CN110171919A - 一种螺旋挤压固液分离设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种螺旋挤压固液分离设备，目的在于解决现有的螺旋挤压干湿分离设备存在挤压效率低、能耗大的问题。与现有螺旋挤压设备不同，申请人基于对现有螺旋挤压固液分离设备缺陷原因的分离，对挤压设备的结构进行了优化改进，以提升挤压设备的效率，降低其能耗。本申请中，采用具有变导程螺旋特征的螺旋绞龙，并利用可调节弹簧压缩量的调节装置，实现对挤压压力的准确调节。基于结构的改进，是的本申请的结构更为简单，螺旋绞龙的使用寿命得到显著提升，且基于螺旋绞龙和压力调节装置的相互配合，使得螺旋挤压固液分离设备中挤压部分受力分布更加合理，进而有效提升挤压效率，延长设备的使用寿命，有效降低能耗和设备维护成本，具有较高的应用价值。

Description

一种螺旋挤压固液分离设备

技术领域

本申请涉及固液分离领域，尤其是螺旋挤压固液分离领域，具体为一种螺旋挤压固液分离设备。更具体地，本申请提供一种用于畜禽粪便的干湿分离设备，其具有结构简单，挤压效率高等优点，能够满足畜禽粪便分离的需求，具有极高的应用价值。

背景技术

近年来，随着农业技术的不断发展，尤其是畜牧养殖业的快速发展，畜禽粪便对环境的污染状况日益严重，因而越来越被人们所重视。畜禽粪便中含有丰富的营养成分和微量元素，是很好的有机肥料和饲养原料，将其进行资源化回收利用，不但能极大地降低了对环境的污染和破坏，也能变废为宝。因此将畜禽粪便进行资源化回收利用，具有极大的经济价值和社会效益。

在畜禽粪便资源化回收利用过程，对畜禽粪便进行干湿分离是必不可少的工艺环节。目前，现有的粪便干湿分离处理设备主要采用螺旋挤压技术，即将含水量较高的粪水混合物通过螺旋挤压设备进行脱水处理，进而实现干湿分离/固液分离。其中，螺旋挤压脱水的主要工作构件为螺旋绞龙，通常将螺旋面焊接在轴上构成，其实现物料的水平输送，输送末端辅助有阻挡构件，从而在输送末端形成加大压力，实现挤压的目的。然而，现有的螺旋挤压干湿分离设备存在挤压效率低、能耗大的问题。

为此，迫切需要一种新的装置，以解决上述问题。

发明内容

申请人通过研究发现，现有的螺旋挤压设备中，绞龙螺旋线为常规(等节距)螺旋线，而受挤压过程的影响，螺杆不同位置承受的挤压力不同，这使得挤压设备的挤压效率较低，能耗较高，螺杆的使用寿命随之缩短。另外，现有螺旋挤压设备中，阻挡机构的压力调节用重力块实现，这也在一定程度上导致了能耗的升高。基于上述缺陷的存在，使得现有的螺旋挤压干湿分离设备的挤压效率低、能耗大、寿命短、维修维护成本高、分离效果不稳定。

本申请的目的在于：针对现有的螺旋挤压干湿分离设备存在挤压效率低、能耗大的问题，本申请提供一种螺旋挤压固液分离设备。与现有螺旋挤压设备不同，申请人基于对现有螺旋挤压固液分离设备缺陷原因的分离，对挤压设备的结构进行了优化改进，以提升挤压设备的效率，降低其能耗。本申请中，采用具有变导程螺旋特征的螺旋绞龙，并利用可调节弹簧压缩量的调节装置，实现对挤压压力的准确调节。基于结构的改进，是的本申请的结构更为简单，螺旋绞龙的使用寿命得到显著提升，且基于螺旋绞龙和压力调节装置的相互配合，使得螺旋挤压固液分离设备中挤压部分受力分布更加合理，进而有效提升挤压效率，延长设备的使用寿命，有效降低能耗和设备维护成本，具有较高的应用价值。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种螺旋挤压固液分离设备，包括螺旋挤压腔体、第一固定端、出料斗、螺旋绞龙、第二固定端、滤网、挤压单元、调节单元；

所述螺旋挤压腔体呈两端开口的管状，所述第一固定端与螺旋挤压腔体的一端开口相连，所述出料斗设置在螺旋挤压腔体的另一端开口上；

所述螺旋绞龙包括变螺距螺旋段、与变螺距螺旋段相连为一体的平滑段，所述变螺距螺旋段位于第一固定端与出料斗之间；

所述第二固定端通过连杆与螺旋挤压腔体相连且螺旋挤压腔体通过连杆能为第二固定端提供支撑；所述螺旋绞龙靠近变螺距螺旋段的一端与第一固定端活动连接，所述螺旋绞龙的另一端与第二固定端活动连接且第一固定端、第二固定端能分别为螺旋绞龙提供支撑；

所述螺旋挤压腔体上分别设置有进料口、出水口，所述进料口设置在螺旋挤压腔体的上端且固液混合物能经进料口能进入螺旋挤压腔体内部并通过螺旋绞龙进行挤压，所述出水口设置在螺旋挤压腔体的下端，所述滤网设置在螺旋挤压腔体与变螺距螺旋段之间且固液混合物中的水在变螺距螺旋段的挤压下能依次经滤网、出水口排出；

所述挤压单元包括与出料斗相配合的挡块、弹簧、弹簧座，所述挡块、弹簧、弹簧座依次设置在平滑段上且挡块、弹簧座能分别相对平滑段移动，所述弹簧的两端分别与挡块、弹簧座相连，所述挡块呈环形且挡块在弹簧的压力下能与出料口紧密贴合以实现对螺旋挤压腔体的关闭；

所述调节单元与第二固定端相连且第二固定端能为调节单元提供支撑，所述调节单元与弹簧座相连且调节单元能调节弹簧座的位置以控制挡块的出料压力。

所述调节单元包括调节杆、推杆、推杆螺母，所述调节杆与第二固定端活动连接且调节杆能相对第二固定端转动，所述推杆螺母设置在调节杆上，所述推杆螺母与调节杆之间采用螺纹连接；

所述推杆为至少两个，所述推杆的两端分别与推杆螺母、弹簧座固定连接且推杆螺母通过推杆能带动弹簧座挤压弹簧以调节挡块的出料压力。

所述变螺距螺旋段为等径设计。

所述出水口为至少一个。

所述出水口为二至十个。

所述推杆为二至二十个。

所述推杆穿过第二固定端且第二固定端能为推杆提供支撑。

还包括设置在调节杆上的调节手轮。

所述滤网呈环形。

所述变螺距螺旋段采用包括如下步骤的方法设计而成：

(1)以变螺距螺旋段靠近第一固定端的一端为起始段，以变螺距螺旋段靠近出料斗的一端为终止端，将起始端的导程记为p₀，将终止端的导程记为p_t，从起始端到终止端经过了N个螺旋周期，总长度为L₀，建立参考系，并假定导程沿轴向方向线性变化，则变导程螺旋线的参数方程如下式(1)所示：

式(1)中，R为螺旋线半径，ωt为螺旋线旋转的角度；

其中，在规定长度L₀内产生导程简便螺旋线时，起始端的导程p₀、终止端的导程p_t满足下式(2)：

(2)设螺旋绞龙的外半径为R，设螺旋绞龙的内半径为r，假设挤压腔内的有效压力P沿轴线z呈线性分布规律，如公式(3)所示：

P＝k·z (3)；

则螺旋绞龙所受到的轴向力F_a与周向转矩T分别由如下公式(4)计算得到：

式(4)中，S为螺旋曲面沿轴向z的投影面积，S由如下公式(5)计算得到：

S＝π(R²-r²) (5)；

(3)根据挤压力的设计需求，及步骤2得到的轴向力Fa、周向转矩T，确定变螺距螺旋段的材料、变螺距螺旋段的设计是否符合要求。

针对前述问题，本申请提供一种螺旋挤压固液分离设备，其是一种具有变导程螺旋特征的挤压脱水装置。申请人研究发现，由于固液分离物料中含有较多水分，在螺旋绞龙的输送挤压的螺旋挤压腔体内，随着液体的过滤，固态物质的分布量沿轴向从一端向另一端逐渐密集，所受到的压力相应逐渐增加；为此，本申请的螺旋绞龙采用导程渐变的螺旋面，更与实际挤压的工作状态相吻合，有利于提高螺旋绞龙压缩物料的挤压效率；进一步，为了简化结构，本申请对压力调节结构进行了全新的设计，以提高挤压效率，降低能耗。

该装置工作过程如下：固液混合物料由进料口进入螺旋挤压腔体，并沿螺旋绞龙的运动方向进行输送，物料中的水分经滤网的过滤后从出水口滤出，固态物质由被送往出料斗；由于挡块被弹簧压紧，固态物料在接近出料斗的区域堆积并受到螺旋绞龙的挤压，挤压力作用在挡块的一侧；随着固态物料的增加，挤压力逐渐增大，直到挤压压力增大到足以克服弹簧施加给挡块的作用力时，弹簧被进一步压缩，出料斗和挡块由接触状态变为分离状态，产生缝隙，固态物料由该缝隙被挤出。

挤压力调节方式如下：弹簧的以端顶紧在弹簧座上，弹簧座由两端具有联接螺纹的推杆固联在推杆螺母上，推杆螺母通过螺纹副与设置有调节手轮的调节杆联接；当正/反旋转调节手轮时，在螺纹副的作用下，推杆螺母将向左或向右移动，从而通过推动推杆使弹簧座向左或向右移动，实现弹簧压缩量的调节。该结构中，通过调节挡块所受弹簧力的大小，以使得挡块挤压侧的压力可被调节。

经实际验证，本申请能够有效提升挤压效率，降低能耗，具有较好的效果。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为变导程螺旋线参考系图。

图2为螺旋线沿导程z轴变化规律图。

图3为实施例1中螺旋绞龙的示意图。

图4为图3的投影示意图。

图5为螺旋挤压固液分离设备结构示意图。

图6为螺旋挤压腔内的压力呈线性分布示意图。

图中标记：1、螺旋挤压腔体，2、第一固定端，3、出料斗，4、螺旋绞龙，5、第二固定端，6、滤网，7、进料口，8、出水口，9、挡块，10、弹簧，11、弹簧座，20、调节杆，21、推杆，22、推杆螺母，23、调节手轮。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

(一)如图所示，本实施例的螺旋挤压固液分离设备包括螺旋挤压腔体、第一固定端、出料斗、螺旋绞龙、第二固定端、滤网、挤压单元、调节单元。其中，螺旋挤压腔体呈两端开口的管状，第一固定端与螺旋挤压腔体的一端开口相连，出料斗设置在螺旋挤压腔体的另一端开口上。螺旋绞龙包括变螺距螺旋段、与变螺距螺旋段相连为一体的平滑段，变螺距螺旋段位于第一固定端与出料斗之间。本实施例中，变螺距螺旋段采用等径变螺距设计，变螺距螺旋段的设计如后所示。同时，第二固定端通过连杆与螺旋挤压腔体相连，螺旋挤压腔体通过连杆为第二固定端提供支撑。

螺旋绞龙靠近变螺距螺旋段的一端与第一固定端活动连接，另一端与第二固定端活动连接，该结构中，通过第一固定端、第二固定端分别为螺旋绞龙提供支撑，螺旋绞龙能在驱动机构的带动下相对螺旋挤压腔体转动，进而实现对物料的挤压。

另外，螺旋挤压腔体上分别设置有进料口、出水口，进料口设置在螺旋挤压腔体的上端，出水口设置在螺旋挤压腔体的下端，滤网设置在螺旋挤压腔体与变螺距螺旋段之间。本实施例中，出水口为两个。

同时，挤压单元包括与出料斗相配合的挡块、弹簧、弹簧座，挡块、弹簧、弹簧座依次设置在平滑段上且挡块、弹簧座能分别相对平滑段移动，弹簧的两端分别与挡块、弹簧座相连，挡块呈环形且挡块在弹簧的压力下能与出料口紧密贴合以实现对螺旋挤压腔体的关闭。

调节单元包括调节杆、与调节杆相连的调节手轮、推杆、推杆螺母，调节杆与第二固定端活动连接且调节杆能相对第二固定端转动，推杆螺母设置在调节杆上，推杆螺母与调节杆之间采用螺纹连接。推杆为至少两个，推杆的两端分别与推杆螺母、弹簧座固定连接。该结构中，推杆螺母通过推杆带动弹簧座挤压弹簧，以调节挡块的出料压力。同时，推杆穿过第二固定端，第二固定端能为推杆提供支撑。

(二)由于固液分离物料中含有较多水分，在螺旋绞龙的输送挤压的螺旋挤压腔体内，随着液体的过滤，固态物质的分布量沿图示轴向从左向右逐渐密集，所受到的压力从做向右逐渐增加，因此，螺旋绞龙采用导程渐变的螺旋面，更与实际挤压的工作状态相吻合，有利于提高螺旋绞龙压缩物料的挤压效率。

(1)螺旋绞龙变导程螺旋线的数学描述

假设螺旋线左侧起始端的导程为p₀，右侧终止端的导程为p_t，从起始端到终止端经过了N个螺旋周期，总长度为L，建立如图1所示参考系，并假定导程沿轴向方向线性变化，则变导程螺旋线的参数方程如下式(1)所示：

式(1)中，R为螺旋线半径，ωt为螺旋线旋转的角度。

同时，在规定的长度L₀与起止端的导程如下公式(2)所示：

若设螺旋绞龙的内外半径分别为R和r，则螺旋绞龙的一实施例如图3、图4所示。

由于物料自入口至出口逐渐被挤压，压力沿z轴向逐渐增大，故而假设挤压腔内的压力沿轴线成线性变化，如图6所示。

螺旋叶片的工作面与非工作面之间应有压力差；考虑物料为液固混合物，在入口处较为稀疏，压力差很小，而在出口端，由于水分的脱离，物料呈半干状态，在旋转挤压过程中，非工作面与物料间的挤压接触力作用相对工作面较为微小，因此，在压力的分布上做近似考虑，忽略负压的影响。

在螺旋挤压腔内，径向尺寸相对轴向尺寸较小，忽略沿径向方向的压力变化；

固液物料在入口处仅需进行物料推送，作用于螺旋叶片上的接触压力相对于出口端的挤压接触力十分微小，故假设入口处的压力为0。

上述四点对挤压腔内压力分布特点进行了假设，考虑近似和忽略所带来的误差影响，设置相应的安全系数进行修正；安全系数的选取应考虑入口物料含水量的不同所带来的影响，据经验估算，安全系数可在1.1～1.3间选择。

若假设挤压腔内的有效压力P沿轴线z呈线性分布规律，如公式(3)所示：

P＝k·z (3)；

其中，k＝P/z。

则经过推导，螺旋绞龙所受到的轴向力Fa与周向转矩T分别为：

式(4)中，S＝π(R²-r²)，为螺旋曲面沿轴向z的投影面积。

式中，各物理量单位分别为：k—MP_a/mm；p₀、p_t、L₀—mm；F_a—N；T—N.mm。

(2)压力调节装置的数学描述

设出料口端的工作压力为P＝kL，弹簧的刚度为K，则在安装时弹簧的初始安装压缩量为

设推杆螺母与调节手轮的螺纹副的导程为S，则调节手轮每旋转一周，弹簧的压力增大或减小：

ΔF＝SK (6)；

从而通过调节手轮的转动，实现对挤压工作压力的调节。

(三)实际应用

(1)该挤压装置的工作过程如下：固液混合物料由进料口进入螺旋挤压腔体，并沿螺旋绞龙的运动方向进行输送，物料中的水分经滤网的过滤后从出水口滤出，固态物质由被送往出料斗；由于挡块被弹簧压紧，固态物料在接近出料斗的区域堆积并受到螺旋绞龙的挤压，挤压力作用在挡块的左侧；随着固态物料的增加，挤压力逐渐增大，直到挤压压力增大到足以克服弹簧施加给挡块的作用力时，弹簧被进一步压缩，出料斗和挡块由接触状态变为分离状态，产生缝隙，固态物料由该缝隙被挤出。

挤压力调节方式如下：弹簧的以端顶紧在弹簧座上，弹簧座由两端具有联接螺纹的推杆固联在推杆螺母上，推杆螺母通过螺纹副与设置有调节手轮的调节杆联接；当正/反旋转调节手轮时，在螺纹副的作用下，推杆螺母将向左或向右移动，从而通过推动推杆使弹簧座向左或向右移动，实现弹簧压缩量的调节。该结构中，通过调节挡块所受弹簧力的大小，以使得挡块挤压侧的压力可被调节。

在实验中，电动机功率为3kW，导程为160mm，上升值为80mm，螺旋叶片5个周期，设置螺旋压缩出口压力为0.8MPa时，在一个小时的时间里，能将含水率为80％的粪便7.6160×10³kg减至3.0464×10³kg，脱水物的含水率降至50％。

(2)采用变导程螺旋绞龙后的性能变化

为比较采用变导程螺旋线和非变导程螺旋线时的性能，在其它参数条件不变的情况下，分别采用N个周期的定导程螺旋绞龙A和变导程螺旋绞龙B实现相同压力P的挤压时，讨论其受力情况即可，并设绞龙A的导程恒为p，绞龙B的导程由p渐变为qp；q为导程变化参数，理论取值范围为(0,1)，实际应用建议取值0.4～0.6。

对于绞龙A，当p为常数时，由(4)式可得绞龙A达到压力P的挤压效果时，所受轴向力F_a与负载转矩T分别为

对于绞龙B，由于导程渐变，则由(2)式可知，其长度相较于绞龙A发生了改变，由L＝Np变为L′，且

由于绞龙B与A实现相同的挤压压力P，从而压力在螺旋挤压腔体内的分布参数k应变为

将公式(8)式和(9)式带入(4)式，即可得绞龙B所受的轴向力Fa′与负载转矩T′为

根据公式(8)和公式(10)式建立q取不同引用数值时的数表，如下表1所示。

表1

导程变化参数q	q＝0.4	q＝0.5	q＝0.6	q＝0.7
					绞龙螺旋长度L′	0.7L	0.75L	0.8L	0.85L
轴向力Fa′	1.14Fa	1.11Fa	1.08Fa	1.06Fa
					负载转矩T′	0.7T	0.75T	0.8T	0.85T

由上可知，在获得相同的挤压效果时，采用变导程螺旋绞龙相较于非变导程螺旋绞龙具有如下优势：

(1)变导程螺旋绞龙的轴向尺寸变短了15～30％，即结构更加紧凑，节约材料成本和占地空间；

(2)变导程螺旋绞龙的负载转矩降低了15～30％，即在达到相同挤压效果的情况下，采用变导程螺旋绞龙结构可以降低15～30％的能耗。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种螺旋挤压固液分离设备，其特征在于，包括螺旋挤压腔体、第一固定端、出料斗、螺旋绞龙、第二固定端、滤网、挤压单元、调节单元；

所述螺旋挤压腔体呈两端开口的管状，所述第一固定端与螺旋挤压腔体的一端开口相连，所述出料斗设置在螺旋挤压腔体的另一端开口上；

所述螺旋绞龙包括变螺距螺旋段、与变螺距螺旋段相连为一体的平滑段，所述变螺距螺旋段位于第一固定端与出料斗之间；

所述第二固定端通过连杆与螺旋挤压腔体相连且螺旋挤压腔体通过连杆能为第二固定端提供支撑；所述螺旋绞龙靠近变螺距螺旋段的一端与第一固定端活动连接，所述螺旋绞龙的另一端与第二固定端活动连接且第一固定端、第二固定端能分别为螺旋绞龙提供支撑；

所述螺旋挤压腔体上分别设置有进料口、出水口，所述进料口设置在螺旋挤压腔体的上端且固液混合物能经进料口能进入螺旋挤压腔体内部并通过螺旋绞龙进行挤压，所述出水口设置在螺旋挤压腔体的下端，所述滤网设置在螺旋挤压腔体与变螺距螺旋段之间且固液混合物中的水在变螺距螺旋段的挤压下能依次经滤网、出水口排出；

所述挤压单元包括与出料斗相配合的挡块、弹簧、弹簧座，所述挡块、弹簧、弹簧座依次设置在平滑段上且挡块、弹簧座能分别相对平滑段移动，所述弹簧的两端分别与挡块、弹簧座相连，所述挡块呈环形且挡块在弹簧的压力下能与出料口紧密贴合以实现对螺旋挤压腔体的关闭；

所述调节单元与第二固定端相连且第二固定端能为调节单元提供支撑，所述调节单元与弹簧座相连且调节单元能调节弹簧座的位置以控制挡块的出料压力。

2.根据权利要求1所述的螺旋挤压固液分离设备，其特征在于，所述调节单元包括调节杆、推杆、推杆螺母，所述调节杆与第二固定端活动连接且调节杆能相对第二固定端转动，所述推杆螺母设置在调节杆上，所述推杆螺母与调节杆之间采用螺纹连接；

所述推杆为至少两个，所述推杆的两端分别与推杆螺母、弹簧座固定连接且推杆螺母通过推杆能带动弹簧座挤压弹簧以调节挡块的出料压力。

3.根据权利要求2所述的螺旋挤压固液分离设备，其特征在于，所述推杆穿过第二固定端且第二固定端能为推杆提供支撑。

4.根据权利要求2所述的螺旋挤压固液分离设备，其特征在于，还包括设置在调节杆上的调节手轮。

5.根据权利要求1所述的螺旋挤压固液分离设备，其特征在于，所述出水口为至少一个。

6.根据权利要求5所述的螺旋挤压固液分离设备，其特征在于，所述出水口为二至十个。

7.根据权利要求1所述的螺旋挤压固液分离设备，其特征在于，所述推杆为二至二十个。

8.根据权利要求1所述的螺旋挤压固液分离设备，其特征在于，所述滤网呈环形。

9.根据权利要求1～8任一项所述的螺旋挤压固液分离设备，其特征在于，所述变螺距螺旋段为等径设计。

10.根据权利要求1～9任一项所述的螺旋挤压固液分离设备，其特征在于，所述变螺距螺旋段采用包括如下步骤的方法设计而成：

(1)以变螺距螺旋段靠近第一固定端的一端为起始段，以变螺距螺旋段靠近出料斗的一端为终止端，将起始端的导程记为p₀，将终止端的导程记为p_t，从起始端到终止端经过了N个螺旋周期，总长度为L，建立参考系，并假定导程沿轴向方向线性变化，则变导程螺旋线的参数方程如下式(1)所示：

式(1)中，R为螺旋线半径，ωt为螺旋线旋转的角度；

其中，长度L₀与起始端的导程p₀、终止端的导程p_t如下式(2)所示：

(2)设螺旋绞龙的外半径为R，设螺旋绞龙的内半径为r，假设挤压腔内的有效压力P沿轴线z呈线性分布规律，如公式(3)所示：

P＝k·z (3)；

则螺旋绞龙所受到的轴向力F_a与周向转矩T分别由如下公式(4)计算得到：

式(4)中，S为螺旋曲面沿轴向z的投影面积，S由如下公式(5)计算得到：

S＝π(R²-r²) (5)；

(3)根据挤压力的设计需求，及步骤2得到的轴向力Fa、周向转矩T，确定变螺距螺旋段的材料、变螺距螺旋段的设计是否符合要求。