Оборудование для термостатирования и охлаждения

Оборудование для охлаждения и термостатирования занимает особое место в ряду других вспомогательных или периферийных установок, так как, во-первых, без системы охлаждения основное оборудование работать не в состоянии, а во-вторых, от организации системы охлаждения напрямую зависит технологический режим производства изделий из полимерных материалов, или другими словами, — качество выпускаемой продукции [1].

Применение термостатирующего оборудования позволяет:

• • получить более высокое качество готового изделия;
• • обеспечить точное соблюдение технологии производств;
• • сократить время цикла, а следовательно, увеличить производительность и улучшить экономические показатели производства;
• • снизить количество брака конечной продукции;
• • снизить количество отходов при выходе на режим, за счет начального прогрева.

Для поддержания необходимого температурного режима в технологических процессах переработки пластмасс наибольшее применение нашли термостаты и чиллеры различных типов и модификаций.

Термостаты

Поддержание повышенных температур является неотъемлемым условием проведения технологического процесса при работе целого ряда как основного, так и вспомогательного оборудования, используемого на предприятиях по переработке пластмасс. Широко используется жидкостной обогрев на вальцах, каландрах, смесителях, ряде экструзионных агрегатов (например, в гладильных каландрах листовальных линий) и т. д. С помощью жидкостного обогрева поддерживается необходимая температура различного формующего инструмента. Однако наиболее широко термостаты в настоящее время используются в процессах литья под давлением. Поэтому именно этим термостатам в данном разделе будет уделено больше внимания.

Термостатирование литьевой формы необходимо для разогрева и поддержания в ней на продолжении всего времени работы машины определенной температуры, оптимальной для данного типа полимера. Это обеспечивает высокое качество изделий, минимальное количество брака (по данным Института переработки пластмасс города Аахена (Германия), 24% от общего количества брака возникает вследствие неправильной температуры формы) и позволяет оптимизировать технологический процесс.

При завышении температуры формы увеличивается время охлаждения, усадка после извлечения изделия из формы. Заниженная температура литьевой формы приводит к образованию дефектов поверхности изделия (снижению глянца, возникновению следов течения и линий спая), повышению внутренних напряжений и, вследствие этого, к короблению изделия.

Оптимальные температуры форм при литье термопластов под давлением приведены в табл. 1.1 [2].

Таблица 7. 7.

Оптимальные температуры литьевых форм при переработке термопластов.

Рациональный подбор температурных режимов позволяет ликвидировать нестабильность размеров при изготовлении в многоместной литьевой форме очень мелких деталей, исключить появление облоя при изготовлении деталей сложной конструкции, в которых его зачистка существенно увеличивает трудозатраты. Даже при работе на старых и уже довольно изношенных термопластавтоматах, используя термостатирование литьевых форм, можно добиться положительного эффекта.

Термостатирующее оборудование должно иметь достаточную тепловую мощность для нагрева теплоносителя и достаточную мощность охлаждения для быстрого снижения температуры в охлаждающих контурах.

Система термостатирования литьевой формы включает три компонента: литьевую форму, термостат (терморегулятор, термоконтроллер) и теплоноситель, который должен обеспечивать хороший теплообмен для снабжения или отвода большого количества тепла за короткий промежуток времени. В качестве теплоносителя чаще всего применяются вода или масло.

Термостат (термоконтроллер) — устройство, предназначенное для прогрева и последующего точного поддержания температуры устройств в различных технологических процессах. Термостаты классифицируются по диапазону рабочих температур [3]:

• — термостаты высоких температур (до 300°С);
• — термостаты средних температур (до 180°С);
• — термостаты низких температур (до 95°С).

С помощью термостата задается температура, поддерживаемая постоянной, сколько бы времени ни работало перерабатывающее оборудование.

Для обеспечения равномерности охлаждения термостатируюшее устройство посредством оптимальной регулировки должно обеспечивать низкие колебания температуры формы: на входе и выходе разница температур должна быть от 1 до 3 °C. Но в любом случае очень важна точность терморегулирования, которая может порой значительно отличаться — как по диапазону (0,4—1,5°С), так и по скорости реагирования на изменения температуры (термостат или ПИД-микропроцессор).

Термостат для литьевых форм состоит из электрической части с регулятором температуры, указателем, элементами управления, включателями и предохранителями, а также нагревателя, охладителя, насоса и предохранительных элементов [2].

Принципиальная схема термостата приведена на рис. 1.1, а на рис. 1.2 показана одна из возможных монтажных схем такого устройства [4].

Рис. 1.1. Принципиальная схема термостата для литьевых форм

Рис. 1.2. Схема термостата для литьевых форм

Водяные термостаты — это термостаты, роль теплоносителя в которых играет вода.

Она может находиться в контуре при нормальном давлении (тогда максимальная температура нагрева составляет 95°С) или под давлением (перегретая вода, температура нагрева до 180°С). Также существуют версии термостатов, работающие с разряжением в контуре нагрева, они используются для нагрева форм, в контурах которых есть утечки. Тогда в месте разгерметизации начинает «подсасываться» воздух, который потом удаляется через специальный клапан в термостате. Водяной термостат может быть использован в различных технологических процессах переработки пластмасс.

В масляных термостатах роль теплоносителя играет масло. Они применяются при необходимости прогреть литьевую форму или чтолибо еще до температуры 150—350°С. Данный тип термостатов является сложным высокоточным техническим устройством. Для работы с масляными термостатами необходимы также специализированные шланги подключения. Но в целом эксплуатация масляного термостата не очень сложна и они широко применяются в различных производственных областях.

ю При использовании водяных и масляных термостатов для обогрева холодноканальных форм имеются свои особенности. Дело в том что в этих формах очень сильно повышается количество брака готовой продукции, связанного с непроливом готового изделия. Иногда получение качественной продукции на холодноканальной форме без термостатирования невозможно, поскольку форма забирает большое количество тепла от детали.

Так как холодноканальные литьевые формы не подразумевают наличия нагревательных элементов в самой форме, то производитель сталкивается с необходимостью внешнего подогрева формы. В данной ситуации есть два решения:

• — прогрев формы с помощью материала, при этом варианте определяется первая партия деталей, которая заведомо считается браком, причем количество материала, необходимого при таком прогреве, зависит от размеров и веса формы, а также точности изделия;
• — использование термостата для термопластавтомата, которое позволит без потерь материала подогревать форму до рабочей температуры.

Использование водяных и масляных термостатов для обогрева горячеканальных форм позволяет значительно повысить качество продукции, за счет точного поддержания необходимой температуры литьевой формы и исключения ее колебаний. Это особенно важно, если существует необходимость точно выдерживать размеры изделий, качество поверхности и т. п.

В зависимости от назначения различают одноконтурные и многоконтурные термостаты.

Одноконтурные термостаты — это отдельные, установленные стационарно или мобильные установки, подсоединяемые к охлаждаемому оборудованию с помощью шлангов, и находящиеся, как правило, рядом с основным оборудованием.

Их преимущества:

• • простота эксплуатации;
• • относительно невысокая стоимость;
• • подходит практически к любому процессу термостатирования.

К недостаткам одноконтурных термостатов надо отнести:

• • для многоконтурных систем требуется установка разветвителя (гребенки);
• • контроль температуры осуществляется на выходе из термоконтроллера в литьевую форму;
• • контроль температуры в многоконтурных системах не может быть осуществлен в каждом контуре отдельно, так как теплоноситель в каждый канал поступает с одинаковой температурой.

Многоконтурные термостаты используются, как правило, для многоконтурных литьевых форм. Количество контролируемых каналов может быть от 4 до 128.

и.

Многоконтурные термостаты — это интегрированные многоблочные системы, подсоединяемые к охлаждаемому оборудованию с помощью коротких шлангов и закрепленные на термопластавтоматах рядом с половинками литьевой формы.

Регулирование температуры осуществляется за счет прямой подачи охлаждающей воды в каналы литьевых форм. Контроль температуры каждого канала проводится на выходе из канала индивидуальным расходомером. Регулировка температуры каждого канала осуществляется индивидуальным импульсным клапаном. Весь процесс контролируется на панели управления, находящейся рядом с термопластавтоматом или закрепленной на нем.

Многоконтурные термостаты обладают следующими преимуществами:

• • каждый канал охлаждается (термостатируется) отдельно, вплоть до полного отключения охлаждения;
• • температура контролируется и автоматически регулируется сразу на выходе из канала охлаждения;
• • отвод тепла осуществляется только прямым охлаждением, теплоносителем, циркулирующим в контуре охлаждения;
• • простота эксплуатации;
• • точность регулирования температуры в каждом канале (это почти недостижимо в классическом термостате);
• • можно локально влиять на распределение температур при литье изделия;
• • сокращается время охлаждения в цикле и, соответственно, уменьшается время цикла;
• • появляется возможность отслеживать образование накипи на стенках каждого канала охлаждения;
• • отсутствуют изнашивающиеся элементы (насосы);
• • экономия до 40% электроэнергии за счет отсутствия насосов (используется давление входной охлаждающей цеховой воды);
• • увеличивается свободная площадь около термопластавтоматов.

Однако многоконтурные термостаты имеют и ряд недостатков:

• • привязка к конкретному термопластавтомату, термостаты этого типа не мобильны;
• • более жесткие требования к качеству воды, поступающей в систему охлаждения;
• • система более дорогая, чем одноконтурный термостат с гребенкой.

К основным характеристикам термостатов относят следующие параметры:

• • максимальная температура в охлаждающих контурах;
• • максимальная мощность нагрева теплоносителя;
• • максимальная мощность охлаждения.

Если максимальная температура в охлаждающих каналах будет до 180 °C, тогда обычно в термоконтроллерах в качестве теплоносителя (хладагента) используется вода. Если максимальная температура в охлаждающих контурах будет свыше 180 °C, то в качестве хладагента используется масло.

Максимальная мощность нагрева теплоносителя имеет главное значение при запуске холодного оборудования. Чем за меньшее время требуется разогреть литьевую форму, тем большая требуется мощность по нагреву. Но иногда, в некоторых процессах производства изделий из полимеров, мощность нагрева может быть важной характеристикой и внутри цикла.

Максимальная мощность охлаждения является одним из самых важных параметров. Чем больше мощность охлаждения, тем за меньшее время будет понижена температура в охлаждающих каналах литьевой формы. При правильном выборе этого параметра, цикл при литье на термопластавтоматах может быть минимальным, следовательно основное оборудование — литьевая машина — будет использоваться на максимуме своих возможностей [5].

Термостаты могут работать в режимах открытого и закрытого контуров.

При работе в режиме открытого контура охлаждения термоконтроллеры могут не иметь теплообменника и работать в режиме прямого охлаждения. Это означает, что охлаждающая вода из цеховой системы напрямую поступает в каналы охлаждения и достаточно эффективно отводит тепло от контуров литьевой формы и выдавливается в цеховую систему с горячей водой.

Преимущество при работе в режиме открытого контура — высокая скорость отвода тепла, уменьшение расхода электроэнергии и сокращение времени цикла, а недостаток — требования к качеству цеховой воды должны быть высокими, иначе на поверхности охлаждающих каналов литьевых форм будет образовываться накипь и эффективность теплоотвода будет падать. Поэтому приходится чаще проводить очистку каналов литьевых форм.

При закрытом контуре охлаждения термостаты с теплообменником работают в режиме косвенного охлаждения. Охлаждающая вода из цеховой системы поступает в теплообменник термоконтроллера и там забирает тепло от воды (или масла — для термоконтроллеров на масле). Вода (масло) циркулирует в независимом контуре термостата, и охлаждающие каналы литьевых форм замкнуты на этот контур.

Преимущество при работе в режиме закрытого контура состоит в том, что если в качестве теплоносителя используется вода, то она может быть специально подготовленной и минимально воздействовать на каналы литьевых форм. Поэтому реже приходится проводить очистку каналов литьевых форм.

Основной недостаток работы в режиме закрытого контура — более низкая скорость охлаждения, чем у термостатов с открытым контуром, больше расход электроэнергии и увеличение времени цикла.