ДВУХКАМЕРНЫЙ ГАЗОСТАТ
DOUBLE-CHAMBER GASOSTATIC EXTRUDER

Изобретение относится к области создания оборудования для обработки изделий промышленного назначения из дискретных и сплошных материалов при одновременном или комбинированном воздействии на них высоких до 500 МПа давлений и температур до 2300°С, создаваемых в газовой среде рабочей камеры газостата.
Двухкамерные газостаты используются для таких технологических задач, где в качестве рабочей среды используются реакционные или высокочистые рабочие газы. Влияние реакционных газов не должно оказывать влияние на систему нагрева в газостате, которая располагается, как правило, во внешней камере. Кроме того, двухкамерные газостаты используются в «грязных» технологических процессах, например, при получении углерод-углеродного композиционного материала. При его получении заготовка помещается во внутреннюю камеру, где она насыщается под давлением, расплавленным каменноугольным или нефтяным пеком. При расплаве пека образуются летучие углеводородные соединения, которые загрязняют газовую среду внутренней камеры. Поэтому рабочий газ внутренней камеры для повторного использования не применяется.
Для обеспечения требуемого баланса давлений во внутренней и наружной камерах используется сложная система управления, включающая высокоточные датчики давления.
Для решения этих задач предлагается двухкамерный газостат, в котором контейнер содержит две независимые полости с независимо создаваемым высоким начальным давлением. Внутренняя камера представляет собой тонкостенную герметичную оболочку переменного объема, в которой давление возрастает за счет уменьшения (или увеличения) объема, при этом давление во внутренней камере растет и равно давлению во внешней камере.
Аналогом изобретения является двухкамерный газостат, описанный в книге «Процессы и оборудование для газостатической обработки». - М.: Металлургия, 1994 г., стр.288. Газостат-аналог содержит контейнер, станину (силовую раму) на которую опираются гладкие верхняя и нижняя пробки, печную вставку с нагревателем и теплоизоляционным колпаком, разделительную герметичную оболочку, образующую внутреннюю камеру газостата, в которую помещается заготовка. Два газовых подвода соединяют два источника давления с внутренней камерой и контейнером газостата. Устройство сравнения давления обеспечивает контроль давлений в камерах газостата. Разделительная оболочка выполнена тонкостенной и ее прочностные свойства позволяют выдерживать перепад давления ±1…2 МПа.
Недостатком аналога является то, что разделительная оболочка предназначена только для разделения газовых сред, не несет силовую нагрузку и требует точного поддержания минимальной разности давлений по обе стороны от оболочки.
Прототипом изобретения является двухкамерный газостат, описанный в патенте RU №2393058 С2 (заявка 2008134203, приоритет 22 августа 2008 г., зарегистрирован 27 июля 2010 г.).
Газостат-прототип содержит силовую станину, контейнер с верхней и нижней пробками, образующими рабочую камеру, перегородку, разделяющую рабочую камеру на наружную камеру с нейтральной средой и внутреннюю камеру с реакционной рабочей средой, системы источников инертной и рабочей реакционной сред с запорными клапанами, соединенными с источниками давления, системы нагрева и управления. При этом контейнер выполнен в виде блока из трех втулок с каналами для охлаждающей жидкости, выполненными на наружной поверхности средней втулки, установленных с натягом, скрепленных бандажом из высокопрочной ленты, размещенной на наружной поверхности блока втулок. На поверхность внутренней втулки и торцевые поверхности верхней и нижней пробок нанесено медное покрытие. Перегородка выполнена тонкостенной и герметичной. Система управления выполнена с возможностью обеспечения давления нейтральной среды в наружной камере больше давления реакционной рабочей среды во внутренней камере, а также оснащена устройством синхронизации давления в наружной и внутренней камерах, выполненным в виде трех датчиков, соединенных между собой и с процессором системы управления.
Преимуществами такой конструкции являются ее простота, возможность работы с широким спектром реакционных газов.
Недостатками конструкции являются:
- ограничение рабочего давления в обеих камерах газостата;
- необходимость точного контроля давления в камерах и обеспечивать конструктивно заданную разность давлений, чтобы не разрушить тонкостенную перегородку.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание надежного двухкамерного газостата для обработки изделий промышленного назначения из дискретных и сплошных материалов высоким (до 500 МПа) давлением газовой среды, в результате
- возможности создания оборудования, способного надежно работать с давлением до 500 МПа;
- оптимизации и простоты работы газового привода газостата;
- улучшения ремонтопригодности и условий обслуживания газостата;
- повышения надежности работы газовой системы газостата из-за того, что во внутренней полости давление растет и эквивалентно давлению во внешней полости, и как следствие, отсутствует перепад давления на разделительной тонкостенной перегородке;
- повышения безопасности газостата в случае разгерметизации внутренней камеры. При этом произойдет выравнивание и снижение давления газа, т.к. внешняя камера имеет больший объем.
Технический результат достигается тем, что рабочий контейнер разделен на внешнюю и внутреннюю (переменного в зависимости от давления объема) камеры перегородкой, закрытый верхней и нижней пробками и образуют отдельные герметичные полости, при этом во внешней камере размещена печная вставка с нагревателем.
Конструкция предлагаемого газостата представлена на фиг.1, где показаны собственно газостат с разрезом рабочей камеры.
Газостат (фиг.1) содержит силовую станину 1, контейнер 2, закрытый по торцам верхней 3 и нижней 4 пробками с уплотнениями 5 и 6, тонкостенной перегородкой 7, с уплотнениями 8, внутри которой установлена заготовка 9 на проставке 10. Во внешней полости контейнера установлены нагреватель 11 с теплоизоляционным колпаком 12. Для контроля температуры в рабочей зоне используются термопары 13 и 14. Нагреватель имеет токоподводы 15 и 16. Компрессор 17 газовой системы из газобаллонной станции (ГБС) 18 через блок управляемых клапанов 19 по герметичным трубопроводам 20 и 21 создают в полостях 22 и 23 контейнеров газостата требуемое рабочее давление. Для охлаждения контейнера и верхней пробки выполнены магистрали с подводом воды 24 и отводом воды 25. Для отключения внутренней полости от газовой системы используется управляемый клапан 26. Для перекрытия магистрали 20 на подвижной перегородке 7 установлен клапан 27.
Газостат работает следующим образом. После загрузки заготовки 9 в рабочую зону внутренней полости 23 контейнер 2 закрывается верхней пробкой 3 и фиксируется силовой рамой 1. Открываются клапаны газовой системы и полости контейнера 22, 23 заполняются давлением до выравнивания давления с ГБС. Компрессор 17 предназначен для создания начального давления в полостях контейнера. Начальное давление во внутренней полости рассчитывается по формуле
н
н
2
2,
РV=PV
н
где P - начальное давление во внутренней полости при максимальном объеме внутренней полости, определяемом подвижной перегородкой 7;
н
V - начальный (максимальный) объем внутренней полости;
2
P - конечное (максимальное) давление в контейнере;
2
V - конечный (минимальный) объем внутренней полости.
Включение нагревателя 11 обеспечивает увеличение рабочего давления до рабочего в полости 22 и, как следствие, в полости 23. Давление в полостях по обе стороны перегородки 7 эквивалентно, поэтому разрушения ее не происходит.
При минимальном объеме полости 23 и максимальном давлении в ней, избыточное давление в ней выравнивается за счет принудительного открытия клапана 26.
Таким образом, использование в предлагаемой конструкции газостата с тонкостенной перегородкой, образующей отдельную герметичную переменного объема рабочую камеру со своим отдельным газовым подводом и печной вставкой с нагревателем и теплоизоляционным колпаком, установленным во внешней камере, позволяет:
- создать надежный газостат за счет оптимизации конструкции и газового привода газостата;
- повысить надежность газовой системы;
- повысить безопасность работы газостата, в котором давление во внутренней и наружной полостях, разделенных перегородкой, уровновешено;
- улучшить ремонтопригодность и обслуживание газостата;
- расширить технологические возможности гаммы газостатов, работающих на повышенных давлениях и позволяющих обрабатывать широкий спектр изделий из нанопорошков, сплавов, кристаллических и композиционных материалов.