УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВНУТРЕННЕГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЭКСТРУДИРОВАННЫХ ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКИХ ТРУБ
DEVICE FOR INTERNAL REFRIGERATION OF EXTRUDED THERMO-PLASTIC PIPES

Изобретение относится к устройству для охлаждения экструдированных термопластических труб (1), которые на выходе из экструдера проходят через калибратор и одну или несколько охлаждающих ванн, при котором при входе термопластической трубы в калибратор, на внутреннюю поверхность термопластической трубы, по всему ее контуру, направляется газообразный охлаждающий агент по касательной к внутренней поверхности и при котором внутренняя полость термопластической трубы делится защитной трубой на внешний кольцеобразный проточный канал для прохождения охлаждающего агента вдоль внутренней поверхности термопластичной трубы и центральный обратный канал, через который часть охлаждающего агента под влиянием потока охлаждающего агента во внешнем кольцеобразном проточном канале всасывается обратно для повторного направления внутренней поверхности термопластичной трубы.
При экструзии термопластических труб гранулы пластика расплавляются в экструдере до однородной смеси. Тепло, необходимое для того, чтобы расплавить пластик, производится в начале процесса при помощи электрических нагревательных элементов, установленных на внешней поверхности цилиндра экструдера. Кроме того, теплота трения производится в процессе экструзии от взаимодействия между шнеком экструдера, цилиндра и гранул пластика. После того как процесс достигнет устойчивого состояния, гранулы начнут плавиться, главным образом, от теплоты трения. Расплавленная масса продавливается через нагретый инструмент, образуя трубу с профилем заданной геометрической формы. Этот экструдируемый профиль трубы приобретает свою окончательную геометрическую форму после охлаждения в калибраторе (втулке), имеющем заданный внутренний диаметр, определяющий окончательные диаметры экструдированной трубы. Это выполняется при помощи вакуумной калибровки или калибровки давлением.
При вакуумной калибровке труба под действием вакуума присасывается к перфорированной поверхности калибратора, который располагается внутри охлаждающего резервуара под давлением ниже атмосферного, которое также преобладает внутри трубы.
При калибровке давлением создается избыточное давление внутри трубы, прижимающее трубу к поверхности калибратора внутри охлаждающего резервуара с нормальным давлением. Это происходит из-за того, что на конце трубы устанавливается заглушка, закрывающая внутреннюю полость трубы, а также опрессовкой закрытого пространства сжатым воздухом, проходящим через экструдер.
В обоих вариантах калибровки труба обычно охлаждается опрыскиванием внешней поверхности трубы водой в одном или нескольких калибровочных резервуарах. Трубу нужно охлаждать достаточно для того, чтобы иметь возможность перемещать ее по технологической линии через маркировочное, тянущее и режущее устройства. Определенная стабильность требуется также для того, чтобы позволить трубам, особенно большого размера с толстыми стенками, выдержать их собственный вес без деформации во время дальнейшей обработки, а также хранения сразу после экструзии.
Производительность вышеупомянутых термопластичных труб часто определяется мощностью охлаждающей системы в технологической линии. Часть тепла передается внутрь через внутреннюю поверхность трубы, но главная часть тепла экструзии передается охлаждающей водой на внешнюю поверхность.
Принципы охлаждения, используемые в существующих линиях экструзии, имеют множество потенциальных проблем. При изготовлении толстостенных труб часть пластика, который остается в расплавленном состоянии, может быть так велика, что его вес превышает прочность экструдированного пластика сразу после выхода из экструзионной головки и внутри калибратора. Поэтому расплавленный пластик течет через верхнюю сторону трубы в направлении нижней части, в результате чего толщина стенки трубы получается неравномерной. Стенка трубы будет становиться тоньше в верхней части трубы, чем по ее сторонам и ее нижней части. Это можно компенсировать неравномерным центрированием щели в экструдере, через который протекает расплавленный пластик. Таким образом, щель выполняется большего размера на верхушке, при этом конечный продукт получается с относительно равномерным распределением толщины стенки. Поскольку минимум и максимум толщины стенки, а также максимальный объем выпуска продукции со смещенным центром определяют допуски на продукцию, вышеупомянутый метод ведет к материальным потерям и браку.
Дальнейшие проблемы, возникающие в процессе экструзии, состоят в том, что термопластические материалы окисляются, когда внутренние поверхности трубы длительное время соприкасаются с атмосферой, богатой кислородом. В результате этого ухудшаются механические свойства, например прочность при сжатии в трубах давления, сконструированных, например, для водопроводов или газопроводов. Возможность противодействовать этому состоит во введении, например, инертного газа в трубу, что, с другой стороны, ведет к увеличению стоимости производства.
Кроме того, охлаждение трубы только снаружи ведет к внутренним напряжениям в стенке трубы, в результате чего появляется напряжение в профиле, что приводит к деформации конца трубы, например, при разрезании трубы.
Способ и устройство согласно преамбуле известны ранее из патента US 6418732, в котором твердый и газообразный диоксид углерода используется в качестве охлаждающего агента. Это приводит к слишком низкой температуре охлаждающего агента, что в результате ведет к значительным проблемам с появлением водного конденсата внутри термопластической трубы, что может вызвать серьезные дефекты в стенке трубы. И, кроме того, процесс согласно этому ранее известному способу относительно дорог.
Цель настоящего изобретения состоит в исключении этих проблем, что достигается способом, отличающимся тем, что охлаждающим агентом является воздух и часть воздуха, который всасывается обратно через возвратный канал, повторно охлаждается с помощью охлаждающего оборудования, установленного в возвратном канале. В результате, температура и скорость потока, по меньшей мере охлаждающей воды, поступающей в охлаждающее оборудование для охлаждения охлаждающего воздуха, циркулирующего в термопластической трубе, и, возможно также, охлаждающего воздуха, подаваемого в термопластическую трубу, регулируется и контролируется в соответствии с размером и скоростью экструзии изготавливаемой термопластической трубы. Этим способом термопластические трубы охлаждаются эффективно и экономично изнутри с помощью струи охлаждающего воздуха и снаружи при помощи водяной струи и водяных ванн. Такая методика позволяет быстрее и равномернее охлаждать стенки трубы, что можно использовать, например, для увеличения скорости экструзии без ухудшения качества производимой трубы.
Охлаждающий воздух направляется соответствующим способом для прохождения по спирали через кольцеобразный проходной канал, обеспечивая эффективное и равномерное охлаждение стенки трубы и завершая смешивание воздуха в термопластической трубе.
При вакуумной калибровке весь передний конец термопластической трубы оставляется открытым, а при калибровке под давлением внутренняя полость трубы закрывается в направлении открытого конца трубы, после чего избыточное давление в термопластической трубе удерживается с помощью подачи в нее сжатого воздуха, одновременно с этим избытку охлаждающего воздуха позволяется вытекать из трубы через экструдер для балансировки давления в термопластической трубе и одновременно для сохранения циркуляции охлаждающего воздуха в термопластической трубе.
Изобретение также относится к устройству для охлаждения экструдированной термопластической трубы, которая на выходе из экструдера проходит через калибрирующее устройство или одну или несколько ванн. Это устройство присоединяется к экструдеру, коаксиально с кольцеобразной щелью экструдера, и содержит цилиндрическую соединительную часть, направляющую втулку, адаптированную к внутреннему размеру термопластической трубы и закрытую напротив экструдера. Внутри цилиндрической боковой стенки направляющей втулки по кругу установлено множество элементов, направляющих струи газообразного охлаждающего агента в основном по касательной к внутренней поверхности термопластической трубы. Вдоль внутренней поверхности термопластической трубы цилиндрическая защитная труба образует кольцеобразный проточный канал и центральный возвратный канал, заканчивающийся в направляющей втулке, для того, чтобы часть охлаждающего агента, протекающего через кольцеобразный проточный канал, возвращалась к вышеупомянутым элементам, под влиянием всасывающего эффекта потоков охлаждающего агента для того чтобы быть повторно направленной к внутренней стенке термопластической трубы. Устройство, отличающееся тем, что охлаждающим агентом является воздух, в возвратном канале располагается охлаждающее оборудование, при этом вышеупомянутое охлаждающее оборудование содержит, по меньшей мере, один теплообменник, установленный в центральной раме, выступающей из соединительной части и направляющей втулки. При этом каждый из элементов, направляющих потоки охлаждающего воздуха, установлен так, что может вращаться на своем собственном телескопическом валике. Телескопические валики выступают, главным образом, в радиальном направлении из центральной рамы устройства и дают возможность каждому элементу радиально перемещаться и поворачиваться вокруг своего телескопического валика так, что вышеупомянутые элементы регулируются до нужного положения внутри направляющей втулки устройства и могут быть направлены так, что охлаждающий воздух, вытекающий из элементов, будет протекать по спирали через кольцеобразный проточный канал между защитной трубой устройства и внутренней стенкой трубы, которая охлаждается. Элементы для изменения направления потоков сжатого охлаждающего воздуха могут быть в виде воздушных активаторов эжекторного типа, обеспечивающих действенное всасывание сжатого воздуха в возвратном канале, кроме того, можно использовать вытяжной вентилятор, штамп со сжатым воздухом или нечто подобное.
Предпочтительно, если работой устройства управляет внешний управляющий узел через трубопроводы, проведенные через соединительную часть устройства и экструдер. Внешний управляющий узел содержит средство для приема сжатого воздуха, его очищения и управляет подачей сжатого воздуха в воздушные активаторы и средство для охлаждения и управления потоком охлаждающего агента, предпочтительно воды, в теплообменник охлаждающего устройства для охлаждения охлаждающего воздуха, циркулирующего в трубе.
Для того чтобы сделать устройство адаптируемым для внутреннего охлаждения труб разных размеров, направляющая втулка устройства выполняется из двух или нескольких легко заменяемых сегментов или переходных шайб.
В основном варианте устройство обеспечивается направляющей втулкой, адаптированной для термопластических труб в классе труб наименьшего размера, требующего внутреннего охлаждения. В том случае когда устройство адаптируется для внутреннего охлаждения термопластических труб большего размера, обычные переходные шайбы заменяются переходными шайбами большего размера, устройства, направляющие струи охлаждающего воздуха, движутся радиально, с помощью своих телескопических валиков, к цилиндрической стенке новой направляющей втулки, а вторая защитная труба устанавливается съемной поверх обычной защитной трубы. Вторая защитная труба содержит устройство для закрытия кругового пространства между обычной защитной трубой и вышеупомянутой второй защитной трубой.
В дополнение к обычному оборудованию существует подходящий дополнительный набор переходных шайб и защитных труб - это набор переходных пластин с соответствующими защитными съемными трубами для труб среднего размера и второй набор переходных пластин с соответствующими защитными съемными трубами для больших труб.
Для того чтобы не допустить попадания капель конденсата от пластика на стенки трубы в нижней части переднего конца защитной трубы установлен поддон.
Предпочтительно, если передний конец устройства обеспечен устройством для подсоединения провода или чего-то подобного, другой конец которого крепится к герметичной заглушке, расположенной дальше впереди в трубе, когда выполняется внутреннее охлаждение, используя калибровку давлением с помощью сохранения избыточного давления внутри трубы. Для того чтобы сбалансировать давление внутри трубы, пространство внутри термопластической трубы соприкасается с регулируемым выходным клапаном через трубу, протянутую сквозь соединительную часть устройства, а экструдер регулирует удаление избыточного охлаждающего воздуха.
В дальнейшем изобретение описывается более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:
Фиг.1 показывает основной схематический чертеж, показывающий экструзию термопластической трубы, выполняемую одновременно с внутренним охлаждением трубы.
Фиг.2а-2с показывают в аксонометрии пример того, как устройство согласно изобретению применяется для внутреннего охлаждения труб неравных размеров.
Фиг.2d показывает устройство, изображенное на Фиг.2а, с поддоном для сбора жидкости.
Фиг.3а и 3b показывают пример узла управления устройством согласно изобретению в аксонометрии и на виде сверху соответственно.
Кроме внешнего охлаждения термопластической трубы согласно изобретению выполняется также ее внутреннее охлаждение в сочетании с экструзией термопластической трубы 1 на выходе из экструдера 2, в результате профиль экструдируемой трубы проводится через калибратор или одну или несколько охлаждающих ванн. Эта процедура дает возможность быстрее охладить термопластическую трубу 1 и тем самым повысить скорость экструзии, одновременно уменьшая внутренние напряжения, зафиксированные в стенке трубы. Согласно изобретению внутреннее охлаждение выполняется охлаждающим устройством, расположенным перед экструдером 2, коаксиально с его кольцеобразной щелью 2а. Охлаждающее устройство содержит цилиндрическую соединительную часть 3, направляющую втулку 4, которая адаптирована к внутреннему размеру термопластической трубы 1 и закрыта напротив экструдера 2, множество элементов 5, направляющих струи охлаждающего воздуха по существу по касательной к внутренней поверхности термопластической трубы. Эти элементы 5 устанавливаются по кругу и могут поворачиваться внутри цилиндрической боковой стенки направляющей втулки 4 (в показанном варианте выполнения находятся в виде воздушных активаторов 5 эжекторного типа). Кроме того, в состав охлаждающего устройства входит охлаждающее оборудование 6, содержащее по меньшей мере один теплообменник 6, расположенный в центральной раме 7, выступающей из соединительной части 3 и направляющей втулки 4, цилиндрическая защитная труба 8, которая окружает вышеупомянутые теплообменники 6 и образует кольцеобразный проточный канал 9 вдоль внутренней поверхности термопластической трубы 1 и центральный возвратный канал 10, заканчивающийся в направляющей втулке 4, для протекания охлаждающего воздуха через кольцеобразный проточный канал 9 и возвращения к воздушным активаторам 5 под влиянием эффекта всасывания воздушных активаторов 5 и одновременного охлаждения во время прохода через один или несколько теплообменников 6, выполненных в канале возврата 10, с целью изменить направление в сторону внутренней стенки термопластической трубы 1.
На концах телескопических валиков 11, выступающих из центральной рамы 7 охлаждающего устройства, установлены воздушные активаторы 5, при этом валики позволяют воздушным активаторам радиально перемещаться и вращаться вокруг своих валиков. Для того чтобы получить равномерное и эффективное охлаждение термопластической трубы 1 и завершить смешивание воздуха внутри термопластической трубы насколько возможно, воздушные активаторы 5 поворачиваются относительно продольной оси охлаждающего устройства и термопластической трубы 1 так, что охлаждающий воздух, вытекающий из воздушных активаторов 5, будет протекать по спирали, через кольцеобразный проточный канал 9 между защитной трубой 8 и внутренней поверхностью термопластической трубы 1, как показано искривленными стрелками А на Фиг.1.
Для того чтобы управлять и поддерживать процесс охлаждения внутри термопластической трубы 1, можно использовать внешний управляющий узел 12, показанный на Фиг.3а и 3b. Управляющее устройство 12 предназначено для соединения с устройством через трубопроводы 13-d (схематически показаны на Фиг.1), которые проходят через соединительную часть 3 устройства и экструдер 2. В управляющем узле имеется средство 14а для приема сжатого воздуха, средство 14b для очищения и первичной фильтрации вышеупомянутого сжатого воздуха, средство 14с для регулирования подачи сжатого воздуха, с помощью воздушных дренажных отверстий 14d, в воздушные активаторы 5 охлаждающего устройства, а также для создания избыточного давления во внутренней полости термопластической трубы 1 в связи с возможной калибровкой давлением, средство 14е для приема охлаждающей воды из теплообменников 6 охлаждающего устройства, регулятор температуры 14f для охлаждающей воды, устройство 14g управления потоком для направления охлажденной охлаждающей воды к теплообменникам 6 устройства и циркуляционный насос 14h для охлаждающей воды.
Для того чтобы получить возможность быстро и просто адаптировать устройство к внутреннему охлаждению термопластических труб разного размера, направляющая втулка в варианте выполнения, показанном на Фиг.2а-2с, выполняется из двух переходных шайб 4а, которые можно легко соединять с охлаждающим устройством и отсоединять от него. Когда охлаждающее устройство адаптируется для внутреннего охлаждения термопластической трубы 1 больших размеров, обычные переходные шайбы 4а отсоединяются и заменяются парой переходных шайб 4b или 4с большего размера, после чего воздушные активаторы 5 при помощи телескопических валиков 11 движутся радиально наружу к цилиндрической боковой стенке новой направляющей втулки 4, а вторая защитная труба 8а или 8b съемно устанавливается поверх обычной защитной трубы 8 устройства и содержит средства 15а или 15b для закрывания кольцеобразного пространства 9а или 9b, чтобы заставить охлаждающий воздух, в процессе циркуляции в термопластической трубе 1, течь назад к воздушным активаторам 5 через теплообменники 6, а не проходить теплообменники 6 через образованные кольцеобразные щели 9а или 9b снаружи обычной защитной трубы 8.
Благодаря тому что охлаждающее устройство вдобавок к обычным переходным пластинам 4а и защитной трубе 8 снабжается двумя дополнительными наборами переходных шайб 4b, 4с и защитные трубы 8а, 8b адаптируются к термопластическим трубам среднего и большого размера соответственно, охлаждающее устройство может использоваться для экструзии труб любого размера.
Как показано на Фиг.2d, на нижней части переднего торца защитной трубы 8 может устанавливаться поддон 17 для жидкости, для того чтобы пластиковый конденсат не капал на внутреннюю стенку трубы 1.
При внутреннем охлаждении, выполняемом при вакуумной калибровке, свободный конец трубы полностью открыт, а для того чтобы произвести внутреннее охлаждение при калибровке давлением, передний конец охлаждающего устройства снабжается средством, соединенным с проводом, закрепленным на герметичной заглушке, предназначенной располагаться дальше впереди в изготавливаемой термопластической трубе 1. В процессе калибровки давлением избыточное давление удерживается внутри термопластической трубы подачей сжатого воздуха одновременно, так как пространство внутри термопластической трубы 1 соединяется регулируемым выходным клапаном 14i, расположенным в управляющем узле 14 для выпуска избытка охлаждающего воздуха через трубу, протянутую через соединительную часть 4 и экструдер 2, с помощью которого выходной клапан 14i балансирует давление внутри термопластической трубы 1.