуду любых пиков давления во время скачков наиболее подходящим образом.
Настоящий гомогенизатор в наибольшей степени подходит для давлений от 1000 до 4000 бар и может применяться в различных отраслях: в пищевой, химической, фармацевтической промышленности, в биотехнологиях и нанотехнологиях.
Используемое программное обеспечение основано на контроле и автоматизации смещения осей в комбинации с двумя специальными управляющими платами (платами контроля осей).
Плата контроля осей взаимодействует с исполнительным механизмом (и тем самым с насосным поршнем) через пропорциональный клапан для контроля его движения и в то же время замеряет его абсолютное положение с помощью датчика линейных перемещений, расположенного внутри самого поршня, чтобы создавать контур регуляции на основе команд и обратной связи, который позволит программному обеспечению контролировать положение и перемещение поршня с предельной точностью.
Благодаря этому программное обеспечение для контроля осей может перемещать поршень посредством электронных кулачков, которые определены для оптимизации инверсии фаз движения путем такой их предварительной регулировки, которая позволяет свести пики к минимуму.
Программное обеспечение получает команды от контрольной панели или в виде удаленных сигналов и приводит в движение поршни, изменяя их рабочие параметры (продвижение и форма электронных кулачков) для достижения как можно более линейной картины работы при наличии текучих сред различных вязкостей и различных давлений.