Автоклав (промышленный) - Autoclave (industrial)

Промышленные автоклавы находятся сосуды под давлением используется для обработки деталей и материалов, требующих воздействия повышенного давления и температуры. Производство высокопроизводительных компонентов из передовых композиты 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, составляет более тысячи тонн. Обе машины используют вращающиеся дверцы с замком; больший вращается гидравлически, меньший - пневматическим.

Принцип действия

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 применяет тепло и давление к находящейся внутри него рабочей нагрузке. Обычно различают два класса автоклавов. Те, кто находится под давлением пар технологические 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 печь нагрева и поэтому обычно используется только тогда, когда изостатическое давление необходимо приложить к рабочей нагрузке сравнительно сложной формы. Для плоских деталей меньшего размера нагретые прессы предлагают 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 исключительных требований, таких как отверждение абляционных композитных сопел ракетных двигателей и ракет носовые конусы, гидроклав^[1][2] можно использовать, но это влечет за собой чрезвычайно высокую стоимость оборудования и повышенные риски при эксплуатации. Гидроклав находится под давлением воды;^[3] давление сохраняет воду в жидкой фазе, несмотря на высокую температуру.^{[нужна цитата ]}

Ключевой компонент промышленного автоклава - это быстро открывающаяся дверь; 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.^{[нужна цитата ]}

Конструкция автоклава определяется различными стандартами безопасности, главным из которых является Кодекс ASME для сосудов под давлением. Хотя большинство стран используют КАК Я код, некоторые разработали свои собственные. В Стандарт CE в Европе применяется как к сосудам, так и к электрическому контролю, а Китай требует, чтобы сосуды под давлением соответствовали их внутренним нормам.^[4] Все нормы и правила определяют консервативные требования, направленные на обеспечение максимальной безопасности. Местные органы власти также могут вводить лицензионные требования, связанные с работой автоклавов.

Дизайн и конструкция

Сосуд под давлением

Конструкция сосуда высокого давления включает Формула Барлоу, используется 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 гидростатически испытано при 130% от номинального давления под наблюдением инспектора кодов ASME. Он наполняется водой, и небольшой насос повышает давление до необходимого испытательного значения, при котором оно выдерживается в течение определенного времени (30 минут согласно кодексу ASME). Инспектор проверяет наличие утечек, а также наличие недостатков или несоответствий в сварка.

При проектировании небольших автоклавов не обязательно учитывать возможность создания вакуума внутри сосуда высокого давления, но это допущение не следует делать в больших автоклавах. Паровые автоклавы, например, могут подвергаться воздействию внутреннего вакуума, если пар полностью конденсируется, а сосуд остается герметичным. Хотя внешнее давление не может превышать одну атмосферу,^[5] в некоторых случаях этого может быть достаточно для обрушения судна. 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 котлован в полу, если предполагается нагрузка на уровне пола, как это обычно бывает.

Материалы

Выбор материалов, из которых изготовлен автоклав, полностью зависит от области применения. Для паровых автоклавов используется углеродистая сталь, но допуск на коррозию добавляется к расчетной толщине. Это вмещает ржавчина это происходит 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 настроек при расчете толщины стенок сосуда не требуется. Выше этой температуры допустимое напряжение понижен. 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 характеристики емкости.

Хотя инженер-конструктор может использовать материал по своему выбору, обычно выбирается углеродистая сталь SA516 Grade 70 PVQ (качество сосудов под давлением).^[6] Эта сталь особенно хорошо подходит для использования в сосудах высокого давления благодаря исключительному разбросу между ее сравнительно небольшими предел текучести 38 тысяч фунтов / кв. дюйм и его предел прочности от 70 до 90 тысяч фунтов / кв. дюйм. Удлинение в листе толщиной 2 дюйма (51 мм) - 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. Это легко сваренный и полностью обрабатываемый.

Спецификация сосуда высокого давления будет включать 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 штамповать для МДМТ.^[7] -20 ° F, если пользователю не требуется более низкая. Обычно толщина металла определяется требованиями норм, касающихся визуального контроля. Можно использовать более тонкий металл, если сварные швы рентгенографически. Это экономит затраты, если металл не SA516, а нержавеющая сталь или тугоплавкий сплав.

Двери

Автоклав, из которого изготавливались антенны ретранслятора РЛС Ф-16. Электроотопление, простая дверь, автоматика.

Из всей машины самым дорогим (в зависимости от размера автоклава) и наиболее важным элементом оборудования является быстро открывающаяся дверь. Он должен быть полного диаметра, чтобы обеспечить доступ к рабочему пространству, герметично закрывать от номинального давления при наивысшей температуре корпуса,^[8] работают легко и быстро и соответствуют тем же правилам безопасности, что и остальная часть сосуда высокого давления. 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 подтягивают выступы ближе и герметизируют дверь с помощью Уплотнительное кольцо прокладка.

Этот тип является искробезопасным, поскольку открытие кулачковых замков под давлением освобождает уплотнение двери и разгерметизирует резервуар. 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 двери сравнительно просты и экономичны,^[9] хорошо подходит для небольших автоклавов. Эта конструкция ограничена диаметром четыре фута и давлением около 125 фунтов на квадратный дюйм из-за ограниченного пространства, доступного на двери для кулачковых замков и отклонение 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.

В автоклавах диаметром более четырех футов или в автоклавах, рассчитанных на более высокое давление, обычно используется вращающаяся дверца с запорным кольцом, также называемая 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 зубчатым проушины вокруг его окружности, причем выступы на одной линии с соответствующими отверстиями в стопорном кольце, которое превращает 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 оно служит долгое время. Очень немногие изнашиваемые детали дверцы можно заменить, что делает автоклав долгосрочным вложением.

На дверях диаметром до восьми или десяти футов качание может быть ручным. Нет ничего необычного в том, чтобы увидеть автоклавы диаметром восемь футов, двери которых можно полностью открыть или закрыть одним пальцем.^[10] 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 сам будет двигать ее вручную.

На машинах с дверьми, открывающимися вручную,^[11] одна банальная, но важная деталь - дверной ограничитель, предотвращающий стук при открывании. Если большой автоклав установлен на слегка неровном полу, то дверь при открытии быстро распахивается до конца своего хода. Если амортизатор не установлен, на нем будут постепенно накапливаться повреждения и износ.

На небольших автоклавах, вращение стопорного кольца иногда осуществляется с ручным управлением, ориентированных устройств. На более крупных используются пневматические или гидроцилиндры. Пневматические цилиндры часто обеспечивают резкое вращение, но иногда они могут быть более безопасными.^[12] потому что они, как правило, не могут так легко сдвинуть дверное кольцо при сильном давлении на дверь.

Вращающаяся дверца с запорным кольцом требует предохранительной 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 перемещение 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.^[13] 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 расчетного и испытательного давления, этот тип дверей показал, что небольшое отклонение, вызванное избыточным давлением, сдвигает поверхности двери и ступицы достаточно далеко друг от друга, чтобы вызвать разрушение уплотнительного кольца, тем самым сбросив давление. Побега воздух диффундирует мимо стопорного кольца, предотвращая повреждения от высоких струй скорости воздуха.

Доступны и 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 тот, в котором два двери. 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. На более крупных машинах его можно установить на шарнире, шлюпбалка или узел тележки (см. фото выше), который позволяет поворачивать или перемещать ее из автоклава после того, как ее фланцевое крепление на болтах было снято. 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 очень вероятно, что их будут игнорировать, 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, которая потребует выполнения 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 дверь распахивается, а двигатель быстро и легко поднимается с помощью вилочного погрузчика или простого лонжеронного подъемника.

Интерьер

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 у других есть 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 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 при полной циркуляции, это может потребовать охлаждения вместо нагрева. Интенсивная циркуляция воздуха под давлением сама по себе генерирует тепло, и это может быть значительным при попытках работы при необычно низких температурах и высоких давлениях. Внутренняя отделка автоклава может быть выполнена из различных материалов. оцинкованный, алюминизированный, или нержавеющая сталь. 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, должна ли внутренняя оболочка, 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 нагрева 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).^[14] Если внутренняя стена сделана из стали 11 калибра (0,196 дюйма), то она будет весить более пяти тонн. Нагревает только стену до Рабочая Температура 300 ° F (149 ° C) за один час потребует около 90 киловатт энергии. При типичных тарифах по требованию это будет стоить приблизительно 2000 долларов (в месяц) в дополнение к оплате за электроэнергию (за каждый цикл). Уменьшение толщины стенки до 18 приведет к снижению этих расходов примерно на 60 процентов. Экономя 13 000 долларов в год, средний оператор автоклава может жить с множеством вмятин.

В некоторых автоклавах изнутри доносятся странные звуки, когда они нагреваются и охлаждаются. Эти шумы вызваны искажениями в металлическом интерьере, так как расширяется и сжимается при резких перепадах 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 конечном итоге вызовут искривление внутренней части.

Если машина имеет большие размеры, ей потребуется внутренний пол, достаточный для поддержки людей, идущих по ней, а также устройства безопасности для защиты персонала внутри машины от непреднамеренного запуска.^[15]

Обогрев

Регулировка розжига газовой горелки в трубчатом теплообменнике.

Подвод тепла в рабочую камеру можно производить разными способами. Для большинства автоклавов, особенно тех, которые используются для обработки композитных деталей или выполнения склеивание металлоконструкций, самым простым и наименее затратным изначально является электрическое тепло. Нагреватели сопротивления компактны и надежны, их можно удобно разместить в циркуляционном воздуховоде. Поскольку тепловая масса этих нагревателей мала, контроль температуры в камере является точным, и дополнительные нагреватели обычно могут быть установлены позже без излишних усилий. Однако стоимость этой дополнительной установки может быть довольно значительной по сравнению 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 обеспечивая большую уверенность в достижении требуемой скорости нагрева. 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. перед Принимая во внимание плату за потребление, автоклав диаметром шесть футов и длиной двадцать четыре фута (с тонкой внутренней стенкой) будет стоить около 2000 долларов в месяц в счет оплаты спроса плюс в среднем 14 долларов в час энергии во время работы. 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 - паровое отопление. Это предполагает наличие котел способен производить пар при достаточно высоком давлении для достижения требуемых температур. Существующая паровая установка высокого давления - прекрасная вещь, которую нужно иметь 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 эту 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 видах топлива. 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 простым вопросом обучения имеющегося персонала завода и его привлечения. лицензированный для однокотловой работы. 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 материалов. теплоносители, и несколько более низкой стоимости. В газовая горелка узел устанавливается на дальний конец или на борт судна и стреляет в теплообменник внутри воздуховода. Горячий конец сменной трубки для лучшего прикрыт турбулизаторами. теплопередача. Это восстанавливает большую часть энергии дымовые газы. Это просто и надежно, используя обычные натуральный газ, бутан, пропан, или другой промышленный топливный газ.

Существуют альтернативные конфигурации, включая вторичный циркуляционный контур, который пропускает 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 нагрева 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 автоклав с электрическим нагревом будет стоить достаточно, чтобы иметь заплатил за еще четыре или пять сопоставимых автоклавов. Проще говоря, для любых лабораторных машин, кроме самых маленьких, газовое и паровое отопление являются лучшими альтернативами.

В некоторых случаях, когда на установке имеется пар, можно сэкономить значительные 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 отверждения композитов. Для этого требуются различные материалы для вакуумного мешка, но его преимущество заключается в отсутствии нагревателей, 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 с таким же манометрическим давлением даст лучшие результаты и более быстрый нагрев, чем печь. Этот подход будет менее подходящим для материалов, которые необходимо медленно доводить до температуры отверждения, поскольку пар передает свое тепло довольно быстро по сравнению даже с турбулентным циркулирующим потоком воздуха. Кроме того, поскольку внутренняя часть сосуда многократно подвергается воздействию пара, а затем воздуха снова и снова, необходимо делать поправку на коррозию стенок сосуда.

В некоторых случаях нагреватель с внешним обогревом нагревает синтетический теплоноситель до температуры от 600 ° F (316 ° C) до 800 ° F (427 ° C), и специальные насосы прокачивают его через теплообменники внутри автоклава. Это имеет как преимущества - газ или масло можно использовать в качестве топлива, не заботясь о пространстве, занимаемом внутри рабочего объема автоклава, так и недостатки - стоимость очень высока, и может быть сложнее поддерживать его должным образом. Кроме того, он может служить для нагрева и охлаждения автоклава, пропуская теплоноситель через нагреватель или охлаждающий змеевик, в зависимости от технологического процесса.

Принимая во внимание все обстоятельства, наиболее рентабельными вариантами нагрева в течение всего срока службы автоклава будут паровой котел высокого давления или газовый обогрев с использованием внутреннего или внешнего теплообменника.

Охлаждение

Для охлаждения в конце технологического цикла требуется отвод 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 термически индуцированных напряжений.

Используемый метод охлаждения будет зависеть от максимальной температуры, достигнутой перед охлаждением, и степени точности, которую необходимо поддерживать при снижении температуры в камере. Для низких температур и скоростей охлаждения, которые могут значительно варьироваться, или просто охлаждение в любом случае является результатом фиксированного потока охлаждающая жидкость, 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 качестве 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 этого устройства. 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 затрудняет контроль скорости охлаждения.

Когда холодная вода попадает на теплообменный змеевик при температуре 800 ° F (427 ° C), образуется мгновенный пар, а также возникают механические удары по системе и значительное образование накипи внутри змеевика до такой степени, что вода содержит растворенные твердые частицы. Утилизация пара и горячей воды может оказаться затруднительной, а срок службы системы охлаждения может быть коротким. Это можно в некоторой степени уменьшить, предварительно охладив змеевик потоком сжатого воздуха, а затем водяным туманом и сжатым воздухом. Это лишь ненамного лучше, чем сама по себе холодная вода, и мало помогает устранить мгновенный пар.

При температурах до около 800 ° F (427 ° C) и скоростях охлаждения, которые должны выдерживаться с жесткими допусками, синтетический теплоноситель будет отводить тепло из автоклава без фазового перехода (то есть кипения). Пропуск горячего масла через змеевик для нагрева воздуха с регулируемым потоком воздуха позволит системе регулировать тепловой поток из автоклава с достаточной точностью, чтобы поддерживать заданную скорость охлаждения. Этот нагретый воздух можно сбросить туда, где это принесет наибольшую пользу или наименьший вред. Недостатком использования жидкостного теплопередачи является первоначальная стоимость. Это добавляет, возможно, десять процентов к цене 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 превышает 300 ° F (149 ° C), тогда пропиленгликоль может использоваться 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.

Тираж

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 трубка, в циркулирующий воздушный поток, а затем в рабочую нагрузку, тем больше воздушный поток турбулентность, тем лучше теплопередача, особенно при тяжелых и плотных рабочих нагрузках.

Привод вентилятора должен быть рассчитан на условия, создающие наибольшую нагрузку на вентилятор, т.е. самая низкая температура и самое высокое давление, хотя 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 менее 300 футов в минуту через пустое рабочее пространство автоклава. Более того, теплообмен будет более эффективным.

В авиационной промышленности есть спецификации, относящиеся непосредственно 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 стена изоляция сохраняет тепло, а двигатель находится под полным давлением автоклава. Внешние диски требуют уплотнение вала нести приводной вал через стенку сосуда высокого давления. Внутренние приводы проще, занимают немного меньше места и создают небольшую, но существенную охлаждающую нагрузку; внешние приводы требуют более сложной конструкции приводных валов и используют уплотнения высокого давления.

Выбор внутренней / внешней компоновки приводов часто бывает индивидуален. Срок службы уплотнения вала высокого давления сложно 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.^[16] 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 увеличивает начальную цену, 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 мощностью шестьдесят лошадиных сил, который весит более полутонны, через отверстие, едва достаточно большое, чтобы он мог пройти. 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, менее 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 неоптимальной работе вентилятора, учитывая чувствительность. вентиляторов до скорости вращения. Вентиляторы подобны воздушным винтам; чем они больше и чем медленнее поворачиваются, тем лучше. Это закон.

Некоторые приложения позволяют вообще обойтись без циркуляционного вентилятора и воздушного отопления. Если обрабатываемые детали имеют довольно простую геометрическую форму, можно использовать формы, которые сами 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. Автоклав этого типа, хотя обычно это невозможно в мастерской, может обеспечить значительную экономию при изготовлении лишь небольшого набора 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 расхода воздуха. 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 на одной стороне цепи управления, чтобы одно из отверстий нарушало питание нагревателя, и параллельно на другой стороне, чтобы компьютер мог определить, какое из них изменило состояние.

Изоляция

Внутренняя изоляция из стекловолокна (труба и плита резервуара), нанесенная механическим фиксатором, рассчитана на 450 ° F (232 ° C).

Значительная масса сосуда высокого давления обеспечивает сохранение давления, но 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.

И то и другое минеральная вата и стекловолокно используются в автоклавах. 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.

Герметизация

Выбор нагнетающего агента определяется процессом. Воздух может быть приемлемым для автоклавов, работающих при сравнительно низких температурах.^[17] но кроме этого, это может быть совершенно неприемлемо. Воспламеняемость материалов, часто используемых в композитных деталях, увеличивается под давлением, так как частичное давление кислорода повышается. Таким образом, для повышения давления можно использовать азот или диоксид углерода.

Гидроклавы используют воду как среду, повышающую давление. 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.

Вакуум

Детали, обрабатываемые в автоклаве, часто 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 заполнять вакуумный мешок инертный газ обычно азот при нулевом давлении.

Роль, которую играет внутреннее давление вакуумного мешка, может иметь решающее значение для последовательного производства высококачественных многослойных композитных деталей. А SAMPE бумага^[18] описывает преимущества контроля вакуума и давления под вакуумным мешком при укладке. Следя за вакуумом в мешке с повышением давления,^[19] Подавляется образование пустот в полимерной матрице, уменьшая микроскопические дефекты, которые являются затравочными трещинами и другими повреждениями матрицы. Установка этой возможности на автоклав требует дополнительных регулирующих клапанов и программного обеспечения, и, в свете преимуществ в производительности композитных материалов, не оказывает неоправданного влияния на цену машины.^[20]

An эжекторный насос может использоваться для быстрой откачки воздуха внутри автоклава, который должен находиться под давлением инертного газа. Чтобы удалить кислород изнутри и заменить его нагнетающим агентом, который не поддерживает горение, самый простой способ - удалить почти весь воздух, а затем ввести азот или углекислый газ. 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. Самая простая вакуумная система состоит из насоса и калибр снаружи и один порт для быстрого отключения 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 в вакуум. датчики подключен к системе управления, и засыпка инертным газом под контролируемым давлением, когда насос выключен и вакуумные линии вентилируются во время цикла отверждения.

Пропускная способность вакуумный насос менее важен, 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 поможет скрыть повреждение 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, так как вполне вероятно, 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, следует ли контролировать каждую линию индивидуально и как это нужно делать. Если есть одиночный датчик вакуума, есть ли электронный преобразователь подключен к управляющему компьютеру или только с помощью чувствительного манометра, проверяемого визуально, для определения того, какой вакуумный мешок протекает, означает отключение каждого из них по очереди и наблюдение за небольшим изменением давления 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.

Об этом позаботится установка датчика в каждую вакуумную линию, но это стоит 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 вулканизации, как это требуется в некоторых приложениях, до того, как линия подачи выпускается в атмосферу, линия манометра заполняется азотом из газового регулятора нулевого давления, таким образом предотвращая попадание атмосферных загрязнений в ткань сапуна / воздухоотводчика. Для индивидуального контроля каждой вакуумной линии не обязательно требуются измерительные линии или засыпка инертным газом. Однако дополнительные затраты на обеспечение колеи не так велики. Если используется контроль давления в вакуумном мешке, то соответствующие клапаны и регуляторы должен быть встроен.

Если во время процесса образуется значительный поток смолы из детали, 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 значительное количество летучие вещества во время лечения. 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 кашу. Они также разрушают уплотнения вакуумных клапанов и со временем вызывают образование отложений. Для предотвращения этого может потребоваться установка конденсаторы на линиях вакуумного порта. Для этого потребуется 2 ° C (35 ° F). охлажденная вода. Маленький чиллер 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 можно было легко разбирать и чистить. Естественно, они тоже должны быть полностью доступны.

Органы управления и приборы

Хотя большая часть операций в простом автоклаве может оставаться ручным, контроль температуры практически всегда автоматизирован, так как это легко сделать с небольшими затратами.^[21] 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.

Температура

Как и в случае с другими параметрами, требуемая точность регулирования температуры зависит от спецификация процесса. Автоклав должен превышать эту способность с запасом, достаточным, чтобы исключить все шансы недостаточной или чрезмерной температуры рабочей нагрузки. Слишком высокая температура может привести к повреждению деталей или тепловому отклонению;^[22] 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.

Электрическое отопление практически бесступенчато и, следовательно, поддается точному контроль 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 регулироваться до 12 бит^[23] точность SCR устройства, управляемые аналоговый сигнал от температуры контролер. Малая масса нагревательный элемент делает его отзывчивым, и могут быть достигнуты внезапные и резкие изменения в выпуске, хотя обычно это и не обязательно.

Нужда в тщательность и точность^[24] При измерении температуры воздуха внутри автоклава большое значение имеет выбор и установка датчика. Самый дешевый и простой - это установка одной термопары где-нибудь в воздушном потоке. Для лучших результатов по ничтожной цене, два или три усредняют RTD работать лучше, с большей точностью и меньшим отклонением. 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.^[25] Один может быть установлен на входе в циркуляционный вентилятор; он определяет самую низкую температуру, если предположить, что нагреватель находится за вентилятором.^[26] 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 пограничный слой ошибка или, что еще хуже, застой ошибка.

Давление

Контроль над давление представляет наименьшее количество 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 причинам стоимости.

При повышении температуры газ расширяется, повышая давление. Регулирующий клапан сбрасывает излишки, поддерживая заданное значение.

В некоторых случаях точность регулирования давления напрямую влияет на успех процесса. Например, материалы сердцевины имеют ограниченную прочность на сжатие при повышенных температурах; даже небольшое избыточное давление может разрушить ядро^[27] 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 опорожнения и небольших клапанов для подстройки при заданном значении и вблизи него. В качестве альтернативы регулирующие клапаны позволят избежать этого явления.

Вакуум

Часто это наименее контролируемый фактор в автоклаве, вакуум может потребовать или не потребовать модуляции. В некоторых случаях он вообще не автоматизирован и включает в себя не более чем 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.

Гарантия безопасности

Безопасность автоклавов всегда важна. 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 можно считать само собой разумеющимся.^[28]

Кодекс ASME требует, помимо очень консервативной конструкции резервуара и его арматуры, установки предохранительного клапана с кодовой отметкой.^[29] установить на расчетное давление.^[30] Этот клапан безопасный чтобы предотвратить изменения в его настройках и будет открыть всякий раз, когда давление в автоклаве превышает расчетное давление. Хотя это срабатывание клапана будет снимать любое возможное избыточное давление в сосуде, он также должен быть в состоянии удерживать источник давления, каким бы он ни был, от нагнетания достаточного количества воздуха, инертного газа или пара, чтобы вернуть давление до опасного уровня. уровень даже при полностью открытом предохранительном клапане.

Автоклав консервативной конструкции имеет несколько предохранительные клапаны каждый из которых имеет такие размеры, чтобы выдерживать максимально возможный поток воздуха в резервуар плюс не менее 30%. Клапаны установлены на многообразие Это позволяет нескольким выпускным отверстиям сосуда высокого давления питать несколько предохранительных клапанов, каждый из которых может справиться со всем сбросом воздуха самостоятельно, даже если одно выпускное отверстие сосуда высокого давления случайно заблокировано обломками из-за внутреннего отказа. Добавленная стоимость избыточный предохранительные клапаны примерно одна десятая процента от стоимости машины.

Воздух или азот из источника повышения давления - не единственная потенциальная причина внезапного повышения давления. При возгорании автоклава гарантировано повышение внутреннего давления, которое может превысить способность предохранительного клапана вентилировать достаточно быстро. Решение - это предохранительные клапаны увеличенного размера и разрывные диски, и более одного каждого из них.^[31]

Знание того, сколько воздуха или газа может в наихудшем стечении обстоятельств быть доставлено на 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 эксплуатируется.

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 при 100 фунтах на квадратный дюйм и 350 ° F (177 ° C), он может быть слишком опасным в автоклаве, обрабатывающем потенциально 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 жидкой форме он стоит дешевле, чем безалкогольные напитки.^[32] Это также реальная альтернатива специальным воздушным компрессорам, когда требуется давление значительно выше 100 фунтов на квадратный дюйм.

Самым простым и экономичным предохранительным устройством является разрывной диск. Включенный в резервуар высокого давления при изготовлении, это просто порт в резервуаре, закрытый тонко обработанной пластиной, которая лопается при заданном давлении. Эта пластина может быть изготовлена ​​из алюминия или углерода.^[33] Диск установлен во фланцевом узле, который сбрасывает давление автоклава в выхлопную трубу, чтобы унести свист вдали от персонала. Диск довольно недорогой и легко заменяется. Разрывная мембрана должна использоваться 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 рассчитана на срабатывание при давлении немного выше давления предохранительного клапана ASME и значительно ниже давления гидростатического испытания; он никогда не включается в работу, если не происходит внезапного повышения давления, превышающего допустимую для предохранительного клапана. Очень скромная стоимость даже пары достаточно больших разрывных дисков делает этот вариант чрезвычайно привлекательным. Разрывная мембрана должна быть не менее двойного диаметра входа или выхода из сосуда, в зависимости от того, что больше.

От типа двери зависит, нужно ли ей собственное защитное устройство. Дверь с Т-образным болтом является искробезопасной, и код ASME не требует блокировки для нее. Другие типы дверей требуют блокировки, чтобы предотвратить возможность открывания при наличии ~¹⁄₂ фунтов на квадратный дюйм или более внутри емкости. Это будет в каждом автоклаве; это абсолютное минимум того, что является законным. Однако разумный оператор автоклава не должен соглашаться на самое меньшее, что требуется. Даже самые лучшие компоненты не идеальны, поэтому консервативно разработанный автоклав использует резервные блокировки как в аппаратном обеспечении, так и в управляющем программном обеспечении, чтобы снизить риск до минимально достижимого уровня. Например, если система управления обнаруживает какое-либо давление в емкости, она блокирует цилиндры открывания дверей с помощью предохранительных клапанов, таким образом предотвращая любую попытку 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 безопасности - это способ подключения датчиков. Если устройство способно выйти из строя в определенном состоянии, то отказ должен быть таким, чтобы давалась ложная индикация давления. 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 присутствие 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.

Поскольку страховые и 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 только котлом на заводе. В некоторых частях мира требуется, чтобы автоклавы лицензировались или эксплуатировались только после проведения инспекций и выдачи разрешений.

Экономика

строительство

Цена автоклава будет сильно различаться 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 длины. Некоторые особенности автоклава позволяют использовать широкий спектр опций, а 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. Новый технологии в современных композитах, например, снижает превосходство, которое автоклав долгое время имел в отрасли.

Если удвоение расчетного давления может увеличить стоимость автоклава на пятьдесят процентов, удвоение диаметра может удвоить или утроить его стоимость. С другой стороны, увеличение длины на удивление недорого. Удвоение длины короткого автоклава диаметром 6 футов (1,8 м) может добавить 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).

К внутреннему рабочему диаметру необходимо добавить несколько дюймов изоляции, чтобы получить диаметр сосуда высокого давления. Установка изоляции снаружи дает наименьший сосуд высокого давления для данного внутреннего рабочего диаметра, но энергия, необходимая для нагрева самого сосуда в каждом цикле, вскоре делает это очень непривлекательным способом экономии, если для нагрева не используется нагнетание пара, в котором необходимо использовать внешнюю изоляцию. Для большинства машин используйте толщину изоляции от четырех до шести дюймов. На машинах, рассчитанных на температуру менее 300 ° F (149 ° C), это значение можно уменьшить до трех дюймов (76 мм). Для температур выше 600 ° F (316 ° C) ее следует увеличить до восьми дюймов или более. Это значительно влияет на диаметр, но обычно в пользу дополнительной изоляции.

Если цена является серьезной проблемой, некоторые изменения могут ограничить ее, не отказываясь от важных возможностей, 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 данную конфигурацию. Более того, цены на подержанные машины могут сильно отличаться. это не редко можно найти подержанные машины по цене намного выше новых,^[34] а также почти не бывшие в употреблении автоклавы, которые продаются на аукционе за центы за доллар.

При рассмотрении вопроса о покупке нового автоклава или существующей машины потенциальный покупатель обнаружит, что бывшие в употреблении машины могут быть или не могут быть менее дорогими, чем новые, построенные в соответствии с его точными спецификациями, и что их может быть очень трудно найти в требуемых условиях. конфигурация. Если подержанная машина, соответствующая требованиям, находится по разумной цене, обязательно проверьте такие вещи, как износ дверных петель, недокументированные модификации, сделанные пользователем или другими лицами (гораздо чаще, чем можно было бы предположить), и наличие давления документы о регистрации судна.^[35] На всякий случай попросите 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 позволить страховой компании отклонить требование о возмещении ущерба, если произойдет что-то катастрофическое.

Если форма автоклава U-1, выданная конструктором сосуда высокого давления, недоступна, или если табличка с данными автоклава не читается или, возможно, даже отсутствует, то это может быть самодельный сосуд высокого давления. Имейте в виду, что многие магазины сосудов 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 и повторные испытания и повторный осмотр 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 важнее строительно-монтажные чертежи, а также электрические схемы. Доступны ли они и актуальны ли они? Если он использует электрическое отопление, нужно ли будет покупать большой трансформатор чтобы соответствовать напряжению? Модификация машины на 230 В для работы от 460 В или наоборот может стоить намного дороже, чем простая установка трансформатора. Очень немногие из бывших в употреблении машин на рынке оснащены передовыми средствами управления; будут ли существующие средства контроля удовлетворять текущие и ожидаемые потребности? Возможна замена старых и устаревших систем управления. Хотя стоимость не является тривиальной, сосуд звукового давления можно модернизировать с меньшими затратами, чем цена нового автоклава. Более того, машина становится доступной быстрее.

Операция

Из различных факторов, влияющих на экономичность эксплуатации автоклава, ни один из них не имеет такого значения, как средства нагрева.^[36] и это будет иметь еще большее значение по мере роста цен на энергоносители. 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^[37] за киловатт-час 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.

Операция

Типичное использование

Хотя автоклав не так распространен, как духовка,^[38] он обычно используется в нескольких классах приложений. 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. Изготовление обработанная под давлением древесина могут потребоваться автоклавы. Стерилизация трата products - 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 прикладывает давление равномерно, независимо от формы рабочей нагрузки.^[39]

Цикл

В цикле, типичном для автоклавного отверждения композитных деталей, выполняются следующие этапы:

Автоклав загружается, и к автоклаву подсоединяются вакуумный мешок и термопара.

Дверь закрыта и заперта, MPID^[40] подтверждая закрытие.

Давление прикладывают до тех пор, пока не будет достигнут требуемый уровень.

В зависимости от требований вакуумный мешок может находиться под вакуумом или без него.

Циркуляционный вентилятор запускается.

Начинается нагрев, который поддерживается с указанной скоростью изменения температуры, обычно от 5 ° до 10 ° в минуту.

После достижения требуемой температуры начинается выдержка по времени при этой температуре, которая длится необходимое время.

В конце периода выдержки функция охлаждения снижает температуру до заданного значения с заданной скоростью изменения температуры.

В сосуде сброшено давление и циркуляция остановлена.

Режимы отказа

Отказ автоклава существенно отличается от дефекта обычного оборудования только тогда, когда он связан с ограничением 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 разрыв судна, обычно распространение 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 разрыв сам. Такие выбросы по сути являются взрывами. Другая форма - отказ механического предохранительного устройства, такого как блокировка который отключает механизм открывания двери, пока давление в емкости превышает консервативное значение, например¹⁄₄ или¹⁄₂ psi.

Реже,^[41] может быть ошибкой предположение о том, что затворное кольцо двери не может вращаться, 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 вращению. Если коэффициент трения на пандусах достаточно низко, то стопорное кольцо может двигаться сами по себе. Он даже может застегнуть гидравлические приводы используется для поворота кольца. Устройства блокировки на дверце автоклава предназначены для предотвращения неправильной последовательности операций, 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 множество методов, отказ любого из которых не может нанести ущерб всей системе безопасности.

Смотрите также

• В химической и пищевой промышленности герметичные сосуды для подачи тепла к веществу также называют возразить.

Сноски

1. Для несколько самодовольного описания такого автоклава см. http://www.change.godrej.com/2006/janfeb/Hydroclave.htm.
2. «Hydroclave» - это также торговая марка производителя обычных паровых стерилизаторов.
3. Вопреки распространенному мнению, вода не несжимаемый. Его объем уменьшается примерно на 0,5% на каждые 1000 фунтов на квадратный дюйм давления.
4. Под управлением Управления по лицензированию специального оборудования (SELO) Главного управления по надзору за качеством, инспекции и карантину (AQSIQ) Китайской Народной Республики.
5. Номинально 14,7 фунтов на квадратный дюйм.
6. Стальная пластина SA516 PVQ - Часовенная сталь
7. Минимальная расчетная температура металла.
8. Это вполне может быть значительно ниже рабочего объема автоклава.
9. Но не относительно экономично, поскольку их цены могут поставить потенциального покупателя на колени, если он не привык делать такие покупки.
10. Это предполагает ровный пол.
11. Возможно, не существует законодательного требования для предохранительных блокировок, подобных тем, которые обязательны для гидравлических прессов, но все же было бы неплохо подумать о возможности того, что оператор окажется не в том месте после нажатия переключателя цикла двери. Несколько тонн стальной двери, которую закрывают гидроцилиндры, не сильно замедлят, потому что на пути чья-то рука.
12. Технически, это приводится в движение исключительно за счет соотношения между крутящим моментом, который может быть оказано на стопорного кольца с помощью исполнительного механизма (ов) и сопротивления трения до поворота, когда автоклав под давлением.
13. Всего несколько фунтов на квадратный дюйм привели к несчастным случаям со смертельным исходом.
14. В аэрокосмической промышленности это будет считаться средним по размеру.
15. Решением является переключатель «человек внутри», обычно имеющий форму шнурка, проходящего по всей длине внутренней части автоклава. Кто-то, застрявший внутри при закрытой дверце, может потянуть за нее, чтобы остановить машину. Однако необходимо следить за тем, чтобы при этом не отключился механизм, отпирающий и открывающий дверь.
16. Эти цены могут не быть текущими, но соотношение, вероятно, таково.
17. Автоклав, работающий при 375 ° F (191 ° C) и давлении 100 psi, будет хорошо работать с воздухом, но при значительно более высоких температурах и давлениях азот намного безопаснее.
18. Пористость композитов из углеродного волокна - обзор причин, Флейк Кэмпбелл и Эндрю Маллоу из McDonnell-Douglas Aerospace и Чарльз Браунинг из Управления материалов ВВС в Wright Labs в Дейтоне, Журнал перспективных материалов, SAMPE, июль 1995 г.
19. Если вакуумный мешок находится под давлением 100 фунтов на квадратный дюйм, то давление в автоклаве также должно быть увеличено на 100 фунтов на квадратный дюйм, сохраняя то же самое. ${displaystyle delta}$P как раньше. Это имеет серьезные последствия для стоимости автоклава.
20. До тех пор, пока не будет учтено более высокое давление в автоклаве.
21. Хотя это будет широко варьироваться в зависимости от конструкторов автоклавов, отнюдь не нереально автоматизировать автоклав, не потратив намного больше пятнадцати-двадцати процентов от стоимости машины.
22. Некоторые системы смол уязвимы к экзотермический нагрев; в крайних случаях это может вызвать пожар внутри автоклава.
23. Одна часть из 4096.
24. Эти не синоним.
25. Как правило, все, что происходит в автоклаве, внезапно оказывается очень плохой новостью.
26. Это не всегда так, поскольку размещение вентилятора после нагревателя приводит к лучшему смешиванию нагретого и ненагретого воздуха.
27. Это может быть пена или соты как правило, и то, и другое ослабляется при воздействии температур отверждения.
28. На авиационном заводе в Техасе в 1965 году дверь большого автоклава взорвалась и без особого замедления вырвала стену здания. Между дверью и офисным зданием, полным людей, стоял пятидесятитонный товарный вагон, который остановил дверь.
29. Предохранительные клапаны, предохранительные клапаны, предохранительные клапаны, конденсатоотводчики, предохранительные клапаны
30. Расчетное давление может быть или не быть рабочим давлением. В любом случае рабочее давление не может превышать расчетное давление.
31. Предохранительные клапаны ASME очень дешевы. Независимо от того, сколько они стоят.
32. Однако мы понятия не имеем, каков он на вкус.
33. Алюминий немного дешевле. Углерод держится дольше и точнее.
34. Время выполнения заказа на новый автоклав может вынудить закупить подержанный автоклав, который будет доступен в течение недели, и дилеры подержанных автоклавов хорошо понимают это явление.
35. Национальный совет инспекторов котлов и сосудов под давлением
36. Для действительно плохо спроектированного и сконструированного автоклава обслуживание занимает второе место.
37. Эта стоимость состоит из платы за энергию, которая изменяется в зависимости от количества используемой энергии, и платы за потребление, которая устанавливается на самом высоком месячном мгновенном уровне потребляемой мощности.
38. Для данного размера и температуры автоклав может стоить в пять-десять раз больше, чем печь.
39. Есть незначительные исключения, когда существуют резкие изменения контура, но это учитывается в инструментах, как правило, с помощью уплотнительных пластин.
40. Устройство индикации механического давления, требуемое кодом ASME.
41. Отказы сосудов под давлением очень ООНобщие события.

Автоклав для отверждения композитов