Устройство для ввода жидких компонентов
DEVICE FOR ENTERING LIQUID COMPONENTS

Область техники, к которой относится устройство
Данное устройство относится к устройствам дозирования и распыления продукта при производстве комбикормов.
Уровень техники для обоснования целесообразности внедрения
При производстве комбикормов, в частности, и при приготовлении кормов сельскохозяйственным животным и птицам,  одним из главным процессом является смешивание компонентов  в смесителе, которые предварительно дозируются и после чего поступают в устройство для смешивания, при этом, еще дополнительно жидкие компоненты впрыскиваются в смеситель за определенный расчетный промежуток времени, диапазон которой определяется технической характеристикой применяемого оборудования и требованиями технологии приготовления кормов. Неотъемлемой частью смесителей на технологических линиях, наиболее распространенных на ныне действующих комбикормовых производствах, является устройства подачи жидких компонентов, например: (1) – устройство типа УОВМ-250 – устройство ввода масла; (2) – устройство типа УВМ-120 - устройство ввода растительного масла. Оба устройства подают жидкий компонент в блок форсунок давлением в пределах 4-6 атм и распыляют в смешиваемую массу в устройстве типа УВМ-120 доза (в пределах  0,1-5%) растительного масла предварительно дозируется в специальную емкость, которая подвешена на тензометрическое весовое устройство и принимает масло с оперативной емкости, например марки ЕТ-3, имеющий номинальный объем 3 м. куб. и имеющий систему термостабилизации; автоматическая система взвешивания постоянно в каждом цикле осуществляет двойной контроль взвешиваемой массы - при загрузке емкости с оперативной емкости через пневмоуправляемый кран и при разгрузке, т.е. с момента начала закачки масла в блок форсунок смесителя посредством шестеренчатого насоса НШ-32 и  до его завершения после выдачи требуемого количества масла в смеситель, согласно программируемого количества по рецепту; кроме того, после завершения впрыска требуемой дозы в один цикл, осуществляется  трехразовая цикловая продувка форсунок сжатым воздухом. На более современном типе дозирующем устройстве марки УОВМ-250   электронным дозирующим аппаратом является прибор, использующий принцип измерения массового расхода на основе явления возникновения кориолиосового  ускорения. Здесь устройство ввода масла также забирает масло с емкости, расположенный этажом выше, что обеспечивает первоначальный гидравлический подпор на всасывающем патрубке насоса для подачи масла;  для подачи масла служит гидронасос (как правило, шестеренчатый насос), после него  масло пропускается через электронный расходомер марки МАСС, счетное устройство которого высчитывает плотность проходящего продукта и массовый расход. После расходомера масло попадает в форсунки блока форсунок,  при этом форсунки в последующем имеют возможность продуваться сжатым воздухом. Однако оба вышеупомянутых типа  устройств ввода жидких компонентов не справляются задачей по дозированию и вводу компонентов имеющих полужидкую реологию, тем временем в кормопроизводстве широко практикуется ввод в приготавливаемый состав кормосмесей полужидких компонентов – это фуза растительного масла,  полужидкие  осадки животного жира и меласса.  В частности,  следует отметить  некоторые недостатки вышеупомянутых систем при  использовании их для ввода полужидких компонентов: (1) – сложные приборы дозирования не предназначены для измерения полужидких компонентов с не постоянными физико-механическими свойствами, тем более,  если в составе полужидких компонентов имеются в значительном количестве разного рода волокнистые и твердые включения; (2) – даже менее требовательное к составу компонентов устройство ввода типа УВМ-120, где компонент дозируется предварительно в отдельной емкости, подвешенной на тензометрических весах, и то не справляются с полужидкими компонентами и мало того, даже и при вводе растительного масла есть необходимость периодически очищать промежуточную дозирующую емкость вышеупомянутого устройства от фузы растительного масла; (3) – форсунки,  применяемые на  данных устройствах  не могут обеспечить пропуск полужидких компонентов, не говоря уже об засорение отверстий форсунок твердыми включениями;  (4) – полужидкие корма, как правило, вводятся в малом количестве – всего 2-6 кг на 1 цикл, даже в технических характеристиках вышеупомянутых устройств отмечено,  что минимальное количество ввода – не менее 10 кг.
Исходя из расписанного анализа понятно, что при вводе полужидких компонентов с твердыми и волокнистыми включениями необходимо решать по крайней мере несколько технических задач:
- необходимо обеспечить дозирование в малых дозах;
- требуется обеспечить ввод компонентов в смеситель технологической линии растянув его  по времени;
- форсунки должны обеспечить распыл продукта и при этом не должны засоряться.
Учитывая, что для дозирования полужидких компонентов  допустимо использование способа объемного дозирования есть смысл кратко описать известные технические системы, успешно использованные на практике:
- в 80-е годы 20 века на площадках содержания животных (совхоз «Белая дача» Люберецкого района Московской области, совхоз «Залесный» ТАССР) применяли коленчатые дозирующие трубопроводы для раздачи полужидких и жидких кормовых смесей [1];
- известно устройство по а.с. 1428319, где обеспечено расширение технологических параметров путем применения добавочной регулирующей дозирующей емкости [2]; Здесь устройство содержит сообщенные с коленчатым кормопроводом вертикальные цилиндрические дозирующие емкости, в каждой из которых на штоке установлен поршень, положение которой обеспечивает изменение количества дозируемого количества полужидких кормов;
- известно устройство по а.с. №1382459, где  обеспечивается изменение  количества дозированного корма путем наклона емкости  [4] обоснование элементов расчета которых приведены в  [5];
- известно устройство предназначенное для выдачи малой порции кормов в маточниках свиноферм [1]. Здесь корма под давлением нагнетается от кормопровода к герметичной передвижной емкости, и весь закаченный объем оказывается в емкости под действием давления воздушного колпака; После завершения закачки гофрированный шланг закачки отсоединятся и можно осуществить при перемещении вдоль кормушек регулируемую подачу кормов без использования перекачивающих устройств за счет имеющегося избыточного давления над поверхностью кормов. Здесь имеется тесная взаимосвязь между количеством выданного корма и давлением в емкости, и при применении достаточно чувствительных КИП возможно обеспечить автоматизированное индивидуальное программированное кормление.
Следует отметить, что система ввода полужидких компонентов, как правило,  предполагает наличие трубопроводной системе подачи полужидких компонентов и тем самым должно присутствовать и средство для обеспечения движения среды по трубам (насосная установка или же иная система преобразования какой-либо энергии в энергию движения полужидких компонентов по трубопроводу). И  здесь следует отметить, что почти все известные установки при перекачке полужидких кормов радикально меняют свои параметры работы, а то и вообще не работают; так, например центробежные насосы теряют параметры работы в разы и если  только не обеспечить подпор на всасывающую линию перекачка прерываются [6] [7] [8]; шестеренчатые насосы в случае если в байпасных линиях застывает продукт от превышения нагрузки останавливаются и если электродвигатель имеет большой запас мощности вообще могут и разорваться; На практике известно применение мембранных объемных насосов для перекачки разогретого жира животного происхождении и на опыте использования известно, что при застывании животного жира и попадании в  систему ввода жира разного рода осадков, имеющих высокую вязкость,  насос перестает функционировать по причине нарушения условий всасывания или же по причине недостаточности развиваемого давления для проталкивания застывшей массы в продуктопроводах.
Что касается типа форсунок для распыла продукта в смеситель необходимо отметить положительный эффект от применения специальных устройств, к примеру струйных аппаратов, например, известно из библиографических источников конструкции смесителей и других элементов кормоприготовления, в которых в качестве устройства для интенсификации перемешивании, движения и распределения служит эжекторные струйные аппараты [9]  [4] [10] [11] [12]  и [13].
Особо тщательно подбираются форсунки для распыла различного рода жидких видов топлива на тепловых агрегатах, так например, известно,  что в тепловых установках конструкций второй половины 20 века использовались двухпоточные форсунки - по центральному каналу топливо  под давлением подается и впрыскивается через  отверстие на тонком диске, предварительно получив завихрение и смешивание со сжатым воздухом подаваемом по периферийному каналу. Этот принцип на практике успешно используется и на комбикормовых производства для подачи жидких компонентов в смесители кормов.
Получается, что для обеспечения ввода в смеситель дозированного количества компонентов и их равномерного распределения известно множество  способов и технических средств, однако в доступных средствах информации нами не найдено известное  устройство для ввода полужидких компонентов  в  смесители при производстве комбикормов, которое обеспечивало бы дозирование полужидких компонентов в дозах с диапазоном 0,1-0,3% от общей массы смешиваемого корма при одном цикле в смесителях периодического типа. То есть известные устройства для ввода жидких компонентов в смесители периодического типа не удовлетворяют нижеследующим условиям одновременно (и поэтому на практике в смесители периодического действия  ввод полужидких компонентов не осуществляется и поэтому  полужидкие компоненты, образовавшиеся в процесс производства комбикормов и  имеющие кормовую ценность утилизируются или используются не по основному назначению):
- возможность дозирования малого количества компонента (в пределах 0,1-0,3% от общей массы одного цикла смешивания);
- обеспечение подачи на устройство впрыска полужидких кормов с не постоянным физико–механическим свойствами, с различного рода  волокнистыми и твердыми включениями;
- обеспечение впрыска полужидких кормов в смеситель;
- отсутствие возможности засорения  элементов системы ввода застывшей массой полужидких компонентов или волокнистыми и твердыми включениями в составе полужидких компонентов.
Создание  системы  дозирования и распыления полужидких компонентов на участке основного смешивания  производства комбикормов, удовлетворяющим вышеописанным условиям является основной задачей  изобретения «устройство для ввода полужидких компонентов», цель создания, конструктивное исполнение которой изложены ниже.
Целью настоящей разработки является создание системы  дозирования и распыления полужидких компонентов на участке основного смешивания  производства комбикормов, позволяющего обеспечить ввод полужидких компонентов в смесители периодического действия при производстве  комбикормов.
Устройство для ввода полужидких компонентов состоит из двух основных элементов: (1) – система дозирования и нагнетания продукта; (2) – система распыления продукта в смеситель (ниже приводится: сборочный чертеж установки для подачи полужидких компонентов без гидростанции, аксонометрическая проекция установки для подачи полужидких компонентов, схема устройства для распыления продукта). Основная суть принципа работы  устройства ввода полужидких компонентов следующая:  полужидкие корма загружаются в емкость конусной формы и  из-за особенностей конструкции насосный агрегат поршневого типа оказывается в объеме загруженных кормов, ибо гильза поршневого насоса закреплена на днище конусной емкости таким образом,  что загрузочные окна (всасывающие полости, так назывались бы они в обычном использовании поршневого насоса) располагаются в середине конусной емкости в низшей точке, т.е. в данном устройстве на всасывающем тракте насоса отсутствуют какие бы не были механизмы и из-за их отсутствия никакие засоры невозможны; когда поршень насосного агрегата находится на верхнем уровне под действием гравитационных сил и геометрического давления верхних слоев полужидкого продукта гильза насоса заполняется через загрузочные окна полужидким продуктом, и какой бы влажностью не обладал полужидкий компонент он в любом случае заполняется, ибо время ожидания рабочего цикла довольно длительное из-за особенностей работы смесителя периодического действия; по команде с общей АСУТП включается механизм приведения в движение поршня насоса в направлении вниз, в конкретном случае используется гидравлический цилиндр, который приводится в действие за счет энергии гидравлической жидкости, созданное гидронасосом и из  которого после включения  гидрораспределителя, который, в свою очередь, включается одновременно с другими устройствами ввода жидких компонентов на основном смесителе, поток гидрожидкости направляется в верхнюю полость вертикально расположенного гидроцилиндра, у которого выдвижной шток механически взаимосвязан выдвижным штоком поршневого насоса; после прохождения зоны расположения загрузочных окон начинается процесс нагнетания полужидких компонентов по продуктопроводу и одновременно открывается управляемый отсечной клапан на продуктопроводе. Здесь начало процесса нагнетания означает, что на другом конце продуктопровода начинается непрерывный выпуск полужидких компонентов на пассивном сопле эжекторного распылителя кормов, в котором происходит распыление полужидких кормов через диффузор (который в свою очередь закреплен к крышке смесителя периодического действия)  эжекторной форсунки за счет энергии сжатого воздуха, подаваемое в пульсирующем  режиме с пневмоимпульсного устройства через активное сопло эжектора с центральным ее расположением; В  конкретном возможно использование серийно выпускаемого устройства для аккумулирования и подачи сжатого воздуха марки ИСТА-3; После достижения поршня насосного агрегата определенного нижнего положения, которое настраивается и устанавливается на определенную дозу до начала производства партии комбикормов, того или иного рецепта и в каждом случае с разным  программируемым процентным соотношением полужидких составляющих, заканчивается процесс нагнетания продукта и сразу же закрывается отсечной клапан и по поступлению  команды по управляющей  цепи на распределитель гидростанции паток гидравлической жидкости направляется в нижнюю полость гидроцилиндра и вследствие чего начинается движение штока с гидроцилиндра вверх до положения поршня насосного агрегата выше загрузочного окна и тем самым 1-й цикл завершается и агрегат готов к выполнению процесса подачи и распыления полужидкого компонента во втором цикле смешивания компонентов при производстве комбикормов.
В представленных фигурах к описанию изобретения показаны основные элементы конструкции устройства ввода полужидких компонентов на примере  реально работающей установки, названной установкой ввода фузы, кратко УВПЖ.
На Фиг. 1 показана аксонометрическая проекция устройства для подачи полужидких компонентов.
На Фиг. 2 показан вид сбоку.
На Фиг. 3 показан продольный разрез А-А на Фиг.2.
На Фиг. 4 показан вид сверху.
На Фиг. 5 показан выносной элемент Г на Фиг. 2 – увеличенный разрез сопряжения гильза-поршень насосного агрегата.
На Фиг. 6 показан выносной элемент Д на Фиг. 2 – увеличенный разрез соединения  выдвижного штока поршневого насоса со штоком гидроцилиндра.
На Фиг. 7 показан выносной элемент Е на Фиг. 2 – увеличенный разрез соединения  гидроцилиндра с корпусными элементами (с рамой) устройства для ввода полужидких компонентов.
На Фиг. 8 показана аксонометрическая проекция эжекторного распылителя.
На Фиг. 9 в качестве дополнительного материала приведено фото экспериментальной  установки УВПЖ.
Устройство для подачи полужидких компонентов показанная на вышеупомянутых фигурах в конкретном исполнении  состоит из конусной емкости который закреплен на остове (на сборочном чертеже условно не показан) который в свою очередь состоит из обечайки (поз. 11), толщиной 4 мм в виде усеченного конуса с большим основанием диаметром 1150 мм малым основанием 700 мм и высотой 1550 мм, наверху к большому основанию конусной обечайки  закреплено усилительное кольцо 12 и  снизу к нижнему малому основанию приварено днище 13 толщиной 10 мм,  к которой вертикально приварена гильза поршневого агрегата 14, которая выполнена в виде гильзы цилиндрической формы внутренним диаметром 180 мм, толщиной стенки 10 мм и высотой 1000 мм (400 мм находится внутри емкости и имеет прорези (тремя секторами по 80 градусов, высотой 200); внутри гильзы располагается поршень насоса, состоящий из нижнего диска 15, верхнего диска 16 и среднего фторопластового    диска диаметром 180 мм и толщиной листа 20 мм (поз. 17), все три диска собраны на цапфу 18 и закреплены при помощи специальной гайки 19, цапфа приварена к закрепительному диску 20, который прикреплен при помощи болтовых  соединений к выдвижному штоку 21; выдвижной шток имеет возможность перемещаться верх-вниз по подшипнику скольжения 22, который, в свою очередь, посажен к корпусу  23 и совместно с другими вспомогательными элементами являются направляющим для выдвижного штока 21; корпус  23 закрепляется к гильзе 14; на верхний конец выдвижного шнека приварена цапфа верхняя 24 (Фиг. 6) к которой прикреплен шток  серийного гидроцилиндра 25 (диаметр поршня 80 мм, диаметр штока 50 мм и ход поршня 800 мм), корпус гидроцилиндра через ось 26 (ось имеет стопорное кольцо 27) прикреплен к кронштейну 28 (фиг. 7), который в свою очередь приварен к раме сварной конструкции 29, изготовленный  из отдельных отрезков швеллера №12 и имеют ребра жесткости (условно на Фигурах они не показаны), которая прикреплена к усилительному кольцу 12 (Фиг. 12); Гильза насосного  агрегата 14  через стандартные фитинги: фланец верхний  30, фланец нижний 31, переход 1-ой ступени 32, переход 2-й ступени 33 и далее отвод 34 (Фиг. 2) подсоединен к продуктопроводу из трубы диаметром ДУ50 с расположенными на нем запорными органами (управляемый отсечной клапан, обратный клапан и другие элементы трубопроводов) – все они, в представленных схемах по конструкции, условно, не показаны и ровно также, условно, не показаны все элементы крепежа КИПиА, также сами КИПиА. Другим концом продуктопровод подсоединен к  пассивному соплу 35 (Фиг. 8)  эжекторного распылителя, который имеет помимо пассивного сопла активное сопло 36, камеру смешивания 37 и диффузор 38, усеченной конструкции;  диффузор  эжекторного распылителя прикреплен на верхнею площадку крышки смесителя, к активному  соплу подсоединено пневмоимпульсное устройство ИСТА-3 (поз. 39).
УВФ работает следующим образом. Полужидкий компонент загружают в конусную емкость, при этом поршень насосного агрегата находится в исходном положении, т.е. на крайнем верхнем положении – все это позволяет  обеспечить заполнение нижней части гильзы и также продуктопровода до отсечного крана; если только весь продуктопровод заполнен сразу можно начать рабочий процесс – т.е. после поступления в смеситель технологической линии производства комбикормов всех сыпучих компонентов закрывается загрузочная задвижка смесителя технологической линии по производству комбикормов и  с АСУТП поступает сигнал на включение насосов подачи растительного масла и воды, включенные в составе рецепт и одновременно поступает электрический ток на катушки электроуправляемого гидрораспределителя УВПЖ, включенного в работу гидростанции, в следствии чего паток гидравлической жидкости под давлением поступает в верхнюю полость гидроцилиндра УВПЖ и при этом с нижней полости гидравлическая жидкость отводится в гидробак гидростанции, что собственно является причиной начала постепенного движения поршня насосного агрегата вниз вместе со штоком гидроцилиндра; после прохождения загрузочных прорезей в гильзе открывается отсечной кран  и масса полужидкого продукта начинает вытекать с пассивного сопла эжекторного распылителя (см. Фиг. 8) и по причине того,  что одновременно  открытием отсечного крана в активное сопло подводится сжатый воздух в пульсирующем режиме, благодаря смонтированного пневмоимпульсного устройства ИСТА-3 между активным соплом и трубопроводом сжатого воздуха. На эжекторном распылителе, являющийся струйном аппаратом, продукт с пассивного сопла увлекается в скоростное движение активным газом и еще теснее смешиваясь со сжатым воздухом в смесительной камере устремляется в диффузор и осуществляется распыление под определенным углом, определяющимся уклоном внутренней поверхности диффузора.
Источники информации
1. Система раздачи полужидких кормов по трубам / Абрамов П.А., Сулейманов Р.З., Рудаков А.И.// Информ. Листок Марийского ЦНТИ – 1986. №209-86.
2. АС № 1428319 СССР, МКИ 3А01 К5/00. Раздатчик текучих кормов /А.И. Рудаков, Р.З. Сулейманов (СССР).  №4198487/30-15. Заявл. 02.12.86. Опубл. 07.10.88. Бюл. № 37.
3. Рудаков А.И. Механизация приготовления и раздачи влажных кормов на малых фермах / А.И. Рудаков // Казань: Изд-во Казанской ГСХА. 1995. 84.
4. АС №1382459 СССР, МКИ 3А01 К 9/00. Устройство для группового кормления жидкими кормами / Рудаков А.И., Сулейманов Р.З. (СССР). №4647521/30-14, заявл. 09.07.86; опубл. 30.08.86, бюл. № 32.
5. Дозирование жидких и полужидких смей при помощи угла наклона емкости дозатора-распределителя / А.И. Рудаков, Р.З. Сулейманов // Сб. научных трудов – Казань: изд-во Казанского ветеринарного ин-та им. Баумана, 1988.
6. Рудаков А.И., Асадуллин Н.М., Сулейманов Р.З. Классификация и анализ способов транспортирования полужидких кормовых масс по трубам. – Деп. во ВНИИТЭИАгропром №262 ВС-30 Деп.
7. Сулейманов Р.З., Рудаков А.И. Перечет характеристик водяных центробежных насосов при использовании их для перекачки жидких кормовых смесей с помощью номограмм // Сб. научных тр. – Казань: изд-во Казанского ветеринарного института им. Баумана, 1988. – с. 46-52.
8. АС №1428341 СССР, МКИ А23N  17/00. Устройство для смешивания и подачи кормов / Сулейманов Р.З., Рудаков А.И. (СССР). №4168573/30-15, заявл. 02.12.85. Опубл. 07.10.88. Бюл. № 37.
9. АС №1253583 СССР, МКИ А23N  17/00. Смеситель-запарник кормов / Сулейманов Р.З. (СССР). №3861051/30-15. Заявл. 23.03.85. Опубл. 30.08.86. Бюл. № 32.
10. Маркин О.Ю. Исследование дозирования сыпучих материалов струйными аппаратами при производстве кормосмесей / О.Ю. Маркин, А.И. Рудаков / / Юбил. Сб. научн. Тр. / Казанская гос. СХА. – Казань, 2000. С. 275-278.
11. Патент 2097606 РФ, МКИ 6F 04F 5/04. Пульсирующий эжектор / А.И. Рудаков, Н.М. Асадуллин (Россия). - №94009704/06. Заявл. 15.03.94. Опубл. 27.11.97, бюл. № 33.
12. А.И. Рудаков. Струйные низковакуумные аппараты. (Основы расчета и автоматизированного проектирования), Казань 2008, из-во КГАУ.
13. Темпов В.К., Спиридонов Е.К. Экспериментальные исследование жидкостного эжектора с прерывистой струей / Сб. научн. трудов. - Челябинск, 1975. № 162. – с. 173-183.