Водяные и воздушные системы охлаждения нагревателей для экструдеров и ТПА

Водяные и воздушные системы охлаждения на экструзивном и литьевом оборудовании необходимы для устранения избыточной термической нагрузки на отдельных зонах. Возникновение избыточной температуры обуславливается сдвигом. В обычную систему контроля замкнутого типа входит подводка тепла от нагревательных источников извне. К таким источникам относят горелки газового типа и хомутовые ТЭНы. Лишнее тепло отводится потоком обрабатываемой продукции и естественными теплопотерями. Специальный датчик температуры считывает термические показатели и оповещает контроллер, который в свою очередь включает или отключает нагревательные элементы.

В некоторых процессах работы оборудования выделение тепла может сопровождаться механическими силами или химическими реакциями. В таких ситуациях однозначно потребуется охлаждение и дополнительный нагрев для поддержания максимально точных температур на различных зонах.

Характеристики охладительных систем водяного и воздушного типа.

Водяная и воздушная среды являются основными видами источников охлаждения. Охлаждающие способности данных источников зависят от удельной теплоемкости, плотности и теплопроводности. 

Удельной теплоемкостью считается способность охлаждающего источника поглощать тепло. Количество тепла в свою очередь измеряют в единицах Джоуля.

Теплопроводность — это способность материала или какого-либо вещества передавать тепло иным объектам. Данный показатель измеряется в Ваттах на метр Кельвина.

Под показателем плотности подразумевается мера массы. Материалы, обладающие высокой плотностью лучше удерживают температуру сравнительно с менее плотными.

В данной теме мы не будет подробно рассматривать единицы измерения, так как они для нас не являются важным показателем. Для нас более важно оценить цифровые отличия.

На основе данных приведенных в таблице выше видно, что вода в четыре раза больше поглощает тепло сравнительно с воздушной системой охлаждения. Вода в 21 раз больше проводит тепло и в 1000 раз лучше удерживает его и отводит от процесса. Из этого следует, что вода лучше отводит тепловую энергию, а воздушная среда только рассеивает ее.

Специфика отвода температуры при экструзии и литье

Литье и экструзивная обработка на сегодня являются основными методами формования полимерных изделий. При работе оборудования температура выделяется не только от установленных на специально отведенных участках нагревательных элементов, но и за счет возникающих сдвиговых сил. Сдвиги обусловлены работой шнека. В процессе оборотов шнека движение лопастей обеспечивает движение гранулированного полимера вдоль ствола. Материал проталкивается вперед к фильерам по внутренней поверхности цилиндрического тела оборудования. Создающееся трение провоцирует появление тепловой энергии и в процессе неконтролируемого нарастания температуры есть риск перегрева сырья или даже появления некоторых его обожжённых участков. Поэтому основная часть современных экструдеров изначально комплектуются системой водяного или воздушного охлаждения. Это дает возможность отводить лишнее тепло, появляющееся из-за сдвига.

Воздушная система охлаждения работает за счет наличия воздуходувов электрического питания. Их крепление проводится к стальному кожуху. Данный кожух служит для направления воздушного потока через элементы нагрева и шнек еще до этапа, как воздух выйдет в окружающую среду. Наличие специальных контроллеров необходимо для своевременного включения и отключения воздуходувок. Охладительные кожухи, состоящие из листового нержавеющего металла с вентиляторами можно заказать как в комплектовке с нагревательными элементами, так и в качестве отдельного охладительного прибора на сайте «Технонагрев».

Электрические элементы нагрева для экструзивного оборудования могут изготавливаться из различных материалов, что влияет на их производственные характеристики. Подбор конкретных типов материала проводится в соответствии с требованиями к работе нагревателя в определенной среде и с конкретными видами обрабатываемого материала. Утверждать с высокой долей вероятности, что те или иные материалы являются лучшими или худшими нельзя. Каждый из подбираемых материалов служит для решения конкретных задач. С помощью одних можно быстро выйти на заданный режим температуры, а благодаря характеристикам других можно удержать набранную температуру на протяжении длительного времени.

Нагреватели для цилиндрической зоны экструдера

• Ленточные нагреватели из керамики — благодаря гибкой конструкции легко монтируется и повторяет форму цилиндрической поверхности оборудования. Состоит из керамики наборного типа. В максимальном порядке производит температуры до 500°С. В основном используется на участках где можно устанавливать плоские и хомутовые ТЭНы.

• Керамические кольцевые электронагреватели — отличное решение для высокотемпературного нагрева вплоть до 700°С. Данный тип нагревателя может сразу быть укомплектован термопарой типа К, которая послужит для определения вырабатываемых температур. Данная категория нагревательных элементов характеризуется высокой энергоэффективностью и быстрым выходом на задаваемый температурный режим.

• Миканитовые кольцевые нагреватели — используются на участках оборудования, где необходима очень тонкая конструкция нагревательного элемента. Максимальная температурная выработка равна 350°С. Миканитовый материал позволяет выполнять необходимое количество зазоров и отверстий, но следует помнить, что чем больше отверстий, тем меньшей будет греющая поверхность. Данный тип нагревателя также выделяется энергетической эффективностью и быстро достигает заданной температуры.

• Литые алюминиевые нагреватели — самый долговечный тип нагревательного устройства. Характеризуется большой площадью нагревательной поверхности. Быстро охлаждается. С целью компенсирования большой греющей поверхности литые ТЭНы могут изготавливаться со специальными оребрениями в виде стальных листов. Данная задумка позволяет отводить тепло от процесса. Ребра также создают площадь на поверхности нагревателя с протеканием воздуха.

Примеры нагревательных устройств данной конструкции вы можете рассмотреть ниже.

Данный вид концепции применим и для других видов нагревательных элементов. Указанные два способа дают возможность повысить эффективное охлаждение воздухом. Оба способа направлены на увеличение воздушного потока и самой площади поверхности деталей подлежащих охлаждению.

Системы водяного охлаждения представляют собой трубки, по которым протекает жидкость. Такие трубки могут быть отлиты в случае использования литого алюминиевого ТЭНа или могут размещаться в специальных пазах. Пазы проделывают в теле самого цилиндра. Охлаждающие трубки соединяются в замкнутой системе, к которой подключены насосы, чиллер и тепловой обменник. Система водяного охлаждения подразумевает непрерывную работу насоса, что значительно влияет на растраты электричества. Жидкая среда должна находиться в постоянном движении, чтоб не закипать. Иначе процесс охлаждения нельзя будет отнести к стабильному.

Разность стоимости водяной и воздушной систем охлаждения

Воздушное охлаждение обеспечивается функционалом вентиляторов с кожухом. Второй элемент в свою очередь изготавливается из стальных листов стандартной маркировки. Крепление вентиляторов как раз обеспечивается кожухом. Электронагреватели ленточного типа, состоящие из наборной керамики, могут оснащаться ребрами, что является наиболее экономически выгодным решением. По сравнению с другими видами литых элементов нагрева их конечная стоимость будет на 60% меньшей. Алюминиевый литой ТЭН на практике работает на 25% больше сравнительно с аналогами водяного охлаждения. К самым дорогим элементам в водяной охладительной системы относится насос, водопровод и теплообменник или чиллер. В конечном итоге стоимость самой системы водяного охлаждения и ее установка на полтора раза выше сравнительно с системой воздушного охлаждения.

Уход за охладительными воздушными и водяными системами

У систем водяного охлаждения существует проблема выхода из строя из-за засоров в трубках или утечках жидкости. Очень часто трубки могут забиваться отложениями минерального происхождения или из-за скоплений биологического происхождения. Для снижения рисков закупорки охладительных трубок рекомендуется использовать только дистиллированную жидкость. Конечно же, и замена литых нагревателей сама по себе процесс непростой и предоставляет много хлопот.

Воздушные охладительные системы в свою очередь не требуют подобного ухода. Они сами по себе намного проще и дешевле.

РАСХОД ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Использование каждой из описанных систем охлаждения имеет значительную разницу не только по принципу работы, но и по расходам энергетических ресурсов.

Система водяного охлаждения зависимо от типа имеющейся смолы требует более 7% (для ПЭНП) до 80%(для ПЭТ) большего потребления энергии, чем охладители воздухом. Например, в одном из исследований говорится, что воздушный охладитель, применяемый на экструдере в 3,5 дюйма, потребляет на 23% меньше электричества по сравнению с системой водяного охлаждения, в случае которой необходима постоянная работа насоса.

СТЕПЕНЬ НАДЕЖНОСТИ

Важно понимать, что водяной охладитель может быть нестабильным. Кроме того, что нужна постоянная циркуляция воды для предотвращения закипания, есть риск переохлаждения некоторых участков оборудования с обрабатываемым сырьем. Очень часто наблюдается, что температурные показатели на протяжении всего шнека нестабильны.

Очевидным будет вывод, что воздушный охладитель более выгоден как экономически, так и в обслуживании. Но, также учитывайте и факт, что воздух иногда не справляется с рассеиванием тепла на некоторых сложных зонах оборудования, что не позволяет создать полный 100%-ный контроль температуры.

Обеспечение равномерного снижения температуры экструдированного металла или пластика может оказаться сложной задачей, поэтому стоит уделить особое внимание этой части процесса. Устройства воздушного охлаждения, оборудованные соответствующими вентиляторами вдоль ваших конвейеров, являются надежным и эффективным методом охлаждения.