Diplomová práce

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI FAKULTA STROJNÍ

Diplomová práce

2007 PAVEL NYČ

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Fakulta strojní

Studijní program M2301 a N2301 strojní inženýrství

Studijní obor: Konstrukce strojů a zařízení

Zaměření: Sklářské a keramické stroje

(Solution of inlet cooling liquid into the movable mould)

KSR – 19 219

PAVEL NYČ

Počet výkresů: 0 Počet příloh: 0

Počet CD ROM: 1

Datum odevzdání: 25.5.2007

TISKOPIS: ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE

TÉMA :

Řešení přívodu chladící kapaliny do pohyblivé formy ANOTACE :

Diplomová práce se zabývá problematikou kapalinového chlazení sklářských forem sekčních strojů pro výrobu obalového skla. Nejprve je proveden rozbor současného stavu chlazení, po kterém následuje rozbor patentové dokumentace k problematice kapalinového chlazení forem.

V kapitole zabývající se studií alternativních principů chlazení jsou rozebrána omezení dané stávající zástavbou řadového stroje. Dále jsou uvedeny návrhy pro flexibilní přívod kapaliny a je vybrána nejlepší varianta pro následnou konstrukci. Na konec kapitoly je předložen návrh koncepce formy s příložným chladičem, který je od formy odizolován teplovodivou vrstvou, která umožňuje modifikovat prostup tepla. V konstrukční části diplomové práce je řešena vybraná varianta flexibilního přívodu kapaliny do formy a v druhé části se zabývá konstrukcí formy s příložným chladičem.

V závěru je provedeno zhodnocení technických parametrů a technicko-ekonomické zhodnocení navrhovaného řešení.

KLÍČOVÁ SLOVA :

Řadový stroj na obalové sklo, flexibilní přívod kapaliny, sklářská forma, chladící kapalina, chlazení, příložný chladič, teplo vodivá výplň.

Subject : Solution of inlet cooling liquid into the movable mould

ANNOTATION :

The graduation thesis deals with the issue of liquid cooling of glass moulds in section machines used for producing packing glass. On the beginning is performed analysis of actual state of cooling and than continue an analysis of the patent documentation on the issue of mould liquid cooling. In the part includes a research of alternative cooling’s procedures and limitation given to existing development section machine. It also contains projects for flexible inlet liquid and the best one is chosen for construction. To the end of this part includes proposal mould with liner cooler that is insulated from mould by heat conductive filler with option of heat transmission. The design part of the thesis contains a chosen concept of a flexible inlet of liquid into the mould. Second design’s part contains a construction mould with liner cooler. The final part contains an evaluation of the technical parameters and technical economic appreciation by construction.

KEYWORDS:

Individual section forming machine for glass containers, flexible inlet of liquid, glass mould, cooling liquid, cooling, liner cooler, heat conductive filler

MÍSTOPŘÍSEŽNÉ PROHLÁŠENÍ

Místopřísežně prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury pod vedením vedoucího diplomové práce.

V Liberci 25.05.2007 ...

Pavel Nyč

Poděkování

Děkuji panu Doc. ing. Františku Novotnému, CSc. za odborné vedení, cenné připomínky a trpělivost v průběhu řešení této diplomové práce.

Dále bych chtěl poděkovat ing. Václavu Drahoňovskému, vedoucímu konstrukce firmy Sklostroj Turnov CZ, za poskytnutí informací, podkladů potřebných k řešení a neocenitelných rad.

Mé poděkování patří také ing. Marcelu Horákovi, Ph.D. za cenné rady a poskytnuté informace.

Pavel Nyč

Obsah

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ... 9

Úvod ... 10

1. Rozbor současného stavu chlazení sklářských forem... 11

1.1. Radiální chlazení ... 11

1.2. Axiální chlazení... 12

1.3. Ostatní způsoby chlazení... 13

1.4. Kapalinové chlazení ... 13

2. Rozbor patentové dokumentace kapalinového chlazení... 15

2.1. Konstrukční uspořádání forem ... 15

2.2. Konstrukce přívodu kapaliny do formy a zajištění formy... 21

2.3. Přehled poznatků a možné řešení chlazení formy ... 22

3. Alternativní studie nových principů chlazení ... 24

3.1. Popis sekce řadového stroje ... 25

3.2. Návrh koncepce okruhu chlazení ... 27

3.3. Omezení dané stávající zástavbou stroje... 28

3.4. Alternativní návrh flexibilního přívodu kapaliny do formy ... 29

3.4.1. Varianta A – s přívodní kostkou ... 31

3.4.2. Varianta B – s přívodní kostkou a rychlospojkami... 33

3.4.3. Varianta C – přívodní příruba s rychlospojkami... 33

3.4.4. Výběr varianty pro řešení... 34

3.5. Volba typu chladiče... 37

3.5.1. Volba koncepce chlazení formy... 37

3.5.2. Forma s příložným chladičem... 1

3.5.3. Izolační materiál... 38

3.6. Dělící plocha mezi formou a chladičem... 40

3.6.1. Válcová dělící plocha... 40

3.6.2. Válcová dělící plocha s rozšířením pro přírubu ... 41

3.6.3. Válcově-kuželová dělící plocha ... 41

3.6.4. Výběr varianty pro řešení... 41

3.6.5. Koncepce kapalinového chlazení dna konečné formy ... 42

4. Konstrukční řešení... 42

4.1. Technická dokumentace ... 42

4.2. Konstrukce přívodu chladící kapaliny... 43

4.2.1. Výběr typu hadice ... 43

4.2.2. Hadicová potrubí – bezpečnostní informace... 44

4.2.3. Ochrana hadic ... 44

4.2.4. Výběr otáčivého šroubení s kuličkovým ložiskem ... 45

4.2.5. Výběr rychlospojek... 45

4.3. Konstrukce chladiče a konečné formy ... 46

4.3.1. Návrh velikosti axiálních chladících kanálků ... 46

4.3.2. Návrh rozměrů chladiče a konečné formy ... 48

4.3.3. Návrh přípojné příruby ... 50

4.3.4. Těsnění... 50

4.3.5. Pevnostní šrouby... 51

4.3.6. Ochrana šroubového spoje... 51

5. Konstrukční řešení... 53

5.1. Technická dokumentace ... 53

5.2. Konstrukce přívodu chladící kapaliny... 53

Závěr... 54

Seznam použité literatury... 55

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ

Značka Jednotka Název

c J.kg^-1.K^-1 měrné teplo

m& kg.s^-1 hmotnostní průtok

P W výkon

Q J, Ws teplo

q J, Ws teplo na jednotku plochy

S m² plocha

T K absolutní teplota

t °C teplota

tk °C teplota tekutiny

ts °C teplota stěny

w m.s^-1 rychlost

ρ kg.m^-3 hustota

τ s doba

∆ t °C rozdíl teplot

Úvod

Při výrobě obalového skla dvoustupňovou technologií na řadových strojích se v současné době realizuje až na výjimky chlazení forem pomocí vzduchu. Toto chlazení je prováděno vzduchem v radiálním nebo axiálním směru formy. U starších typů strojů se setkáme s použitím radiálního proudění chladícího vzduchu k chlazení vnější strany formy.

Nové stroje aplikují axiální proudění chladícího vzduchu, který protéká soustavou vertikálních kruhových kanálů (verti flow). Axiální způsob je v dnešní době používán i na většině řadových strojů, které vyrobila firma Sklostroj Turnov.

Jak uvádí [2] v oboru chlazení forem dnes nastává zlom a přední výrobci sklářských strojů se snaží nahradit nyní používané vzduchem chlazené formy, formami chlazenými kapalinou. Důvodem změny chlazení je malá efektivnost vzduchového chlazení, velká hlučnost a vysoká teplota okolo výrobního stroje. Kapalinové chlazení forem se již uplatňuje v jiných odvětvích průmyslu (zpracování plastů). Ve sklářství je myšlenka chladit formy kapalinou již dávno známá, ale zatím žádný z výrobců IS strojů ji neuplatnil v sériové výrobě.

Důvodem je složitost daného problému. Nejdále v řešení se nachází společnost Owens- Illinois, která již provozuje zkušební stanici.

Na katedře sklářských strojů a robotiky jsou s řešením problematiky chlazení sklářských forem pro výrobu obalového skla mnohaleté zkušenosti, které byly publikovány v řadě výzkumných zpráv, i několika diplomových a disertačních pracích [1,2].

Obsahem předložené práce je návrh koncepce a konstrukční řešení uzlu propojení sklářské formy na rameno držáku forem, tím realizovat přívod chladící kapaliny do pohyblivé formy.

Konstrukce musí respektovat, že ramena držáku vykonávají rotační pohyb s osou rotace v čepu držáků forem, přičemž přes držák forem se má dodávat chladící kapalina do poloviny jedné formy respektive do dvou polovin forem při použití dvojkapkové technologie. Při konstrukci by měly být zachovány rozměry stávajících dílů formovacího stoje AL-XXX firmy Sklostroj Turnov.

1. Rozbor současného stavu chlazení sklářských forem

V současnosti se nejčastěji používá k chlazení sklářských forem vzduch, jen v ojedinělých případech voda. Nejpoužívanější metoda je axiální chlazení forem vzduchem (verti-flow), které vystřídalo radiální chlazení. Radiální chlazení je ještě používáno na starých typech řadových strojů. Chlazení vodou je nejvíce používané u sklářských forem pro lisování.

Vodní oběhové chlazení je běžné u razníků automatických lisů a u licích válců na výrobu plochého skla. V další části práce budou jednotlivé typy chlazení popsány podrobněji.

1.1. Radiální chlazení

Radiální způsob chlazení je realizován ofukováním formy pomocí vzduchových nástavců, tzv.

komínů obr. 2.1. Forma se pohybuje v nepřetržitém proudu chladícího vzduchu. Předností je jednoduchost konstrukce, snadné seřízení a řízení chladícího procesu a díky jednoduché konstrukci i spolehlivost.

Jak uvádí [5], problémem při radiálním chlazení je jeho vysoká energetická náročnost chladícího vzduchu, která bývá cca 70 až 120kW příkonu na ventilátoru u jednoho tvarovacího stroje a vysoká hlučnost chladícího vzduchu až 105 dB, která je způsobena prouděním chladícího vzduchu.

Snahy k odstranění energetické náročnosti a hlučnosti vedli k různým konstrukčním úpravám jak formy tak i přívodu. V práci [1] je několik řešení jak dojít ke zvýšení účinnosti chlazení vzduchem.

Vzduch proudí na formu v tangenciálním směru, a tím je dosažena větší efektivnost. Proudění se uskutečňuje pomocí usměrňovacích plechů (deflektorů), které obalují vnější plášť formy. Ještě účinnějšího odvodu tepla z formy se dosahovalo pomocí chladících žeber umístěných na vnějším plášti formy.

Obr. 1.1 Schéma radiálního chlazení. (VN – vzduchové nástavce na štěrbinový rozvod chladícího vzduchu z rámu řadového stroje), [5]

Chladící povrch se touto konstrukční úpravou mnohonásobně zvětšil. Nevýhodou těchto konstrukčních úprav bylo zvýšení náročnosti výroby forem díky žebrování, zvětšil se i obestavěný prostor díky plášti a novému způsobu přívodu vzduchu. Neodstranila se hlučnost a tepelné zatížení okolí stroje.

1.2. Axiální chlazení

V současné době je na řadových strojích předních výrobců používáno axiální chlazení. Axiální chlazení bývá označováno také vertikální chlazení z toho vyplývá anglické označení verti–flow.

Systém axiálního chlazení propracovali firmy Emhart a Heye a v současné době je používán i firmou Sklostroj Turnov CZ.

Chlazení je uskutečněno pomocí chladících kanálů, které jsou axiálně vrtány v těle formy a rozmístěny v radiálním směru v jedné nebo více řadách obr. 1.2. Kanály mohou mít po celé délce proměnlivý průřez, který umožňuje měnit chladící účinek. Tato změna průřezu dovoluje měnit odvod tepla v tepelně exponovaných místech.

V přední formě je nízkotlaký vzduch veden od tlakového zdroje šachtami k uzavíracímu ventilu, který uzavírá průchod v závislosti na tom jaké množství právě je potřeba k chlazení. Vzduch dále prochází suvnými trubkami k vzduchové komoře a odtud dále do axiálního vývrtu ve formě. Chladící vzduch, který prochází v axiálně vrtaném chladícím otvoru odebírá teplo z těla formy. Vzduch proudí nepřetržitě po celou dobu pracovního cyklu.

Obr. 1.3 Verti-flow firmy Emhart Obr. 1.2 Schéma axiálního chlazení sklářské formy. (1,2 – soustava chladících otvorů (vývrtů), 3,4 – pohyblivý přívod chladícího vzduchu, 5 – rám sekce řadového stroje), [5]

V konečné formě je chlazení v provozu pouze v době tvarování láhve ve formě. V době kdy je láhev mimo konečnou formu k chlazení nedochází. V dnešní době je již používán přívod vzduchu, který umožňuje chlazení i při otevření konečné formy obr. 1.3 [18].

V uvedeném provedení soustavy forem přechází vzduch na vstup jednotlivých chladících průchodů s přibližně stejným tlakem, který je pro konečnou formu zajištěn přetlakovou komorou a pro přední formu regulované ventilem. Přímá dráha proudění chladícího vzduchu snižuje na minimum nerovnoměrnost proudu v chladících vývrtech.

Jak je uváděno v [5], při výrobě klasické pivní lahve je v každém tvarovacím cyklu odvedeno v konečné formě přibližně 80 kJ. Z toho 70-80% je odvedeno chladícími kanály. U forem vyráběných firmou Sklostroj bývá v jedné řadě 32 otvorů Ø 10 mm a druhé řadě bližší k pracovnímu povrchu 24 otvorů Ø 8 mm.

Systém axiálního chlazení umožňuje přibližně 15% zvýšení produktivity práce, snížení spotřeby energie na výrobu chladícího vzduchu o 50% a snížení hlučnosti oproti radiálnímu chlazení.

1.3. Ostatní způsoby chlazení

Další uvedené způsoby chlazení jsou používány jen v malém rozsahu. Ani jeden ze způsobů zatím nedokázal předčít výhody axiálního chlazení.

Vodní oběhové chlazení je běžné u razníků automatických lisů a u licích válců na výrobu plochého skla. Vodní chlazení je tiché, energeticky nenáročné a podstatně intenzivnější než chlazení vzduchem. Forma však musí bít přesně konstruována tak, aby ve všech místech chladící dutiny měla stejnou teplotu, a to nižší než je bod varu 100 ºC.

Velmi ekonomické je vypařovací chlazení prováděné kapáním přesně odměřeného množství vody na vnější povrch formy. K chlazení se využívá výparného tepla vody, takže její spotřeba je nepatrná. Chlazení je nerovnoměrné, vyžaduje dobře konstruovanou formu. V práci [1], je uváděno, že výsledky praktických zkoušek nebyly přesvědčivé. Rovnoměrnost vypařovacího chlazení lze zvýšit tím, že se voda nechá nasáknout do porézního materiálu na vnějším povrchu formy, nebo tím, že se forma chladí vodní mlhou. Náročnost konstrukce formy a nerovnoměrnost chlazení jsou důvodem neperspektivity tohoto způsobu chlazení.

Chlazení vodní mlhou lze provádět na vnějším povrchu formy i na pracovním povrchu. Spotřeba činí kolem 1l vody za hodinu na formu. Rozprášené kapky mají stejnou velikost – asi 18 µm. Tato metoda se osvědčila při chlazení razníků. Přívod vzduchu s vodní mlhou je regulován automatickým ventilem podle teploty razníku.

1.4. Kapalinové chlazení

Z hlediska radikálního snížení energetické náročnosti a hlučnosti při možnosti zvýšení produktivity práce se jeví jako velmi výhodné na výrobu obalového skla vodní chlazení [1].

Princip kapalinového chlazení dnes ještě žádný z výrobců neuplatnil v sériové výrobě.

Důvodem proč není kapalinové chlazení rozšířené je řada konstrukčních obtíží. U kapalinového chlazení je chladící vzduch zaměněn za chladící kapalinu. K této náhradě vzduchového chlazení kapalinovým vede mnoho důvodů [2] :

1) Pracoviště obsluhy sekčního stroje (dále jen IS stroje) s ohledem na konstrukci stroje, sklářských forem a řešení systému chlazení sklářských forem ventilátorovým vzduchem, jsou evidována jako pracoviště III.kategorie – riziková a také řada obtíží, organizační opatření, náklady na snížení dopadu pracovních podmínek na zdraví pracovníků. S tím souvisí další skutečnost, že neustále se zvyšující nároky na výkon a znalost obsluhy IS stroje a technologie výroby obalového skla, vyžaduje zaměstnávat pracovníky s vyšším vzděláním, kteří až na výjimky neakceptují být dlouhodobě a každodenně exponováni agresivními podmínkami (teplo, hluk). V letním období přesahují teploty v okolí strojů 60°C. Obsluha navíc při provádění změn nastavení a údržby, je vystavena sálavému teplu od horkých výrobků.

2) Druhou problematikou je hlučnost pracujícího stroje, kde hlavním zdrojem je vzduchové chlazení forem. Hlučnost dosahuje ve vzdálenosti 1 m od stroje až 103 dB.

Tyto výše popsané problémy by mělo kapalinové chlazení efektivně odstranit.

Řešení je směrováno do uzavřeného chladícího okruhu přední formy a konečné formy stroje.

Chlazení odstávky a dopravníku stroje zůstává vzduchové. S ohledem na účinnost kapalinového chlazení lze uvažovat o eliminaci odstávky a přímý přenos odnímačem vychlazeného výrobku pod bod měknutí (T_logη=7 = 730 až 760°C, dle typu skla). Přívod do forem, stejně jako odvod by byl realizován prostřednictvím na stroji vhodně umístěného centrálního rozvodu chladící kapaliny. Vlastní přívod a odvod chladící kapaliny do forem se předpokládá realizovat přes držák forem, systémem těsněných průchodů. Provedení tohoto uzlu s ohledem na pracovní teploty a cyklické namáhaní, se jeví jako klíčové pro úspěšné sériové nasazení.

Regulace průtoků chladící kapaliny je definována výkonem oběhového čerpadla s možností individuální regulace pomocí ventilů do jednotlivé formy/sekce. Dále bude měřena vstupní a výstupní teplota každé formy, měření a hodnoty budou ukládány do historie nastavení výrobku. Z tohoto souboru hodnot bude možné upravovat výkon chlazení pro optimální podmínky tvarovacího cyklu.

Z výstupního distribučního kanálu je chladící kapalina odvedena mimo stroj do chladícího agregátu, kde je přes výměník ochlazována.

2. Rozbor patentové dokumentace kapalinového chlazení

V sériové výrobě ještě není princip kapalinového chlazení uplatněn. U kapalinového chlazení je chladícím médiem namísto vzduchu kapalina.

Část patentové dokumentace byla zapůjčena firmou Sklostroj. Dále jsem na internetových stránkách U.S. patent and trademark office [20] dohledal několik patentů firmy Owens tykajících se problematiky kapalinového chlazení.

V následující kapitole jsou rozebrány základní důležité aspekty patentově chráněných řešení kapalinového chlazení forem na doložených obrázcích konstrukčního řešení aplikací.

2.1. Konstrukční uspořádání forem

Princip vynálezu spočívá v konstrukci sklářské formy, u které je dosaženo zlepšené stability regulace teploty na tvarovací ploše formy. Dále je zde popsáno řešení chlazení formy, kterým je možno nastavit teplotu tvarovací plochy a dynamicky ji regulovat v průběhu celého procesu výroby skleněného zboží. Regulace teploty pracovního povrchu se provádí po obvodu formy a také v axiálním směru. V závěru patentu jsou uvedeny nové materiály, které zvyšují životnost celého systému.

Podle [2] patent popisuje těleso formy poz.30a ve kterém jsou vyvrtány dvě série otvorů obr. 2.1. Jedna série otvorů plní funkci vedení chladící kapaliny poz.34a-34h a druhá série otvorů je určena na modifikaci přestupu tepla poz.36a - 36h.

Axiální otvory pro modifikaci přestupu tepla jsou průchozí přes celou délku formy, některé jsou slepé o určité délce, některé průchozí, ale z obou stran zazátkované, některé vyplněné vodivou látkou, některé obsahují závitovou zátku v určité poloze.

Axiální otvory pro chladící kapalinu jsou umístěné od osy formy za otvory popsanými v předchozím odstavci. Těleso formy nese koncové desky pro regulování průtoku chladiva ve skupině průtokových kanálů pro chladící látku v tělese formy.

Jedna z koncových desek obsahuje vstup chladící kapaliny a výstup chladící kapaliny a kanálky pro usměrňování kapaliny do jednotlivých průtokových kanálů chladiva. Druhá z koncových desek obsahuje kanálky pro převádění kapaliny z konce jednoho průtokového kanálu do konce sousedního průtokového kanálu. Počet průchodů chladící kapaliny je možno měnit tvarem koncové desky.

Množství odvedeného tepla z formy se reguluje rychlostí proudění chladící kapaliny, její teplotou a případně i koncentrací přísady. Přísady se pomocí vhodného přístroje přidávají

do chladící kapaliny (vody). Jejich množství je řízeno regulátorem. Přísady jsou označeny jako kapaliny sloužící pro přenos tepla.

V patentu jsou uvedeny tyto příklady kapalin: propylenglykol, kapaliny na bázi křemíku, syntetické organické kapaliny a inhibované kapaliny na bázi glykolu. Podle dalšího výhodného provedení vynálezu, je těleso formy vytvořené z austenitické tažné litiny se zvýšeným obsahem niklu. Tento typ tažné litiny je zejména tvořen typem D niklové tažné litiny podle normy ASTM-A439-94, který je však modifikován, aby měl zvýšený obsah křemíku a molybdenu.

Obr. 2.1 Pohled na celkovou sestavu formy. ( 30a - těleso formy, 32 - pracovní část formy, 34a-34h - kanály pro chladící vodu, 36a - 34h - kanály pro ovlivnění přestupu tepla, 38 - horní koncová deska, 40 - ploché těsnění, 50 - vstupní otvor pro chladící kapalinu, 52 - výstupní otvor pro chladící kapalinu), [7]

Zvýšený obsah křemíku snižuje tepelnou vodivost materiálu formy. Zvýšený obsah molybdenu zlepšuje odolnost materiálu proti vzniku trhlin po větším počtu teplotních cyklů.

Zvýšený obsah niklu v materiálech s niklovou odolností zlepšuje vlastnosti materiálu, určující uvolňování tvarovacího povrchu formy od vytvarovaného skla. Zvýšený obsah niklu také podporuje odolnost proti otěru, usnadňuje obrábění a renovaci forem, zajišťuje stabilnější mikrostrukturu než šedá litina.

Owens U.S. 4142884 z 6.9.1979

Patent se zabývá tepelným přenosem mezi povrchem dutiny formy poz.12 a radiálně rozmístněnými trubičkami poz.33 v nichž je přiváděno chladivo. Jehož teplotou a průtokem

Obr. 2.2 Přehled konstrukčních řešení kanálů ( a) modifikace přestupu tepla pomocí zúžení průřezu kanálu, b) zašroubování kovových vložek, c) popisuje škrtící ventil poz.96, kterým je regulován chladící výkon soustavy v jednotlivých

je docíleno žádané teploty povrchu formy. Trubičky jsou buď vertikálně průchozí nebo vedené do spodní části formy obr. 2.3.

Tyto trubičky jsou izolovány stlačenými částicemi materiálu poz.16 jako zhuštěným práškem 316-L (nerezová ocel). Při správném výběru parametrů jako je výběr materiálu, velikost částic a jejich hustota (stlačení) můžeme dosáhnout požadované teploty na povrchu formy. Jako materiál izolantu je použita nerezová ocel nebo nikl s příměsí grafitu nebo hliníku.

Em

hart 9616218.5 z 1.8.1996

Obr. 2.4 Pohled na konstrukci formy (4,10 - těleso formy, 6- pracovní dutina formy, 18- distanční klec, 30- chladící kanál), [7]

Obr. 2.3 Řez formou ( a) průchozí trubičky v těle formy, b) příložný chladič, trubičky jsou ukončeny ve spodní části formy), [7]

Modifikace přestupu tepla je řešena vzduchovou mezerou přes většinu plochy formy obr. 2.4. Forma se skládá ze 3 dílců, vnitřní část s tvarovací dutinou, distanční klec pro zajištění vzduchové mezery a vnější chladící část s chladícími kanály pro kapalinu. Vše sešroubované v jeden celek pak vytvoří polovinu formy. Vzduchovou mezeru je možno podle patentu využít k řízení chladícího výkonu kapalinového chlazení (řídí se poměrem směsi vzduchu a např. helia vháněné do vzduchové mezery).

Saint-Gobain C03B 9/38 z 9.7.1998

Zde je modifikace přestupu tepla z formy do vody řešeno chladícími tyčemi instalovanými v chladících axiálních otvorech formy obr. 2.5. Tyče mají v ose otvor pro chladící kapalinu a na vnějším povrchu mají řadu osazení na menší průměr. Chladící tyč se díky tomu stýká s formou v axiálním chladícím otvoru jen částmi svého povrchu.

Obr. 2.5 Pohled na konstrukci axiální chladící kanál. (Vpravo je vyobrazena chladící tyč. 1- těleso formy, 4- chladící axiální otvor, do kterého je zasunuta chladící tyč poz.5, 12-13 - vstupní a výstupní otvor pro

Monterrey Vidried U.S. 5656051 z 12.8.1997

Vynález uvádí chlazení formy pomocí prstencových kanálků uspořádaných nezávisle v axiální směru kolem okraje formy. Kanálky jsou rozmístněny podle potřeby lokálního chlazení těla formy. Kapalina je přiváděna nezávisle pro každý kanálek. Průtok kapaliny a tím i přestup tepla se dá ovlivnit úplným nebo částečným uzavřením kanálku obr. 2.6.

Obr. 2.6 Uspořádání prstencových kanálků. Závislost Nusseltova čísla na průřez kanálku, [7]

2.2. Konstrukce přívodu kapaliny do formy a zajištění formy

Popisuje konstrukci napojení formy na chladící okruhy. Chladící kapalina se usměrňuje do poloviny formy tvarovacího stroje uzavřenou natáčecí spojovací konstrukcí, která neobsahuje pružné hadice a podobné prvky obr. 2.7.

Potrubí pro vedení chladiva je neseno každým natáčecím ramenem a je propojeno se vstupními a výstupními otvory pro chladící látku na spodním konci formovacích dílů. Potrubí je spojeno plovoucím hřídelovým těsněním, otočnou spojovací jednotkou obr. 2.8 a klikovým ramenem se zdrojem chladiva a odpadem do nádrže příslušné sekce stroje.

Každé otočné spojení, to znamená spojení mezi nádrží a klikovým ramenem, mezi klikovým ramenem a otočnou spojovací jednotkou a mezi jednotkou a plovoucím hřídelovým těsněním, obsahuje dvousměrnou otočnou jednotku pro přívod kapalného chladiva do potrubí a formovacích dílů a vrácení kapalného chladiva z potrubí a formovacích dílů.

Obr. 2.7 Pohled na konstrukci otočného mechanismu přívodu chladící kapaliny (40- formovací díl (polovina formy), 44- chladící potrubí, 68- otočná hřídelová jednotka), [7]

Dynamická plovoucí těsnění, tvořena o- kroužky a umístěna mezi chladící potrubí a formovací díly, vyrovnávají relativní pohyb mezi těmito částmi při otevírání a uzavírání formovacích dílů.

K upevnění jednotlivých forem k ramenům držáků forem slouží skupina upínacích prvků. Upínací prvek obr. 2.9 obsahuje blokovací úchytku, která se natočením dostane do polohy, kdy překryje výstupek na formě a tím formu zajistí.

V případě údržby nebo opravy může obsluha snadno formu uvolnit opačným otočením úchytky. Každý upínací prvek obsahuje můstek

2.3. Přehled poznatků a možné řešení chlazení formy

Z výsledné patentové rešerše a z měření uskutečněných na katedře sklářských strojů a robotiky vyplývá, že přímé chlazení formy axiálními kanálky nebo radiálními prstenci za pomoci kapaliny je až příliš účinné.

Ve výše uvedených patentech jsou proto použity, a také chráněny, různé způsoby modifikace přestupu tepla z formy do kapaliny. Ať už mezerou vyplněnou směsí plynů nebo umístěním trubičky, kterou je vedena chladící kapalina do izolačního obalu. Další možností je

Obr. 2.8 Pohled na otočnou jednotku (68- otočná spojovací jednotka, 72- skříň, 74- horní panel, 76- blok, 80- spodní klikový hřídel, 98- kliková spojovací tyč, 110- hřídelový spojovací blok, 112- spojovací hřídel, 122- hlava), [7]

Obr. 2.9 Upínací prvek, [7]

vložení tvarové vložky do chladícího kanálku. Toto řešení umožňuje modifikovat velikost přestupu tepla v různých místech podél osy formy.

Pro konstrukci přívodu chladící kapaliny do pohyblivé formy je nutné se vyhnout patentům firmy Owens a to hlavně Owens 2001-672, v kterém je popsána konstrukce přívodu kapaliny uzavřenou natáčecí konstrukcí a zajištění forem k držáku forem.

Nadějnou možností pro realizaci je systém s příložným chladičem, který je od vlastní tvarové části formy odizolován vrstvou tepelně vodivé výplně, která umožňuje modifikovat přestup tepla z formy do kapaliny. Tento způsob je blíže popsán v kapitole 3.5.

3. Alternativní studie nových principů chlazení

Tvarovací stroje na výrobu obalového skla používají tradiční technologii (viz. kapitola 3.1) , stroje jsou sekční a mají až 12 sekcí. Převážně se používá dvojkapka, pro velké série trojkapka.

Drahoňovský ve svém příspěvku [4] uvádí, že klasická a přitom dosud moderní linka na tvarování obalového skla je již poměrně dlouhá léta postavena na kapkovém dávkovači a řadovém tvarovacím stroji se samostatnými sekcemi, ve kterých probíhají všechny fáze tvarování výrobku. Jednotlivé mechanismy realizující činnosti od pohybu plunžru dávkovače až po přesunutí výrobku na společný dopravník tvarovacího stroje, byly a dosud převážně i u nových strojů stále jsou postaveny na principu vačkových pohonů společně s pneumatickými válci. Je to tak proto, že obecný stav vývoje techniky v kontextu s provozními požadavky na tato zařízení a s náklady na jejich pořízení a udržování v provozu, vedly doposud k takovému řešení jako optimálnímu.

Trendem u všech sklářských strojů jsou servoelektrické pohony dovolující velmi přesně seřídit každý pohyb a tím zkrátit jeho dobu, klesá i hlučnost stroje.

Dalším a největším zdrojem hluku řadového stroje je chladící vzduch. Dosud se přední a konečné formy sklářského tvarovacího stroje chladí proudem vzduchu, usměrňovaným na jednotlivé formovací díly nebo do těchto dílů. Tato technika zvyšuje teplotu a hladinu hluku v okolí stroje a vyžaduje značné množství energie.

Obr. 3.1 Schéma linky na automatickou výrobu obalového skla

Problematika vysoké hladiny zvuku, teploty v okolí stroje a značných energetických nároků na provoz chlazení vede k použití kapalinového chlazení, které tyto problémy odstraní nebo alespoň sníží.

Na začátku kapitoly je popsána sekce řadového stroje a omezení pro novou konstrukci chlazení dané stávající zástavbou stroje. V podkapitole koncepce návrhu okruhu chlazení je popsán centrální rozvod chladící kapaliny. Dále jsou v kapitole 3.4 popsány jednotlivé alternativní návrhy přívodu kapaliny do formy a volba koncepce chlazení konečné formy.

Jsou zde popsány jednotlivé konstrukční řešení a jejich vlastnosti.

3.1. Popis sekce řadového stroje

Jak popisuje [5], řadový stroj se skládá z řady samostatných stanic (sekcí). Na základě toho jsou tyto stroje označovány jako stroje IS (Individual Section - jednotlivé sekce), tedy stroje s jednotlivými samostatnými sekcemi. Jednotlivé sekce jsou uspořádány vedle sebe. Běžně se staví osmi až desetisekční IS, ale jsou i stroje dvanáctisekční. Nejčastěji pracují dvoukapkou (DK), pro velké série i trojkapkou (TK) a dokonce i čtyřkapkou (ČK). Na IS lze vyrábět skleněné obaly úzkohrdlé nebo širokohrdlé. Úzkohrdlé se vyrábějí způsobem dvakrátfoukacím (FF) obr. 3.2, nebo úzkohrdlým lisofoukacím (ÚHLF).

Obr. 3.2 Tvarovací cyklus výroby úzkohrdlých lahví FF (1- dávkování do PF, 2- zafukování, 3- vyfouknutí baňky, 4- přenášení baňky- invert, 5- prohřívání povrchu baňky vnitřním teplem, 6- vyfukování konečného tvaru lahve, 7- odnímání--přenesení lahve- na odstávku, 8- nálevka, 9- PF, 10- ÚF. 11- vodící deska, 12- vodítko ústníku, 13- ústník, 14- zafukovací hlava, 15- KF, 16- dno KF, 17- foukací (závěrná) hlava, 18- čelisti kleští odnímače), [5]

Širokohrdlé se vyrábějí způsobem lisofoukacím (LF). Běžně se IS standartní s jednou přední formou (PF), ústní formou (ÚF) a konečnou formou (KF) staví tak, aby se na nich daly vyrábět skleněné obaly úzkohrdlé i širokohrdlé. Nové ŘS pracující ÚHLF způsobem jsou přestavitelné na způsob FF a LF.

K lepšímu a rychlejšímu tvarování ústí v PF a konečného tvaru lahve v KF se používá sacího účinku zavedením podtlaku (vakua).

S ché ma IS a kon stru kčn í usp ořá dán í jeh o me cha nis mů ŘS se vyz nač uje tím , že

kapky skloviny jsou přiváděny do jednotlivých sekcí od dávkovače přes rozdělovač kapek žlábkovými skluzy, kapky skloviny padají do předních forem jejich dnem a v nich vyrobené baňky jsou k dohotovení foukáním na konečný tvar přemístěny do KF a otočeny přitom o 180 stupňů obraceči, tzv. inverty. Vyráběné lahve vyfouknutím v KF jsou pak přemístěny k dalšímu

Obr. 3.3 Schéma bokorysu jedné sekce IS

ochlazení na odstávky a z nich jsou přesunuty na dopravní pás směřující k chladící peci. Na obr.

3.3 je nakresleno schéma bokorysu jedné sekce ŘS. Jez něho zřejmá její funkce.

Konstrukce sekce ŘS obr. 3.3 sestává z:

Rámu stroje, rozdělovače kapek, skluzů a odchylovačů kapek, přední formy s příslušnými mechanismy k tvarování baňky, obraceče (invertu)s ústní formou, konečné formy s příslušnými mechanismy ke tvarování konečného tvaru lahve, odnímače lahví, který přemisťuje hotové lahve na odstávku a přesouvače odstávkového mechanismu, který přesouvá hotové lahve na dopravní pás a ten je dále transportuje do chladící pece.

3.2. Návrh koncepce okruhu chlazení

Do jednotlivých sekcí IS stroje je třeba přivést chladící kapalinu od tlakového zdroje.

Do každé sekce IS stroje, v které jsou sklářské formy umístěny v držácích forem, bude potřebné přivést chladící kapalinu od tlakového rozvodu. Z rozboru výkresové dokumentace [8] a konzultace s firmou Sklostroj Turnov CZ bylo zvoleno umístění tlakového rozvodu chladící kapaliny obr. 3.4 na

nosník umístěný nad osou obraceče.

Rozvod bude obsahovat čtveřici trubek, které mají zabezpečit přívod a odvod chladící kapaliny, rozvod tlakového vzduchu a odpad na směs kapaliny a tlakového vzduchu. Tlakový vzduch slouží k vytlačení kapaliny z formy před jejím vyjmutím. K ovládání průtoku kapaliny slouží ventilová skříň.

Další funkcí tlakového vzduchu bude ochlazení chladících kanálků v těle předehřáté formy (chladiče), při kterém bude po výměně forem a

jejich usazení nejprve vpuštěn vzduch, do kterého bude následně přidávána chladící kapalina.

Tímto opatřením se předchází lokálnímu varu kapaliny v chladících kanálcích formy (chladiče).

Obr. 3.4 Centrální rozvod chladící kapaliny

3.3. Omezení dané stávající zástavbou stroje

Nová konstrukce kapalinového chlazení musí respektovat stávající zástavbu IS stroje firmy Sklostroj Turnov CZ.

Jak bylo uvedeno v minulé kapitole, celková koncepce chlazení bude obsahovat centrální tlakový rozvod umístěný nad nosníkem stroje. Od centrálního obvodu bude nutné distribuovat chladící kapalinu do vlastní tvarovací části stroje.

Pro bezpečný provoz je nutné si stanovit restrikce pro následnou konstrukci obr. 3.4 až 3.6:

• Rozměry půdorysu sekce

• Úhel rozevření konečné formy

• Pohyb obraceče s ústní formou a předním tvarem

• Pohyb foukací hlavy

• Výška třmenu nad základní deskou

• Rozměry a způsob upínaní konečné formy na čelisti

• Výška hlav čepů nad plochou držáků čelistí

Obr. 3.5 Nárys tvarovací části konečného tvaru sekce IS

3.4. A

Obr. 3.7 Pohled na tvarovací část konečného tvaru sekce IS

lternativní návrh flexibilního přívodu kapaliny do formy

Do každé sekce stroje, v které jsou sklářské formy umístěny v držácích, je třeba přivést chladící kapalinu od tlakového rozvodu. Jak již bylo dříve řečeno, umístění tlakového rozvodu chladící kapaliny obr. 3.8 je umístěno na nosník IS stroje, který je umístěný nad osou obraceče.

Diplomová práce se nezabývá okruhem rozvodu tlakové chladící kapaliny. Rozsah řešení problematiky končí umístěním šroubení pro přívod a odvod chladící kapaliny na konzolu, která je umístěná na nosníku. Na tuto konzolu bude následně připojen tlakový rozvod.

V provozu bude vedení chladící kapaliny vystaveno nejen teplotnímu zatížení, abrazivním účinkům střepů a cyklickému namáhání, které je způsobeno otvíráním a zavíráním forem.

Tento cyklus probíhá podle typu výrobku asi každých 10 sekund. Při chlazení kapalinou se pracovní cyklus ještě zkrátí. Při nepřetržitém provozu za 365 dní vychází 3 153 600 cyklů. Tento výpočet je jen orientační a není zcela přesný. Působení těchto nežádoucích vlivů klade vysoké nároky na životnost všech částí vedení.

Kapalná chladící látka bude proudit při zvýšené teplotě a je proto nutné snížit možnost poškození nebo unikání v celé její dráze probíhající v nepříznivém pracovním prostředí soustavy řadového stroje pro výrobu obalového skla.

Roztavená sklovina, abrazivní částice skla a přebytečné mazivo mohou být příčinou poškození hadic, trubek a spojovacích tvarovek. Hadice, potrubí a spojky se tak mohou uvolňovat nebo může docházet k únavě materiálu působením těžkých provozních

podmínek. Z těchto důvodů je použití hadic, potrubí a spojovacích tvarovek komplikované.

Je důležité, aby bylo veškeré vedení chladící kapaliny chráněno proti oděru a únavě materiálu ve výše zmíněných pracovních podmínkách. Dále je potřebné zajišťovat pravidelnou kontrolu a výměnu nejvíce namáhaných dílů.

Obr. 3.8 Boční pohled na sekci IS

(1-nosník, 2-konzola, 3-

kuličkové šroubení, 4-hadice, 5- držák s formami, 6-osa

obraceče)

V dalších podkapitolách budou představeny tři alternativní varianty, z kterých bude následně vybrána nejvýhodnější alternativa.

3.4.1.

Varianta A – s přívodní kostkou

V tomto návrhu je chladící kapalina vedena dvojicí hadic zakončených rychlospojkami na rozváděcí kostku, která je přichycena na držák čelistí. Rozváděcí kostka má za úkol rozvádět chladící kapalinu pomocí vrtaných kanálků v jejím těle do dvou samostatných okruhů. Na horní straně rozváděcí kostky je vyústění rozváděcích kanálků, které zakončeno vsuvkami rychlospojek nebo šroubením pro závit G3/8.

Přes toto šroubení je pomocí hadic Cango ( viz. kapitola 4.2.1) spojena rozváděcí kostka s připojovací kostkou. Konstrukce hadic Cango umožňuje s připojovací kostkou manipulovat při výměně a usazení forem v čelistích, tím je dosaženo potřebné vůle propojení tohoto uzlu.

Připojovací kostka je k přírubě chladiče připojena pomocí závrtného šroubu M12, který je již zašroubován v těle chladiče. Pro snadné vystředění a nasazení připojovací kostky na přírubu chladiče jsou použity kolíky Ø8, které mají upravenou konickou část pro snadné zavedení.

Pro utěsnění spoje mezi přírubou a připojovací kostkou je použito axiálního těsnění firmy Busak+Shamban DVE000120.

Obr. 3.9 Řez propojením přívodní kostky a přívodní příruby

Obr. 3.10 Varianta A

Obr. 3.11 Varianta A

3.4.2.

Varianta B – s přívodní kostkou a rychlospojkami

Tato varianta přivádí chladící kapalinu od centrálního rozvodu čtyřmi hadicemi Cango přímo na připojovací kostku. Připojovací kostka má prodloužený tvar, aby bylo dosaženo bezpečné polohy rychlospojek při pohybu foukací hlavy. Jak již bylo uvedeno v předcházející variantě kapitola 3.4.1. Na připojovací kostce, jsou umístěny vsuvky rychlospojek.

Připojovací kostka je k připojovací přírubě chladiče připojena podobně jako ve

variantě A pomocí závrtného šroubu M12, který je již zašroubován v těle chladiče. Pro snadné vystředění a nasazení připojovací kostky na přírubu chladiče jsou použity kolíky Ø8, které mají upravenou konickou část pro snadné zavedení. Pro utěsnění spoje mezi přírubou a připojovací kostkou je použito axiálního těsnění firmy Busak+Shamban DVE000120.

3.4.3.

Varianta C – přívodní příruba s rychlospojkami

Pro variantu C je použito čtyř hadic Cango pro přívod chladící kapaliny do tvarovací části sekce. Na rozdíl od předešlých variant je přívod chladící kapaliny veden až na horní plochu přívodní příruby, která je ve stejné výšce jako plocha konečné formy, na kterou dosedá foukací hlava. Na této ploše jsou umístěny vývody přívodu a odvodu chladící kapaliny.

Tvar příruby musí umožňovat vyvést chladící kapalinu na nekolizní místo v sekci. Tím je dán jejich tvar, který je pro každou polovinu formy jiný. Spojení přívodu kapaliny a přívodní příruby je řešeno rychlospojkami, které mají na přírubě upevněné své vsuvky.

Obr. 3.12 Varianta B

3.4.4.

Výběr varianty pro řešení

V této kapitole budou zhodnoceny klady a zápory jednotlivých variant flexibilního přívodu kapaliny do formy (chladiče) a zvolena varianta pro konečnou konstrukci:

Varianta A:

+ Použití dvou hadic pro přívod chladiva.

+ Zachování jednoduchého tvaru příruby.

+ Připojení přívodu chladící kapaliny k formě (chladiči) není tepelně zatíženo pří temperaci formy.

− Pro spojení rozváděcí kostky s připojovací kostkou je použito hadic.

− Nutná přesná montáž propojovacích hadic, aby nedocházelo k narušení kolizního prostoru.

− Při výměně forem je nutné povolit a následně utáhnout šroubový spoj.

− Montáž axiálního těsnění na stroji.

Konstrukce má výhodu v použití dvou přívodů, které ušetří dva kusy otočného šroubení (viz. kapitola 4.1.3) a hadic (cca 16000,- Kč) na sekci. Je eliminováno tepelné zatížení vsuvek rychlospojek při temperaci formy. Tvar příruby kopíruje tvar formy (chladiče), čímž je zajištěno, že nebude docházet ke kolizním stavům s čepy držáků čelistí.

Obr. 3.13 Pohled na tvarovací část konečného tvaru sekce IS – Varianta C

Nevýhodou této konstrukce je uzel propojení rozváděcí kostky s přírubou formy (chladiče) pomocí hadic. Jejich příprava musí být přesná, protože na délce a natvarování je závislý kolizní prostor při pohybu foukací hlavy. Důležitá bude také jejich ochrana (viz.

kapitola 4.1.5), prostředí v kterém jsou nasazeny jako teplota nad 90°C, abrazivní částice a cyklický pohyb forem vyžaduje dobrou ochranu. Další nevýhodou je také komplikovanější montáž připojovací kostky k přírubě formy.

Montáž připojovací kostky bude probíhat nasazením axiálních těsnění do drážek v přírubě formy. Následovat bude nasazení a vystředění připojovací kostky na přírubu formy pomocí kolíků a přitažení připojovací kostky k přírubě pomocí dvou matic M12.

Varianta B:

+ Pevný spoj mezi uzlem připojení přípojné kostky k formě a vsuvkami rychlospojek + Zachování jednoduchého tvaru příruby.

+ Připojení přívodu chladící kapaliny k formě (chladiči) není tepelně zatíženo pří temperaci formy.

− Při výměně forem je nutné povolit a následně utáhnout šroubový spoj.

− Úprava trajektorie pohybu foukací hlavy v prvním vertikálním pohybu

− Použití čtveřice přívodních hadic

− Montáž axiálního těsnění na stroji.

Je eliminováno tepelné zatížení vsuvek rychlospojek při temperaci formy. Tvar příruby kopíruje tvar formy (chladiče), čímž je zajištěno, že nebude docházet ke kolizním stavům s čepy držáků čelistí. Výhodné je také pevné spojení mezi uzlem připojovací kostka- příruba formy, které zaručuje nekolizní provoz.

Nevýhodou je pracnější montáž připojovací kostky na přírubu formy. V důsledku výšky použitých rychlospojek je nutné změnit průběh pohybu foukací hlavy. Pohyb nezmění krajní body pohybu, ale je zapotřebí zvýšit první vertikální zdvih před natočením foukací hlavy směrem od osy sekce.

Montáž připojovací kostky bude probíhat nasazením axiálních těsnění do drážek v přírubě formy. Následovat bude nasazení a vystředění připojovací kostky na přírubu formy pomocí kolíků a přitažení připojovací kostky k přírubě pomocí dvou matic M12.

Varianta C:

+ Přímé spojení připojovací příruby s přívodem chladící kapaliny.

+ Jednoduchá montáž.

+ Odpadá propojovací segment.

+ Není třeba změnit trajektorie pohybu okolních mechanismů.

− Tvarově pracnější připojovací příruby.

− Nejednotnost tvaru připojovacích přírub.

− Čtyři přívodní hadice.

− Tepelné zatížení vsuvek rychlospojek při temperaci forem.

Výhodné je snadná a rychlá montáž. Není třeba použití propojovacího segmentu.

Nedochází ke kolizím s pohyby stávajících mechanismů, proto není třeba měnit jejich trajektorie.

Nevýhodou je tvarově složitější tvar přírub, pro každou polovinu formy v sekci je třeba jiná připojovací příruba a to v důsledku odvodu chladící kapaliny do nekolizních prostor sekce. Protože jsou vsuvky rychlospojek připevněny přímo na připojovací přírubu, budou tepelně namáhány při případné temperaci forem.

Montáž je ze všech variant nejsnadnější, probíhá usazením a zajištěním forem v čelistích a následném nasazení rychlospojek na čtyři vsuvky.

Rozhodovací analýza

Výběr varianty pro flexibilní přívod kapaliny do formy byl proveden pomocí rozhodovací analýzy tab.3.1. Tato metoda postihuje užitně vlastnosti i zápory posuzovaných variant. Jedná se o metodu, která patří do kategorie metody heuristických.

Pro výběr vhodné varianty uložení rovných dvojskel na paletu byla uvažována tyto kritéria:

1. Dodržení rozměrů sekce a pohybů okolní mechanismů.

2. Teplotní odolnost 3. Rychlost výměny formy 4. Bezpečnost

5. Investiční náklady

Výběr varianty pro konstrukční řešení

Z předložených návrhů byla dle rozhodovací analýzy tab.3.1 vybrána varianta C, která díky své jednoduchosti konstrukce a snadné montáži, která se liší od stávající jen připojením rychlospojek k připojovací přírubě se zdá být nejvýhodnější. Dalším kladem této konstrukce je bezpečný pohyb okolních mechanismů v prostoru tvarovací části sekce.

3.5. Volba typu chladiče

3.5.1.

Volba koncepce chlazení formy

Jak uvádí [6], z provedených měření se zjistilo, že vytvořená koncepce s axiálními kanálky v těle formy nenachází cestu k řešení v oblasti kapalinového chlazení forem. Na základě tohoto zjištění je zvolena modifikace sestupu tepla pomocí izolační vrstvy mezi tvarovou částí formy a příložným chladičem.

3.5.2.

Forma s příložným chladičem

V chladiči budou vyvrtány chladící kanály a bude mít takovou teplotu, aby se uvnitř kanálů nevařila voda. Obě části budou od sebe odizolovány izolační vrstvou. Velikostí přestupu tepla a jeho ovlivnění bude dáno součinitelem tepelné vodivosti izolační vrstvy a velikostí plochy dotyku. Velikost plochy dotyku se může měnit mezi formou a izolační vrstvou i mezi izolační vrstvou a chladičem.

Obr. 3.14 Forma s odděleným chladičem [6]

3.5.3.

Izolační materiál

Jak už bylo uvedeno v kapitole 2. Nadějnou možností pro realizaci chlazení sklářské formy je systém s příložným chladičem, který je od vlastní tvarové části formy odizolován vrstvou teplo vodivé výplně, která umožňuje modifikovat přestup tepla z formy do chladiče.

Další žádanou funkcí tohoto materiálu je poddajnost. Tato vlastnost je důležitá pro zamezení vzniku tenké vzduchové mezery nedefinovatelné tloušťky obr. 3.15, která vznikne jako důsledek nepřesností při obrábění obr. 3.16 a je schopna výrazně ovlivnit vedení tepla.

Struktura materiálu by měla umožňovat vmáčknutí KF do výplně a vyplnění vzduchových mezer obr. 3.15-2. Díky rozlišným hodnotám tepelné vodivosti výplně bude možné modifikovat vedení tepla podél osy formy obr. 3.17.

Obr. 3.16 Možné varianty nepřesností (1- ideální stav, 2 a 3 -extrémní stavy)

Obr. 3.15 Tepelný kontakt

(1- Teplotní zlom, 2- použití výplně pro eliminaci teplotního zlomu) [14]

Obr. 3.17 Modifikace tepelné vodivosti různými typy materiálů

V těchto výplňových materiálech jsou nejdále v elektrotechnickém odvětví. Kde se tento typ materiálů používá pro odvod tepla z procesorů, tranzistorů, atd.. Má, ale nevýhodu v doporučené provozní teplotě, která končí na hodnotě 200°C. V tabulce tab. 3.2 jsou srovnány materiály dle tepelné vodivosti, které odpovídá také cena. Provozní teplota a vysoká cena jsou zatím hlavní argumenty pro nevhodnost použití těchto materiálů jako výplně do sklářské formy.

Další alternativou je použití Lukopren N. Jak uvádí výrobce [15] Lukopren N jsou silikonové dvousložkové kaučuky takzvaného kondenzačního typu. Po smíchání pasty s katalyzátorem dochází k vulkanizaci v celé hmotě během několika desítek minut za tvorby silikonové pryže. Pracovní teplota 250-300°C by pro Lukopren N neměla být problematická vzhledem k uvažovanému naplnění kovem a tím zvýšenému odvodu tepla. Jiná možnost než silikonový kaučuk neexistuje, pokud je třeba spojit zvýšenou tepelnou odolnost, tepelnou vodivost a zároveň pružnost.

Název Výrobce Tepelná vodivost [W/mK]

Pracovní teplota

[°C]

Rozměry [mm] Cena

T-flex^TM 500 Laird Technologies 2,8 200 230x230 - tl.1-2 $0,75 za in² cca.1500Kč

T-flex^TM 600 Laird Technologies 3,0 200 230x230 - tl.1-2

$0,75 za in² cca.1500Kč TC3001 HCT

Stockwell

Elastomerics, Inc. 3,0 220 600x600 - tl. 0,5-5 Therm-A-GAP G947 Chomerics 4,0 200 200x300 - tl. 1,5 cca. 3500 Kč Gap Pad 5000S35 Bergquist Company 5,0 200 200x400 - tl. 0,5-2,5

V-Therm^TM Chomerics 7,0 200 500x600 - tl. 1,5 cca. 8000 Kč

Sarcon XR-j Fujipoly 14,0 200 200x300 - tl. 1,5 cca. 11000 Kč

Bohužel výrobce není schopen zajistit změření hodnot tepelné vodivosti při přidání měděného prášku. Má pouze zkušenosti s plněním pasty křemičitým pískem, respektive s plněním sazemi, protože hodnoty takto dosažené byly pro zatím požadované účely postačující a pohybovaly se v rozmezí 1-2 W/mK.

Vzhledem k tomu, že pracovní teplota Lukoprenu N může být až 300°C. Bylo by zajímavé jakých hodnot tepelné vodivosti, lze dosáhnout přimícháním Cu nebo Al prášku.

Dalším moderním prvkem v přípravě silikonového kaučuku je možnost přípravy nanokompozitů. Jak se uvádí v [16] použitím nanoplniv dochází ke zlepšení mechanických vlastností již při nižším stupni plnění oproti tradičním plnivům.

Tab. 3.2 Tepelná vodivost je měřena dle ANSI normy ASTM D5470-

3.6. Dělící plocha mezi formou a chladičem

Tato kapitola se zabývá koncepcí tvaru a rozměrů dělící plochy, která má rozdělovat formu s tvarovou částí od chladiče. Hlavní rozměry vycházejí ze stávajících rozměrů konečné formy.

V dalších podkapitolách budou představeny tři alternativní varianty, ze kterých bude následně vybrána nejvýhodnější alternativa.

3.6.1.

Válcová dělící plocha

Návrh tvaru a rozměrů chladiče a tvarové části formy vychází ze stávajících rozměrů konečné formy (dále KF) [8]. V tvarové části formy je nutné zachovat zámek dna KF. Jako dělící plocha mezi tvarovou částí KF a chladičem je zvolen průměr Ø110mm. Tím vznikne válcová dělící rovina obr.

3.18.

V tomto rozměru je třeba zohlednit i tloušťku izolačního materiálu. Proto má tvarová část KF vnější průměr Ø108mm. Chladič bude ke KF přichycen pomocí skupiny imbus šroubů M8x20 rozložených po vnějším obvodě chladiče.

V chladiči jsou radiálně rozmístěny axiální chladící kanálky, které jsou propojeny vyfrézovanými propojovacími kanálky tak, aby vytvořily dva samostatné okruhy oběhu chladiva.

Je to z důvodu rovnoměrnějšího ochlazování ve všech místech chladiče. Při jednom okruhu oběhu chladiva by mohlo docházet k velkým rozdílům vstupní a výstupní teploty chladící kapaliny a tím k nerovnoměrnému odvodu tepla z formy.

K spodní části chladiče je připevněna vratná příruba, která vrací kapalinu zpět do horní části chladiče. V horní části je chladič utěsněn těsněním a přívodní přírubou. Těmito díly se zabývám v následující kapitole.

Obr. 3.18 Válcová dělící plocha

Obr. 3.19 Válcová dělící plocha

Z rozměrových důvodů se nedá do přívodní příruby umístit více než čtveřice šroubů a tím může docházet k nedostatečnému přítlaku, což může mít za následek netěsnost příruby.

3.6.2.

Válcová dělící plocha

s rozšířením pro přírubu

Z důvodu zvětšení plochy pro utěsnění přívodní příruby je v tomto řešení rozšířená horní plocha chladiče na Ø 72mm. Tím vznikne dostatečný prostor pro rozmístění rozvodných kanálků a dostatečný počet imbus šroubů M8x20 k vytvoření přítlaku na těsnění.

Toto řešení dává předpoklad pro dosažení dobrých těsnících vlastností, ale problémem je s narušení homogenity teplotního pole v místě zmenšení průměru dělící plochy.

3.6.3.

Válcově-kuželová dělící plocha

Rozšířená plocha navíc zajišťuje dostatečný prostor pro rozvod kapaliny a zajištění těsnosti mezi přívodní přírubou a tělem chladiče.

3.6.4.

Výběr varianty pro řešení

Předložené návrhy postupně řešily problém s utěsněním přívodní příruby, a dosažení potřebné těsnící plochy chladiče. Toto opatření však mělo za následek narušení homogenity teplotního pole. Proto bylo nutné odstranit skokovou změnu tvaru dělící plochy pozvolným přechodem pomocí kuželové plochy.

Pro další řešení je tedy zvolena varianta válcově-kuželové plochy. Výroba takovéhoto chladiče bude náročnější než chladiče s válcovou dělící plochou, ale z důvodu dodržení rozměrů stávající konečné formy nebylo možné zvolit jiné uspořádání konstrukce.

Technicko-ekonomické porovnání stávající konečné formy a formy s chladičem je v kapitole 6.2.

Obr. 3.20 Válcově-kuželová dělící plocha

3.6.5.

Koncepce kapalinového chlazení dna konečné formy

Součást sady konečné formy je i její dno, které je také dosud chlazeno vzduchem, který prochází axiálními kanálky v těle stávající konečné formy. Na tyto kanálky navazují díry vyvrtané ve dně na stejných roztečných kružnicích a stejným rozmístěním jako v těle formy. Technologickou funkcí dna je i odvod vzduchu z formy při foukání konečného tvaru (takzvané vakuum), který je umístěn do osy dna.

Po odstranění vzduchového chlazení konečné formy je nutné navrhnout i chlazení dna. Jelikož dno nevykonává žádný pohyb je přívod chladící kapaliny snadnější než u pohyblivé formy. Při konstrukci je nutné uvažovat i s výše uvedeným odvodem vakua.

Koncepce kapalinového chlazení je patrná z obrázku obr. 3.21. Je realizována chladícím prstencem, který je vysoustružen do spodní plochy dna. Přívod kapaliny je realizován rychlospojkami jejichž vsuvky jsou upevněny na přívodní přírubu, která je přitažena k tělu dna pomocí skupiny šroubů. Příruba je utěsněna pomocí plochého těsnění.

4. Konstrukční řešení

4.1. Technická dokumentace

V souladu se zadáním práce bylo nutné vypracovat výkresovou dokumentaci navrženého konstrukčního řešení. Na obr. 4.1 je znázorněno schéma členění sestavných a výrobních výkresů.

Obr. 3.21 Koncepce kapalinového chlazení

Kompletní výkresová dokumentace vytvořená v CAE systému Unigraphics NX 4, který používá firma Sklostroj Turnov CZ, je v datovém souboru v přiloženém CD. U výkresů je také přiložen kompletní seznam výkresů.

4.2. Konstrukce přívodu chladící kapaliny

4.2.1.

Výběr typu hadice

Hadice bude zatížena tepelně, ale zejména i cyklickým torzním namáháním. Jak uvádí [2], teplota média může v kritických podmínkách dosáhnout 100 °C. Vnější povrch hadice se bude pohybovat kolem ohřáté formy a tudíž nesmí dojít k jejímu porušení.

Pro vnější obal je nejvhodnější kovový oplet.

Vnitřní jádro bude zřejmě na bázi polytetrafluoretylenu (PTFE). Tento materiál je odolný i vůči agresivním médiím. Tepelná odolnost je kolem 200ºC. Světlost hadice je volena v souladu s kap.

4.2.1 8 mm. Provozním tlakem nejsme limitováni, protože se budeme pohybovat v oblasti nízkých tlaků. Hadice budou mít nalisované koncovky s převlečnými maticemi G3/8 pro připojení na další prvky chladícího systému.

Z nabídky dodavatelů na českém trhu [17] jsem vybral hadici CHEMITEC CONVO PTFE 1X od firmy IVG Colbachini, která svou vlnovcovou konstrukcí zajišťuje dobrou ohebnost.

Konstrukce a pracovní podmínky hadice:

Vnitřní vrstva: PTFE vrapovaný

Výztuha: Vysoce pevnostní oplet z nerezového drátu - materiál AISI 304.

Oblast použití: Flexibilní hadice pro středotlakou dopravu agresivních látek, většiny chemikálií, alkoholu, ropných látek, vzduchu, páry,

Teplotní rozsah použití: -50°C až + 240 °C pro trvalé teploty.

DP-S05000438-00-00-00 SESTAVA

DP-S05000438-00-01-00 PODSESTAVA DP-S05000438-00-00-01

VÝROBNÍ VÝKRES

DP-S05000438-00-01-01 VÝROBNÍ VÝKRES

Obr. 4.1 Schéma členění výkresové dokumentace

Obr. 4.2 Konstrukce hadice CONVO PTFE 1X [17]

Min. rádius ohybu: pro světlost 8mm je udávám rádius 20mm.

Max. tlak: pro světlost 12mm je udávám tlak 103bar.

4.2.2.

Hadicová potrubí – bezpečnostní informace

Případná nebezpečí vycházející z tlakového potrubí ohrožující lidské zdraví a věcné hodnoty je třeba minimalizovat. Proto je třeba brát v úvahu stanovené údaje z relativních předpisů a norem firmy hansa-flex [10].

Bezpečnostní pravidla pro hydraulická hadicová potrubí momentálně platného vydání DIN 20066 určují, že je třeba v určitých intervalech posoudit funkční schopnost hadicového potrubí.

Příslušná pravidla stanovují jednoznačná kritéria pro výměnu hadicových potrubí. Hadicová potrubí je třeba vyměnit, když byly při inspekci zjištěné následující poruchy:

- Poškození vnější vrstvy až k vložce např. oděr, řez, nebo trhlina.

- Zpuchření vnější vrstvy tvorbou trhlin hadicového materiálu.

- Deformace, které neodpovídají přirozené formě hadice nebo hadicového potrubí, jak v beztlakém stavu tak i pod tlakem, nebo při ohybu, např. oddělování vrstev, tvoření bublinek.

- Poškození nebo deformace hadicové armatury (negativně ovlivněna těsnící funkce), nepatrná poškození povrchu nejsou důvodem k výměně.

- Vytržení hadice z armatury.

- Koroze snižující funkci a pevnost armatury.

- Požadavky montáže nejsou dodrženy.

- Doba uskladnění nebo použití je překročena.

Životnost a bezpečné použití hydraulického hadicového potrubí jsou značně ovlivněny správnou montáží. Pokud je hadicové potrubí namontováno se zkrutem, dojde ke značnému zkrácení životnosti v důsledku vzájemného oděru vrstev tlakového nosníku. Zvláštní zatížení pak nastane v oblasti napojení! Jako směrná hodnota se může brát následující upozornění: zkrut o 7° redukuje životnost o 80 %.

Pokud je hadice instalována na hraně, může dojít k oděru povrchu hadice v důsledku pohybů hadice. To samé platí pro hadice, které jsou od sebe instalovány s příliš malým odstupem: Hadice se navzájem odírají.

Důsledek: Hadicové pletivo není nadále chráněno proti korozi, riziko výskytu poruchy se neustále zvětšuje. K dostání jsou též hadice s dodatečnou vrstvou z PVC nebo speciálních ochranných obalů hadic kapitola 4.2.3.

4.2.3.

Ochrana hadic

Pro ochranu hadic je zvolena nabídka ochranných

produktů firmy Insulflex^® [9], které mají konstrukci ze Obr. 4.3 PYROJACKET