Автоклав для полимеризации композитных материалов

Полезная модель относится к области химического машиностроения и может использоваться в технологических процессах полимеризации изделий из композитных материалов, применяемых в различных областях промышленности.
Известен водяной автоклав проходного типа, содержащий теплоизолированную камеру с крышками, кожухотрубчатый теплообменник, к которому подключен рециркуляционный насос, перфорированный подвесной потолок внутри камеры, технологические трубопроводы, отличающийся тем, что с внутренней стороны каждая крышка закрыта металлическим экраном (патент на полезную модель RU №33876, опубл. 20.11.2003 г.). В результате патентно-информационных исследований выявлены следующие технические решения в этой области техники: US 20170173908, US 20080317647, JP 2013022764, WO/2010/128907, US 4974663.
В результате проведенного сравнительного анализа, наиболее близким техническим решением по общей совокупности признаков, заявителем принят автоклав для полимеризации композитных материалов, содержащий теплоизолированный корпус, крышку загрузочного люка, электродвигатель, лопастное колесо, установленное на валу электродвигателя, нагреватель воздуха, экран, отличающийся тем, что электродвигатель установлен в кожухе, прикрепленном к крышке заглушенного люка, расположенного противоположно загрузочному люку, на наружной поверхности кожуха выполнен теплообменник, на внутренней поверхности корпуса в районе расположения лопастного колеса установлены равномерно расположенные по окружности электронагреватели воздуха, экран состоит из двух отдельных частей - цилиндрической и конической (патент на полезную модель RU №176142, опубл. 09.01.2018 г.)
Недостатком данной конструкции является то, что она не обеспечивает тонкого регулирования температуры в автоклаве. Тонкое регулирование температуры особенно необходимо при изготовлении изделий специального назначения, в частности при полимеризации композитных материалов, что позволяет обеспечить их заданные свойства.
Техническая задача заявляемой полезной модели - обеспечение качества обрабатываемых изделий из полимерных композитных материалов.
Достигаемый технический результат - обеспечение контролируемого процесса полимеризации композитных материалов за счет тонкого регулирования температуры в автоклаве.
Техническая задача достигается тем, что автоклав для полимеризации композитных материалов содержит теплоизолированный корпус с загрузочным люком, внутри корпуса размещены направляющее устройство, электродвигатель, лопастное колесо, установленное на валу электродвигателя и обеспечивающее направленное движение воздуха внутри корпуса, датчики температуры, на внутренней поверхности корпуса в зоне расположения лопастного колеса установлены нагревательные элементы, теплообменник, направляющее устройство
состоит из цилиндрической и конической частей, теплообменник расположен в непосредственной близости к линии сопряжения цилиндрической и конической частей направляющего устройства. В отличие от известного автоклава, теплообменник выполнен одноходовым и снабжен в нижней и верхней частях распределительными камерами, каждая из которых снабжена штуцерами для подачи воды, распределительная камера в нижней части теплообменника выполнена с возможностью подачи воды и образует основной контур охлаждения теплообменника, а в верхней части теплообменник дополнительно снабжен штуцером для выброса пара, при этом штуцер для подачи воды верхней распределительной камеры соединен с регулирующим клапаном, выполненным с возможностью электрического подключения к датчикам температуры, распределительная камера в верхней части теплообменника выполнена с возможностью периодической подачи воды и образует дополнительный контур охлаждения теплообменника.
Для получения дополнительного технического результата, связанного с повышением эффективности охлаждения автоклава в процессе его работы, пакет труб теплообменника выполнены  в шахматном порядке, с расчетной плотностью укладки при заданном диаметре труб.
Сравнение заявляемого технического решения с прототипом показывает, что оно отличается следующими признаками:
- теплообменник выполнен одноходовым;
- теплообменник содержит в нижней части распределительную камеру со штуцером для подачи воды;
- теплообменник в верхней части содержит  распределительную камеру со штуцером для подачи воды и штуцером для выброса пара;
- штуцер для подачи воды верхней распределительной камеры соединен с регулирующим клапаном;
- регулирующий клапан электрически подключен к датчикам температуры, размещенными внутри корпуса;
- распределительная камера в нижней части теплообменника выполнена с возможностью постоянной подачи воды через штуцер и образует основной контур охлаждения теплообменника;
- распределительная камера в верхней части теплообменника  выполнена с возможностью периодической подачи воды  и образует дополнительный контур охлаждения  теплообменника.
Поэтому можно предположить, что заявляемая полезная модель соответствует критерию «новизна».
Полезная модель может быть изготовлена с использованием известного оборудования, поэтому она соответствует критерию «промышленная применимость».
На рисунке  схематично показано заявляемое устройство.
Устройство содержит: теплоизолированный корпус 1 (с теплоизоляцией t=80мм), загрузочный люк 2, нагревательные элементы 3  с тиристорным управлением (в количестве 18 шт., по 10кВт), лопастное колесо 4, установленное на валу электродвигателя 5 в охлаждаемом кожухе (не показан).  Внутри корпуса 1 расположены датчики температуры 16 и  направляющее устройство, которое состоит из конической 7 части и цилиндрической 6 части, установленной на опорах 15. В непосредственной близости к линии сопряжения цилиндрической 6 и конической 7 частей направляющего устройства, установлен теплообменник 8, например, холодильник S=90мI. Теплообменник 8 выполнен одноходовым с вертикальным расположением биметаллических оребренных труб Ду32 по ТУ 28.99.52-002-04974957-2018, длинной 1500 мм, установленных в пакет в шахматном порядке. Шахматный порядок  расположения труб выбран из условия увеличения турбулентности потока воздуха вокруг труб. Снизу и сверху теплообменника 8 установлены распределительные камеры 9 и 11 с соответствующими штуцерами 10 и 12 для подачи холодной воды. Теплообменник 8 снабжен штуцером 13 для выброса пара, причем штуцер для подачи воды 12 соединен с регулирующим клапаном 14, электрически подключенный к датчикам температуры 16.
Устройство работает следующим образом.
Автоклавную тележку с заготовками изделий из полимерного композитного материала закатывают в цилиндрическую 6 часть направляющего устройства автоклава и закрывают загрузочный люк 2.  В теплоизолированный корпус 1 подают сжатый воздух или азот до достижения требуемого давления (на рисунке не показано). Включают нагревательные элементы 3 с теристорным регулированием и электродвигатель 5 колеса  вентилятора 4. Лопастное колесо 4, прогоняя воздух через нагревательные элементы 3 и зазор между стенками теплоизолированного корпуса 1 и цилиндрической 6 и конической 7 частями направляющего устройства, обеспечивает равномерный нагрев в автоклаве заготовок изделий до Т=250ºС.  Давление и температура поддерживается автоматически в соответствии с технологической картой процесса.
В процессе полимеризации изделий специального назначения наибольшую  сложность представляет процесс поддержания температуры заготовок изделий в пределах ± 2ºС без выключения нагревательных элементов, т.е. без нарушения непрерывности процесса полимеризации.
В заявляемом устройстве регулирование температуры в процессе полимеризации заготовок осуществляется в двух режимах:
- «грубый» - только теристорное регулирование повышения температуры  нагревательных элементов 3, которое является инерционным и не может обеспечить тонкую регулировку температуры.
- «тонкий» - регулирование температуры в пределах ± 2ºС, который осуществляется следующим образом.
При включенных нагревательных элементах 3 через регулирующий клапан 14 сверху в теплообменник 8, через штуцер 12 распределительной камеры 11 дозированно подается вода. Регулирующий клапан 14 срабатывает на открытие по сигналу, передаваемому с датчиков температуры 16, размещенных внутри корпуса 1. Попадая в теплообменник 8, вода мгновенно вскипает, превращаясь в пар.  При парообразовании поглощается расчетное количество тепла, которое выбрасывается наружу через штуцер 13 для выброса пара, обеспечивая тем самым необходимо быстрый отвод излишнего тепла из внутренней полости автоклава посредством дополнительного контура охлаждения. При этом постоянно работает основной контур охлаждения теплообменника 8, за счет работы нижней распределительной камеры 9 со штуцером 10.
После окончания процесса полимеризации заготовок, включают основной режим охлаждения автоклава, для этого выключают нагревательные элементы 3, сбрасывают давление в автоклаве, при достижении в автоклаве температуры не более 100ºС в теплообменник 8 снизу через штуцер 10 подачи воды распределительной камеры 9  подают охлаждающую воду. Поток воздуха, проходя через теплообменник 8, охлаждается и, циркулируя в корпусе 1, охлаждает заготовки.
После окончания основного охлаждения и достижения температуры не более 45ºС, прекращают подачу воды через штуцер 10 в теплообменник 8, выключают электродвигатель 5, открывают загрузочный люк 2 и выкатывают тележку с готовыми изделиями из корпуса 1.
Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет обеспечить контролируемый процесс полимеризации специальных изделий за счет тонкого  регулирования температуры в автоклаве, как в процессе нагрева, так и в процессе охлаждения, что позволит повысить качество готовых изделий.