Сравнительное исследование систем нагрева для процесса пултрузии

При пултрузии используются различные системы нагрева, при этом наиболее широко применяемыми нагревательными элементами являются плоские нагреватели.

Что представляет собой пултрузия?

Пултрузия - это непрерывный процесс, применяемый во всем мире для изготовления полимерных композитов форм с постоянным поперечным сечением, таких как трубы, провода и другие профили. Полимерные композиты, которые сделаны из термопластичной или термореактивной полимерной матрицы и армирования стекловолокном, обычно называются композитами из стеклопластика и используются в конструкционных системах, где важна высокая удельная механическая прочность и хорошая химическая стойкость. Поскольку композиты имеют небольшой вес, у них есть сильное конкурентное преимущество: их конструкции легко транспортировать, что чрезвычайно важно в определенных ситуациях. Легкость и необходимость в использовании простых механических креплений дает преимущество в конструкциях, таких как очистные сооружения, сооружения вблизи соленой воды и резервуары для хранения химикатов.

Матрица инструмента, которая используется для создания конечной формы продукта, обычно делится на две части: верхнюю и нижнюю. Когда поперечные сечения пултрузионных форм имеют отверстия, такие как трубы, требуются оправки. Основные преимущества процесса пултрузии связаны с его низкой трудоемкостью и простотой инструмента.

Материалы покрытий при пултрузии

Чтобы продукт лучше соответствовал сфере использования, необходимо выбрать соответствующие материалы и параметры. Композиты могут быть армированы однонаправленными, матовыми или ткаными волокнами.

Если требуется хорошее качество поверхности, следует рассмотреть возможность использования покрытий.

Эпоксидные смолы являются лучшими адгезивами, как правило, лучше прилипают к матрице, чем полиэфирные и виниловые эфиры, однако это приводит к большему количеству производственных проблем из-за разрушения композита в штампе. Более того, этот тип полимера меньше дает усадку. Однако композиты на основе эпоксидных смол чрезвычайно выгодны, когда требуются особые механические свойства, повышенная термическая стойкость и высокая стойкость к коррозии.

Что нужно знать о процессе пултрузии?

После того, как волокна пропитаны термореактивным полимером и еще находятся в неотвержденном состоянии, их направляют с помощью инструментов, которые организуют и предварительно формуют волокна в нужное положение. Кроме того, любой избыток полимера выдавливается, что известно как «удаление налета». Для улучшения структурных свойств и отделки поверхности на этом этапе часто добавляют мат из прядей и поверхностные вуали. Процесс отверждения начинается, когда композит проходит через нагретую головку.

Длина фильеры - один из наиболее важных аспектов пултрузии, потому что она определяет, как долго композит будет нагреваться. Длина матрицы также влияет на тяговое усилие и скорость производственной линии из-за изменения внутренней площади поверхности. Программируемый контроллер мощности управляет температурным профилем вдоль матрицы, записывая измерения в реальном времени с помощью датчиков температуры и обеспечивая соответствующий температурный профиль для процесса отверждения термореактивной смолы.

Температурный профиль вдоль фильеры важен, потому что при слишком низкой температуре смола не будет полностью отверждена, а при слишком высокой температуре резина разлагается, что создает производственные проблемы. Наиболее серьезная проблема возникает, когда формованный профиль ломается внутри матрицы. В зависимости от производимого продукта такие переменные, как тип матричной смолы и ее экзотермическая реакция, линейная скорость, температура вдоль фильеры, график слоев и длина фильеры должны быть соответствующим образом отрегулированы для оптимизации производства.

Процесс пултрузии часто определяется испытаниями во время производства, которые позволяют производителям наблюдать взаимосвязь между переменными и, следовательно, повышать точность параметров, связанных с каждым продуктом. Когда продукт выходит из фильеры, его профиль затвердевает, и его нужно только обрезать до нужной длины.

Система нагрева для пултрузии

Как правило, эффективность системы нагрева не является важным вопросом в процессе пултрузии. Об этом свидетельствует широкое распространение систем наружного отопления, которые связаны со значительными тепловыми потерями.

Однако из-за глобального потепления крайне важно разработать более эффективную систему обогрева, которая снизила бы стоимость продукта и уменьшила бы воздействие на окружающую среду. Типичный температурный профиль фильеры показан на рис 1.

Рис. 1. Типичный температурный профиль вдоль штампа для используемого состава полимера.

 

Экзотермическая реакция приводит к достижению максимальной температуры примерно на полпути по длине фильеры; затем температура падает, достигая выходного значения на конце матрицы [рисунок 1].

Как упоминалось ранее, наиболее распространенными системами нагрева, используемыми в процессе пултрузии, являются большие универсальные нагревательные металлические плиты и многоплоскостные нагреватели. Эти системы имеют низкое время настройки, но имеют большие тепловые потери. Таким образом, уже были предложены другие системы для уменьшения потерь на нагрев, такие как нагреватели с циркуляцией жидкости и электрические патронные ТЭНы.

Решение для циркуляции жидкости увеличит время настройки, для него потребуется насос и, как следствие, будет потребляться электричество, что приведет к большему техническому обслуживанию по сравнению с другими решениями. Таким образом, для исследования, описанного в данной статье, была выбрана электрическая система нагрева с патронными ТЭНами из-за более высокой экономии энергии и меньшего времени настройки, а также потому, что она позволяет регулировать температуру в различных зонах вдоль фильеры.

В данном исследовании были получены и проанализированы термографические изображения штампа с плоскими нагревателями. Затем была смоделирована система нагрева, и результаты сопоставлены с термографическими изображениями. Впоследствии можно было убедиться, что моделирование, наряду с несколькими предположениями, может дать приемлемые результаты.

Эксперимент

На рис. 2 показана схема пултрузионной системы, а на рис. 3 показана система нагрева, использованная для штампа в начале исследования.

Рис. 2. Схема пултрузии, на которой можно наблюдать следующее: (1) стеллажи для волокон и ровницы, (2) пропитка, (4) матрица, (5) плата управления, (6) устройство для отвода роликов и (7) режущее устройство.

 

Система нагрева состоит из четырех алюминиевых плоских нагревателей, которые образованы спиральной хромоникелевой, встроенной в литой алюминиевый блок. Не путайте данные нагреватели с литыми алюминиевыми плоскими нагревателями от Термоэлемент, в которых металлические ТЭНы размещены в литом корпусе из алюминия, поэтому тепло передается максимально равномерно.

Нагревательные системы в данной пултрузионной установке разделены на две группы, «a» и «b», каждая из которых состоит из двух плоских нагревателей. В каждой группе один нагреватель помещался на штамп, а другой нагреватель - под штамп. Длина, ширина и высота нагревателей группы «а» составляли 350 мм, 70 мм и 30 мм соответственно, а длина, ширина и высота нагревателей группы «б» составляли 380 мм, 140 мм и 30 мм соответственно. Два датчика температуры (термопары К), по одному для каждой группы нагревателей (группа «a» и группа «b»), отправляли информацию в реальном времени на ПЛК (программируемый логический контроллер), который отслеживал, остается ли температура в установленных пределах. Если значение было ниже минимального значения, то нагреватели включались, а если значение было больше максимального значения, подавалась команда выключения. Система нагрева имела четыре алюминиевых прямоугольных резистора, каждое по 800 Вт. Поскольку все обогреватели имели одинаковую мощность, разница в размерах и, как следствие, изменение объема влияли только на соотношение, Вт / м3. Для подсоединения нагревателей к матрице использовались зажимы.

Рис. 3. Матрица начальной настройки с плоскими алюминиевыми нагревателями мощностью 800 Вт: (а) малое и (б) большое электрическое сопротивление.

 

Процесс пултрузии состоит из множества параметров, которые необходимо контролировать. Ниже приведены наиболее распространенные параметры, используемые производителем для профиля «U»:

Длина, ширина и высота используемого штампа составляли 900 мм, 103 мм и 56 мм соответственно. Ширина, высота и толщина внутренней U-образной формы составляли 51 мм, 12 мм и 4 мм соответственно. Закругление имело радиус 1 мм. Все внутренние поверхности имели гальваническое покрытие из твердого хрома, которое полировалось до достижения шероховатости 0,08 мкм.

Были сделаны термографические изображения для сравнения экспериментальных результатов с результатами моделирования. Эти изображения были получены во время стабильного производственного состояния, что позволило получить температурный профиль вдоль штампа.

Термографические изображения были получены с использованием технологии визуализации Flir® i40.

Процедуры измерения следовали спецификациям поставщика оборудования: выдерживалось расстояние 1 м между камерой и матрицей и их выравнивание сохранялось. Коэффициент излучения материала матрицы был введен в термографическое оборудование, что дало более точные результаты. Термографические изображения анализировали с помощью программы. Каждое изображение было разделено на 100 различных областей, соответствующих матрице с четырьмя строками и 25 столбцами, которые представляли боковую поверхность матрицы, как показано на рисунке 4.

Рис. 4. Схематическое изображение всех рассматриваемых точек на боковой стенке матрицы, которые были проанализированы с помощью термографии.

После каждого сеанса изображения анализировались с помощью вышеупомянутого программного обеспечения, которое определяло температуру в каждой точке, соответствующей пересечению горизонтальных пунктирных линий с вертикальными линиями на рис. 4. Для увеличения четкости изображения измерения проводились с двух секций матрицы, называемый одним сеансом. Для повышения точности результатов над боковой стенкой штампа было проведено три сеанса. После того, как все изображения были проанализированы, к изображениям были применены статистические инструменты, которые позволили использовать измеренный профиль температуры вдоль штампа в качестве эталона для дальнейших разработок.

Для выполнения анализа методом конечных элементов (FEA) в программном обеспечении SolidWorks® использовалась модель инструмента / системы нагревателей. Инструмент моделировался как верхняя и нижняя части, а нагреватели моделировались как независимые тела. Предполагалось, что тепловое состояние является непреходящим, и предполагалось следующее: все контакты считались идеальными; все тела изначально находились при комнатной температуре (22 ° C) и оставались неизменными; коэффициент конвекции составил 2 Вт / м2 ° С; коэффициент излучения 0,8. Для увеличения отклика программного обеспечения использовалась тетраэдрическая (четыре узла) сетка, которая после схождения давала 256 975 элементов.

Этот метод использовался для оценки колебаний температуры в кристалле, что позволило определить время, в течение которого сопротивления должны быть подключены к источнику питания. Системы «a» и «b» (см. Рис. 3) контролировались независимо. Точки, выбранные для контроля температуры при моделировании, соответствовали местам, где датчики температуры были расположены на реальной матрице. Эти контрольные точки располагались на расстоянии 180 мм и 684 мм от выходной стороны матрицы. Затем температуры в этих точках были проверены с помощью нарисованного температурного профиля и использованы в качестве эталона для выполнения FEA. Разница температур DT = ± 5 ° C обычно используется производителем для профиля U, что означает, что источник питания включается или выключается, когда температура на 5 ° C ниже или выше эталонной температуры, соответственно. Моделирование длилось 4500 секунд. Пока моделировались и анализировались результаты, было замечено, что кристаллу требуется примерно 3600 секунд для разогрева (целью было стабильное температурное поведение).

Однако после этого периода прогрева моделировался период в 900 секунд, время, которое рассматривалось как репрезентативный период, который будет повторяться в типичный рабочий день для штампа.

В конце моделирования был получен температурный профиль, который сравнили с профилем, полученным с помощью термографии. Более того, это моделирование позволило изучить время работы плоских нагревателей.

В системе нагрева было обнаружено несколько недостатков, которые можно легко устранить с помощью недорогих решений. Установка и метод сборки могут быть улучшены. Сотруднику сложно одной рукой прикрепить каждую группу нагревателей к матрице с помощью зажима. Более того, использование только одного зажима в центре нагревателя, как показано на рис. 3, вызывает изгиб нагревателей, что снижает теплопередачу из-за отсутствия контакта. Более того, только одна из шести поверхностей нагревателя контактирует с матрицей, и, таким образом, большая часть тепла не попадает в матрицу.

Рис. 5. Схема расположения пар сопротивлений (белые точки) и датчиков температуры (черные точки) вдоль штампа (вид сбоку).

Чтобы решить эту проблему, существующие отверстия в матрице были использованы для модификации системы, где патронные нагреватели были встроены в матрицу. ПЛК пултрузионной машины может управлять четырьмя каналами, и, таким образом, предыдущие системы нагрева («a» и «b») были заменены четырьмя независимыми системами нагрева, которые включали датчик температуры, позволяющий более точный контроль температуры. Мощность, используемая для нагрева штампа, такая же, как и раньше; каждый патронный нагреватель имел номинальную мощность 400 Вт. Целью исследования этой системы было сокращение времени настройки и повышение теплового КПД. На рис. 5 показано расположение резисторов вдоль матрицы, которые были вставлены в существующие отверстия, в которые вставлялись ранее использовавшиеся датчики температуры при использовании плоских нагревателей. Эти отверстия были увеличены путем просверливания, чтобы можно было вставить цилиндрические сопротивления. Новая система моделировалась с теми же допущениями, которые использовались ранее. Температуру контролировали по черным точкам возле каждой пары нагревателей (см. Рис. 5), используя пределы DT = ± 5 ° C, которые также использовались в предыдущей системе. Контрольная температура для каждой из четырех точек была получена с помощью термографического температурного профиля, который также использовался для первой системы.

Рис. 6. Половина штампа с сеткой, что было сделано для сокращения времени вычислений.

Использовалась тетраэдрическая (четыре узла) сетка, которая после схождения давала 11 089 элементов. Только половина штампа была смоделирована из-за симметрии по длине штампа, как показано на рисунке 6, что сократило время расчета.

Результаты

Рис. 7. Термографические снимки с учетом и без анализа предыдущей системы нагрева.

Модель была основана на термографическом анализе, как показано на рис. 7, на котором изображено полученное исследование профиля температуры вдоль штампа. Как упоминалось ранее, термографические измерения на штампе проводились в двух частях: по одному изображению для каждой половины штампа. Каждая сессия состояла из этих двух изображений. Этот метод позволил получить более точные результаты при анализе изображений. Три сеанса проводились в три разных дня в одинаковых условиях окружающей среды; все сеансы проводились во время производства, чтобы избежать периодов разогрева. Температуру можно было увидеть для каждой выбранной точки. Эти точки были получены путем пересечения горизонтальных пунктирных линий с вертикальными пунктирными линиями, как показано на рис. 4. Статистические инструменты были применены ко всем полученным изображениям. Для каждого изображения средняя температура была собрана в точках на одной и той же вертикальной линии. Затем результаты всех изображений были усреднены для получения профиля температуры вдоль штампа, как показано на рис.8.

Рис. 8. Термографические профили и температурные профили МКЭ.

 

Метод FEA был выполнен следующим образом: сначала все нагреватели включались на определенный период времени, а затем проверялась температура в каждой точке. Было замечено, что точки, расположенные на 180 мм и 684 мм от выходной стороны матрицы, быстрее достигают желаемой температуры. Контроль этих двух точек необходим, чтобы избежать перегрева, который может разрушить композит. Таким образом, эти точки были выбраны в качестве регуляторов температуры для каждой системы отопления, «а» и «b» соответственно.

Согласно температурному профилю, полученному с помощью термографии (рис. 8), эталонные температуры групп «а» и «b» составляли 141 ° C ± 5 ° C и 196 ° C ± 5 ° C, соответственно. Диапазон температур ± 5 ° C был выбран на основании информации, полученной от производителя.

В конце моделирования были использованы два разных подхода. Во-первых, было проверено соответствие между профилем температуры, полученным с помощью термографии, и профилем, полученным с помощью FEA, как показано на рис. 8. Максимальное полученное отклонение составило 7%, что было сочтено приемлемым для этого анализа. В правой части рис. 8 можно наблюдать большое расхождение между кривыми; однако это было связано с производственными причинами. В соответствии с правильными процедурами термографических измерений эта часть штампа располагается за крепежными элементами, которые используются для крепления штампа к пултрузионному оборудованию, которое блокирует инфракрасный луч камеры. Правая сторона кривой (Рис. 8) соответствует входу в фильеру (смола плюс волокна), тогда как левая сторона соответствует стороне выхода (отвержденный пултрузионный продукт). Текущий температурный профиль можно было нарисовать, потому что прошло 3600 с; в это время температура стабилизируется вдоль фильеры с небольшими изменениями. Затем было проведено исследование мощности, потребляемой нагревателями в течение всего рабочего дня, как показано в таблице 1.

 

Таблица 1- Подробная информация о потребляемой мощности плоских нагревателей

Эта таблица была разработана с учетом информации о времени «включения» обогревателей.

Рис. 9. Температурные характеристики регулируемых нагревателей во времени.

Зная общее количество часов работы каждой группы нагревателей и их мощность, можно определить количество использованных киловатт-часов. На рис. 9 графически показана использованная информация. Сплошной линией обозначены небольшие нагреватели, а пунктирной линией обозначены большие нагреватели. Важно отметить, что моделирование новой системы нагрева, основанной на восьми патронных нагревателях, встроенных в штамп, будет соответствовать тому же профилю температуры, полученному с помощью термографии. В ходе исследования основное внимание будет уделено времени работы нагревателей и сравнению этого времени с временем работы предыдущей системы нагрева.

После выполнения FEA была создана таблица 2 для отображения подробной информации о каждой группе нагревателей. Чтобы лучше сравнить результаты между старой и новой системой, была создана таблица 3. Промежуточное рабочее время (SWT) было рассчитано с использованием следующего уравнения: SWT = время разогрева x кВт · ч + время производства x кВт · ч.

 

Таблица 2 Подробные результаты потребления энергии для системы нагрева с патронными ТЭНами.

 

Таблица 3 Результаты энергозатрат для системы нагрева с патронными ТЭНами.

 

В этой таблице время работы нагревательных систем 1 и 2 на рис. 5 представлено вместе для сравнения их с временем работы системы нагрева «а» на рис. 3, а результаты систем нагрева 3 и 4 на рис. 5 показаны вместе для сравнения с системой нагрева «b» на рис. 3. Сравнивая данные из Таблицы 1 и Таблицы 3, можно проанализировать разницу между обеими системами нагрева, как показано в Таблице 4.

	Потребляемая мощность в производственный день (кВт · ч)
Плоские алюминиевые нагреватели	10,0
Патронные ТЭНы	4,4

Таблица 4 - Сравнение плоских алюминиевых нагревателей и патронных ТЭНов.

 

Снижение энергопотребления с новой системой нагрева было примерно 57%, что немаловажно. По мере того, как проводилось больше сеансов термографии и во время тестирования системы нагрева с патронными ТЭНами во время производства, можно сравнить термографические изображения с термографическими изображениями из предыдущей системы. На рис. 10 показана одна и та же зона штампа, нагреваемая двумя разными системами, где «A» соответствует плоскому нагревателю, а «B» - патронным нагревателям.

Рис. 10. Термографические изображения, показывающие разницу в однородности температуры. А – плоские алюминиевые нагреватели. Б – патронные ТЭНы

 

Помимо большей эффективности, система с патронными нагревателями привела к более однородному тепловому потоку и лучшему контролю температуры для каждой зоны штампа по сравнению с плоскими нагревателями.

Заключение

Основная цель исследования и данной статьи заключалась в снижении энергопотребления процесса пултрузии за счет создания более эффективной системы нагрева. Используя такие технологии, как термография в анализе температуры и метод конечных элементов, чтобы определить, как течет тепло в каждой системе нагрева, была проведена экспериментальная работа, которая подтвердила следующее:

• Термографические изображения и использование соответствующего программного обеспечения для анализа позволили определить температурный профиль вдоль штампа;

• Температура вдоль начальной матрицы соответствовала обычному профилю, наблюдаемому у других аналогичных штампов;

• Метод конечных элементов использовался для расчета времени, в течение которого сопротивления были подключены к источнику питания, что позволило определить энергопотребление системы.

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

• Температурный профиль с новой системой нагрева остался идентичным профилю старой системы нагрева;

• Потребляемая мощность снизилась на 57% при использовании встроенных патронных нагревателей;

• Время разогрева было сокращено до 50%, что позволило сократить время наладки и увеличить время производства;

• Контроль температуры был более точным из-за увеличения количества датчиков температуры, что позволило при необходимости улучшить уточнение.

Более того, эта новая система нагрева прошла испытания в процессе производства и соответствовала высоким стандартам качества без производственных проблем. Таким образом, эта система настоятельно рекомендуется для повышения производительности, поддержания высокого качества пултрузионных продуктов и сокращения времени настройки и разогрева, а также снижения потребления энергии. Однако необходимо провести дополнительную работу по оптимизации позиции сопротивления.