Google

"Холодная" работа

при перепечатке, копировании данной статьи или ее фрагментов открытая ссылка на сайт обязательна!

ОСОБЕННОСТИ «ХОЛОДНОЙ» РАБОТЫ

Автор: Третьяков Павел Андреевич

ПРОЛОГ

Все производители деталей и изделий из композитов  прекрасно знают, как важно поддерживать однородную температуру на всем производстве. Для получения качественных изделий температуры сырья, оснастки, оборудования и инструментов должны быть одинаковы. Однако если регуляция температуры в цехе может контролироваться самим производителем, то температура окружающей среды на улице контролю не подлежит. По этой причине все поступающее на склад предприятия сырье всегда имеет температуру ниже требуемой. Причем, это практически не зависит от времени года, и эта проблема особо обостряется зимой.

Обычная температура работы композитного производства составляет 21-23 С. Для поддержания такой температуры в цехе и на складе необходимо затрачивать определенные энергоресурсы, в частности, электроэнергию. При этом большая часть этих ресурсов расходуется впустую – на отопление областей цеха и склада, где нет работников и какой-либо деятельности. Эта проблема малоактуальная для небольших производств и цехов, арендуемых отапливаемых цехов, но становится актуальной при расширении производства и увеличении площади цеха, создании поточного производства.

При наличии большого производства для отопления цеха требуется устанавливать воздушные калориферы на вентиляционном входе и обеспечивать оборотный теплообмен для снижения энергопотерь. Если в зоне обработки готовых изделий, подготовке форм и складской зоне такой режим получить достаточно легко, то в зоне формовки необходимо осуществлять интенсивный воздушный обмен за счет приточно-вытяжной вентиляции. Это требует усиленного расхода электроэнергии на нагрев теплоносителя (воздуха в данном случае) для поддержания заданной температуры, при этом этот горячий воздух, как правило, потом вылетает в трубу. И это не метафора, а реальность.

Решением всех этих проблем может стать локальный нагрев требуемых областей до нужной рабочей температуры (23 С и выше в зависимости от требуемой скорости оборота оснастки и формовки), что позволит существенно повысить технологичность производства за счет контроля параметров температуры. Как вы поняли, речь идет о нагреве сырья и оснастки. При этом во всем цехе потребуется поддерживать только комфортную для работы температуру (15-18 С), и ее изменения не будут влиять на сам процесс производства. Помимо технологичности, такое решение также позволит уменьшить расход электроэнергии.

В этой статье мы расскажем о различных способах нагрева сырья и оснастки, и о разных типах нагревателей, которые могут использоваться для этих целей.

НАГРЕВАТЕЛИ

Производители изделий из композитов отлично знают, что вязкость полиэфирных смол и их реакционная способность существенно зависят от температуры. Использование предварительного нагрева позволяет снизить вязкость смолы, что упрощает работу с ней. Низкая вязкость смолы позволяет добавлять в нее различные порошкообразные наполнители для снижения себестоимости изделий или придания им особых механических свойств. Контроль температуры смолы также позволяет лучше контролировать процесс производства и четко выдерживать заданные параметры формовки.

Для нагрева газов, жидкостей и твердых материалов используются различные нагревательные элементы:

  • Поясные нагреватели
  • Нагревательные рубашки
  • Донные нагреватели
  • Трубчатые нагреватели
  • Оребренные трубчатые нагреватели
  • Проточные нагреватели
  • Греющие кабели
  • Ленточные нагреватели
  • Патронные нагреватели

Теперь рассмотрим каждый тип нагревателей подробнее.

Поясной нагреватель

Нагреватели этого типа представляют собой широкую ленту с встроенными в нее нагревательными элементами. Поясные нагреватели обычно используются для обогрева различных бочек и емкостей, и поддержания заданной температуры с целью снижения тепловых потерь. Их преимущество – простота использования. Для нагрева бочки достаточно просто обвязать ее нагревателем и включить его в электросеть.

Фото: поясной нагреватель и нагревательная рубашка

Недостаток нагревателей этого типа – поверхность нагрева не контактирует напрямую со средой, которую требуется нагреть. Соответственно, снижается коэффициент теплопередачи, фактически, часть подведенной мощности расходуется на обогрев окружающего пространства.

Для снижения тепловых потерь в поясные нагреватели могут быть встроены теплоизолирующие слои. Пользователь поясного нагревателя также самостоятельно может обернуть его каким-либо теплоизолятором (ПВХ, пенополиуретан, минеральная вата, стеклопластик).

Нагревательная рубашка

Это аналог поясного нагревателя, но представляет собой мат заданного размера, например длиной 2 метра и шириной 0.5 метра, что позволяет обернуть нагревательной рубашкой всю емкость, бочку или контейнер. Нагревательные рубашки также применяются для снижения тепловых потерь и поддержания заданной температуры жидкостей, находящихся в бочках, емкостях и контейнерах.

Донный нагревать

Это специфический тип нагревателя, который используется для подогрева бочек со дна. Донный нагреватель представляет собой круглый мат, который подкладывается под бочку. Собственный вес бочки и плоскость дна способствуют лучшему прилеганию мата к поверхности и большей теплопередаче.

Фото: донный нагреватель

При нагреве конвективные потоки распространяют тепло снизу вверх, что позволяет поддерживать заданную температуру жидкости. При наличии наполнителей в смоле, донный нагрев позволит создать в зоне дна область с низкой вязкостью и высокой текучестью, что упростит механическое перемешивание и в целом не позволит осесть наполнителям на дно.

Кроме этого, за счет конвекционных потоков снизу верх осуществляется своеобразное гидродинамическое перемешивание жидкости в бочке, что снижает вероятность расслоения материалов.

Трубчатый нагреватель

Это одни из самых распространенных типов нагревателей. Благодаря эффективности и простоте конструкции они широко используются в промышленной и бытовой технике. Трубчатый нагреватель представляет собой трубку с размещенным внутри электрическим нагревательным элементом, обычно спиралевидного типа. С двух сторон трубки выведены электрические контакты, а концы трубки герметично запаяны. Пространство внутри трубки заполнено электроизоляционным материалом, хорошо проводящем тепло, за счет чего мощность от нагревательной спирали передается на стенки трубки. Для нагрева среды трубчатый нагреватель просто помещается в нее.

Фото: трубчатый нагреватель

Для повышения эффективности нагрева среды трубчатым нагревателям придают различные формы, например, U-образный, Z-образный или спиральный вид, или устанавливают на них ребра, что увеличивает площадь теплообмена. Однако, если трубчатый нагреватель используется в потоке жидкости, то отклонение его формы от прямой или установка ребер усиливают гидродинамическое сопротивление потоку. По этой причине обычно оребренные трубчатые нагреватели применяют для нагрева слабо текущих газов (тепловые вентиляторы, калориферы) или спокойных газов (воздух в комнате), где нагрев основного объема происходит в течении достаточно длительного времени за счет возникающих конвективных потоков.

Преимущества трубчатых нагревателей – это простота конструкции, легкость замены, надежность, возможность использования для нагрева широкого диапазона различных сред. Гладкие трубчатые нагреватели легко очищаются от осевших на них частиц или засохших остатков жидкостей.

Оребренные трубчатые нагреватели

Оребренные нагреватели редко используют для нагрева спокойных или текущих жидкостей, так как помимо усиления гидродинамического сопротивления, использование таких нагревателей приводит к сильному локальному нагреву и вскипанию жидкости. Это связано с существенно большей теплопроводностью жидкостей по сравнению с газами, и их большей плотностью, что не позволяет быстро осуществить массоперенос без применения внешних источников создания потока. Другими словами, для того, чтобы нагревать жидкости оребренными нагревателями, их нужно очень интенсивно перемешивать.

Фото: оребренный трубчатый нагреватель

Преимущество оребренных нагревательных элементов – меньшая потребляемая мощность при том же коэффициенте теплопередачи, что у нагревателя без ребер, а также возможность очень быстро нагреть локальный участок жидкости или газа.

Недостаток оребренных нагревателей – сложность очистки ребер от налипшей и засохшей жидкой среды (смолы, масла, нефти) или осевших наполнителей. Помимо трудностей с очисткой, налипшие частицы могут привести к выходу нагревателя из строя из-за перегрева.

При нагреве полиэфирных смол в месте сильного нагрева возможно вскипание смолы за счет интенсивного испарения стирола.

Проточный нагреватель

Данный тип нагревателей обычно используется при прокачке жидкостей по трубопроводам и шлангам. Проточный нагреватель представляет собой трубку с размещенными внутри трубчатыми нагревательными элементами. При прокачке жидкости она взаимодействует со стенками нагревательных элементов, благодаря чему эффективно нагревается.

Преимущество использования проточных нагревателей – очень быстрый локальный нагрев малых объемов, что позволяет использовать их в установках по напылению лакокрасочных материалов, гелькоута, стеклопластика, инжекционном оборудовании и в литьевых машинах для изготовления искусственного камня.

Особо следует отметить применение проточных нагревателей в установках по напылению гелькоута, так как нагрев гелькоута позволяет существенно уменьшить время его полимеризации и ускорить процесс формовки изделия. Снижение вязкости гелькоута также способствует более равномерному нанесению слоя на матрицу и может способствовать уменьшению расхода гелькоута за счет лучшей укрывистости поверхности матрицы.

Греющий кабель

Это простейший вид нагревательного элемента, представляющий собой провод, который греется при приложении напряжения к его концам. Греющие кабели обычно используют для обогрева тонких трубок путем обмотки на всем протяжении. Их также используют в теплых полах, для предотвращения обледенения участков поверхностей и в других приложениях.

Ленточный нагреватель

Этот тип нагревателя представляет собой ленту с размещенными на ней греющими кабелями или сетками. Используются такие нагреватели для обогрева труб и трубопроводов, емкостей, бочек, различного оборудования в тех местах, где невозможно использовать нагревательные рубашки или поясные нагреватели.

Нагреватели патронного типа (пальчиковые)

Фото: нагреватель патронного типа

Это нагреватель трубчатого типа, однако, в отличие от стандартного трубчатого нагревателя, контакты у него расположены с одной стороны. Обычно патронные нагреватели используются для обогрева пресс-форм или в качестве погружных для локального нагрева жидкостей.

ПРИМЕНЕНИЕ НАГРЕВАТЕЛЕЙ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ КОМПОЗИТОВ

СМОЛЫ

Подогрев бочек и контейнеров со смолой можно осуществлять с помощью донных нагревателей, поясных нагревателей и нагревательных рубашек. При этом целесообразно обернуть бочку или контейнер теплоизолирующим материалом, что позволит снизить тепловые потери на обогрев окружающей среды.

Для быстрого нагрева смолы в бочке или контейнере целесообразно использовать U-образные трубчатые нагреватели, нагреватели патронного типа и составленные из них пакеты. При этом необходимо осуществлять интенсивное перемешивание смолы, чтобы предотвратить ее локальный нагрев и вскипание.

Фото: пирометр - бесконтактный измеритель температуры

Для мониторинга температуры смолы можно использовать термопары или инфракрасные измерители температуры (пирометры). Термопары позволяют измерять температуру контактным способом – путем погружения в смолу, при этом можно проводить непрерывный мониторинг температуры. Инфракрасные измерители удобны, если требуется измерить температуру поверхности бесконтактным способом, например, если нет возможности к ней приблизиться.

Если у вас поточное производство, и вы расходуете много смолы, тогда целесообразно обратить внимание на химическую и лакокрасочную промышленность, где широко используются термостатические емкости с функцией одновременного перемешивания материала.

Термостатирующая емкость представляет собой круглую цилиндрическую емкость с полусферическим или конусным дном, в центре которого размещен выходной патрубок. Стенки емкости являются двухслойными, пространство между слоями заполняется теплоизолирующим материалом (например, пенополиуретаном или минеральной ватой). Внутри емкости по ее стенке размещается спиральный трубчатый нагреватель, а на крышку устанавливается двигатель, который вращает миксер внутри емкости. При необходимости, внутрь емкости или в ее двухслойные стенки можно встроить элементы для охлаждения, чтобы охлаждать смолу, если температура окружающей среды выше рабочей. Герметизация емкости позволит проводить дегазацию смолы перед использованием.

Термостатическая емкость может служить буфером подогрева смолы и позволит усилить технологичность производства за счет точного контроля температуры используемого сырья. При поступлении на склад новой бочки или контейнера со смолой, они вначале опорожняются в термостатическую емкость, где смешиваются с уже залитой смолой. Одновременный нагрев и перемешивание позволяют гомогенно перемешать смолу и нагреть ее до рабочей температуры. Наличие термопары внутри емкости позволит проводить постоянный мониторинг температуры смолы и знать, когда она достигла нужной для работы температуры. При установке простейшего контроллера и подключении термопары к компьютеру можно проводить запись всех данных, и автоматически регулировать температуру.

Трубопровод, ведущий от выходного патрубка термостатирующей емкости, целесообразно обернуть греющим кабелем или лентой, и подключить к пневматическому насосу. На выход насоса можно подключать различное оборудование, например, инжекционные установки, и предусмотреть обычный шаровой кран для налива смолы в ведра. Следует также сделать отдельную сливную линию, которая позволит перед началом работы сливать остывшую смолу обратно в термостатирующую емкость.

Фото: термостатирующая емкость

Выбор пневматического насоса не случаен – насосы этого типа удобнее и проще в периодической работе, чем электрические. Для них не требуется наличие перепускных клапанов избыточного давления или контроллера давления и потока, которые необходимы при работе насосов с электроприводами. Пневматический насос автоматически останавливается, когда давление в линии достигает нужной величины.

Использование термостатирующей емкости существенно увеличивает технологичность производства. Вы контролируете один из ключевых параметров производства – температуру. При этом вы затрачиваете гораздо меньше энергоресурсов, чем на обогрев всего цеха или склада.

ГЕЛЬКОУТЫ

Для подогрева гелькоутов, поступающих на склад, можно воспользоваться нагревательной рубашкой или поясным нагревателем. Для постоянного поддержания температуры гелькоутов в рабочем состоянии целесообразно создать кластер цилиндрических ячеек с диаметром, соответствующим диаметру ведра гелькоута, и снабженных необходимыми нагревательными элементами – рубашкой, донным подогревателем и теплоизолятором. Тогда при поступлении ведер с гелькоутами на склад вы просто опускаете их в такие ячейки и включаете подогрев.

Для быстрого нагрева гелькоута в ведре можно использовать U-образные трубчатые нагреватели или несколько нагревателей патронного типа, одновременно интенсивно перемешивая гелькоут.

Для мониторинга температуры гелькоутов удобнее всего использовать бесконтактный инфракрасный измеритель температуры. Он позволяет практически мгновенно узнать температуры гелькоутов разных цветов, даже не прикасаясь к ним. Термопара в данном случае менее удобна, так как после каждого измерения ее потребуется очищать. Однако она незаменима для измерения температуры в объеме и у дна.

АРМИРУЮЩИЕ НАПОЛНИТЕЛИ

В отличие от смол и гелькоутов, которые хранятся в ведрах, бочках и контейнерах, наполнители хранятся на складе в рулонах, катушках, листах или мешках. Помимо температурного режима, для хранения наполнителей нужно соблюдать и режим влажности. Целесообразно хранить наполнители в отдельном сухом отапливаемом помещении или утепленном контейнере. Для быстрого подогрева наполнителей можно воспользоваться обычными тепловыми вентиляторами или нагревательными рубашками и матами.

КАТАЛИЗАТОРЫ и УСКОРИТЕЛИ

В производственном процессе катализаторы и ускорители используются в очень малых дозировках, 1-2% от веса смолы или гелькоута. Нет необходимости поддерживать рабочую температуру добавок этого типа. Кроме того, хранение катализаторов в условиях пониженной температуры является существенно более безопасным, нежели при рабочей температуре формовки. Если температура на складе поднимается выше 20 С, тогда на складе следует предусмотреть холодильник или термоконтейнер для периодического холодного хранения катализаторов в жаркие периоды.

ОСНАСТКА

Для подогрева оснастки можно на этапе изготовления заформовать в нее греющие кабели, нагреватели трубчатого типа или патронные. Однако, необходимо ответственно подойти к проектированию матрицы. Необходимо подобрать наиболее надежные нагреватели, и заформовать в матрицы не сами нагреватели, а гнезда под них, для того чтобы была возможность замены вышедшего из строя нагревательного элемента. В качестве гнезд можно использовать трубки подходящего диаметра, а сами нагревательные элементы вставлять в эти трубки с использованием теплопроводящей пасты.

Необходимо учитывать, что матрицы из стеклопластика обладают достаточно низкой теплопроводностью, поэтому выделение на нагревателе большого количества тепла за короткий промежуток времени может привести к двум неприятностям - к перегреву и выходу из строя нагревателя, и к необратимой порче ламината матрицы или дефектам на ее поверхности. Это связано с тем, что низкая теплопроводность стеклопластика не позволяет теплу быстро распространяться в объем, поэтому его основная часть абсорбируется в ламинате около нагревателя и на нем самом.

Термопара

Для мониторинга температуры оснастки можно заформовать у ее поверхности термопару – это позволит вести постоянный контроль, или же использовать инфракрасные измерители температуры для моментального измерения температуры поверхности «на лету».

Фото: термопара

ОБОРУДОВАНИЕ

При обогреве оборудования не нужно покрывать его полностью нагревательными матами или кабелями. Достаточно провести теплоизоляцию только тех частей, через которые течет смола или гелькоут. Как правило, это насосные секции и шланги. Их можно просто обмотать теплоизолирующими лентами или же использовать нагревательные ленты и кабели.

Из особенностей применения пневматического оборудования следует отметить необходимость подачи подогретого и сухого воздуха. В воздухе всегда содержится влага, которая при снижении температуры конденсируется и выпадает в виде росы (конденсат). После засасывания компрессором и сжатия воздух является горячим, однако при движении по пневмолинии он теряет тепло и его температура снижается. Если она достигает точки росы до выхода в атмосферу, то влага, содержащаяся в воздухе, конденсируется и выпадает на стенки трубопровода, пневмоцилиндров, пневмомоторов, клапанов, приводит к их коррозии и нарушает режимы работы. Кроме того, холодный воздух обладает меньшей подвижностью, чем горячий, поэтому на его прокачку расходуется больше энергии.

Для решения этих проблем необходимо либо подогревать воздух на всем протяжении до его выхода через выхлопные отверстия оборудования, либо достаточно быстро охлаждать после выхода из компрессора и собирать влагу через осушитель. Для подогрева воздуха и снижения тепловых потерь можно использовать проточные нагреватели, греющие ленты и теплоизолирующие материалы для обмотки пневмопроводов. Это особенно важно, если пневмолиния проходит снаружи. Для быстрого охлаждения и осушения воздуха можно использовать специальные осушительные установки, где сжатый воздух принудительно охлаждается за короткий период времени, а образовавшийся конденсат собирается в отдельную емкость.

Если нет возможности воспользоваться указанными выше способами, тогда необходимо разместить чашечный осушитель как можно дальше от компрессора, где воздух уже холодный и несет в себе микрокапли воды, которые могут быть собраны таким осушителем.

Другая особенность работы пневмооборудования – обмораживание выхлопных гнезд и глушителей пневмодвигателей при непрерывной работе. Это связано с резким расширением сжатого воздуха, который выбрасывается из пневмодвигателя при его работе, что приводит к его охлаждению, понижению температуры поверхностей, через которые он проходит и конденсации влаги. В критических случаях оборудование просто перестает работать, так как выхлопное отверстие покрывается льдом.

Чтобы избежать этой проблемы, необходимо осуществить подогрев глушителей при помощи греющих кабелей. Также целесообразно подавать на вход пневмодвигателя теплый воздух, тогда при расширении он охладится до меньшей температуры и выпадет меньше конденсата.

Перечисленные особенности пневматического оборудования нужно особенно учитывать при работе в холодные периоды.

ЭПИЛОГ

Мы рассмотрели одну из наиболее важных задач – поддержание постоянной температуры производства композитов, решение которой позволяет обеспечить выпуск качественной продукции, усилить контроль над производством и повысить его технологичность.

В следующей статье мы рассмотрим различные виды насосов, которые могут использоваться на производстве композиционных изделий  для перекачки полиэфирных смол и гелькоутов, типы миксеров для их перемешивания, принципы их работы и конструкции.

Автор: Третьяков Павел Андреевич

 

Информация на сайте не является публичной офертой

Rambler's Top100 Рейтинг@Mail.ru