Хромированный и отполированный до зеркального блеска охлаждающий валик (разравнивающий валик). Фото: upakovano.ru

Upakovano.ru представляет статью производителя комплектующих для современного упаковочного оборудования Leonhard Breitenbach GmbH о термодинамическом расчёте конструкции нагревательных и охлаждающих валиков. 

Для промышленного производства, дальнейшей переработки и облагораживания таких материалов в форме полотна, как, например, бумага, полимерная плёнка, комбинированная плёнка или резина, часто требуется также их термическая обработка. В большинстве случаев она происходит с применением нагревательных или охлаждающих валиков (рисунок 1). Спросом при этом прежде всего пользуется определённое темперирование валиков с соблюдением как можно меньших допусков.

Конструкция валиков

Диапазон размеров нагревательных и охлаждающих валиков охватывает, в зависимости от установки и цели применения, диаметр бочкообразного корпуса валика приблизительно от 100 до 3.500 мм и длину бочкообразного корпуса валика приблизительно от 500 до 15.000 мм.

Рис. 2. Конструкция валика с одним кожухом, с корпусом из чугуна и прифланцованными шейками из стали

Нагревательные и охлаждающие валики, как правило, изготавливаются в виде сварных конструкций из стальных труб или листового металлопроката, сортового проката и круглых заготовок, обработанных обжигом. Темперирование происходит посредством протекающей по валику жидкой среды. Особые варианты исполнения валиков - это валики, обогреваемые электричеством или газообразными средами (паром). По конструкции, прежде всего, различаются валики с одним кожухом (рисунок 2), валики с двумя кожухами и плунжерным корпусом (рисунок 3) и валики с двумя кожухами и направляющей спиралью (рисунок 4). Чаще всего в качестве материалов, применяемых для изготовления валиков, используются конструкционные и термически улучшенные стали или цветные металлы.

Рис. 3. Конструкция валика с двумя кожухами и с плунжерным корпусом

В настоящее время признанием как соответствующие современному техническому уровню пользуются конструкции валиков с двумя кожухами и направляющей спиралью. Принудительное направление среды по каналам, расположенным поблизости от наружного кожуха валика, позволяет достигнуть очень хорошую термическую мощность валика. Эта среда благодаря применению 2-ходового поворотного соединения и сифонной трубы может входить и опять выходить через отверстие в одной и той же шейке вала (также рисунок 4). Альтернативно возможно также протекание среды через валик. Для этого обе шейки валика должны быть снабжены отверстием. При достаточном объёмном расходе среды на бочкообразной поверхности валиков с двумя кожухами и направляющей спиралью реально достигаются минимальные температурные отклонения.

Рис. 4. Конструкция валика с двумя кожухами и направляющей спиралью

Каландровые и смесительные валики с периферийными отверстиями (рисунок 5) представляют собой особые варианты исполнения. Эти валики изготавливаются преимущественно из различных литейных материалов или кованых сталей. Валики с периферийными отверстиями применяются для изготовления полимерных или резиновых смесей и для каландрирования полотен из ПВХ, резины и бумаги. В зависимости от цели применения, валики обогреваются или охлаждаются посредством жидкой среды, протекающей сквозь периферийные отверстия.

Рис. 5. Валик с периферийным отверстием

Для облагораживания или в качестве антикоррозионной защиты бочкообразные корпуса нагревательных и охлаждающих валиков чаще всего снабжаются пригодными для этих целей функциональными покрытиями. Может быть использован широкий ассортимент имеющихся сегодня в распоряжении покрытий, например: твердые хромовые покрытия, покрытия из никеля, керамики, высокопрочных материалов, фторполимеров, а также резиновые, полиуретановые и другие полимерные покрытия.

Основания для расчёта

Особое преимущество валиков с двумя кожухами и направляющей спиралью заключается в том, что термодинамические свойства этого типа валиков могут быть определены очень точно. При помощи применения сравнительно более простых методов вычислений, без использования метода конечных элементов, тоже могут быть установлены результаты, очень близкие к реальным. Таким образом, конструктору или пользователю той или иной установки сообщаются характеристики, важные для выбора параметров валиков и для расчета конструкции других компонентов этой установки.

Значениями, которые вводятся для осуществления термодинамического расчёта, прежде всего являются показатели качества материала, из которого изготовлено полотно, в особенности, толщина, плотность, удельная теплоёмкость, теплопроводность и температуропроводность. Равным образом должны быть определены скорость полотна, угол охвата валика полотном, расход материала и начальная температура материала, из которого изготовлено полотно.

Рис. 6. Направляющая спираль и наружный кожух валиков с двумя кожухами

Дальнейшие предварительно задаваемые значения – это вид теплоносителя или охлаждающей среды, их начальная температура, максимально возможный объемный расход и допустимая потеря давления среды в валике. Также необходимо учесть материал, из которого изготовлен валик и покрытие бочкообразного корпуса валика.

В качестве целей термодинамического расчёта конструкции в большинстве случаев предварительно задаются термическая мощность валика, максимально допустимое отклонение температуры по рабочей ширине и конечная температура материала, из которого изготовлено полотно.

На основании предварительно поставленных целей и введённых величин при помощи расчётов могут быть определены все параметры, важные для конструирования нагревательного и охлаждающего валика. Этими параметрами, прежде всего, являются диаметр бочкообразного корпуса валика, толщина стенок наружного кожуха, а также количество витков направляющей спирали и их шаг (рисунок 6). Речь в случае термодинамического расчёта конструкции нагревательных и охлаждающих валиков чаще всего идёт об итерационном процессе, так как для достижения поставленных целей в ходе расчёта неоднократно должны быть приведены в соответствие различные вводимые величины, как, например, детали конструкции валика или объёмный расход среды.

Для осуществления термодинамического расчёта конструкции валика нужно дополнительно обратить внимание на то, чтобы были соблюдены все важные нормативные предписания, как, например, директивы 97/23/EG в отношении приборов, работающих под давлением, или различные коды ASME (Американского общества инженеров-механиков).

Пример

В качестве примера для расчёта можно исследовать поведение пластмассы при охлаждении на разравнивающем валике с предварительно заданными размерами. Для сравнения рассмотрим плёнку и лист из материала толщиной в 0,5 мм и 12 мм. Сопоставим два типа валиков: оба валика имеют два кожуха, один валик – с направляющей спиралью и с толщиной стенок 20 мм, другой – с толщиной стенок 25 мм и с периферийным отверстием.

Рис. 7. Поведение плёнки при охлаждении. График средней температуры фольги 0,5 мм толщиной в зависимости от угла охвата

В результате выясняется, что валик с двумя кожухами и с более тонкой стенкой почти всегда несколько быстрее охлаждает плёнку или лист до чуть более низкой конечной температуры, чем такой же валик с более толстой стенкой. Но различия между обоими вариантами исполнения валиков лишь незначительны (рисунки 7 и 8)

 

Рис. 8. Поведение листа при охлаждении. График средней температуры листа 12 мм толщиной в зависимости от угла охвата

По сравнению с этим валик с периферийным отверстием охлаждает тонкую плёнку явно медленнее, чем оба типа валиков, имеющих по два кожуха. К тому же может быть достигнута лишь значительно более высокая конечная температура. При охлаждении толстого листа поведение валика с периферийным отверстием явно приближается к поведению валиков, имеющих по два кожуха (рисунки 7 и 8).

Вывод

Благодаря термодинамическому расчёту конструкции возможно оптимальное приведение нагревательных и охлаждающих валиков в соответствие с предварительно заданной целью применения. Конструктору или пользователю предоставляются данные, которые важны для расчёта конструкций дальнейших узлов, как, например, темперирующего устройства, подающего насоса и поворотного соединения. Можно целенаправленно запланировать запасы мощности, рассчитанные на условия эксплуатации, отличающиеся от заданных, и предотвратить выбор конструктивных параметров установки со слишком большим запасом мощности.