Modifikace teplotního pole autoklávu

FAKULTA STROJNÍ

Katedra sklářských a keramických strojů

DIPLOMOVÁ PRÁCE

2005 David Ryč

FAKULTA STROJNÍ

Studijní program 2301 Strojní inženýrství

Studijní obor: Konstrukce strojů a zařízení Zaměření: Sklářské a keramické stroje

Modifikace teplotního pole autoklávu

(

) KSK – 18955

David Ryč

Vedoucí diplomové práce: Doc. Ing. František Novotný, CSc.

Konzultant diplomové práce: Ing. Jan Nový

Rozsah diplomové práce:

Počet stran: 48

Počet tabulek: 2

Počet obrázků: 38

Počet výkresů: 8

Počet příloh: 0

Počet modelů: 0 Datum odevzdání: 27.5.2005

TÉMA: Modifikace teplotního pole autoklávu

ANOTACE:

Diplomová práce se zabývá konstrukčním řešením úpravy proudění topného média při pracovním procesu slinování tak, aby bylo dosaženo homogenních teplotních polí ve zpracovávaných sklech. Je předloženo konstrukční řešení zařízení, jež vytváří deflekci proudícího média do těch míst, která nejhůře kopírují teplotu topného média. Zařízení jsou navržena s ohledem na bezkonfliktní nakládku a vykládku stojanů se skly, stejně tak jako s ohledem na bezpečnost práce se zařízeními (pracujícími) s vysokým tlakem.

THEME: Modification of temperature fields in autoklav.

SUMMARY:

The diploma work is concerned with the design solution of directed circulation of heating medium during working process for homogenization of temperature fields in current glass. The work submitted design sulution of equipment, which make deflection circulation medium into glass position, which worst copy temperature of heating medium. The devices are proposed so as to nonconflict load and unload frame with tables of glass, and they comply with the requirement by safety of work with high pressure vessel.

Místopřísežně prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury.

V Liberci dne ...……….

David Ryč

Děkuji panu Doc. Ing. Františku Novotnému CSc., vedoucímu katedry sklářských a keramických strojů Technické univerzity v Liberci, za výborné odborné vedení, obětavou spolupráci a věcné připomínky v průběhu řešení diplomové práce.

Současně děkuji panu Ing. Janu Novému za poskytnuté informace a podnětné připomínky k řešení.

Dále bych rád vyjádřil vděčnost Ing. Cibulkovi za počáteční konzultace v úvodu diplomové práce.

OBSAH

Seznam požitých symbolů a značek...8

Úvod...10

1. POPIS PROCESU...12

1.1. Stručný popis technologie...12

1.1.1. Předlisování...12

1.1.2. Slinování...12

1.2. Popis zařízení pro slinování...13

1.2.1. Horkovzdušné zařízení...13

1.2.2. Konstrukce a funkce komponentů autoklávu...15

1.3. Technické údaje autoklávu...18

1.4. Provozní charakteristiky...18

1.4.1. Zakládání na stojan...19

1.4.2. Teplotní a tlakové charakteristiky...20

2. MĚŘENÍ SOUČASNÝCH TEPLOTNÍCH POLÍ...21

2.1. Formulace východisek pro měření...21

2.2. Teoretický výpočet tepelného napětí...21

2.3. Lokalizace měřících míst...25

3. KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ...28

3.1. Výsledky měření...28

3.1.1. Výsledky měření termočlánků...28

3.1.2. Záznam termokamery...32

3.1.3. Numerické modelování...33

3.2. Formulace výsledků měření na konstrukční úpravy...35

3.3. Změna zakládání do bloku...35

3.4. Usměrnění pomocí deflekce...36

3.4.1. Přehled výkresové dokumentace...36

3.4.2. Deflektor...37

3.4.3. Otočné uložení...40

3.4.4. Aretace deflektorů...44

4. TECHNICKOEKONOMICKÉ HODNOCENÍ...46

4.1. Technické hodnocení...46

4.2. Ekonomické hodnocení...47

Závěr...48

Seznam použité literatury...49

SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZNAČEK

Značka Jednotka Veličina

a [mm] indikace polohy x ve skle (a=0 => x=0,5δ) C [N] dynamická únosnost ložiska

CO [N] statická únosnost ložiska cp [-] pružná poddajnost spojení

Cn [Kč] celkové investiční náklady na autokláv

Cu [Kč] úspora při 5% snížení ztrát díky termickým lomům DLF [-] standardizovaný formát velikosti skel 3500 x 3000 mm E [MPa] modul pružnosti skla

FA [N] axiální síla působící na ložisko FG [N] síla od tíhy deflektoru

Fe [N] ekvivalentní dynamické zatížení ložiska Feo [N] ekvivalentní statické zatížení

FQ [N] síla normálového sevření třecího spoje

FQ1 [N] síla normálového sevření třecího spoje na jeden šroub

FMdov [N] dovolená montážní síla utahování šroubu

FMmax [N] maximální montážní síla utahování šroubu

FMmin [N] minimální montážní síla utahování šroubu

FR [N] radiální síla působící na ložisko ku [-] součinitel přetažení při utahování kk [-] bezpečnost proti trvalé deformaci k [-] součinitel přetížení

N [rok] návratnost investice

p [MPa] tlak pod hlavou šroubu

pG [N] dovolený tlak pod hlavou šroubu

PLF [-] standardizovaný formát velikosti skel 6000 x 6500 mm So [-] bezpečnost provozu ložiska

t [s] čas

V [-] rotační součinitel ložiska

x [mm] vzdálenost od počátku povrchu skla, indukce tloušťky dx [mm] diferenciál vzdálenosti x

X,Y [-] dynamický součinitel ložiska X0,Y0 [-] statický součinitel ložiska

yx,yp [mm] délka skla v x, délka tabule skla na povrchu yst [mm] délka desky ve středu

α [-] součinitel délkové tepelné roztažnosti

δ [mm] tloušťka skla

∆F [N] změna vnitřní síly od teplotní expanze

∆FV [N] snížení síly od montážního předpětí trvalou deformací

∆ld [mm] změna délky od montážního předpětí trvalou deformací

∆yx [N] změna délky skla v ose x

ε [-] poměrná deformace

φ [-] silový poměr šroubu ku svíranému materiálu Θ [⁰C] rozdíl teploty skla

ϑ [⁰C] teplota skla

ϑο [⁰C] teplota skla v časovém počátku ϑp [⁰C] teplota povrchu skla

ϑs [⁰C] teplota středu skla

µ [-] součinitel tření obrobený povrh µq [-] součinitel tření otryskaný povrh

σ [MPa] napětí

σ1 [MPa] napětí na pravé straně tabule σ2 [MPa] napětí na levé straně tabule

σred [MPa] redukované napětí ve šroubu v předepjatém stavu

ÚVOD

Návrh diplomové práce na téma modifikace teplotního pole autoklávu během pracovního cyklu slinováním byl zadán společností Glaverbel Czech a.s., provozem Stratobel se sídlem v Teplicích. Tato sklářská společnost se specializuje na výrobu plochého skla a jeho zušlechtění moderními principy.

Hlavním znakem skla Stratobel je vrstvení tabulí plochého skla (vyrobeného plavením na lince Float) s fólií. Takto kombinované sklo zvyšuje několikanásobně technické parametry nejen po stránce pevnostní, ale také snižuje teplotní emisivitu skla a v neposlední řadě i zvukovou prostupnost.

Formáty vyráběné v závodě Stratobel jsou převážně formátu PLF (3,5 m x 6 m) a DLF (3 m x 3,5 m). Rozmanitá paleta tloušťek tabulí skel a fólií umožňuje uspokojit náročné požadavky stavebních architektů a designérů.

Polotovary i samotný proces vrstvení a slinování skel jsou velice finančně i časově náročné. Proto je snahou společnosti řešit snižování nákladů na toto zušlechtění. V neposlední řadě je prostředkem ke snížení nákladů minimalizace ztrát vzniklých znehodnocením finálních skel termickými lomy. Termické lomy jsou důsledkem nedokonalého ohřívaní a ochlazování při pracovním cyklu, což má za následek vznik teplotních gradientů v objemu skel a tím ke vzniku lomů.

Tyto lomy nejsou pouze důsledkem teplotních gradientů, ale kombinací povrchových vad, vnitřního pnutí způsobeného nedokonalým vychlazením, nehomogenitou skla, vnitřního pnutí vzniklého mechanickým namáháním od uložení skla na pracovním stojanu a v neposlední řadě i nešetrnou manipulací.

Modifikací teplotního pole skel rozumíme zajistit takové proudění a přestup tepla mezi topným médiem a sklem v průběhu procesu, aby došlo ke snížení vzniku teplotních gradientů a tím potažmo k omezení vzniku termických lomů.

Diplomová práce se v souladu se zadáním člení do čtyř kapitol. První kapitola provádí rozbor současného zařízení, stav proudění vzduchu, nakládky a vykládky skel, rozložení teplot v autoklávu. V druhé kapitole jsou formulována východiska pro následné měření. Na tomto základě je navrhnuta strategie měření provozních veličin pro zmapování rozložení teplotních polí ve zpracovávaném skle. V následující kapitole je na základě výsledků z měření a numerické simulace je zpracován návrh konstrukčních úprav rozvodů vzduchu uvnitř autoklávu. Poslední čtvrtá část se zabývá zhodnocením přínosu navržených úprav.

1. POPIS PROCESU

První kapitola se zabývá nutným vysvětlením technologie a zařízení, které je využíváno pro proces slinutí skla s fólií.

1. 1 STRUČNÝ POPIS TECHNOLOGIE

V této kapitole bude vysvětleno nutné minimum technologie k pochopení problému procesu slinování skel.

1. 1. 1 Předlisování

První operací potřebnou pro výrobu skla Stratobel je samotné vrstvení skla s fólií. Majoritní podíl produkce vrstvených skel jsou vrstvená skla o tloušťce 6 mm, fólie o tloušťce 2 mm a opět 6 mm tlustého skla. Možnosti tloušťky skla, jeho chemického složení či další zušlechtění skla pro proces vrstvení jsou omezené pouze finanční náročností. Podobně tloušťky fólií a jejich chemické složení, které především ovlivňují parametry výsledného skla, jsou variabilní. Jejich přesné chemické složení je však výrobním tajemstvím výrobce.

Pořadí vrstev je nejběžněji sklo-fólie-sklo, ale na přání zákazníka lze aplikovat dvě fólie na sebe či složení sklo-fólie-sklo-fólie-sklo. Tyto varianty značně zvyšují vlastnosti produktu, což je na druhé straně vyváženo vysokými náklady.

Tyto skladby jsou výjimečné a jsou aplikovány v extrémních podmínkách.

1. sendvičování 2. předlisování

Obr. 1 Technologický postup výroby vrstvených skel

Na obrázku 1. je schématicky znázorněno nejběžnější skládání skel s fólií. Na lince se provádí tzv. "sendvičování"- tedy skládání jednotlivých vrstev a posléze předlisování. To se děje za teploty 80 ^oC a předlisovacího tlaku 0,5 MPa. Takto předlisované vrstvené sklo je sice neprůhledné, ale již dostatečně pevně spojené a dále je s ním manipulováno jako s jedním sklem. Plné pevnosti se však dosáhne až slinovacím procesem.

1. 1. 2 Slinovací proces

Po předlisování jsou vrstvená skla (dále pouze "skla") založena do L- stojanů (Obr. 2). Takto naložený stojan (Obr. 3, 4) je speciálně zkonstruovaným zdvižným vozíkem zavezen do autoklávu. Plně naložený stojan formátu PLF dosahuje hmotnosti až 33000 kg.

Obr. 2 Schéma naloženého stojanu bloky skel formátu PLF

Po zavezení se autokláv tlakově uzavře. Následuje proces, který je předmětem této práce - slinování. Tento proces je charakterizován zahřátím a natlakováním oběžné atmosféry uvnitř autoklávu, kdy se sklo s fólií sline, vrstvené sklo se stane čirým a pevným. Dále následuje ochlazení a vykládka stojanů. Zde je proces u konce. Detailní popsání zařízení autoklávu, proudění v autoklávu, průběh tlaků a průběh teplot je učiněno v dalších kapitolách.

Obr. 3 Stojan DLF Obr. 4 Stojan PLF

1. 2 POPIS ZAŘÍZENÍ PRO SLINOVÁNÍ

Tato se kapitola zabývá samotnou konstrukcí zařízení pro proces slinování a jejich příslušenstvím.

1. 2. 1. Horkovzdušné zařízení

Horkovzdušné zařízení se skládá z autoklávu a z řídícího zařízení

Autokláv

Autokláv se skládá z vnějšího pláště odolávajícího tlaku a následujících vnitřních součástí uvnitř autoklávu (elektrický topný systém, chladicí těleso s regulátorem, systém cirkulace vzduchu - větrák a vzduchové potrubí).

Plošina namontovaná na dno autoklávu umožňuje naplnění autoklávu materiálem.

Izolace uvnitř autoklávu zabraňuje velkým tepelným ztrátám. Čelní stěna autoklávu (plnící konec) je osazena dveřmi s rychlouzávěrem SCHOLZ.

Řídící systém

Řídící systém se svými jednotlivými regulačními prvky zajišťuje plynulý průběh tlakových a teplotních procesů v autoklávu.

Přívod stlačeného vzduchu

Přívod stlačeného vzduchu do autoklávu musí být filtrován na požadovanou jakost. Jedná se převážně o vlhkost a čistotu. Požaduje se minimální tlak na vstupu, což je 2,5 bar nad maximálním pracovním tlakem autoklávu, neměl by však přesáhnout hodnotu 30 bar.

Provozní charakteristiky

Autokláv se naplní vrstveným sklem. Poté, co byl autokláv zavřen, spustí se proces pomocí operačních spínačů na ovládací skříni.

V autoklávu se vytvoří požadovaný tlak a teplota a udržuje se na stanovených hodnotách existujícími regulačními a řídícími nástroji.

Zahřívání atmosféry je prováděno pomocí elektrických topných spirál v zadní části autoklávu.

Chlazení atmosféry autoklávu se provádí pomocí chladícího tělesa s regulátorem nacházejícího se v zadní části autoklávu. Během procesu chlazení protéká tímto tělesem chladící voda. Na začátku chladícího procesu uniká pára a horká voda výpustí chladícího hadu.

Vnitřní cirkulační vzduchový systém skládající se ze vzduchových kanálků a větráku (Obr. 10), který je v provozu během celého procesu, má udržovat rovnoměrnou teplotu vytvořenou v pracovním prostoru autoklávu.

Po ochlazení pracovního prostoru autoklávu na požadovanou teplotu se sníží tlak v autoklávu skrze výfukové ventily.

Zakládací stojany

Stojany určené do autoklávu jsou dvou druhů - formátu PLF a DLF.

Jejich konstrukce značně ovlivňuje pnutí ve skle při naložení a též při deformaci způsobené teplotní expanzí při zvýšení teploty v autoklávu. Právě přesnost stojanu je jedním z činitelů, které jsou příčinou vzniku lomů. Stojany nejsou předmětem této diplomové práce, omezím se tedy pouze na jejich popis. Oba

stojany mají podobnou konstrukci, pouze s rozdílným počtem polí a rozměrů (Obr. 5)

Obr. 5 Konstrukce PLF stojanu

Základní L profil je tvořen z příhradové konstrukce. Sklo je položeno pod úhlem 7 stupňů na plochy opatřené kevlarovým povlakem 5 mm silným (Obr. 6)

Obr. 6 Vrstvený kevlarový povlak stojanu

1. 2. 2 Konstrukce a funkce komponentů autoklávu Chladící těleso

Chladící těleso autoklávu se skládá z vertikálních žebrových trubek přivařených ke sběrnému potrubí. Připojení chladící vody je realizováno mimo autokláv. Plášť vedení vzduchu vedoucího k pohonnému kolu ventilátoru kryje celé chladicí těleso (Obr. 7. a 8.). Chladící těleso je z pracovní části opatřeno krycím pletivem. Chladící had je situován před ventilátorem a vzduch je tedy Kevlarové plochy na postavení tabulí skel

Opěrné plochy z tropického dřeva

Vrstvený kevlarový povlak Opěrné tropické dřevo

přes těleso chladiče nasáván. Velikost tělesa je individuelně přizpůsobena autoklávu a regulace odebíraného tepla realizována prostřednictvím regulace průtoku chladí vody.

Obr. 7 Chladící těleso Obr. 8 Plášť chladicího tělesa

Ventilátor

Ventilátor se skládá z tlakově odolného krytu motoru a cívky statoru, zabudované do krytu motoru, z rotoru a namontovaného pohonného kola (Obr.

9). Různá chladící zařízení způsobují vývod tepla vznikajícího v krytu motoru.

Ventilátor namontovaný na vyklenutém dně (zadní část autoklávu) vytváří cirkulaci atmosféry v pracovním prostoru autoklávu a tím následně rovnoměrnou distribuci teploty během procesů v autoklávu.

Obr. 9 Lopatkové kolo ventilátoru

Plášť chladícího tělesa Chladící těleso

Stator lopatkového kola - kryt

Lopatkové kolo ventilátoru Topné spirály

Elektrické topné spirály

Elektrické topné spirály (Obr. 9) jsou tvořeny z elektrického odporového drátu kruhovitě uspořádané ve dnu (zadní části autoklávu). Jsou propojeny do různých topných skupin a společně nebo jednotlivě vykonávají ohřev proudící atmosféry. Vnější zapojení ohříváků je chráněno izolačním boxem.

Rozvod atmosféry

Topné médium je nasáváno přes chladící těleso ventilátorem, dále je ventilátorem vytlačováno přes topné spirály. To vše je umístěno v zadní části autoklávu (Obr. 9). Poté je topné médium klenutým dnem otočeno a nasměrováno do rozvodných kanálů, které jsou situovány v párech jednak na boku autoklávu - kruhové výseče , a jednak v horní části autoklávu - obdélníky (Obr. 10).

Obr. 10 Schéma autoklávu, skel, chladiče, ventilátoru

Horní menší obdélníkové kanálky jsou umístěny z důvodu přívodu většího množství vzduchu do spodní části autoklávu (do paty stojanu), neboť v těchto místech je větší místní odpor proudění topné atmosféry. Spodní kruhová výseč je tvořena zakládkovou plošinou a touto dutinou atmosféra neproudí, neboť není napojena k rozvodu vzduchu od ventilátoru. Dále atmosféra proudí těmito kanály do přední části autoklávu, kde se již dostává do pracovní části autoklávu. Klenutými dveřmi je proudící atmosféra opět otočena a nasměrována zpět skrz pracovní část k ventilátoru. V pracovní části se zakládá naložené sklo, na které přestupuje teplo z proudící atmosféry. Atmosféra proudí v mezerách vytvořených proklady jednotlivých bloků na stojanu a samozřejmě cestou nejmenšího odporu - pracovně jalovým prostorem kolem a nad stojanem se skly. Lze předpokládat ze záznamu regulačního zařízení o průběhu teplot a znalosti konstrukce oběhu atmosféry, že médium nosící potřebné teplo má v celém svém uzavřeném okruhu stejnou teplotu.

Primární rozvodné kanály

Sekundární rozvodné kanály

Autokláv Bloky skel Topné spirály

Ventilátor Chladič

Vnitřní izolace

Vnitřní izolace je tvořena keramickými rohožemi s tloušťkou 50 mm a z pláště z nerezového plechu o tloušťce 0,5 mm. Účelem vnitřní izolace je eliminovat tepelné ztráty během pracovního cyklu a současně zabránit přehřívání stěn autoklávu.

Konstrukce zakládací plošiny

Plošina slouží k dovezení zavážecího vozíku pro plnění autoklávu.

Podpěry lůžka umožňují vyrovnání rovinnosti plošiny. Kvůli termální expanzi je autokláv vybaven pevným a pohyblivým lůžkem. Pohyb umožňuje prstenec, který má základní podpěrnou desku, po které klouže. Ta je lehce potřena tlakuvzdorným mazadlem jako kluzným prostředkem.

1. 3. TECHNICKÉ ÚDAJE AUTOKLÁVU

Název: horkovzdušný autokláv

Vnitřní průměr: 4400 mm

Délka válce: 8300 mm

Použitelná délka: 7500 mm

Váha celkem: cca 6000 kg

Provozní přetlak: 15 bar

Výpočtový přetlak: 15 bar

Provozní teplota: 150 ^oC

Provozní napětí: 3/PE 400V/50Hz

Kontrolní napětí: 230V/ 50Hz/ 24V

Zatížení připojeného vybavení: 1250 kW

Nominální proud: cca 1900 A

Max. zvýšení teploty

z 20 ^oC na 140 ^oC: během cca 75 min

(s max. náplní)

Max. snížení teploty

ze 140 ^oC na 43 ^oC: během cca 90 min

(s max. náplní)

Max. váha plnění: 33000 kg oceli

Délka: cca 12300 mm

Šířka: cca 5400 mm

Výška: cca 4720 mm

1. 4. PROVOZNÍ CHARAKTERISTIKY

V této kapitole bude nastíněno, jak probíhá proces slinování jednak způsobem zakládání skel na stojan, což je klíčové pro problém teplotních gradientů a jednak samotný proces slinování, vyjádřený grafem na obr. 12, který udává závislost průběhu teploty a tlaku na čase.

1. 4. 1. Zakládání na stojan

Dle Obr. 3, 4 lze vidět, že se stojany dělí na dva základní formáty. První formát s označením PLF má velikost 6800 x 3500 mm a do autoklávu se zakládá jeden. Druhý formát o rozměrech 3600 x 3000 mm se do autoklávu zakládá v páru. Samozřejmostí je využití celého objemu autoklávu pro zvýšení produktivity procesu. Postup nakládání skla na stojany je následující:

Obr. 11 Obrázek uložení skel do stojanu DLF

ƒ jednotlivá předlisovaná skla se zakládají přímo na sebe do bloků

ƒ jednotlivé bloky jsou od sebe odděleny prokladem (Obr. 11)

Proklady u formátu DLF jsou z tropického dřeva z profilu 20x20mm. U většího formátu PLF jsou použity místo tropického dřeva laminátové lišty o obdélníkovém profilu 20 x 60 x 2 mm. Počet skel do bloku, stojanu a počet prokladů je stanoven dle programu na lince. Ten je řízen tloušťkou skel a fólií (tabulka 1., 2.).

Formát PLF

Složení Bloků na stojan Tabulí do bloku m2 stojan m2 autokláv

33 12 8 1572 1572

44 12 6 1179 1179

55 12 5 982 982

66 12 4 924 924

Tab.1 Program skladby na stojan PLF

Držák prokladů Bloky skel

Proklady

Tab.2 Program skladby na stojan DLF 1.4.2 Teplotní a tlakové charakteristiky

Teplotní a tlakové pole autoklávu je znázorněno na diagramu 12.

Byl pořízen ze záznamu řídícího systému, který má čidla umístěna v polovině pravé příčky (viz. obr. 16) . Z diagramu lze vidět, že tlak po spuštění programu vystoupá přibližně za 40 min na hodnotu 15 barů a je přesně udržován. Teplotní pole je již členitější. Během přibližně hodiny a 10 min teplota vystoupá na hodnotu 140 ^oC, kde je přibližně 40 min udržována. Pak dojde k sejití. Teplota v diagramu je naměřená teplota oběžné atmosféry. Teplota skla je ovlivněna setrvačností a její průběh je značně členitější než průběh teploty atmosféry.

Obr. 12 Teplotní a tlakový diagram pracovního procesu

Formát DLF

Složení Bloků na stojan Tabulí do bloku m2 stojan m2 autokláv

33 14 9 809 1618

15 8 940 1880

16 7 917 1834

44 12 7 539 1079

14 7 629 1258

15 6 650 1300

16 5 655 1310

17 5 696 1392

55 13 6 501 1002

15 5 542 1083

17 4 533 1065

Průběh teploty vzduchu

Průběh tlaku

Průběh teploty stojanu

2. MĚŘENÍ SOUČASNÝCH TEPLOTNÍCH POLÍ

Tato kapitola se zabývá lokalizací měřících míst teploty, aby co nejpřesněji došlo k rozeznání kritických míst, která zapříčiňují vznik teplotních gradientů a potažmo vznik termických lomů.

2. 1. FORMULACE VÝCHODISEK PRO MĚŘENÍ

Při plném pochopení současného stavu proudění, z kterého je zřejmé, že konstrukce vodících kanálků a oběhu atmosféry je specielně vytvořena pro tento typ zušlechťování skel, tak lze konstatovat, že zásadní změny konstrukce autoklávu nejsou realizovatelné. Pracovní cyklus plně zajišťuje proces slinování.

Rychlosti ohřátí a následného ochlazení atmosféry jsou dostačující, i když značnou část intervalu ochlazování pracuje chladící systém na 100 % svého výkonu.

S přihlédnutím ke skutečnosti procesu v uzavřeném okruhu lze konstatovat, že úpravy provedené na vstupu, tedy na začátku cyklu, kdy je topné médium tlakováno do autoklávu, nebude mít efektivní vliv na úpravu teplotních polí uvnitř autoklávu. Z diagramu 12. je zřejmé, že většina vzduchu je natlakována daleko před extrémem teploty a ochlazovací fáze se celá odehrává bez přítomnosti nového vzduchu.

Dále je možné tvrdit, že nikdy nedosáhneme 100% výtěžnosti po tomto procesu. Ze záznamů závodu Stratobel je zřejmé, že lomy přičítané termickým příčinám tvoří méně než 1 % z celkové produkce. Pokud by však modifikací teplotního pole ve zpracovávaných sklech bylo dosaženo snížení vad alespoň na polovinu, za rok by se zvýšil zisk o 5 000 000 Kč.

První logické východisko pro měření spočívá ve změření skutečné hodnoty teploty zpracovávaného skla během celého procesu slinování. Měření by se mělo provádět na více místech skla, aby se dosáhlo reálného změření tvorby teplotních gradientů.

2. 2. TEORETICKÝ VÝPOČET TEPELNÉHO NAPĚTÍ

Předpokládáme, že ohřívání a ochlazování se děje v oblasti Hookeova zákona, tj. nedochází v viskoelastickému toku skla, tedy vzniká pouze přechodné tepelné napětí. Dále lze uvažovat, že uvažované skleněné tabule mají tloušťku velmi malou oproti plošným rozměrům desky. Pak tabule skla můžeme nahradit idealizovanou nekonečnou deskou. Osy umístíme v kartézském systému tak, že tloušťka bude orientována ve směru osy x a plocha skla bude rovnoběžná s rovinou tvořenou z os y, z. Dále předpokládáme, že deska má na počátku procesu v čase t = 0 s v celém svém objemu stejnou teplotu.

y

( )

δ ₀

δ

Θ x

⌠⎮

⌡ d

⋅

Celá deska se v daném okamžiku zkrátí o: ∆y yp yst−

Rozdíl zkrácení ∆y ∆yx− se projeví jako pružná deformace ε x( ) ε Přičemž: ε ∆y ∆yx−

yp

To vyvolá napětí: σ E⋅ε E ∆y ∆yx−

⋅ yp E ∆y

yp −α Θ⋅

⎛ ⎜

⎝

⎞

⎠

Na plošedx dy⋅ vyvolá toto napětí sílu ∆F σ dx⋅ ⋅dy ,pokud nedojde

k trvalé deformaci desky, musí být součet všech sil na desku nulový, tedy

0 δ x

∑

=

y

0 δ

σ x

⌠⎮

⌡ d

⋅ y E⋅

0 δ

∆y x

yp −α Θ⋅

⎛ ⎜

⎝

⎞

⎠

⌠⎮

⎮⌡

⋅ d 0

Tloušťka skla δ 10 Čas v počátku: t 0 Tloušťka skla: x 0..δ Teplota v počátku: ϑ 0 x( , ) ϑo

Dále provedeme ochlazování konstantní rychlostí obou stran desky.

Teplotní profil: ϑ t x( , )

Teplota na krajích je nejnižší: ϑ t 0( , ) ϑ t δ

( )

,2

⎛ ⎜

⎝

⎞

⎠

Rozdíl mezi délkou: yx yp− ∆yx a yp⋅ Θ ϑx ϑp−

Rozdíl teploty povrch-x vrstva:

V průběhu ochlazování dékla všech vrstev stejná:

oC je napětí dvojnásobné, tedy 31 MPa Θ 20

pro

σ 0 77 10⋅ ⁶ 1 0 005,

⋅

0 0 005,

x

⌠ 10

⎮⌡ d −10

⎛⎜ ⎜⎝

⎞

⋅

⎠

, ,5MPa

oC Θ 10 Napětí vypočtené pro plavené ploché sklo při

σ E⋅α 1−µ

1

δ ₀

δ

Θ x

⌠⎮

⌡ d −Θ

⎛⎜ ⎜⎝

⎞

⋅

⎠

σy σz σ E

1−µ⋅ε

(

)

εx 0 εy εz ε

Z teorie nekonečné desky εz σz

E µ σx

⋅ E

− µ σy

⋅ E

− εy σy

E µ σx

⋅ E

− µ σz

⋅ E

− εx σx

E µ σy

⋅ E

− µ σz

⋅ E

−

Obecně deformací tělesa ve směru 1 osy se podílejí zbylé dvě os Θst 1

δ ₀

δ

Θ x

⌠⎮

⌡ d

⎛⎜ ⎜⎝

⎞

⋅

⎠

Střední rozdíl teploty v desce je

σ E⋅α 1

⋅δ

0 δ

Θ x

⌠⎮

⌡ d −Θ

⎛⎜ ⎜⎝

⎞

⋅

⎠

∆y yp α⋅ 1

⋅δ

0 δ

Θ x

⌠⎮

⌡ d

⋅

Po vyřešení integrálu 1. integrálu:

0 δ

∆y x yp

⎛ ⎜

⎝

⎞

⎠

⌠⎮

⎮⌡

d

0 δ

α Θ⋅ x

⌠⎮

⌡ d

− 0

,musí být y E⋅ ≠ 0

Protože

Výpočet chlazení vrstvených desek.

Dle literatury [5] σ E⋅α 1−µ

1

a x2 x1^⋅

(

)

a x2⋅

Θ x

⌠⎮

⌡ d

⋅ −Θ

⎡ ⎢

⎢ ⎣

⎤ ⎥

⎥ ⎦

⋅

Kde a indikuje x

a 1 a −1 je povrch skla a a 0 je střed skla

po úpravě σ1 1

−6 E⋅α κ 1 µ⋅

(

)

⋅ ⋅ ah⋅ ²

⎛

⎝ ⎞

⋅

⎠

σ2 1

−6 E⋅α κ 1 µ⋅

(

)

⋅ ⋅ ah⋅ ²

⎛

⎝ ⎞

⋅

⎠

Z výše uvedených rovnic pro "několikavrstevnou" desku lze učinit tyto závěry:

a) Všechny desky v bloku s výjimkou eventuální prostřední liché desky budou mít nesymetricky rozložené napětí (při ochlazování bude napětí na levém okraji desky přechodné tlakové a napětí na pravém okraji desky přechodné tahové). Jedině lichá prostřední deska bude mít symetricky rozložené napětí s tahem na obou stranách desky a s tlakem uprostřed.

b) Všechny desky, opět s výjimkou eventuální prostřední liché desky, budou mít jedinou zónu nulového napětí v blízkosti středu desky. Bod a) a b) platí za předpokladu, že zvlášť u tenkých desek nedojde k částečné nebo úplné deformaci (prohnutí), při níž by nastala částečná nebo úplná změna v rozložení napětí, popř. až k jeho dokonalému symetrickému průběhu.

c) Vzhledem k parabolickému rozložení teplot ve vrstvě desek bude absolutní hodnota rozdílu napětí na pravém a levém okraji jednotlivé desky tím větší, čím blíže k povrchu deska leží. Největší tahové i největší tlakové napětí bude v nevrchnější desce.

Z uvedených záznamů, speciálně z bodu c) lze konstatovat, že měřící místa není potřeba umísťovat mezi jednotlivé desky uvnitř bloků skel, neboť největších teplotních gradientů je dosahováno během procesu právě na površích bloků.

2.3. LOKALIZACE MĚŘÍCÍCH MÍST

Návrh na měřící místa byl volen s ohledem na pravděpodobné výskyty teplotních gradientů. V podstatě navrhované lokace potažmo směry měření jsou ve všech třech směrech kartézského systému s tím, že respektujeme sklon roviny y,z o sedm stupňů, tak jak jej udává konstrukce stojanu.

Návrh prvního teplotního směru je ve svislém směru (Obr. 13). Tento směr bude sledovat, zda ohřívání resp. ochlazování se děje stejně jak na horní straně tabule, která je v relativně volném prostoru, tak na spodní straně tabule, která stojí na stojanu. Předpoklad je takový, že spodní strana bude hůře reagovat na teplotu topného média, neboť v těchto místech má proudění větší místní odpor, než druhý volný konec horní tabule skla. Dále se projeví účinnost konstrukčního řešení dvou obdélníkových kanálků v horní části autoklávu, které by měly naopak podpořit (zvýšit objem proudícího vzduchu) ve spodní části tabulí skel. Lze říci, že by teoreticky mohl ve vertikálním směru vzniknout tepelný gradient.

Obr.13 První směr měření - pozice měřených míst

Druhý teplotní směr by měl být sledován v horizontálním směru (Obr.

14). To bude zase zaznamenávat úbytek energie, kterou topné médium ztratí na chladnějším předním konci tabule ohřívaných skel. Teplota by při ohřívání měla být na předním konci vyšší než na zadním konci a naopak při ochlazování by měla být teplota na předním konci nižší než na zadním konci. Obecně lze

říci, že přední konec by měl teoreticky lépe kopírovat teplotu topného média než konec zadní. Tím by měl v horizontálním směru vzniknout teplotní gradient.

Obr.14 Druhý směr měření - pozice měřících míst

Třetí a poslední směr měření by měl být proveden napříč bloku skel (viz obr. 14) Podle kapitoly 2.2 c) lze konstatovat, že v ideálním případě nedojde k většímu teplotnímu gradientu uvnitř skel, ani jednotlivé tabule skel nebudou více namáhané teplotním gradientem uvnitř bloku ani uvnitř nakládky. Navíc pro pokusně zvolenou hodnotu teplotního gradientu 10 ^oC mezi povrchem skla a jeho středem činí vnitřní napětí podle výše provedeného výpočtu 15 MPa. Tato hodnota je pro běžná skla několikanásobně nižší než jejich pevnostní práh (pokud toto napětí není v kombinaci s vadou). Tato hodnota tepelného gradientu bude sloužit jako přehled a také nám načrtne, jak přibližně v tomto směru probíhá rozložení teplot, potažmo jak zde dochází k předávání tepla.

Navíc tímto měřením můžeme odhalit velký rozdíl mezi poslední zakládanou tabulí, která je v relativně volném prostoru, a první zakládanou tabulí, která má kolem sebe velký místní odpor k proudění topného média.

Obr.15 Třetí směr měření - pozice měřících míst

S již zavedenou a dostačující praxí bude pravděpodobně měření provedeno přilepením termočlánků přímo na povrch skla. Autokláv má od výrobce pro tyto účely na příčce oddělující kanál přívodního vzduchu od pracovního prostoru svorkovnice, na které lze umístit kompenzační vedení od termočlánků (viz obr.16)

Měření bude probíhat po celou dobu pracovního cyklu a výsledky budou interpretovány pro navrhnutí úprav, které by umožnily zvýšení objemu protékajícího vzduchu kolem těch míst na tabulích skel, které nejhůře kopírují teplotu topného média.

3. KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ

V této kapitole budou nejdříve zanalyzovány výsledky z provedeného měření, dále budou zformulovány požadavky na konstrukční úpravu proudění a posléze bude provedeno samotné konstrukční řešení.

3. 1. VÝSLEDKY MĚŘENÍ

Cílem této kapitoly je znázornění a interpretace měření, které bylo provedeno podle kapitoly 2.3. Dále byly pořízeny snímky z termokamery a obrázky numerického modelování.

3. 1. 1. Výsledky měření termočlánků

Během pracovního cyklu bylo provedeno měření pomocí termočlánků přesně podle specifikace v kapitole 2.3.. Výsledky jsou znázorněné na Obr. 17., 18. a 19.

Horizontální směr měření podélně tabulí skla

Z tohoto měření lze konstatovat, že dle předpokladu přední hrana přesněji kopíruje teplotu topného média. Dále je z grafu (Obr. 17) patrné, že daleko vyšších hodnot teploty dosahuje poslední nakládaný blok na stojanu. To je pravděpodobně důsledkem velkého místního odporu způsobeného stojanem, čímž topné médium není schopné předávat tolik tepla jako bloku v relativně volném prostoru. I proto rozdíl teploty přední oproti zadní straně je u posledního nakládaného bloku skel nižší (maximálně 7 ^oC), než u prvního nakládaného bloku skel, který má rozdíl těchto teplot až 25 ^oC. Podle výše provedeného výpočtu napětí vyvolané rozdílem teplot 25 ^oC se blíží 40 MPa. Obecně lze říci, že podle předpokladu přední hrana lépe koresponduje s teplotou topného média než zadní hrana skel.

Vertikální směr měření tabule skla

Toto měření odhalilo skutečnost, že se ve vertikálním směru skla zaznamenávají minimální teplotní gradienty (Obr. 18). I zde se projevuje horší schopnost korespondování teploty topného média u prvního nakládaného bloku skel, nicméně i první i poslední nakládaný blok skel nezaznamenává větší teplotní gradient než 10 ^oC. Pravděpodobně dvěma přídavnými kanály v horní části autoklávu (Obr. 10) bylo dosaženo eliminace handicapu místního odporu stojanu, díky čemuž teploty jsou stejné, a dokonce u posledního nakládaného bloku skel bylo dosaženo toho, že spodní hrana skla přesněji kopíruje teplotu topného média než horní.

Horizontální směr měření napříč bloků skel

Z posledního měření napříč skel lze potvrdit již napsané v předchozích dvou měřeních, a to přesnější kopírování teploty topného média posledního nakládaného bloku oproti prvnímu nakládanému bloku skel.

3. 1. 2. Záznam termokamery

Bezprostředně po vyvezení skel z autoklávu, který ukončil svůj pracovní cyklus, byl pořízen záznam z termokamery (Obr. 20,21). Tyto snímky nemají přímou vypovídací hodnotu o průběhu proudění média autoklávu ani z nich nelze přímo vyvodit závěr o rozložení teplotního pole, neboť jsou pořízeny sice bezprostředně, ale po pracovním cyklu.

Obr. 20 Snímek termokamery zezadu stojanu

Obr. 21 Snímek termokamery z čela stojanu

Z těchto snímků je však patrné, že i po relativně dlouhé době, kdy docházelo k tepelné regeneraci skla, jsou ve skle rozdíly teploty až 10 ^oC. Navíc je zde patrné, že nejchladnější jsou konce tabulí nahoře a dole (tedy ve vertikálním směru). Dále je zde vidět, že k nejvyšším teplotám (tedy nejhoršímu kopírování teploty okolí) dochází uprostřed bloků skel i uprostřed nakládky Termický

lom

stojanu. Další podstatnou věcí, kterou lze odhadnou ze snímků (hlavně Obr.

22.), je velmi špatné sdílení tepla za místními odpory. V našem případě jsou tyto odpory reprezentovány příčníky pro podpory prokladů a samotnými opěrami prvního zakládaného skla v podobě tropického dřeva.

Obecně lze říci, že čím blíže středu bloku skel stejně tak jako středu zakládky skel, tím hůře jejich teplota kopíruje teplotu chladícího média. Dále lze obecně říci, že místní odpory zapříčiňují vznik lokálních teplotních gradientů, které v kombinaci s celkovými gradienty a vadami skel můžou vézt až ke vzniku termálních lomů.

Na Obr. 20. lze vidět uprostřed tabule prvního zakládaného skla termický lom, neboť je jeho okraj chladnější oproti plnému sklu. Je zřejmé, že tento lom vznikl uprostřed tabule a není tudíž způsoben vnějším mechanickým poškozením.

3. 1. 3. Numerické modelování

Bylo provedeno numerické modelování průběhu rychlostí v průběhu procesu. Toto modelování bylo sice provedeno na základech geometrických rozměrů z této práce, nicméně nepatří do obsahu zadání. Pouze je z těchto modelových výsledků vycházeno při návrhu konstrukčních úprav.

Obr. 22 Numerická simulace proudění - proudnice

Stojan se skly

Turbulentní oblast

Obr. 23 Numerická simulace proudění - gradienty rychlosti proudění vzduchu

Obr. 24 Numerická simulace proudění - rychlostní pole

Z numerické simulace je zřejmé, že rychlost proudění média se pohybuje do 20 m/s, pokud nebereme v úvahu rychlost proudění v transportních kanálech. V pracovním prostoru se topné médium pohybuje průměrně rychlostí do 10 m/s. Samozřejmě se nabízí otázka, do jaké míry jsou výsledky této simulace reálné. Následných přímým měřením bylo zjištěno, že rychlost

proudění (v testovacím místě uvnitř pracovního prostoru autoklávu během pracovního procesu) byla přibližně stejná.

Z proudnic (Obr. 22) lze vidět, že dochází při ke značným turbulencím a neuspořádanému proudění v oblasti reverzace média vypouklým dnem v přední části autoklávu. V těchto oblastech je topné médium otáčeno do pracovního prostoru (Obr. 25).

Obr. 25 Schéma současného proudění v autoklávu

Na Obr. 25 je schematicky naznačeno, jak přibližně probíhá proudění v autoklávu během procesu.

3. 2. FORMULACE POŽADAVKŮ NA KONSTRUKČNÍ ÚPRAVY

Z provedených měření lze konstatovat, že aby bylo dosaženo snížení teplotních gradientů ve zpracovávaném skle, musí se zaručit intenzivnější proudění mezi bloky skel a hlavně u prvního nakládaného bloku. Z výsledků měření je vidět, že ve vertikálním směru není potřeba upravovat proudění.

Toho by mohlo být dosaženo přepažením jalového prostoru kolem bloků skel a nasměrováním proudícího média na bloky skel.

3. 3. ZMĚNA ZAKLÁDÁNÍ BLOKŮ DO STOJANU

První logickou neinvazivní změnou, proveditelnou pouhou úpravou programu zakládání skel do stojanu, je založení prokladu mezi stojan a první blok skel. Tím bude sice snížena pracovní délka stojanu o 20 mm, které by se naopak získaly demontováním stávajícího obložení stojanu tropickým dřevem.

Tímto opatřením by bylo dosaženo pravděpodobně zkvalitnění nejnamáhanějšího skla v prvním zakládaném bloku.

3. 4. Usměrnění pomocí deflekce

Druhou, již mnohem složitější úpravou je zařazení deflektorů do přední části těsně před bloky skel. Ty by měly vytvářet deflekcí usměrnění proudícího vzduchu do středu zakládky skel.

Proudění mezi bloky skel na stojanu Proudění jalovým prostorem

Proudění v

transportním kanále Reverzace proudění Vnější plášť autoklávu

Vnitřní příčka autoklávu Stojan se skly

Vypouklé dveře autoklávu

Obr. 26 Schéma proudnic před a po zařazení deflektorů před bloky skel 3. 4. 1. Přehled výkresové dokumentace

Způsob členění přiložené výkresové dokumentace ukazuje obr. 27., ze kterého je patrné značení výkresů a vazby mezi jednotlivými výkresy.

Vyhotovené sestavné výkresy obsahují kusovníky přímo na výkrese.

Všechny podsestavy mají nakreslené detaily na jednom listu. Ty budou sloužit jako dílenské výkresy pro výrobu celého zařízení.

Výjimku tvoří výkresy deflektorů, které nemají dílenské výkresy pro jednotlivé lamely. Jsou pouze zakreslena nutná data pro výpočetní software, který je přímo součástí moderních šestiosých ohraňovacích lisů. Takový lis vlastní firma AD-Tech s.r.o. se sídlem v Klášterci nad Ohří. Výroba byla konzultována s technologem výroby ing. Komárkem.

Obr. 27 Přehled výkresové dokumentace

Proudění před úpravou Proudění po úpravě

Deflektor

3. 4. 2. Deflektor

Pravý i levý deflektor je tvořen čtyřmi lamelami, z nichž je jedna základní a tři doplňující. Základní lamela je tvořena z 3 mm tlustého plechu a primárně omezuje proudícímu médiu autoklávu proniknutí do jalových prostor. Další tři lamely jsou zavěšeny na základní pomocí spodního a horního plechu na jejich koncích, které jsou ještě doplněny o výztuhové plechy v jedné a v druhé třetině jejich výšky. Mimo horního a spodního plechu jsou doplňující lamely s výztuhami tvořeny z 2 mm tlustého plechu. Celé tyto lamely jsou pevně spojeny svěrným spojem k otočnému uložení příslušného deflektoru. Každý deflektor je ještě doplněn o čelní plech, který je umístěn na horním plechu každého deflektoru. Ten má za funkci omezení pronikání proudícího média do jalového prostoru nad stojanem se skly.

Všechny části až na výjimku druhé části svěrného spoje s otočným uložením, který je sešroubován, jsou svařeny. Všechny součásti opět s výjimkou uchycení k uložení jsou z tenkostěnného plechu na laseru vypálené, případně ohraněné. Uchycení k otočnému uložení je tvořeno z 50 mm tlustého plechu a vypáleného na kyslíkoacetylénovém hořáku. Dále jsou tyto kusy třískově obráběny nejlépe na horizontální vyvrtávačce.

Žádná část opět s výjimkou uchycení na otočné uložení příslušného deflektoru nemá stejné geometrické rozměry jako protější deflektor. Konstrukce musí umožňovat při maximální možné míře usměrnění média a zároveň i bezproblémovou nakládku a vykládku stojanů se skly.

Lamely budou vyrobeny náročnou technologií laserového vypalování a šestiosého ohraňovacího CNC lisu, neboť jejich složitý tvar neumožňují vytvořit běžné tvářící stroje. Lamely jsou v postatě tvořeny dvěma konkávními profily, které jsou spojeny. Konstrukce deflektorů respektuje tvar autoklávu i 7 ^o sklon skel uložených na stojanu.

Geometrie deflektorů byla navržena tak, aby nekonfliktně ale efektivně usměrňovala proudící médium do potřebných míst, aniž by způsobovala větší místní odpor proudící atmosféře.

Obr. 31 Horní svěrné uložení

Základní lamela

Svěrná čelist universální Šroub s válc. hlavou Spodní horní svěrná čelist

Obr. 28 Pravý deflektor zezadu

Na obr. 28 je znázorněno, kde jsou umístěny svěrné spoje uchycení. Při montáži je nejprve nutné namontovat otočné uložení (Obr. 33). Proudění topné atmosféry skrz lamely deflektoru by mělo omezit vznik turbulencí vznikajících po jejím otočením vypouklými dveřmi. Kvalitativně příznivější laminární až přechodné proudění po usměrnění lamelami deflektoru snáze pronikne mezi bloky skel mezerami vytvořenými proklady. Tak bude zaručena distribuce většího množství topného média do míst, které vytvářejí teplotní gradienty.

Usměrnění proudnic je naznačeno na obr. 29.

Obr. 29 Schéma proudění přes lamely deflektoru Čelní plech

Horní svěrné uchycení Výztuhy v druhé třetině Výztuhy v první třetině Spodní svěrné uchycení Spodní plech

Řez deflektoru

Proudnice topného média

Obr. 30 Pravý deflektor zepředu

Obr. 32 Sestava deflektorů s aretací v autoklávu

Horní plech

Základní lamela

Lamela I.

Lamela II.

Lamela III.

Autokláv

Aretace Levý deflektor

Pravý deflektor

Výpočet šroubového spojení svěrného spoje deflektoru.

∆ld 12µm pro Ra 6 3µm, trvalé stlačení

cp 0 82 10, ⋅ ⁻³ pružná poddajnost spojovaných součástí

∆FV ∆ld φ⋅

cp 9561N snížení montážního předpětí trvalou deformací (sednutím)

FM 68283N dovolená montážní síla

FMmax FMdov< předimenzován

σred 872MPa napětí ve šroubu při utahování kk Rp 0⋅ 2,

σred 1 24, > 1,2 vyhovuje

p 295MPa < pG 500MPa pro mat. 42 2650, dovolený tlak pod hlavou Fg k⋅ 1800N hmotnost deflektoru= 120 kg

k 1 5, součinitel přetížení deflektoru

µq 0 15, součinitel tření pro opracované plochy Fq Fg

µq 12000N osová síla na šrouby Fq1 Fq

12 1000N osová síla na šroub FMmin 16kN minimální montážní síla

FMmax 25kN maximální montážní síla

kU 4 součinitel utahování

ld

d 5 φ 0 215, silový poměr

Vyhovuje šroub M10x25 ČSN 1143,90 - 12K 3. 4. 3. Otočné uložení

Uložení deflektorů je realizováno dvěmi ložiskovými domky na každé straně (horní a spodní) a v nich otočně uloženou hřídelí. Ložiskové domky jsou tvořeny svařencem z 8 mm tlustých plechů a objímkou pro ložisko. Na obrázku

je zřetelné, že horní ložiskový domek obsahuje mimo objímky též víčko, které uzavírá objímku a zároveň vymezuje ložisko.

Ložisko je voleno ze standardní řady SKF dvouřadé kuličkové naklápěcí valivé. Je zvolen typ (dle výkresové dokumentace) odolávající teplotám 150 ^oC.

Dále jsou zařazeny za ložisko dvě těsnící lamely (u horního dvě a u spodního jedna). Ty slouží k utěsnění prostoru ložiska, aby nedocházelo ke vniknutí nežádoucích předmětů do ložiska a naopak vytékání ložiskového mazadla z ložiska. Též těsnící lamely odolávají teplotám 150 ^oC.

Obr. 33 Pravé otočné uložení

Otočná hřídel je tvořena tlustostěnnou trubkou o průměru 50 mm, která má navařené po obou svých koncích koncovky, které slouží k uložení ložiska se Z lamelami. Na těchto koncích jsou ložiska fixovány pojistnými kroužky. Vznikají tak tři oddělené části. Ložisková tělesa, která se sešroubují se stěnou autoklávu a hřídel s ložisky, která se umístí do ložiskových těles a opět sešroubováním víček ložiskových těles se upevní. Horní ložiskové těleso má možnost korekce výšky ve šroubovém spojení.

Vnější plášť autoklávu

Vnitřní příčka autoklávu Pravé horní ložiskové těleso

Pravé spodní ložiskové těleso Otočná hřídel

Obr. 34 Detail pravého horního ložiskového domku

Protože se otočné uložení bude nacházet uvnitř pracovního prostoru autoklávu, bude vystaveno nepříznivým podmínkám jako je vysoká teplota, tlak a zplodiny z tavících se fólií. Konstrukce byla navržena tak, aby funkční valivý člen (ložisko) bylo před těmito vlivy chráněno. Ložisko je uloženo do objímky, která je z jedné strany těsně uzavřena víčkem s osazením a na straně druhé je chráněna Z lamelami, které jednak zabrání vniku nečistot do ložiska a jednak zachytí mazivo ložiska uvnitř ložiskového domku. Je třeba si uvědomit, že při teplotách 140 ^oC jsou i relativně viskózní maziva jsou schopna vytékat úzkými otvory. Těsnící lamely jsou navrhnuty od firmy SKF. Tyto lamely odolávají teplotám až 150 ^oC. Samo ložisko těsnění nemá, neboť by neodolalo provozním teplotám pracovního procesu.

Obr. 35 Řez pravým horním ložiskovým tělesem

Vnitřní příčka autoklávu Pravé horní ložiskové těleso

Sešroubování s vn.

příčkou autoklávu Sešroubování víčka

k objímce ložiskového tělesa

Víčko

Objímka

Ložisko

Z-lamela

Koncovka hřídele

Pojistný kroužek

Otočná hřídel Plechy

ložiskového tělesa

Výpočet šroubového spojení otočného uložení k příčce autoklávu

Ra 6 3µm, trvalé stlačení

cp 0 82 10, ⋅ ⁻³ pružná poddajnost spojovaných součástí snížení montážního předpětí

trvalou deformací (sednutím)

∆FV ∆ld φ⋅

cp 2966N

FM 68283N dovolená montážní síla pro M12-10K FMmax FMdov< předimenzován 10K -> 8G

FM 48594N dovolená montážní síla pro M12-8G

FMmax FM< vyhovuje

σred 475MPa napětí ve šroubu při utahování kk Rp 0⋅ 2,

σred 1 35, > 1,2 vyhovuje

p 227MPa< pG 500MPa pro mat. 11 500, dovolený tlak pod hlavou Fg k⋅ 2250N hmotnost deflektorua uložení = 150 kg k 1 5, součinitel přetížení deflektoru

µq 0 2, součinitel tření pro otryskané plochy Fq Fg

µq 11250N osová síla na šrouby Fq1 Fq

8 1405N osová síla na šroub -> M12-10K

FMmin 20kN minimální montážní síla

FMmax 32kN maximální montážní síla

kU 4 součinitel utahování

ld

d 5 φ 0 215, silový poměr

∆ld 12µm pro

Vyhovuje šroub M12x50 ČSN 1143,90 - 8G

Šroubové spojení je realizováno na vnitřní příčce, které je tvořena z plechu 2 mm tlustého. Po okrajích tohoto plechu jsou výztuhy z plechu 10 mm tlustého. Do tohoto plechu je třeba vyvrtat otvory o průměru 13 mm. Tyto otvory je třeba vyvrtat po přiložení uchycení na stěnu, aby byla zaručena přesnost uložení. Podle výpočtu je třeba značné momentové utahovací síly, aby bylo dosaženo dostatečného tření pro přenos hmotnosti na příčku autoklávu.

Výpočet ložisek otočných uložení Výpočet ložiska otočného uložení FA 2000N axiální síla FR 600N radiální síla

Feo Xo FR⋅ + Yo FA⋅ 1 600⋅ + 0,22 2000⋅ 1040N ekvivalentní statické zatížení bezpečnost ložiska je-li zvoleno ložisko SKF 1205 se snížením 10% únosnosti při 150 ^oC

So Co 10%− Feo

4050 10%−

1413 5, 3 5, 3. 4. 4. Aretace deflektorů

Aretace deflektorů slouží k jejich ukotvení k autoklávu. Návrh aretace umožňuje volbu tří poloh, podle aktuální potřeby.

Pravá a levá aretace jsou identické s výjimkou délky samotných táhel. Ta jsou pro různou polohu vůči deflektoru jinak dlouhá, avšak se stejným zakončením. Konstrukce je tvořena základem - aretačním excentrem, který je uchycen šroubovým spojením k deflektoru.

Aretační excentr je tvořen z kliky, která je přes čtyřhran spojena s dvěma excentry. Čepy spojující oba excentry jsou svařeny v jednom z excentrů, ostatní části aretačního excentru jsou sešroubovány a celý mechanismus je rozebíratelný. V krajních polohách jsou pomocí excentrů vytvořeny dorazy.

K aretačnímu excentru jsou spojeny táhla přes čepy. Táhla vedou k hornímu a spodnímu konci deflektoru, kde jsou uložena v příslušném uložení umožňujícím posuv a změnu úhlu vůči ose táhla způsobenou různou polohou aretačního excentru. V dolní části táhla zaběhávají do otvorů zhotovených v podlahové příčce autoklávu. Otvor má kuželové zahloubení pro snadnější proniknutí táhla do podlahy. Na horním konci je situace poněkud složitější, neboť se zde nenachází žádná vnitřní příčka a tudíž bylo potřeba umístění přídavného prvku.

Tím je aretační jekl (výkresová dokumentace LEVÁ ARETACE). Ten je tvořen ze svařence ze zmiňovaného jeklu. Hlavní část jaklu je zakroužena do

poloměru kopírující tvar autoklávu a v příslušném místě jsou opatřeny plechem s třemi kuželově zahloubenými otvory opět pro možnost volby pozice deflektorů podle aktuální potřeby. Samotný aretační jekl je šroubově spojen s vnitřními příčkami přídavných transportních kanálů.

Obr. 36 Aretační excentr

Aretace se ovládá otočením kliky o 90^o. Při vertikální poloze kliky je deflektor odaretován a při horizontální poloze je deflektor aretován k autoklávu.

Obr. 37 Horní uložení táhla Obr. 38 Spodní uložení táhla Sešroubování

s lamelou deflektoru

Excetr

Pravé spodní táhlo Lamela

deflektoru

Klika Pravé horní táhlo

Aretační jekl

Horní uložení

Spodní uložení

4. TECHNICKOEKONOMICKÉ HODNOCENÍ

Cílem řešení diplomové práce byl návrh zařízení zajišťujícího usměrnění proudícího topného resp. chladícího média uvnitř autoklávu tak, aby byly eliminovány teplotní gradienty způsobené nehomogenními teplotními poli v průběhu pracovního procesu. Prostředkem usměrnění se stalo zařazení deflektorů před bloky skel ve směru proudění média do pracovní části autoklávu.

V technickém hodnocení je popsán výsledek jednotlivých konstrukčních řešení a zhodnocen jejich přínos.

Ekonomická část hodnocení podává přehled o přibližných finančních nákladech na výrobu a montáž deflektorů včetně jejich příslušenství.

4. 1. TECHNICKÉ HODNOCENÍ

Navržené konstrukční řešení modifikace teplotního pole je realizováno zařazením deflektorů před bloky zpracovávaných skel tak, aby došlo k usměrnění obíhající atmosféry. Usměrnění má za význam omezení proudícího vzduchu do jalového pracovního prostoru autoklávu, ale i změnu druhu proudění.

Jak bylo simulací ověřeno, majoritní podíl homogenizace teplotního pole tabulí skel touto technologií závisí na množství proudícího média v mezerách mezi bloky skel. Zařazení deflektorů do oběhu proudícího média přinese kvalitativně lepší parametry proudění pro vstup vzduchu do mezer mezi bloky skel. Laminárním případně přechodným prouděním se zvýší nejen množství vzduchu proudícího do mezer mezi skly, ale i zkvalitnění přestupu tepla mezi topným resp. chladícím médiem a zpracovávaným sklem.

Tím bude zpracovávané sklo schopno přesněji reagovat na změnu teploty média a následně i homogenizovat své teplotní pole. Homogenizací teplotního pole dojde k eliminaci teplotních gradientů. Tyto teplotní gradienty způsobují přechodným napětím v kombinaci s dalšími vadami jako trvalé napětí z předchozího vychlazení, povrchové poškození (škráby, nekvalitní řez, ...), nehomogenitou skla, napětí od nerovnosti stojanu apod. k občasný vznik termického lomu, který zcela znehodnocuje zpracovávanou tabuli.

Do jaké míry však toto opatření bude fungovat, může teoreticky zodpovědět následná simulace. Též geometrické tvary a velikosti byly navrženy pomocí obecných principů usměrnění proudění, ale do jaké míry budou efektivní je otázkou dalšího testování.

Samotná konstrukce je značně náročná hlavně v kooperaci s ohraňovacím lisem a dále v jejím sestavení.

Deflektory splňují podmínky zařazení to autoklávu. Jednak umožňují bezkontaktní nakládku a vykládku skel během zavážení a jednak respektování bezpečnosti, která se váže při práci s vysokotlakými nádobami. Jsou schopny reagovat na nepřesnost založení stojanu do autoklávu stejně jako umožněni korekce uložení pro pokrytí nepřesnosti výroby.

4. 2. EKONOMICKÉ HODNOCENÍ

Výsledkem diplomové práce jsou dvě dílčí zařízení, která nelze přesně ekonomicky zhodnotit.

Je naprosto spekulativní odhadnout procento snížení ztrát způsobených eliminací termických lomů. Pokud však připustíme 5% snížení těchto ztrát díky homogenizaci teplotního pole skla, bude návratnost následující:

Z hodnot poskytnutých závodem Stratobel společnosti Glaverbel Czech a.s. činily ztráty přičítané pouze termickým lomům za rok 2004 téměř 10 000 000 Kč.

Náklady na realizaci zařízení a jeho následné testování pomocí numerické simulace jsou vytvořeny odhadem s účastí kvalifikovaného pracovníka výrobního podniku.

Náklady na projekt a konstrukci 45 000,- Kč Náklady na modelové ověření přínosu řešení 50 000,- Kč

Výrobní náklady 95 000,- Kč

Celkové náklady na realizaci Cn = 190 000,- Kč Úspora pří 5% snížení ztrát Cu = 500 000,- Kč Návratnost investice na realizaci zařízení N = Cn / Cu = 0,38 roku.

Doba návratnosti navrženého zařízení při spekulativním odhadu 5%

snížení ztrát díky vzniku termických lomů činí přibližně 0,4 roku.

ZÁVĚR

Diplomová práce předkládá konstrukční řešení modifikace teplotního pole během pracovního cyklu autoklávu.

V úvodní části byla provedena analýza technologie slinování, popis stávajícího zařízení včetně pracovních a technických charakteristik.

Dále byla na základě provedené analýzy navržena strategie měření provozních veličin pro zmapování rozložení teplotních polí ve zpracovávaném skle.

Následně bylo provedeno měření a jeho výsledky interpretovány z hlediska zlepšení rozložení teplot ve zpracovávaném skle. Byla navržena numerická simulace. Na základě dosažených výsledků měření bylo navrženo konstrukční řešení prostřednictvím deflektorů. Deflektory a jejich příslušenství byly zpracovány do formy dílenské výkresové dokumentace.

V technickoekonomické části byl posouzen přínos navrženého zařízení jak z hlediska technických vlastností, tak z hlediska nákladů a jejich návratností.

Předložené konstrukční řešení úpravy teplotních polí zpracovávaného skla v autoklávu, které je určeno do zpracovatelského provozu závodu Stratobel společnosti Glaverbel Czech a.s., splňuje veškeré požadavky na zařízení, a to jak z hlediska konstrukčních parametrů, tak bezpečnosti vysokotlaké nádoby i bezkolizního provozu během zakládání skla.

SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY

[1] Technické podklady Glaverbel Czech a.s., týkající se výrobního procesu [2] Katalogové listy výrobce vrstveného skla STRATOBEL

[3] Výrobní manuál ohraňovacího lisu TRUMATIC

[4] Fanderlík, I.: Vlastnosti skel, Informatorium, Praha 1993 [5] Schnill, F.: Chlazení skla, Informatorium, Praha 1996 [6] Vávra, P., Strojnické tabulky, SNTL, Praha 1984

[7] Vávra, P., Strojírenská příručka, svazek 4., 5., 6., Scientia, Praha 1995 [8] Belda, J., Sklářské a keramické stroje II., Tepelné výpočty, Liberec 1986 [9] Klebsa, V., Technologie skla a keramiky I., Sklo, Liberec 1981