Войти
Промышленные автоклавы - сосуды высокого давления, используемые для обработки деталей и материалы, требующие воздействия повышенного давления и температуры. Изготовление высокопроизводительных компонентов из передовых композитов часто требует обработки в автоклаве.
Промышленные автоклавы, используемые в авиакосмической промышленности. Автоклав слева работает на газе; машина справа имеет электрический обогрев. При полном давлении сила, действующая на дверцу серой машины, превышает тысячу тонн. В обеих машинах используются вращающиеся дверцы с замком; больший гидравлически поворачивается, меньший - пневматически. 
Небольшой автоклав с электрическим нагревом, используемый при производстве сложных композитных деталей. Этот автоклав имеет недорогую дверцу с ручной защелкой. Обратите внимание на съемную заднюю часть тележки для работ. Автоклав нагревает и нагружает рабочую нагрузку, находящуюся внутри него, под давлением. Обычно различают два класса автоклавов. Те, которые находятся под давлением с помощью пара, обрабатывают рабочие нагрузки, которые могут выдерживать воздействие воды, а циркуляция нагретого газа обеспечивает большую гибкость и контроль над нагревательной атмосферой.
Обработка в автоклаве намного дороже, чем нагрев в печи, и поэтому обычно используется только тогда, когда изостатическое давление необходимо приложить к рабочей нагрузке сравнительно сложной формы. Для плоских деталей меньшего размера нагретые прессы обеспечивают намного более короткое время цикла. В других приложениях давление не требуется для процесса, но является неотъемлемой частью использования пара, поскольку температура пара напрямую связана с давлением пара. Примером этой категории автоклавирования является вулканизация резины.
Для особых требований, таких как отверждение абляционных композитных сопел ракетных двигателей и носовых обтекателей ракет, можно использовать гидроклав, но это влечет за собой чрезвычайно высокие затраты на оборудование и повышенные риски при эксплуатации. Гидроклав находится под давлением воды; давление сохраняет воду в жидкой фазе, несмотря на высокую температуру.
Ключевым элементом промышленного автоклава является быстро открывающаяся дверца; это также критический компонент стоимости строительства автоклава. С одной стороны, оператор должен иметь возможность быстро и легко открывать и закрывать дверь; с другой стороны, дверь должна удовлетворять строгим требованиям безопасности. Качество конструкции дверцы автоклава таково, что в США ежегодно происходит всего пять или шесть отказов автоклава.
Конструкция автоклава определяется различными стандартами безопасности, главным из которых является сосуд под давлением ASME Код. В то время как большинство стран используют код ASME, некоторые разработали свои собственные. Стандарт CE в Европе применяется как к сосудам, так и к электрическим средствам управления, а Китай требует, чтобы сосуды под давлением соответствовали их внутренним нормам. Все нормы и правила определяют консервативные требования, направленные на обеспечение максимальной безопасности. Местные органы власти также могут вводить лицензионные требования, связанные с работой автоклавов.
При проектировании сосуда высокого давления используется формула Барлоу, используемая для расчета необходимой толщины стенки. Однако проектирование сложной системы герметизации под давлением требует гораздо большего, чем просто применение этой формулы. Практически для всех сосудов под давлением код ASME устанавливает требования к проектированию и испытаниям. Перед поставкой сосуд высокого давления проходит гидростатические испытания при 130% от номинального давления под наблюдением инспектора по нормам ASME. Он наполняется водой, и небольшой насос повышает давление до необходимого испытательного значения, при котором его выдерживают в течение определенного времени (30 минут согласно кодексу ASME). Инспектор проверяет наличие утечек, а также свидетельства дефектов или несоответствий в сварке.
Конструкция небольших автоклавов не должна учитывать возможность создания вакуума внутри сосуда высокого давления, но это предположение не должно приниматься во внимание. в более крупных. Паровые автоклавы, например, могут подвергаться воздействию внутреннего вакуума, если пар полностью конденсируется, а сосуд остается герметичным. Хотя внешнее давление не может превышать одну атмосферу, в некоторых случаях этого может быть достаточно для разрушения сосуда. Таким образом, может потребоваться усиление жесткости.
В необычных ситуациях сам автоклав может быть квадратным или прямоугольным, а не круглым, или он может быть вертикальным, а не горизонтальным. Если автоклав необычно большой, его, возможно, придется установить в выемке в полу, если предполагается нагрузка на уровне пола, как это обычно бывает.
Выбор материалов, из которых изготовлен автоклав, полностью зависит от области применения. Для паровых автоклавов используется углеродистая сталь, но к расчетной толщине добавляется припуск на коррозию. Это компенсирует ржавчину, которая возникает при повторяющихся циклах воздействия пара, воды и воздуха. Под этим подразумевается необходимость контролировать потерю металла и вывод судна из эксплуатации, когда произошла чрезмерная потеря толщины.
Для температур до 650 ° F (343 ° C) никаких корректировок при расчете толщины стенок емкости не требуется. Выше этой температуры допустимое напряжение снижается. При температуре выше 750 ° F (399 ° C) используются жаропрочные сплавы. Номинальная температура, указанная на табличке технических данных сосуда, относится к самой стенке сосуда, а не к газу, циркулирующему в автоклаве. Это актуально, когда внутренняя изоляция используется для циркуляции воздуха или газа с температурой, превышающей номинальные параметры емкости.
Хотя инженер-конструктор может использовать материал по своему выбору, обычно выбирается углеродистая сталь SA516 Grade 70 PVQ (качество сосудов под давлением). Эта сталь особенно хорошо подходит для использования в сосудах высокого давления благодаря исключительному разбросу между ее сравнительно низким пределом текучести 38 тысяч фунтов на квадратный дюйм и пределом прочности на растяжение от 70 до 90 тысяч фунтов на квадратный дюйм. Относительное удлинение в пластине толщиной 2 дюйма (51 мм) составляет 21%. Это означает, что металл значительно растягивается при перенапряжении перед разрушением. В случае чрезмерного давления детали деформируются перед разрушением, вызывая постепенную, а не катастрофическую потерю герметичности. Эта потеря давления затем действует, чтобы уменьшить критическую перегрузку конструкции сосуда высокого давления. Такой режим разрушения предполагает отсутствие значительных трещин в перенапряженном металле.
Поскольку этот сорт используется в сосудах под давлением, он доступен с вариациями толщины до шестнадцатой дюйма, а также с пластинами большого размера. Он легко сваривается и полностью поддается механической обработке.
. В спецификацию сосуда высокого давления включены как самые высокие, так и самые низкие температуры, которым подвергается оболочка сосуда. Поскольку свойства стали меняются по мере того, как металл становится холоднее, сосуд будет проштампован для MDMT -20 ° F, если пользователь не потребует более низкого значения. Обычно толщина металла определяется требованиями норм, касающихся визуального контроля. Можно использовать более тонкий металл при условии, что сварные швы рентгенографически. Это экономит средства, если используется не нержавеющая сталь , а или тугоплавкий сплав.
автоклав, используемый для изготовления антенн радиолокационного ретранслятора F-16. Электрическое отопление, простая дверца, автоматизированное управление. Из всей машины самым дорогим (в зависимости от размера автоклава) и наиболее важным элементом оборудования является быстро открывающаяся дверца. Он должен быть полного диаметра, чтобы обеспечить доступ к рабочему пространству, герметично закрывать от номинального давления при максимальной температуре корпуса, работать легко и быстро и соответствовать тем же правилам безопасности, что и остальная часть сосуда под давлением. Из всех проблем, связанных с безопасностью, наиболее важными являются те, которые связаны с работой двери.
Обычно используются несколько типов быстро открывающихся дверей. Самый простой и примитивный тип дверцы, пластина с болтами или крышка с фланцем на какой-то петле, больше не считается даже минимально приемлемой для производственных автоклавов, потому что ее нельзя быстро открывать и закрывать. Для судов диаметром до четырех футов и номинальным давлением не более 125 фунтов на квадратный дюйм шарнирная полуэллиптическая дверь, закрепляемая Т-образными болтами с кулачковым замком, работает практически так же быстро и легко, как и более часто используемая дверь с вращающимся стопорным кольцом.. Эта конструкция двери использует до дюжины или около того фиксирующих Т-образных болтов на ступице двери (см. Фотографии), неподвижной части, прикрепленной к самому цилиндрическому резервуару, которые входят в зацепление с соответствующими проушинами, приваренными к двери. Когда рычаги управления поворачиваются над центром, Т-образные болты сближают проушины и герметизируют дверь с помощью прокладки с кольцом круглого сечения .
Этот тип искробезопасен, так как открытие кулачковых замков под давлением освобождает уплотнение двери и сбрасывает давление в резервуаре. Фактически, код ASME не требует блокировок или механических устройств индикации давления на таких дверях. Даже в открытом состоянии кулачковый замок не позволяет засову выйти из фиксирующего выступа, если на дверь оказывается какое-либо давление. Поскольку он установлен под небольшим углом к проушине, болт не может быть повернут наружу от зацепляющего выступа на двери, если за него будет тянуть.
Эти дверцы сравнительно простые и экономичные, они хорошо подходят для небольших автоклавов. Эта конструкция ограничена четырьмя футами диаметром и около 125 фунтов на квадратный дюйм из-за ограниченного пространства, доступного на двери для кулачковых замков, и отклонения двери, когда замки слишком далеко друг от друга.
Еще одно ограничение - это склонность таких дверей к деформации при неправильной установке. Несмотря на то, что дверной узел очень прост в применении, если дверной узел не установлен на правильно выполненный монтаж, могут возникнуть проблемы с уплотнением. Отсутствие усиливающего элемента жесткости на судне сразу после ступицы двери - хороший способ понять, насколько это верно. Автоклав с дверцей этого типа имеет сильно усиленные крепления, которые обеспечивают выравнивание дверцы на протяжении всего срока службы машины. Прокладку уплотнительного кольца можно заменить менее чем за минуту, и это довольно недорого.
Автоклавы диаметром более четырех футов или рассчитанные на более высокое давление обычно используют дверцу с вращающимся стопорным кольцом, также называемую дверцей с затвором. Эта дверь может быть рассчитана на любой размер и давление. Как ступица, так и сама дверь обычно не вращаются. Ступица приварена к резервуару, и дверь перемещается на петлях, которые совмещают ее со ступицей при закрытии.
Дверь зубчатые выступы вокруг его окружности, с выступами, выстроенных с соответствующими отверстиями в стопорном кольце, которое оказывается на ступице. В закрытом состоянии дверь обращена к ступице, а уплотнительное кольцо обеспечивает средства защиты от внутреннего давления. Как стопорное кольцо повороты, он кулачки выступов дверцы вперед, нажав на дверь к ступице. Таким образом, поверхность двери не скользит по уплотнительному кольцу. Таким образом, прокладка может быть недорогим уплотнительным кольцом, замена которого может быть произведена в собственном магазине пользователя с использованием обычного запаса уплотнительного кольца, и она служит долго. Очень немногие изнашиваемые детали дверцы можно заменить, что делает автоклав долгосрочным вложением.
На дверях диаметром до восьми или десяти футов поворот может быть ручным. Нет ничего необычного в том, чтобы увидеть автоклавы диаметром восемь футов, двери которых можно полностью открыть или закрыть одним пальцем. Преимущество ручного поворота, помимо более низкой стоимости и более высокой надежности, заключается в том, что гораздо меньше риск того, что кто-то попадет пальцами в закрывающуюся дверь, если он будет перемещать ее вручную.
На машинах с дверьми, открывающимися вручную, есть одна тривиальная, но важная деталь - ограничитель двери, предотвращающий стук при открывании. Если большой автоклав установлен на слегка неровном полу, то дверь, открывшись, быстро поворачивается до конца своего хода. Если амортизатор не установлен, на нем будут постепенно накапливаться повреждения и износ.
На небольших автоклавах, вращение стопорного кольца иногда осуществляется вручную, оперированных ориентированных устройств. На более крупных используются пневматические или гидроцилиндры. Пневматические цилиндры часто обеспечивают резкое вращение, но иногда они могут быть более безопасными, поскольку они, как правило, не могут так легко перемещать дверное кольцо, когда на дверь оказывается большое давление.
Дверца с вращающимся стопорным кольцом требует защитной блокировки для предотвращения работы при любом давлении в автоклаве. Это хорошая практика, чтобы включить возможность обратного вращения двери стопорного кольца в любое время и без задержек. С некоторыми дверьми, можно качаться закрыть их не совсем достаточно далеко, и затем застревании стопорного кольца, как он пытается закрыть.
Важно отметить, что автоклав гораздо опаснее при низком давлении, чем при высоком. Это связано с тем, что более высокое давление создает силы трения, которые затрудняют движение дверного кольца. В некоторых случаях гидроцилиндры изгибались, а не вращали кольцо. При более низком давлении кольцо можно перемещать, а в сосуде достаточно энергии, чтобы полностью испортить чей-то день. Правильно спроектированные автоклавы включают несколько дополнительных блокировок для дополнительной надежности. Эти дополнительные блокировки сравнительно недорогие и всегда должны быть надежными.
В ходе испытаний, выходящих далеко за рамки расчетных и испытательных давлений, этот тип дверей показал, что небольшое отклонение, вызванное избыточным давлением, сдвигает поверхности двери и ступицы достаточно далеко друг от друга, чтобы вызвать повреждение уплотнительного кольца, таким образом сбросив давление. Побега воздух диффундирует мимо стопорного кольца, предотвращая повреждения от высоких струй скорости воздуха.
Доступны другие типы дверей. Это патентованные разработки, обладающие особыми характеристиками, которые подходят для различных приложений. Например, некоторые конструкции дверей проще, чем тип с запорным кольцом, поскольку в запорных кольцах вообще отсутствуют выемки. Они легко управляться вручную или силой и искробезопасное, так же, как конфигурации Т-болт, в том, что любое перемещение запирающего механизма из закрытого к открытому выпустит давление задолго до двери и ступицы на самом деле отделить.
Для небольших автоклавов низкого давления могут быть предусмотрены другие простые типы дверей, иногда с выгодной экономией на приобретении, но не всегда на стоимости эксплуатации.
Часто упускаемый из виду аспект доступа к автоклаву - это задний конец. Во многих случаях лучший автоклав - это автоклав с двумя дверцами. В типичном промышленном автоклаве сзади имеется механическое оборудование, включая привод циркуляционного вентилятора. Автоклав с задней дверцей изначально будет стоить дороже. Однако в течение срока службы его обслуживание будет стоить меньше, в основном потому, что легкий доступ к компонентам внутри будет способствовать их более частому осмотру. В любом автоклаве, как и в любой машине, все основные и второстепенные компоненты должны быть доступны для осмотра, ремонта и замены. Не обращайте внимания на это, и владелец в конце концов пожалеет об этом.
Задняя дверь полного диаметра, не открывающаяся быстро, стоит недорого, учитывая все обстоятельства. На более крупных машинах он может быть установлен на шарнире, балке или на тележке (см. Фото выше), что позволяет поворачивать или перемещать его из автоклава после отсоединения его фланцевого крепления на болтах. Это обеспечивает наилучший доступ к работам внутри. Это также означает, что критически важные компоненты никогда не закапываются глубоко внутри машины, где к ним трудно добраться, и поэтому с большой вероятностью будут игнорироваться, пока они не вызовут проблемы. Один автоклав среднего размера, построенный для южной авиационной мастерской, чтобы быть как можно более дешевым, не имел легкого доступа к циркуляционному вентилятору и, когда в последний раз наблюдал один из сервисных инженеров производителя, всегда издавал самые тревожные шумы от сухих подшипников. он побежал.
При сравнении альтернативных конструкций учитывайте объем работы, который потребует выполнение той или иной задачи по техническому обслуживанию, а также степень сложности и риска повреждения или травмы рабочего. Если, например, с установленным внутри двигателем вентилятора мощностью шестьдесят лошадиных сил необходимо управлять через небольшой люк или люк, вероятность возникновения проблем неизбежна. В удобном для пользователя автоклаве задняя дверца распахивается, а двигатель быстро и легко поднимается с помощью вилочного погрузчика или простого лонжеронного подъемника.
Внутреннее устройство варьируется от одного автоклава к другому. У некоторых есть воздуховод в положении «шесть часов», который также несет рельсы тележки, в то время как другие имеют широкий пол с механическими компонентами под ним. У других воздуховод находится вверху. Обычно в автоклавах используется кольцевой воздуховод, проходящий по всей окружности внутренней части.
Кольцевой канал привлекателен тем, что создает минимальное проникновение в чистое доступное рабочее пространство внутри автоклава. Он уменьшает диаметр цилиндрического объема всего на несколько дюймов. Это также создает наибольшую потерю давления на трение кожи. Это означает, что вентилятор должен быть больше для того же объема циркуляции воздуха и что мощность двигателя больше нагревается.
Если необходимо поддерживать низкие температуры с полной циркуляцией, это может потребовать запуска охлаждения вместо нагрева. Интенсивная циркуляция воздуха под давлением сама по себе генерирует тепло, и это может быть значительным при попытках работать при необычно низких температурах и высоких давлениях. Внутреннее убранство автоклава может быть из оцинкованной, алюминизированной или нержавеющей стали. Гальванизация до 204 ° C (400 °F) экономична и надежна; возможно, при температуре от 800 ° F (427 ° C) до 1000 ° F (540 ° C) потребуется алюминизированный; кроме того, один находится на экзотической территории.
Другой вопрос, должны ли внутренние оболочки, стены рабочего помещения быть съемными или нет. Насколько тяжелой должна быть эта стена? Типичный диапазон толщины металла от 18 калибра (0,0478 дюйма) до 1/8 дюйма (0,125 дюйма). Чем тяжелее стена, тем прочнее и устойчивее она будет к вмятинам, а также тем больше энергии она поглотит во время сообщения и тем больше будет выделяться во время охлаждения. В качестве типичного примера рассмотрим автоклав с внутренним диаметром 8 футов (2,4 м) и рабочей длиной 40 футов (12 м). Если внутренняя стена сделана из стали 11 калибра (0,196 дюйма), то она будет весить более пяти тонн. Нагрев самой стены до рабочей температуры 300 ° F (149 ° C) за один час потребует около 90 киловатт энергии. При типичных тарифах по требованию это будет стоить 2000 долларов (в месяц) в дополнение к оплате за электроэнергию (за каждый цикл). Уменьшение толщины стенки до 18 процентов снижения этих расходов примерно на 60. Экономя 13 000 долларов в год, средний оператор автоклава может жить с множеством вмятин.
В некоторых автоклавах изнутри доносятся странные звуки, поскольку они нагреваются и охлаждаются. Эти шумы искажаются внутри металла, когда он расширяется и сжимается при резких изменениях температуры. Внутреннее пространство автоклава, описанного выше, вырастет почти на дюйм в длину во время нагревательной части цикла. Необходимо предусмотреть адекватное смягчение этих движений, иначе они в итоге вызовут искривление внутренней части.
Если машина большая, потребуется внутренний пол, достаточный для поддержки людей, идущих по ней, а также устройства безопасности для защиты персонала внутри машины от непреднамерного запуска.
Регулирование горения газовой горелки в трубчатом теплообменнике. Подвод тепла в рабочую может осуществляться различными способами. Для большинства автоклавов, особенно тех, которые используются для обработки композитных деталей склеивания металлических конструкций, самым простым и наименее затратным является изначально электрический нагреватель. Нагреватели сопротивления компактны и надежны, их можно удобно связать в циркуляционном воздуховоде. Тепловая масса нагревателей мала. Однако стоимость этой дополнительной установки может быть сравнительно с большим автоклавом. Эти нагреватели практически 100% эффективны и могут быть приспособлены для любого напряжения, одно- или трехфазного.
Установка большей мощности, чем требуется, продлевает срок службы нагревателей, позволяя им работать при более низких температурах поверхности, и обеспечивает большую уверенность в достижении требуемой публикации скорости. Как правило, увеличение мощности отопления не требует больших затрат по начальной цене. Небезопасно автоматически предполагать, что каждый производитель автоклавов использует высококачественные трубчатые стержни в оболочке из инколоя, индивидуально заменяемые и надлежащим образом поддерживаемые. В интересах экономии некоторые ожидают, что заказчик примет нихромовую проволоку, натянутую на керамические изоляторы.
Недостатком электрического отопления являются эксплуатационные расходы. Для небольшого автоклава, который работает только периодически, это может не быть серьезной проблемой. Для автоклава среднего или большего размера счета за электроэнергию в течение срока службы машины в несколько раз превышают полную стоимость автоклава.
Например, в районе Рочестера, штат Нью-Йорк, где цена на электроэнергию в четыре раза выше, чем на природный газ без учета платы за потребление, автоклав диаметром шесть футов и длиной двадцать фута. (с тонкими внутренними стенами) будет стоить около 2000 долларов в месяц в виде сборов плюс в среднем 14 долларов в час энергии при работе. Плата за спрос, понесенная, как только автоклав включается, пусть даже на мгновение, сравняется с покупной ценой автоклава всего через несколько лет. Опыт работы с коммунальными платежами говорит о том, что в будущем ситуация станет еще хуже.
Самая простая альтернатива - паровой нагрев. Это предполагает наличие котла, способного вырабатывать пар при достаточно высоком давлении для достижения требуемых температур. Существующая паровая установка высокого давления - это прекрасная вещь, которую нужно под рукой, она облегчает использование паровых змеевиков, которые просты, компактны и легко контролируются. Цена покупки парового змеевика примерно сравнима с ценой на электрический нагрев, но эксплуатационные расходы значительно ниже. Если пар высокого давления недоступен, подумайте о небольшом специальном бойлере для автоклава. Стоимость может быть на удивление низкой, что делает этот альтернативу почти такой же экономичной, как прямое газовое сжигание внутреннего теплообменника. Это также позволяет пользователю запускать автоклав на природном газе, пропане, бутане или мазуте, иногда взаимозаменяемо, если котел настроен для работы на двух лучших топливах. Там, где подача газа подвержена перебоям, использование небольшого парового котла высокого давления для работы автоклава и духовок может спасти жизнь, если используется двухтопливное сжигание.
Небольшой вертикальный котел требует мало места на полу. Если местное законодательство требует лицензирования операторов котлов высокого давления, это часто может быть основным методом обучения имеющегося персонала завода и получения им лицензии для работы с одним котлом. Не менее экономичен в эксплуатации автоклав с газовым теплообменником, встроенным в сосуд высокого давления. Хотя это имеет некоторые конструктивные ограничения, это проще, чем использование синтетических жидких теплоносителей, и несколько дешевле. Узел газовой горелки устанавливает на дальнем конце или сбоку емкости и направляет огонь в теплообменник внутри воздуховода. Горячий конец сменной трубки покрыт турбулизаторами для лучшего теплопередачи. Это восстанавливает большую часть энергии дымового газа. Это просто и надежно, используя обычный природный газ, бутан, пропан или другой промышленный топливный газ.
Другие альтернативные конфигурации, включая вторичный циркуляционный контур, который направляет часть первичного воздушного потока через внешний теплообменник под давлением. Этот байпасный поток можно также использовать для охлаждения с помощью воздуховыпускного теплообменника. Хотя газовое сжигание не подходит для небольших машин, его можно приспособить для автоклавов диаметром от трех до четырех футов и выше. Чем длиннее машина, тем длиннее трубка теплообменника и, следовательно, тем она эффективнее. Этот вариант отопления дешевле, чем горячее масло, и дороже, чем электрический или паровой (при наличии существующего бойлера), но дополнительные расходы окупаются очень быстро. В течение всего срока службы электрических обогревом достаточно, чтобы оплатить еще четыре автоклавов. Проще говоря, для любых лабораторных машин, кроме самых маленьких, газовое и паровое отопление, которые являются лучшими альтернативами.
В некоторых случаях можно сэкономить большие деньги за счет впрыска острого пара. При таком подходе вся внутренняя часть автоклава заполнена острым паром при соответствующем давлении. Обычно используется в производстве резиновых изделий, но может быть адаптирован для отладки композитов. Для этого требуются различные материалы для вакуумного мешка, но его преимущество заключается в отсутствии нагревания каналов и циркуляционного вентилятора. С внешней изоляцией остается больше места для рабочих нагрузок для данного размера резервуара высокого давления. Естественно, такой подход предполагает наличие котла соответствующего номинала.
В некоторых случаях паровой автоклав низкого давления может заменить обычную сушильную печь. Комбинация вакуумного уплотнения, что эквивалентно внешнему давлению примерно от десяти до четырнадцати фунтов на квадратный дюйм, и пара примерно таким же манометрическим давлением даст лучшие результаты и более быстрый нагрев, чем печь. Пар передает тепло довольно быстро по даже с турбулентным циркулирующим потоком воздуха. Кроме того, поскольку внутренняя часть сосуда подвергается воздействию пара, а затем воздуха снова и снова, необходимо делать поправку на коррозию стенок сосуда.
В некоторых случаях нагреватель с обогревом нагревает синтетический теплоноситель до температуры от 600 ° F (316 ° C) до 800 ° F (427 ° C), специальные насосы прокачивают его через теплообменники внутри автоклава.. Это имеет как преимущества - газ или масло можно использовать в качестве топлива, не обращая на пространство, занимаемое внутри рабочего объема автоклава, - так и недостатки - стоимость очень высока, и может быть сложнее поддерживать его должным образом. Кроме того, он может указать для сообщения и охлаждения автоклава, пропуская нагреватель через нагреватель или охлаждающий змеевик, как требует того процесс.
Принимая во внимание все обстоятельства, наиболее экономически эффективными системами службы доставки в течение всего срока службы паровой котел высокого давления или газового отопление с использованием внутреннего или внешнего теплообменника.
Для охлаждения в конце технологического цикла требуется средство отвода тепла из автоклава. Необходимость контролируемого охлаждения сама по себе будет зависеть от выполняемой работы. При использовании некоторых композитных материалов в толстых слоях медленное охлаждение предотвращает внутреннее микротрещина в матрице смолы в результате термических напряжений.
Используемый метод охлаждения будет зависеть от максимальной температуры, достигнутой перед охлаждением, степени точности, необходимо поддерживать при снижении температуры в камере. При низких температурах и скоростях охлаждения, которые могут изменяться или просто охлаждение в любом случае является результатом фиксированного потока охлаждающей жидкости, вода, циркулирующая через змеевик в воздушном потоке, будет эффективной и недорогой.. Змеевик с ребристыми ребрами, размещенный на входе циркуляционного вентилятора или рядом с нагревателем, служит для этой цели, используя воду завода в хладагента. Если прямоточная охлаждающая вода и градирня недоступны или неприемлемы, тогда в автоклав можно встроить простой охладитель с замкнутым контуром. Точно контролируемые скорости охлаждения могут быть или не могут быть легко достижимы с помощью этой конструкции. В автоклаве, работающем при высоких температурах, необходимо соблюдать особые меры предосторожности при охлаждении. Закачка холодной воды в охлаждающий змеевик при температуре 800 ° F (427 ° C) сокращает срок службы змеевика. Это также мешает контроль скорости охлаждения.
Когда холодная вода попадает в теплообменник при температуре 800 ° F (427 ° C), образуется мгновенный пар, а также механические удары по системе накипи внутри змеевика до такой степени, что вода содержит растворенные твердые тела. Утилизация пара и горячей воды может оказаться затруднительной, а срок службы системы охлаждения может быть коротким. Воздушным потоком воздуха. Это лишь ненамного лучше, чем сама по себе холодная вода, и мало помогает устранить мгновенный пар.
Для температур примерно до 800 ° F (427 ° C) и скоростей охлаждения, которые должны выдерживаться с жесткими допусками, синтетический жидкий теплоноситель будет отводить тепло из автоклава без фазового перехода (т. Е. кипячение). Пропуск горячего масла через змеевик для системы управления потоком воздуха с регулируемым потоком воздуха обеспечивает необходимую скорость охлаждения. Этот нагретый воздух можно сбросить туда, где это принесет наибольшую пользу или наименьший вред. Недостатком использования жидкостного теплопередачи является первоначальная стоимость. Это цена, возможно, десять процентов автоклава в установках среднего размера. Срок службы жидкости оценивается от пяти до пятнадцати лет, в зависимости от продолжительности воздействия самых высоких температур, а также от поддержания внутренней чистоты.
Если максимальная внутренняя температура не выше 149 ° C, то пропиленгликоль может быть в качестве теплоносителя. Поскольку это химическое вещество входит в состав пищевых продуктов, таких как мороженое, нет необходимости беспокоиться о его токсичности. Его удельный вес примерно такой же, как у воды, поэтому перекачивание осуществляется просто. Поскольку фазового перехода нет, катушки не накапливают накипь. Срок службы жидкости очень хорош, если воздух не попадает в контур. Пропиленгликоль необходимо использовать без разбавления водой, и водопровод из нержавеющей стали не обязательно является обязательным. Стоимость пропиленгликоля нетривиальна, поэтому количество хладагента в контуре должно быть сбалансировано между интересами экономии и рассеивания тепла.
Однажды одного крупного покупателя автоклавов было неприятно удивить, когда он узнал, что системы водяного охлаждения с замкнутым контуром строго регулируются в его регионе. Ценник этого неприятного сюрприза находился в пятизначном диапазоне. В некоторых местах сброс нетронутой и чистой охлаждающей воды в канализацию может быть незаконным. В общем, отказ от использования воды для охлаждения может иметь ряд реальных преимуществ.
Внешний моторный привод на небольшом автоклаве, уплотнение вала, во время строительства. Если в автоклаве не используется впрыск пара, циркуляционный вентилятор несет бремя обеспечения однородности температуры во всей рабочей камере. Поскольку тепло течет от источника, будь то электрическое сопротивление, паровой змеевик или запальная труба, в поток циркулирующего воздуха, а затем в рабочую нагрузку, чем больше поток воздуха турбулентность, тем лучше теплопередача, особенно при тяжелые и плотные рабочие нагрузки.
Привод вентилятора должен быть рассчитан на условия, создающие наибольшую нагрузку на вентилятор, т. Е. При самой низкой температуре и самом высоком давлении, даже если такое сочетание условий встречается редко. В идеале это вентиляторы с обратным наклоном; они более эффективны, чем типы с радиальным рабочим колесом и крыльчаткой с прямой кривой.
Целью циркуляции воздуха или инертного газа через автоклав является обеспечение эффективной теплопередачи и однородности температуры. Энергичная циркуляция и пристальное внимание к тому, куда на самом деле идет воздушный поток, - лучший способ добиться этого. Как примерное практическое правило, не принимайте во внимание среднюю скорость воздуха в пустом рабочем пространстве автоклава менее 300 футов в минуту. Более того, теплообмен будет более эффективным.
В авиационной промышленности есть спецификации, непосредственно относящиеся к однородности температуры. Даже если приложение не относится к аэрокосмической сфере, возможно, стоит принять одну из этих спецификаций, чтобы гарантировать качество и надежность процесса.
Приводы вентиляторов могут быть внутренними или внешними. Внутренние приводы имеют двигатель внутри автоклава в неотапливаемой камере. Толстая стенка из изоляции удерживает тепло, а двигатель находится под полным давлением в автоклаве. Для внешних приводов требуется уплотнение вала , чтобы приводной вал проходил через стенку резервуара высокого давления. Внутренние приводы проще, занимают немного меньше занимаемой площади и создают небольшую, но существенную охлаждающую нагрузку; внешние приводы требуют более сложной конструкции приводных валов и используют уплотнения высокого давления.
Выбор расположения внутреннего / внешнего привода часто является индивидуальным. Срок службы уплотнения вала высокого давления трудно предсказать, и можно с уверенностью предположить, что уплотнение будет стоить намного дороже, чем сам двигатель. Например, 2-дюймовое (51 мм) уплотнение 150 фунтов на квадратный дюйм для двигателя мощностью 50 л.с. будет стоить 2000 долларов, тогда как сам двигатель стоит вдвое меньше. Как правило, сочетание давления в сосуде, диаметра вала и скорости вращения вентилятора, встречающееся в автоклавах, таково, что использование уплотнения вала становится практически целесообразным.
Доступ в машинное отделение автоклава с внутренним приводом вентилятора осуществляется через заднюю дверь или люк. Рабочее пространство автоклава не уменьшается, так как сосуд высокого давления немного удлинен для размещения привода вентилятора. Доступность оборудования в задней части имеет существенное значение. В конце концов, обслуживающий персонал должен будет добраться до него, и тогда доступ внезапно станет очень большой проблемой.
Хотя это добавляет к инициализации По невысокой цене, хорошо спроектированные автоклавы оснащены съемными задними частями, которые обеспечивают легкий и неограниченный доступ к оборудованию в неотапливаемой зоне. Трудно понять, насколько это ценно, пока внезапно не возникнет необходимость вытащить двигатель шестьдесят лошадиных сил, который весит более полутонны, через отверстие, через отверстие, достаточно большое. Некоторые автоклавы имеют циркуляционный вентилятор в комплекте с двигателем, установленный в концевой раструбе уменьшенного диаметра. Хотя это позволяет легко снимать сборку, это также означает, что диаметр вентилятора меньше диаметра и, следовательно, эффективен.
Если крыльчатка вентилятора установлена на валу двигателя или его удлинении (прямой привод), то скорость вентилятора ограничивается скоростью двигателя, обычно 1750 об / мин, и это, скорее всего, приведет к неоптимальному работе вентилятора с учетом чувствительности вентиляторов к скорости вращения. Вентиляторы подобны воздушным винтам; чем они больше и чем медленнее поворачиваются, тем лучше. Это закон.
Некоторые приложения позволяют вообще отказаться от циркуляционного вентилятора и подогрева воздуха. Если обрабатываемые детали имеют довольно простую геометрическую форму, могут оказаться целесообразным использовать формы, которые нагреваются как единое целое. Например, можно изготавливать плоские пружины и пружины шасси одинарной кривизны для легких самолетов на недорогих алюминиевых формах с электрическими нагревательными подушками, прикрепленными непосредственно к дну формы. Это исключает стоимость двигателя и вентилятора, а также воздухонагревателей и потребляет гораздо меньше электроэнергии, чем потребовалось бы для сопоставимого электрического автоклава. Таким образом, автоклав обеспечивает только давление уплотнения. У этого подхода есть ограничения, например сложность формы. Иногда детали нагреваются только с одной стороны; иногда форма имеет верхнюю и нижнюю части, каждая из которых снабжена нагревателями. Хотя этот тип автоклава обычно невозможен в мастерской, он может обеспечить значительную экономию, когда производится только небольшой набор сравнительно простых деталей.
Поскольку отказ циркуляционного вентилятора будет иметь немедленные и неблагоприятные последствия для теплообменника или нагревательных элементов, обнаружение отказа циркуляционного вентилятора имеет жизненно важное значение. Это можно сделать несколькими способами. Во-первых, следите за температурой поверхности нагревателя, будь то змеевик или элемент. Если воздушный поток не работает, он внезапно возрастет, и система управления может выполнить немедленное отключение. Во-вторых, установите хотя бы один, а лучше два датчика воздушного потока. Поскольку воздушный поток может иметь очень высокие температуры, это можно сделать с помощью дистанционно установленных реле давления, которые подключаются к сторонам высокого и низкого давления вентилятора с помощью трубок из нержавеющей стали, достаточно длинной, чтобы переключатели помещались в прохладную зону внутри сосуда. Эти переключатели должны быть подключены последовательно с одной стороны для цепи управления, чтобы одно из отверстий нарушало питание нагревателя, и параллельно с другой стороны, чтобы компьютер мог определить, какое из них изменило состояние.
Внутренняя изоляция из стекловолокна (труба и крышка резервуара), нанесенная с помощью механического фиксатора, рассчитанная на 450 ° F (232 ° C). Значительная масса сосуда высокого давления обеспечивает гарантию удержания давления, но он представляет собой столь же массивный радиатор, который необходимо циклически нагревать и охлаждать во время работы автоклава. Паровые автоклавы обязательно изолированы снаружи, поэтому потери тепла неизбежны. Автоклавы, использующие воздух или другой газ, используют теплоизоляцию внутри, и это влечет за собой единовременное снижение стоимости сосуда высокого давления и небольшие эксплуатационные расходы, связанные с несколько большим внутренним объемом, находящимся под давлением.
Изоляция, которая защищена металлической оболочкой, имеет размеры, позволяющие удерживать теплопотери в приемлемом диапазоне и поддерживать температуру внешней поверхности резервуара ниже той, которая может повлиять на безопасность рабочего. Как правило, это 120 ° F (49 ° C), иногда допускается 140 ° F (60 ° C) для арматуры и водопровода. В зависимости от политики компании в области энергосбережения эта температура может быть установлена еще ниже.
В автоклавах используются как минеральная вата, так и стекловолокно. Толщина изменяется в зависимости от внутренней температуры, в пределах от двух-трех дюймов до трех-четырех раз больше, грубое практическое правило - один дюйм на сто градусов по Фаренгейту. С экономической точки зрения наибольший эффект заключается в повышении стоимости резервуаров высокого давления. за счет увеличения его диаметра. Это эффективно препятствует чрезмерному указанию толщины изоляции.
Одним из второстепенных факторов является обеспечение того, чтобы изоляция могла «дышать», поскольку воздух входит в нее и выходит из нее при изменении давления в автоклаве. Кроме того, листовой металл, удерживающий изоляцию, требует некоторой защиты от теплового расширения. Даже автоклав длиной всего двадцать футов испытывает значительные движения при разнице температур в несколько сотен градусов.
Выбор нагнетающего агента определяется процессом. Воздух может быть приемлемым для автоклавов, работающих при сравнительно низких температурах, но может быть совершенно неприемлемым сверх этого. Воспламеняемость материалов, часто используемых в композитных деталях, увеличивается под давлением, поскольку парциальное давление кислорода увеличивается. Таким образом, для повышения давления можно использовать азот или диоксид углерода.
Гидроклавы используют воду в качестве среды под давлением. Поскольку температура кипения воды повышается с увеличением давления, гидроклав может достигать высоких температур без образования пара. В принципе, это просто, но влечет за собой сложности. Необходима значительная перекачивающая способность, так как даже небольшая сжимаемость воды означает, что при повышении давления сохраняется нетривиальная энергия. Уплотнения, которые надежно работают против воздуха или другого газа, не работают с очень горячей водой. Утечки в гидроклавах ведут себя по-разному, поскольку протекающая вода превращается в пар, и это продолжается до тех пор, пока вода остается в емкости. По этим и другим причинам очень немногие производители рассматривают возможность изготовления гидроклавов, и цены на такие машины отражают это.
Детали, обрабатываемые в автоклаве, часто помещаются в вакуумный мешок, чтобы давление на заготовки действовало изостатически. В простейшей форме рабочая нагрузка полностью помещается в свободно подогнанный мешок из упругого пластика, способный выдерживать соответствующие температуры. Когда создается вакуум, мешок сжимается атмосферным давлением и уплотняет компоненты внутри. Между деталями и пакетом абсорбирующий материал обеспечивает канал для удаления воздуха и поглощает излишки смолы, выдавленные во время отверждения.
При автоклавной обработке композитных деталей функциональность вакуумного мешка может быть наиболее разнообразной. Некоторые магазины оставляют пакет под полным вакуумом от укладки до разборки после отверждения. Другие будут поддерживать вакуум только до тех пор, пока автоклав не достигнет полного давления. Третьи будут повторно заполнять вакуумный мешок инертным газом, обычно азотом, при нулевом давлении.
Роль, которую играет внутреннее давление вакуумного мешка, может иметь решающее значение для последовательного производства высококачественных многослойных композитных деталей. В документе SAMPE описываются преимущества регулирования вакуума и давления под вакуумным мешком при укладке. Следуя за вакуумом в мешке с повышением давления, образование пустот в полимерной матрице подавляется, уменьшая микроскопические дефекты, которые вызывают трещины затравки и другие разрушения матрицы. Установка этой возможности на автоклав включает в себя дополнительную регулирующую арматуру и программное обеспечение, и, в свете преимуществ использования композитных материалов, не оказывает чрезмерного влияния на цену машины.
эжекторный насос может использоваться для быстрого откачивания воздуха внутри автоклава, который должен находиться под давлением инертного газа. Чтобы удалить кислород изнутри и заменить его агентом повышения давления, который не поддерживает горение, самый простой способ - удалить почти весь воздух, а затем ввести азот или диоксид углерода. Автоклавы должны быть спроектированы для такой работы в вакууме, поскольку для самого сосуда могут потребоваться элементы жесткости, чтобы выдерживать внешнее давление, а обычные люки доступа и люки часто рассчитаны только на внутреннее давление и не смогут выдержать внешнее давление, которое результат внутреннего вакуума.
Вакуум доставляется к заготовкам с помощью коллекторов и отдельных трубок, снабженных быстроразъемными соединениями на внутренних стенках. Простейшая вакуумная система состоит из насоса и манометра снаружи и одного быстроразъемного порта внутри. В более сложных схемах может быть дюжина или более отдельных линий подачи вакуума, идущих в машину, каждая к отдельному порту QD, с таким же количеством линий измерения, возвращающихся обратно к датчикам вакуума , подключенным к системе управления., а также засыпку инертным газом под контролируемым давлением, когда насос выключен и вакуумные линии вентилируются во время цикла отверждения.
Пропускная способность вакуумного насоса менее важна, чем его пиковый уровень вакуума. Любой значительный поток означает, что есть утечка в вакуумной упаковке, и мощный насос попытается ее преодолеть, что приведет к меньшим измеренным потерям вакуума, чем в случае с насосом меньшего размера. Это позволит скрыть неисправность мешка, поскольку падение вакуума будет труднее обнаружить. Поскольку при рабочем равновесии не должно быть никакого воздушного потока, лучше создать более высокий вакуум, чем пытаться поддерживать высокий расход.
Должен быть резервуар-приемник вакуума подходящего размера, который может поддерживать вакуум в системе, если насос выходит из строя во время производственного цикла. Это будет возможно только в том случае, если вакуумная система практически герметична. Вот почему утечка вакуума является одной из основных проблем при предварительных приемочных испытаниях машины. Для типичного автоклава из композитных материалов может подойти ресивер объемом от 5 до 10 кубических футов (от 140 до 280 л). Обратите внимание, что этот ресивер должен иметь штамп ASME для полного рабочего давления автоклава, поскольку вполне возможно, что отказ вакуумной системы может привести к сбросу такого большого давления в ресивер.
Когда обрабатывается несколько деталей, может быть полезно иметь отдельную вакуумную линию для каждой, уменьшая потенциальные потери, если один вакуумный мешок протекает во время отверждения. Это легко приспособить с помощью нескольких трубок подачи от одного коллектора снаружи автоклава.
Кроме того, необходимо решить, нужно ли контролировать каждую линию отдельно и как это должно быть сделано. Если имеется один датчик вакуума, будь то электронный преобразователь, подключенный к управляющему компьютеру, или только чувствительный датчик, проверенный визуально, определение того, какой вакуумный мешок протекает, означает отключение каждого из них по очереди и наблюдение за небольшими изменениями. при давлении в вакуумном коллекторе. Учитывая ограничения воздушного потока в средних линиях укладки и вакуумировании, даже полный отказ вакуумного мешка может проявиться немногим больше, чем небольшое изменение уровня вакуума.
Установка датчика в каждую вакуумную линию решает эту проблему, но требует дополнительных нескольких сотен долларов за линию. В некоторых случаях требуется две вакуумные линии на мешок. Один соединен с отверстием мешка на одном конце обрабатываемой детали и подает вакуум от насоса и коллектора. Другая линия возвращается от отдельного прохода мешка на другом конце вакуумного мешка и через линию обратно через стенку сосуда к датчику, который измеряет уровень вакуума в мешке, а не уровень в коллекторе. Это является предпочтительным, поскольку он обеспечивает точную индикацию реального вакуума, наблюдаемого всей деталью.
В качестве опции с этой компоновкой, если вакуум отключается до завершения отверждения, как это требуется в некоторых приложениях, до того, как линия подачи будет выпущена в атмосферу, линия манометра снова заполняется азотом из газовый регулятор нулевого давления, предотвращающий попадание атмосферных загрязнений в ткань сапуна / выпускного отверстия. Для индивидуального контроля каждой вакуумной линии не обязательно требуются измерительные линии, равно как и обратная засыпка инертным газом. Однако дополнительные расходы на прокладку колеи не так велики. Если используется контроль давления в вакуумном мешке, то должны быть встроены соответствующие клапаны и регуляторы.
Если в процессе процесса образуется значительный поток смолы из заготовки, в спецификации процесса могут потребоваться ловушки для смолы.. Некоторые материалы теряют огромное количество высокомобильной смолы во время нагрева, и этот поток может иногда возвращаться обратно через вакуумную систему, возможно, достаточно далеко, чтобы закупорить критические компоненты. Гораздо проще предотвратить такие повреждения, чем их исправить.
Некоторые смолы, такие как полиэфиры, выделяют значительные количества летучих во время отверждения. Они проходят через вакуумные порты и иногда вызывают повреждение насоса. В лучших вакуумных насосах используются масляные резервуары и рециркуляция масла, и эти летучие вещества могут быстро превратить масло в отвратительную кашицу. Они также разрушают уплотнения вакуумных клапанов и со временем вызывают накопление отложений. Чтобы предотвратить это, может потребоваться установка конденсаторов на линии вакуумного порта. Для этого потребуется 2 ° C (35 ° F) охлажденная вода. Небольшой охладитель добавит несколько тысяч долларов к стоимости автоклава, плюс еще несколько сотен долларов за порт для конденсатора и сепаратора. Ловушки для смолы из нержавеющей стали должны быть спроектированы и изготовлены таким образом, чтобы их было легко разбирать и чистить. Естественно, они тоже должны быть полностью доступны.
Хотя большая часть операций в простом автоклаве может оставаться ручным, контроль температуры практически всегда автоматизирован, так как это легко сделать с небольшими затратами. Стоимость продуктов, перерабатываемых в большинстве автоклавов, оправдывает высокую степень автоматизации. Аппаратное и программное обеспечение, доступное для автоматизации промышленных процессов, делает полностью автоматическую работу автоклава доступной и надежной. Во многих случаях можно спроектировать и реализовать такую автоматизацию без услуг стороннего поставщика.
Как и в случае с другими параметрами, требуемая точность регулирования температуры зависит от спецификации процесса. Автоклав должен превышать эту способность с запасом, достаточным, чтобы исключить все шансы неадекватных или чрезмерных температур в рабочей нагрузке. Слишком высокая температура может привести к повреждению деталей или тепловому отклонению; слишком холодно и не могут быть реализованы полные структурные свойства. Не менее важным является предотвращение колебаний температуры во всем рабочем объеме автоклава. Аэрокосмические спецификации включают максимально допустимые отклонения, а также способы проверки на однородность.
Электрический нагреватель практически бесступенчатый и, таким образом, поддается точному контролю температуры, обычно от ± 1 ° до ± 2 °. Такая точность может быть достигнута с помощью непрямого газового нагрева, но не так легко. Электроэнергия, потребляемая нагревательными элементами, может управляться с точностью до 12 бит с помощью устройств SCR, управляемых аналоговым сигналом от контроллера температуры . Малая масса нагревательного элемента делает его отзывчивым, и можно добиться резких и резких изменений выходной мощности, хотя обычно это и не обязательно.
Необходимость точности и прецизионности при измерении температуры воздуха внутри автоклава придает большое значение выбору и применению датчика. Самый дешевый и простой - это установка одной термопары где-нибудь в воздушном потоке. Для получения лучших результатов по ничтожной цене два или три усредненных RTD работают лучше, с более высокой точностью и меньшим дрейфом. Хотя RTD будет реагировать на резкие изменения температуры менее быстро, чем термопары, это не имеет значения, поскольку резких изменений температуры в автоклавах просто не происходит. Один может быть установлен на входе в циркуляционный вентилятор; он определяет самую низкую температуру, если предположить, что нагреватель находится за вентилятором. Другой можно разместить в точке, в которой воздушный поток меняет направление и начинает проходить мимо рабочей нагрузки. Третью можно разместить ближе к середине. Измерение температуры воздуха вблизи поверхности стены обычно вызывает ошибку пограничного слоя или, что еще хуже, ошибку застоя.
Управление давлением представляет меньше всего проблем. При наличии источника воздуха или газа с достаточным давлением и пропускной способностью система управления автоклавом открывает клапан повышения давления и закрывает его, как только внутреннее давление достигает заданного значения. Сброс давления происходит при открытии клапана сброса давления. На больших автоклавах может потребоваться глушитель или глушитель. Клапаны включаются / выключаются, а не регулируются по соображениям стоимости.
При повышении температуры газ расширяется, повышая давление. Регулирующий клапан выпускает излишки, поддерживая заданное значение.
В некоторых приложениях точность управления давлением напрямую зависит от успеха процесса. Например, материалы сердцевины имеют ограниченную прочность на сжатие при повышенных температурах; даже небольшое избыточное давление может разрушить ядро и разрушить рабочую нагрузку.
В автоклаве с плохой конструкцией колебания давления могут привести к вибрации впускных и выпускных клапанов. Одним из способов предотвращения этого является использование больших клапанов для наполнения и разгрузки и маленьких клапанов для подстройки при заданном значении и вблизи него. В качестве альтернативы регулирующие клапаны позволят избежать этого явления.
Часто наименее контролируемый фактор в автоклаве, вакуум может потребовать или не потребовать модуляции. В некоторых случаях он вообще не автоматизирован и включает в себя лишь подключение к вакуумной системе завода, несколько ручных клапанов и манометр. С другой стороны, система контроля вакуума может быть значительно более сложной, чем система контроля температуры воздуха.
Безопасность всегда важна для автоклавов. Код ASME чрезвычайно консервативен; в результате сосуды под давлением являются одними из самых безопасных и наименее рискованных типов машин, используемых сегодня. Однако это не означает, что безопасность может считаться само собой разумеющейся.
Кодекс ASME требует, помимо очень консервативной конструкции сосуда и его фитингов, установки предохранительного клапана с кодовой отметкой, установленного на расчетное давление. Этот клапан имеет предохранительную проводку, чтобы предотвратить изменения в его настройках, и будет открываться всякий раз, когда давление в автоклаве превышает расчетное давление. Хотя это срабатывание клапана будет снимать любое возможное избыточное давление в сосуде, он также должен иметь возможность удерживать источник давления, каким бы он ни был, от нагнетания достаточного количества воздуха, инертного газа или пара, чтобы вернуть давление обратно до опасного уровня. уровень даже при полностью открытом предохранительном клапане.
Автоклав консервативной конструкции имеет несколько предохранительных клапанов, размер каждого из которых позволяет выдерживать максимальный доступный воздушный поток в сосуд плюс не менее 30%. Клапаны установлены на коллекторе, который позволяет через несколько выпускных отверстий сосуда под давлением питать несколько предохранительных клапанов, каждый из которых может справиться со всем сбросом воздуха самостоятельно, даже если одно выпускное отверстие сосуда под давлением случайно заблокировано обломками из внутренний сбой. Дополнительная стоимость дополнительных предохранительных клапанов составляет примерно одну десятую одного процента от стоимости машины.
Воздух или азот из источника давления - не единственная потенциальная причина внезапного повышения давления. При пожаре автоклава внутреннее давление повышается, что может превысить способность предохранительного клапана вентилировать достаточно быстро. Решением являются предохранительные клапаны большого размера и разрывные диски, и более одного каждого из них.
Знание того, сколько воздуха или газа может быть доставлено в наихудший стечение обстоятельств. вход автоклава является частью процесса спецификации. Правильное выполнение этого требования зависит от предоставления производителю автоклава правильных данных. Такое согласование предохранительного клапана с производительностью сжатого воздуха на заводе является примером того, как автоклав рассматривается не как изолированный объект, а как неотъемлемая часть установки, на которой он расположен и работает.
Композитные детали и материалы, используемые при их отверждении, часто легко воспламеняются, даже если это не так при комнатной температуре и атмосферном давлении. Повышенные температуры и давления, связанные с отверждением, увеличивают риск потенциальной воспламеняемости. Хотя воздух является подходящим средством создания давления в отверждаемых материалах в автоклаве при100 фунтов на квадратный дюйм и 350 ° F (177 ° C), обрабатываемое хорошее горючие материалы при 500 фунтах на квадратный дюйм и 700 ° F (371 ° C). Риск также может быть слишком высоким при очень больших (и дорогих) нагрузках отверждения. В таких применениях можно использовать азот, поскольку он инертен (в том смысле, что он обычно не поддерживает горение) и легко доступен. В жидком виде он стоит дешевле, чем безалкогольные напитки. Это также реальная альтернатива специальным воздушным компрессорам, когда требуется значительно давление выше 100 фунтов на квадратный дюйм.
Самым простым и экономичным предохранительным средством является разрывная мембрана. Включенный в резервуар высокого давления при изготовлении, закрытый тонко обработанной пластиной, которая лопается при заданном давлении. Эта пластина может быть изготовлена из алюминия или углерода. Диск установлен во фланцевом узле, который сбрасывает давление автоклава в выхлопную трубу, чтобы унести свист вдали от персонала. Диск довольно недорогой и его легко заменить. Разрывная мембрана должна установить как резервный предохранительный клапан и иметь такой размер, чтобы снизить внутреннее давление как можно быстрее. Возгорание автоклава может привести к выбросу значительного количества энергии в воздух внутри, что приведет к внезапному скачку давления. Разрывная мембрана предназначена для срабатывания давления, немного превышающего давление предохранительного клапана ASME и ниже давления гидростатического испытания; он никогда не включается, если не происходит внезапного повышения давления, превышающего допустимую для предохранительного клапана. Очень скромная стоимость даже пары достаточно больших разрывных дисков делает этот вариант привлекательным. Разрывная мембрана должна быть не менее двойного диаметра входа или выхода из сосуда, в зависимости от того, что больше.
Тип двери определяет, нужно ли ей собственное защитное устройство. Дверь с Т-образным болтом является искробезопасной, и код ASME не требует для нее блокировки. Двери других типов требуют блокировки для предотвращения возможности открывания, когда давление внутри емкости составляет ~ ⁄ 2 фунтов на квадратный дюйм или более. Это будет в каждом автоклаве; это абсолютное минимум того, что законно. Однако разумный оператор автоклава не должен соглашаться на самое меньшее, что требуется. Даже самые лучшие компоненты не идеальны, консервативно спроектированный автоклав использует резервные блокировки как в аппаратном бюджете, так и в управляющем программном бюджете, чтобы снизить риск до минимально достижимого уровня. Система управления открывает двери с помощью предохранительных клапанов, таким образом предотвращает попытки обойти блокировку безопасности вручную. Это в дополнение к кодовой блокировке. При желании можно установить дополнительную блокировку и на дверь с Т-образным ригелем.
Еще одно соображение по безопасности - это способ подключения датчиков. Если устройство способно выйти из строя в определенном состоянии, то отказ должен быть таким, чтобы давалась ложная индикация. Это намного лучше, чем ложное указание на отсутствие давления.
Тем не менее, проверка давления как условия открытия автоклава просто недостаточно безопасна. В частности, для автоклавов промышленных размеров, таких как те, которые используются в резиновой промышленности, очень важно, чтобы автоклав открывался только после проверки манометров давления и температуры. Если вода внутри автоклава перегрелась, манометр может не показывать наличие пара, даже если температура может быть значительно выше, чем местная точка кипения воды. Если автоклав открыть в этом состоянии и потревожить перегретую воду, возможен паровой взрыв. Это явление может легко вызвать смертельные ожоги для людей, находящихся в непосредственной близости от места взрыва. Часто жертвы умирают только после мучительной агонии, иногда продолжающейся до месяца.
Страховые нормативные требования меняются от одного места к другому, они должны стать предметом обсуждения в процессе проектирования. Если требуется небольшой паровой котел высокого давления, может потребоваться помощь инженера-технолога для его эксплуатации. Во многих населенных пунктах существующий сотрудник может пройти обучение этому и получить лицензию, ограниченную котлом на заводе. В некоторых частях мира требуется лицензировались автоклавы или эксплуатировались только после проведения инспекций и выдачи разрешений.
Цена автоклава будет сильно изменяться в зависимости от того, что было спроектировано и встроено в него. Он чувствителен к одним факторам и нечувствителен к другим. Цена будет во многом зависеть от его диаметра и в гораздо меньшей степени от его диаметра. Некоторые особенности автоклава позволяют использовать широкий спектр опций, некоторые из них могут значительно повлиять на цену. Рассматривая приобретение автоклава, разумно ничего не принимать как должное; рассмотрим все возможные варианты и вариации. Это включает в себя вопрос о том, является ли автоклав оптимальным средством выполнения требований технологического процесса. Новая технология в усовершенствованных композитах, например, снижает превосходство, которое автоклавное время имеет в отрасли.
Если удвоение расчетного давления может увеличить стоимость автоклава на пятьдесят процентов, удвоение диаметра может удвоить или утроить его стоимость. С другой стороны, длины на удивление недорого. Удвоение длины короткого автоклава 6 футов (1,8 м) может всего пять или шесть процентов к окончательной цене. Как правило, наиболее рентабельно рассматривать длину с шагом в пять и десять футов. Добавление одного фута к судну длиной 20 футов (6,1 м) не намного дешевле, чем добавление еще пяти футов. Это основано на обычной практике изготовления сосуда высокого давления из катаных листов шириной 5 или 10 футов (1,5 или 3,0 м).
Чтобы получить диаметр сосуда высокого давления, необходимо несколько дюймов изоляции к внутреннему рабочему диаметру. Установка снаружи дает наименьший сосуд высокого давления для данного внутреннего рабочего диаметра, но энергия, необходимая для начала сосуда в каждом цикле. Для большинства машин обеспечивает изоляцию от четырех до шести дюймов. На машинах, рассчитанных на температуру менее 300 ° F (149 ° C), это может быть уменьшено до трех дюймов (76 мм). Для температуры выше 600 ° F (316 ° C) ее следует увеличить до восьми дюймов или более. Это значительно влияет на диаметр, но обычно в пользу дополнительной изоляции.
цена является серьезной проблемой, некоторые изменения могут ограничить ее, не отказываясь от важных функций, в то время как другие могут быть удалены только за счет существенного снижения функциональности и стоимости машины. Цены на автоклавы сильно различаются от одного производителя к другому. Иногда кажется, что они меняются в зависимости от фаз луны. Неразумно предполагать, что каждый производитель или продавец автоклавов будет взимать примерно одинаковую цену за конфигурацию. Более того, цены на подержанные машины могут сильно отличаться. Нередко можно найти бывшие в употреблении машины по цене намного выше новых, а также редко используются автоклавы, которые продаются на аукционе за центы за доллар.
При рассмотрении вопроса о покупке нового автоклава или существующей машины потенциального покупателя обнаружено, что бывшие в употреблении машины могут быть менее дорогими, чем, построенные по его точным спецификациям, и что могут быть очень дорогими. сложно найти в необходимой комплектации. Если подержанная машина, соответствующие требования, находится по разумной цене, обязательно проверьте такие вещи, как износ дверных петель, недокументированные модификации, сделанные или другими лицами (гораздо чаще, чем можно было бы предположить), и наличие регистрационных документов на контейнер. На всякий случай предложите отпечатки конструкции, а затем сравните их с самой машиной. Непроверенные дополнения, сделанные после страховой проверки, могут быть пустяками (например, дверные ручки, приваренные после осмотра судна), но они могут страховой компании отклонить требование о возмещении ущерба, если произойдет что-то катастрофическое.
Если форма автоклава U-1, выданная изготовителем сосуда высокого давления, недоступна, или если табличка данных автоклава не читается или, возможно, даже отсутствует, то можно посмотреть на самодельный сосуд высокого давления. Имейте в виду, что многие сосуды высокого давления не будут касаться сосудов, произведенных где-либо еще, даже для самых маленьких модификаций. Никогда не покупайте автоклав, который требует проведения работ на самом сосуде высокого давления, если сделка не включает все модификации, а также повторные испытания и повторную проверку перед приемкой машины. В противном случае можно получить самое дорогое пресс-папье в истории компании. В случае сомнений убедитесь, что регистрация судна в Национальном совете действительно действительна. Убедитесь, что производитель по-прежнему занимается бизнесом и доступны ли дверные уплотнения.
Еще более важны строительные и монтажные чертежи, а также электрические схемы. Доступны ли они и актуальны ли они? Если он использует электрическое тепло, нужно ли будет покупать большой трансформатор, чтобы напряжению? Модификация машины на 230 В для работы от 460 В или наоборот может стоить намного дороже, чем просто установка трансформатора. Очень немногие из бывших в употреблении машин на рынке передовых средств управления; будут ли средства контроля удовлетворять текущие и ожидаемые потребности? Возможна замена старых и устаревших систем управления. Хотя стоимость не является тривиальной, сосудов звукового давления, можно модернизировать меньшими затратами, чем цена нового автоклава. Более того, машина становится доступной быстрее.
Из различных факторов, влияющих на экономику эксплуатации автоклава, ни один не имеет такого значения, как средства нагрева, и это будет иметь еще большее значение по мере роста цен на энергию. Электрическое нагревание по сути на 100% эффективно, им проще и точнее всего управлять, а также дешевле в обслуживании (если автоклав спроектирован с учетом обслуживания). Однако стоимость киловатт-часа делает это самым дорогим. Легко продемонстрировать, что деньги, потраченные на электроэнергию в течение полного срока службы автоклава, могут в четыре-шесть раз превышать цену, уплаченную за автоклав в первую очередь.
Хотя автоклав не так широко распространен, как духовка, он обычно используется во многих сферах применения. Поскольку вулканизация резины не может быть проведена в воздушной атмосфере, используется пар, и это требует наличия резервуара высокого давления подходящей мощности. Это периодический процесс, поэтому необходима быстродействующая дверь. Единственным практическим средством достижения этой цели является автоклав, и многие из них используются в промышленности резиновых изделий. Для производства обработанной под давлением древесины могут потребоваться автоклавы. Стерилизация отходов - еще одно применение паровых автоклавов.
Авиакосмическая промышленность производит небольшое количество очень дорогих продуктов и, таким образом, может позволить себе высокие капитальные и удельные эксплуатационные расходы автоклавов. Обычно это влечет за собой применение тщательно контролируемых уровней тепла и давления к деталям и узлам. Отверждение композитов требует уплотнения кучи материала, прижатия этого материала к форме, вытеснения летучих веществ и избытка смолы и удержания всего неподвижного в течение всего цикла отверждения. При структурном склеивании автоклав прижимает детали друг к другу и удерживает их, пока клей застывает. В отличие от пресса, автоклав создает давление равномерно, независимо от формы рабочей нагрузки.
В цикле, типичном для автоклавного отверждения композитных деталей, выполняются следующие этапы:
Отказ автоклава существенно отличается от дефекта обычного оборудования только тогда, когда он связан с удержанием давления. Поскольку сжатый воздух, газ или пар могут накапливать значительную часть энергии, законом предусмотрены строгие меры для предотвращения таких инцидентов. Обычно отказ сосуда под давлением принимает одну из двух форм. Один из них - разрыв сосуда, обычно в результате распространения трещины. Трещины в стали под напряжением могут распространяться со скоростью более мили в секунду. Это приводит к высвобождению накопленной энергии, одним из эффектов которой является ускорение самого разрыва . Такие выбросы по сути являются взрывами. Другой формой является отказ механического предохранительного устройства, такого как блокиратор, который отключает механизм открывания двери, пока давление в емкости превышает консервативное значение, например ⁄ 4 или ⁄ 2 фунт / кв. Дюйм.
Реже может возникнуть ошибка в предположении, что затворное кольцо двери не может повернуться, когда дверь находится под давлением. Геометрия кулачковых пандусов обеспечивает точный крутящий момент, стремящийся открыть дверь, когда давление действует на внутреннюю часть двери. Эта сила также создает трение, которое препятствует этому вращению. Если коэффициент трения на пандусах достаточно низок, то стопорное кольцо может двигаться сам по себе. Он может даже изгибать гидравлические приводы, используемый для поворота кольца. Устройство блокировки на дверце автоклава предназначена для неправильной работы, а не для механического ограничения движения дверцы. Таким образом, интересы безопасности лучше всего удовлетворяются, когда система управления включает в себя несколько устройств, обеспечивающих не только избыточность, но и множество методов, отказ от любого из которых может нанести ущерб всей системе безопасности.
