CZ2015295A3 - Akcelerátor pelet suchého ledu - Google Patents

Abstract

Akcelerátor (1) pelet suchého ledu sestává z rámu (2), motoru (4), z kterého vystupuje hnací hřídel (5) na níž je uspořádán rotor (6) opatřený akceleračními kanály (20), přičemž po obou stranách rotoru (6) je uspořádán vnější kryt (7a, 7b) sestávající ze dvou krycích kotoučů spojených šrouby, přičemž před vstupem do rotoru (6) je uspořádán přivaděč (9) pelet opatřený radiálním vstupním otvorem (10) a na straně přivrácené k rotoru (6) je opatřen kruhovým spojovacím nástavcem (11), který navazuje na vstupní kruh s kruhovým vnitřním vybráním (18) u strukturované části (6a) rotoru (6), přičemž vstupní otvor (10) přivaděče (9) ústí do přívodní otevřené spirály (12) provedené v přivaděči (9), přičemž vzdálenost dna (13) otevřené spirály (12) od základní plochy (14) přivaděče (9) orientované k motoru (4) se kontinuálně zvětšuje a otevřená spirála (12) je zakončena výstupem (15) ze spojovacího nástavce (11), přičemž do vnitřního kruhového vybrání (18) ve strukturované části (6a) rotoru (6) je zaústěn výstupní otvor (15) ve spojovacím nástavci (11).

Description

Akcelerátor pelet suchého ledu • ·

t · · t * · -W—2=*r—i"? ··· ····· • · · · · · 0 ··· · · · a • ·««··« · · • · · · · • · · ······

Oblast techniky

Vynález se týká akcelerátoru pelet suchého ledu, tedy čistícího zařízení, kdy jsou pelety vymet^nyVótorem.

Dosavadní stav techniky

Tryskání suchým ledem je čisticí proces, při kterém dochází k urychlování částic suchého ledu pomocí stlačeného vzduchu a jejich následnému tryskání proti čištěnému povrchu. Mezi největší výhody tryskání suchým ledem patří rychlost čištění a absence odpadního materiálu - veškerý suchý led vysublimuje do atmosféry. Přestože je množství CO2 vypuštěného do atmosféry v porovnání s jinými metodami větší, nelze tento proces považovat za velkou zátěž pro životni prostředí. Oxid uhličitý je totiž obvykle koproduktem chemického průmyslu. Jeho využití při čištění je v podstatě jedním ze způsobů jeho recyklace.

Mezi účinky suchého ledu v procesu čištění se řadí zejména kinetická energie urychlených částic suchého ledu na čištěnou plochu, teplotní šok způsobený podchlazením čištěného materiálu a související zkřehnutí čištěné vrstvy a konečně expanze při sublimaci CO2. K těmto účinkům se musí připočítat působení samotného tlakového vzduchu, který neurychluje pouze částice suchého ledu ale i částice otryskávaného materiálu.

Tryskání suchým ledem nachází uplatnění v širokém spektru průmyslových odvětvích počínaje automobilním a konče potravinářským průmyslem a je již zaběhnutou metodou čištění po mnoho let. Nejčastějším využitím je čištění funkčních ploch od nežádoucích materiálů, jako je prach, rez a různé druhy mastnoty. Jednou ze specifických vlastností tryskání suchým ledem, je kombinace výše zmíněných účinků suchého ledu s jeho nízkou tvrdostí. Tímto způsobem může být proces nastaven tak, aby částice suchého ledu odstraňovaly nečistoty a přitom neponičily povrch. S velmi dobrými výsledky se tryskání uplatňuje například při čištění různých forem a zařízení, která mají během používání vysokou teplotu. Vysoký teplotní rozdíl působí pozitivně na proces čištění a zařízení se na rozdíl od standardního čištění vodou nemusejí vypínat a chladit. Podobného účinku lze dosáhnout v některých aplikacích potravinářského průmyslu, například odstraňovaní zbytků těsta z forem. Navíc tryskání suchým ledem působí pozitivně proti šíření určitých druhů bakterií. — 2 — 9 9 9 9 9 9 9 9 99999 9 • 9 9♦·* 99 9 9 9 9 9 9

Velký potenciál lze spatřit ve využití tryskání jako přípravného procesu před nanášením dalších funkčních vrstev na materiál, jako jsou barvy a laky, nebo přímo jako specifickou úpravu povrchu u ložisek. Další oblastí s velkým potenciálem je čištění vzduchotechnických jednotek. Kromě tryskání se suchý led využívá i k chlazeni v potravinářském průmyslu a nově i jako náhrada amoniaku v kožedělném průmyslu. V porovnání s jinými metodami čištění (tryskání vodou, tryskání pískem nebo podobným materiálem) je tryskání suchým ledem méně energeticky i časově náročné. V účinnosti čištění, hlučnosti či složitosti obsluhy je na stejné úrovni jako ostatní zmiňované metody. Přesto ho jeho závislost na stlačeném vzduchu částečně znevýhodňuje. Stlačený vzduch se používá především k transportu a akceleraci pelet suchého ledu, ale podporuje také odtrhávání částic nečistot od čištěného povrchu. Stlačený vzduch je ale drahé médium a to kvůli nízké účinnosti kompresorových jednotek, které stlačený vzduch upravují.

Alternativou k tryskání pelet urychlovaných v trysce může být metání pelet pomocí rotujícího kotouče. Toto řešení je známo ze spisu US 5,472,369. Princip funkce spočívá v urychlování pelet, které jsou přiváděny axiálním přívodem ke středu rotujícího rotoru ve tvaru disku. Tento disk je opatřen dvěma nebo více drážkami ve tvaru velké vlny, které vedou od středu k obvodu disku. Kolem disku je kryt, který je v jednom místě otevřen jako plochá tryska, která je pouze výstupem a tok pelet nezrychluje. Jak disk rotuje, tak jsou pelety v drážkách díky jejich tvaru urychlovány a pak vymetány tryskou ven. Z pohledu spotřeby stlačeného vzduchu jde o mimořádně výhodnou koncepci tryskání. Suchý let získává potřebnou kinetickou energii díky odstředivé síle a nikoliv díky velkému objemovému průtoku stlačeného vzduchu. Vysokých obvodových rychlostí rotoru je dosaženo vhodným elektromotorem. Energií pro akcelerování pelet je pouze elektrická energie transformovaná na mechanickou a přenášená skrze hřídel k rotoru. Problém ovšem je ve způsobu přivádění pelet do středu disku, kdy do disku vstupují pelety axiálně a pak se dráha jejich pohybu lomí v podstatě o 90, což má za následek jejich zpomalení a zbytečné tříštění. Cílem vynálezu je představit akcelerátor výše popsaného typu, jehož přívodní zařízení by zajišťovalo plynulý převod do středu rotoru a tím by se zlepšily kinetické i mechanické podmínky při přivádění pelet na rotor, což by mělo za výsledek i lepší funkci akcelerátoru. - 3 - - 3 - • *

• · *«· ·«··« «'·« ·«· I I I • « * « ««« » Μ* • *««* ( I Μ I « « « < « · · « | « ···« « « <· « ·«····

Podstata vynálezu Výše uvedené nedostatky (odstraňuje \do značné míry^ akcelerátor pelet suchého ledu podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že před vstupem do rotoru je uspořádán přivaděč pelet opatřený radiálním vstupním otvorem a na straně přivrácené k rotoru je opatřen kruhovým spojovacím nástavcem, který navazuje na vstupní kruh s kruhovým vnitřním vybráním u strukturované části rotoru, přičemž vstupní otvor přivaděče ústí do přívodní otevřené spirály provedené v přivaděči, přičemž vzdálenost dna otevřené spirály od základní plochy přivaděče orientované k motoru se kontinuálně zvětšuje a otevřená spirála je zakončena výstupem ze spojovacího nástavce, přičemž do vnitřního kruhového vybrání ve strukturované části rotoru je zaústěn výstupní otvor ve spojovacím nástavci. Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále přiblížen pomocí výkresů, na kterých obrjí představuje pohled na akcelerátor podle vynálezu, obrjá je čelní pohled na akcelerátor z obr.1, obr. 3 je pohled shora na akcelerátor z obr.jl, obr.jí je pohled na přivaděč pelet k rotoru akcelerátoru, obr]Í5 je pohled shora na přivaděč akcelerátoru z obr. 4, obrjí je řez podle řezné roviny B-B z obr 4, obr.J je řez podle řezové roviny C-C z obr, 5, obrj8 je pohled na kryt rotoru akcelerátoru, obrj) je pohled na strukturovanou část rotoru, obrjí 0 je řez rotorem podle řezové roviny A-A zobr.j3, obr. 11 je detail napojení přivaděče na rotor akcelerátoru ve schematickém řezu, obr. 12 je částečný řez v perspektivním pohledu napojeni přivaděče na rotor akcelerátoru a obr.jl 3 je částečný řez v perspektivním pohledu na napojení přivaděče na rotor akcelerátoru i na ostatní části akcelerátoru. Příklad provedení vynálezu

Na obr. 1 až 3 je vidět akcelerátor 1 pelet suchého ledu podle vynálezu a je zřejmé, že sestává z rámu 2, na kterém jsou pevně uspořádány dvě podpory 3 pro motor 4, z kterého vystupuje hnací hřídel 5. Ta pohání rotor 6, o kterém bude podrobněji pojednáno níže. Po obou stranách rotoru 6 je kryt sestávající ze dvou krycích kotoučů 7a a 7b spojených šrouby 8. Před rotorem 6 je uspořádán přivaděč 9 pelet, který je v zásadě nejdůležitější inovací a bude o něm podrobně rovněž « · Μ « ««··« ( * 1 · «( · ··· « * · · <·· t « ·« « tlil 4····« « · I » l « · · ·

Ml* « I < C I «····· - 4 — pojednáno později. Na obr|> je vidět vstupní otvor 10, kterým se do přivaděče 9 přisunují pelety z příslušné hadice. Krycí kotouč 7b je připevněn k rámu 2.

Na obrjjí až 7 je v detailu zmíněný přivaděč 9, který přivádí pelety dopravované z příslušné neznázorněné hadice od generátoru pelet. Tvar přivaděče 9 je čtvercový a na své horní části, tedy té přivrácené k rotoru 6 je opatřen kruhovým spojovacím nástavcem li. Ten spojuje přivaděč 9 se vstupním kruhem na rotor 6. Vstupní otvor 10 v tělese přivaděče 9 ústí do přívodní otevřené spirály 12, jak je vidět nejlépe na obr]3, a otevřená spirála 12 je v představeném provedení ve tvaru kruhu při pohledu shora a vzdálenost jejího dna 13 od základní plochy 14 přivaděče 9 se kontinuálně zvětšuje a otevřená spirála 12 končí výstupem 15 ze spojovacího nástavce 11 Průchozím středovým otvorem 16 prochází hnací hřídel 5 motoru 4, která je uspořádaná v ložisku. Otvory 17 jsou pro šrouby k uchycení ke krycímu kotouči 7b.

Na obr. 8 je vidět v detailu kryt 6b rotoru 6 . Na obr. 10 je vidět, že další částí rotoru je strukturovaná část 6a, v níž je provedeno vstupní kruhové vybrání 18, jehož vnější okraj dosedne na kruhový spojovací nástavec JI přivaděče 9 a do tohoto vnitřního vybrání 18 ústí výstup 15 ze spojovacího nástavce 11 Spojení rotoru 6 a přivaděče 9 je velmi dobře vidět na obr. 11. Na obr^2 je zase dobře vidět, že otvorem 19 prochází hnací hřídel 5 uložená na ložiskách. Z kruhového vnitřního vybrání 18 v rotoru 6 jsou pelety distribuovány do dvojice protilehle uspořádaných vymetacích akceleračních kanálů 20, které mají obloukový tvar. To je dobře vidět na obr.ja. Mezi akceleračními kanály 20 jsou potom provedena konstrukční zpevňovací žebra 21 Kolem rotoru 6 není uspořádán žádný radiální kryt s vypouštěcí hubicí, kam by se proud pelet koncentroval, jako je tomu u zařízení podle stavu techniky, ale pelety jsou vymetány ze dvou míst na rotoru 6. To je velmi výhodné pro čištění trub nebo rour.

Na obr. 11 až 13 je pak velmi dobře v perspektivě vidět v částečných řezech napojení přivaděče 9 na rotor akcelerátoru 6, který je uložený na hřídeli 5.

Dle předpokladů by se měrná spotřeba energie na tryskání suchého ledu Eb v kWh/kgPeiet mohla pohybovat okolo 0,041 kWh/kgpeiet, přičemž běžně dostupná tryskací zařízení dosahují až 0,31 kWh/kgpeiet. Tento předpoklad činí akcelerátor pelet suchého ledu oproti konvenčním zařízením téměř o 87 % úspornějším.

Navržený rotor je složen ze dvou částí, přičemž jedna z nich obsahuje kruhové vnitřní vybrání 18 pro pelety umístěné ve středu rotoru, jenž ústí do akceleračních « « * I * « * I < 9*4 9 4 4 * « « € % · I t * · · « « « «

« « < « I « I I t««« I MM ♦ < « « · Ι·Μ (I M * kanálů 20, kterými jsou pelety urychlovány. Toto vybrání 18 bylo navrženo z důvodu eliminování kontaktu pelet ve vstupním otvoru s akceleračními komorami, který by měl střihový efekt na pelety. Tento efekt by mohl zvyšovat namáhání celého akcelerátoru a zároveň snižovat jeho výkon. Vnější část rotoru 6 slouží jako krycí a dotváří akcelerační komoru. Průměr kompletního rotoru 6 je např. 250 mm Z výpočtů vyplynulo, že při hmotnostním toku pelet 100 kgpeiet/h nedochází k úplnému zaplnění objemu akceleračních drážek rotoru a tudíž může docházet k ventilátorovému jevu - funkce jako radiální ventilátor s lopatkami zahnutými dopředu. Ten je nežádoucí, neboť zvyšuje nároky na příkon pohonu akcelerátoru. Pro eliminaci tohoto jevu, byl stanoven počet akceleračních kanálů 20 na dva.

Dalším optimalizačním krokem bylo snížení hmotnosti a momentu setrvačnosti akceleračního rotoru 6. Toho bylo dosaženo postupným odebíráním materiálu z nefunkčních ploch na přední i zadní straně tak, aby nebyla narušena poloha těžiště rotoru 6. Při orientačním výpočtu pevnosti akceleračního rotoru o výchozích parametrech s otáčkami 15 500 ot./min bylo zjištěno, že materiál musí mít nízkou hmotnost a zároveň dosahovat vysoké meze kluzu a pevnosti v tahu. Jako vhodný materiál se jevil hliník, a proto byla vybrána letecká slitina hliníku. Pro ověření pevnosti a vyloučení možné totální deformace při namáhání odstředivou silou bylo využito výpočetního SW, který pomocí metody konečných prvků dokázal vyhodnotit kritická místa konstrukce

Po rozsáhlém počtu iterací úprav konstrukce rotoru bylo docíleno minimalizování ohybu akceleračního rotoru. Výsledná konstrukce disponovala zvýšenou pevnosti díky aplikování paprskovitých žeber a zvýšení počtu spojovacích míst krytu a strukturované části rotoru a to jak po vnějším obvodu, tak na vnitřním průměru. Pro spojení obou částí rotoru bylo využito 16 šroubových spojů V případě, kdyby pelety suchého ledu byly dopravovány kolmo na rotační část akcelerátoru, mohlo by dojít k jejich deformaci vlivem nárazu. Navíc by pelety vstupovaly s nulovou obvodovou rychlostí a docházelo by tak k nežádoucímu prudkému urychlení vedoucímu k potenciálnímu roztříštění pelety suchého ledu. Z důvodu eliminace nežádoucích vlivů plynoucích z kolmého přívodu pelet byl navržen spirálový přivaděč pelet suchého ledu k rotoru, který slouží zároveň jako zadní domek ložiska hřídele. Hlavní úlohou tohoto přivaděče je rovnoměrně a po spirální trajektorii přiblížit pelety suchého ledu ke středové části rotujícího

• I • · • ·

• II • · · · • I I * · • ♦ t « ♦ » · · ě « ♦ M #

akceleračního rotoru a to ve směru jeho otáčení. Výstupní hrana spirálního přivaděče ústí až do rotoru akcelerátoru, kde je pouze minimální vůle mezi hranou přivaděče a stěnou krytu rotoru. Všechna dostupná konvenční zařízení pro tryskání suchým ledem používají pro akceleraci suchého ledu stlačený vzduch. Praktické zkušenosti operátorů tryskacích zařízení potvrzují, že náklady spojené s výrobou tlakového vzduchu jsou limitujícím faktorem pro širší uplatnění této progresivní metody čištění v průmyslové praxi. Snaha o snižování spotřeby tlakového vzduchu u tryskacích zařízení se přitom neváže pouze na jeho výrobní cenu. V mnoha případech jsou průmyslové provozy vybaveny nedostatečně výkonnými kompresorovými stanicemi, takže provozovatel tryskacího zařízení musí zajistit zápůjčku výkonného mobilního kompresoru a jeho přepravu do místa čištění. Náklady na čištění jsou tím významně navýšeny.

Zde představenou alternativou k trysce je metání pelet pomocí rotujícího rotoru. Princip funkce spočívá v urychlování pelet, které jsou přiváděny axiálně ke středu rotujícího rotoru. Z pohledu spotřeby stlačeného vzduchu jde o mimořádně výhodnou koncepci tryskání. Suchý let získává potřebnou kinetickou energii díky odstředivé síle a nikoliv díky velkému objemovému průtoku stlačeného vzduchu. Vysokých obvodových rychlostí rotoru je dosaženo vhodným elektromotorem. Energií pro akcelerování pelet je pouze elektrická energie transformovaná na mechanickou a přenášená skrze hřídel k rotoru.

Vyvinuté zařízení je především pro svou inovativní konstrukci vhodné pro čištění průmyslových potrubních tras, neboť jeho předností je tryskání pelet po celém obvodu. Tímto způsobem tryskání se zrychluje celý proces čištění, neboť v jednom časovém úseku jsou pelety rozptýleny na celou plochu, úsek smáčeného obvodu, daného čištěného místa. S uvážením nízké spotřeby energie se jedná o velice progresivní a perspektivní zařízení, které má mnoho uplatnění.

Claims (2)

1. • · · · PATENTOVÉ NÁROKY 1. Akcelerátor (1) pelet suchého ledu/ sestávající—z^rájnu (2),_motoru (4), z kterého vystupuje hnací hřídel (5/#na jžsí je uložen rotor (6) opatřený akceleračními kanály (20), přičemž po obou stranách rotoru (6) je uspořádán vnější kryt (7a, 7b) sestávající ze dvou krycích kotoučů spojených šrouby, vyznačující se tím, že před vstupem do rotoru (6) je uspořádán přivaděč (9) pelet opatřený radiálním vstupním otvorem (10) a na straně přivrácené k rotoru (6) je opatřen kruhovým spojovacím nástavcem (11), který navazuje na vstupní kruh s kruhovým vnitřním vybráním (18) u strukturované části (6a) rotoru (6), přičemž vstupní otvor (10) přivaděče (9) ústí do přívodní otevřené spirály (12) provedené v přivaděči (9), přičemž vzdálenost dna (13) otevřené spirály (12) od základní plochy (14) přivaděče (9) orientované k motoru (4) se kontinuálně zvětšuje a otevřená spirála (12) je zakončena výstupem (15) ze spojovacího nástavce (11), přičemž do vnitřního kruhového vybrání (18) ve strukturované části (6a) rotoru (6) je zaústěn výstupní otvor (15) ve spojovacím nástavci (11).
2. 2. Akcelerátor (1) pelet suchého ledu podle nároku 1, vyznačující se tím, že vnější kryt (7a,7b) je radiálně otevřen.