Automatyzacja wytwarzania wymienników ciepła w postaci wężownicy na zbiornikach procesowych

1. Zastosowanie wymienników ciepła w zbiornikach

     Wymienniki ciepła na zbiornikach procesowych wykorzystuje się w różnych procesach technologicznych – min. do obróbki cieplnej przechowywanych lub mieszanych produktów. W tego typu zbiorniki są wykorzystywane w przemyśle spożywczym, chemiczny, petrochemicznym, farmaceutyczny. Takie zbiornikowe wymienniki ciepła  służą do podgrzewania, chłodzenie, regulacji temperatury w procesach technologicznych takich jak pasteryzacja, fermentacja, upłynnianie zacierów, gotowanie, syntezy chemiczne, temperowanie. Firma FME Food Machinery Europe Sp. z o.o. działa w Polsce od 2007 roku jako producent maszyn i urządzeń oraz linii technologicznych, wykorzystywanych w przemyśle spożywczym – przetwórstwie owoców i warzyw.

Ciągłe doskonalenie i podnoszenie jakości produkowanych wyrobów i świadczonych usług wymaga inwestycji w nowe rozwiązania technologiczne aby wyjść naprzeciw oczekiwaniom klientów i pozyskać nowe rynki sprzedaży oraz zdobyć przewagę konkurencyjną. Z tego względu firma postanowiła ulepszyć produkcję zbiorników procesowych wykorzystywanych w przemyśle spożywczym, w liniach technologicznych przy produkcji między innymi napojów, soków, ketchupu, przecierów owocowych, dżemów, nadzień cukierniczych, musów owocowych, czekolady, czy też syropów. Zbiorniki procesowe to jedne z najczęściej wykorzystywanych urządzeń w procesie produkcji artykułów spożywczych, a branża spożywcza wykazuje stałe zapotrzebowanie na innowacyjne rozwiązania produktowe oraz technologiczne. Ze względu na charakter procesu zbiorniki mogą pełnić funkcję magazynową, buforową, czy służyć do realizacji technologicznych procesów termicznych. Konieczność zastosowania zbiornika do mieszania, podgrzewania, chłodzenia lub utrzymania temperatury, czy składowania medium występują na różnych etapach procesu technologicznego. Stąd zbiorniki procesowe są nieodzownym elementem większości produkcyjnych linii technologicznych w przemyśle spożywczym.

2. Symulacja komputerowa elementów wężownicy na zbiorniku procesowym

     Dzięki stosowaniu w biurze konstrukcyjnym oprogramowania komputerowego CAD Solid Works wykonano szereg symulacji komputerowych, które miały na celu skrócenie czasu do opracowania optymalnego przekroju kształtowanej wężownicy i zmniejszenie kosztów jej wytwarzania.

Założenia jakie zostały przyjęte do przeprowadzenia symulacji komputerowej zmierzającej do otrzymania właściwego profilu wężownicy to: odporność na ciśnienie co najmniej 6 barów, podatność do kształtowania plastycznego – walcowania, nawijania na płaszcz zbiornika, niska wrażliwość na zmiany ciśnienia i  temperatury, wysoka odporność na osadzanie się kamienia kotłowego małe opory przepływu medium grzewczego/chłodzącego, wysoka odporność korozyjna oraz niska masa. Efektem takich symulacji komputerowych było otrzymanie optymalnego przekroju wężownicy.

3. Prace badawczo – rozwojowe, badania własne

     Przekrój ten został wykonany technika gięcia na prasie krawędziowej i następnie został spawany ręcznie metodą TIG do płaskiej blachy. Tak przygotowany element został poddany próbie hydrostatycznej, w czasie której badano odkształcenie i odporność na ciśnienie. Badania własne wykazały, że założony kształt wężownicy wytrzymuje ciśnienie pracy w temperaturze otoczenia 140 bar i nie ulega zniszczeniu. Ciśnienie próby było ograniczone możliwościami urządzenia do prób hydrostatycznych, który został przyjęty i na którym zostały wykonane badania w rzeczywistych warunkach odporności na ciśnienie. Do prób wykonano wężownice o długości 1200mm. 

Na zakończenie projektu badawczego powstałe w ramach realizacji prac B+R rozwiązania konstrukcyjnotechnologiczne zostały sprawdzone w warunkach rzeczywistych. W związku z powyższym, zostało opracowane i zaprojektowane zautomatyzowane stanowisko technologiczne do wytwarzania typoszeregu zbiorników procesowych.

4. Projekt zautomatyzowanego stanowiska do wykonywania wymienników ciepła w postaci wężownicy na płaszczach zbiorników procesowych.

     Głównym założeniem tego projektu było, że w czasie jednego cyklu technologicznego wężownica jest kształtowania, walcowana i jednocześnie spawana do zewnętrznej powierzchni płaszcza zbiornika procesowego.

Głównymi zespołami tego stanowiska są: słupowysięgnik, na ramieniu, którego zamocowany jest zespół spawalniczy zawierający dwa palniki spawalnicze TIG z podawaniem drutu do jeziorka spawalniczego, walcarka rolkowa do kształtowania ceowników, zamocowaną do słupowysięgnika a także siłownik o regulowanej sile docisku. Siłownik na końcu tłoczyska ma zamocowaną rolkę dociskową, która odpowiada za walcowanie kanału wężownicy do zewnętrznej powierzchni płaszcza zbiornika o danej średnicy. Dzięki temu kształt kanału wężownicy dopasowuje się w sposób automatyczny do zewnętrznej średnicy zbiornika. Profil wężownicy jest kształtowany za pomocą walcarki. Walcarka rolkowa stanowiska spawalniczego zawiera pięć par rolek walcujących, a każda rolka walcująca jest napędzana z motoreduktora. Założony kształt profilu wężownicy uzyskiwany jest przez przejście płaskownika przez kolejne pary rolek, które zwiększają odkształcenie plastyczne a efektem końcowym jest właściwa geometria kanału.

Słupowysięgnik stanowiska spawalniczego, jest zamocowany obrotowo na wózku jezdnym osadzonym na pierwszym torowisku za pośrednictwem łożyska wieńcowego. Obrót słupowysięgnika następuje za pośrednictwem przekładni zębatej i serwonapędu. Na drugim torowisku osadzone są podpora rolkowa czynna oraz podpora rolkowa bierna na których zamocowany jest zbiornik w zakresie średnic 1200 do 3200mm. Podpora rolkowa czynna powoduje wymuszony obrót zbiornika zależny od prędkości spawania. Stanowisko spawalnicze posiada pozycjoner przechylnoobrotowy do wykonywania wężownic na zbiornikach w zakresie średnic między 780 a 1200mm. Od strony walcarki, jest zamocowany dozownik gazu do ochrony grani wewnątrz profilu wężownicy a także zawierający element masowy, który umożliwia zamknięcie obwodu spawania. Płaskownik w zwinięty w kręgu jest zamocowany przed walcarką.

Spawanie prowadzone jest metodą GTAW w osłonie gazów obojętnych, przy czym stosuje się gaz formujący azot do ochrony grani spoiny wewnątrz profilu wężownicy, w miejscu spawania. Zbiornik wprowadza się w ruch obrotowy oraz zmienia się położenie palników wraz z wózkiem jezdnym ze słupowysięgnikiem i walcarką ruchem prostoliniowym zsynchronizowanym z ruchem obrotowym zbiornika. Jako źródła prądu w metodzie GTAW są zainstalowane dwa urządzenia o maksymalnym prądzie spawania 500A firmy Closs Polska. Zastosowane urządzenia pozwalają na utrzymanie stałej długości łuku elektrycznego między jeziorkiem spawalniczym a palnikiem niezależnie od dokładności wykonania płaszcza zbiornika. Odległość ta jest zależna od napięcia panującego w czasie jarzenia łuku elektrycznego. Im łuk elektryczny jest dłuższy to napięcie jest wyższe. Wygnał ten jest wysyłany do sterownika PLC, który przez odpowiedni algorytm przesyła sygnał sterujący do serwonapędu, który wymusza ruch palnika a tym samym utrzymanie założonej długości łuku elektrycznego. W czasie wykonywania wężownicy na zewnętrznej powierzchni płaszcza zbiornika należy poprzez sterownik PLC zsynchronizować prędkość obrotową zbiornika z prędkością liniową wózka ze słupowysięgnikiem, kąt skręcenia słupowysięgnika, prędkość kształtowania ceownika oraz prędkość podawania ceownika na płaszcz zbiornika, moc palników.

5. Zbiorniki z wymiennikami ciepła na zewnętrznej powierzchni płaszcza wytwarzane na stanowisku zrobotyzowanym.

     Wymienniki ciepła wykonywane na tym stanowisku pozwalają uzyskać wysoką powtarzalność oraz wysoką jakość całych zbiorników procesowych a także eliminacji lub minimalizowaniu zjawisk niekorzystnych, które  występują w przypadku spawania ręcznego. Dobrane optymalne wymiary geometryczne spawanej wężownicy sprawiają, że może być ona zasilana wysokim bądź niskim ciśnieniem. Taki sposób wykonania wymiennika ciepła na płaszczu zbiornika procesowego pozwala utrzymać nienaruszoną powierzchnie wewnętrzną zbiornika procesowego poniżej wartości chropowatości Ra 0,8μm. Rozwiązanie pozwala na wykorzystanie jako półproduktu (płaskownika) do wykonania jednolitej wężownicy o długości nawet do 300metrów.

Zastosowanie optymalnych wartości parametrów spawania zależnych od grubości płaszcza zbiornika, grubości  profilu wężownicy oraz od prędkości spawania pozwala na uzyskanie z materiałów AISI 316L i AISI 304 powtarzalnych złączy spawanych o wysokiej odporności korozyjnej, małej strefy wypływu ciepła będą miały wyższą udarność możliwość zastosowania wyższych ciśnień mediów grzewczych lub chłodzących. Ponadto spawana wężownica na powierzchni zewnętrznej płaszcza zbiorników wzmacnia ich konstrukcję, ponieważ jest wykonana z jednego kawałka materiału, który nie jest przegrzany oraz posiada małą wartość odkształceń spawalniczych. Dlatego można zastosować blachy na płaszcz o mniejszej grubości, przez co wzrasta współczynnik przewodzenia ciepła miedzy medium grzewczym/chłodzącym, a płynem znajdującym się we wnętrzu zbiornika.

Wykonane w ten sposób stanowisko technologiczne zostało zgłoszone do ochrony patentowej nr P.433821 w dniu 8 maja 2020 roku pt. „Stanowisko spawalnicze do wykonywania wężownicy na zewnętrznej powierzchni płaszcza zbiornika oraz sposób wykonania wężownicy na zewnętrznej powierzchni płaszcza zbiornika”. 

6. Podsumowanie i dalszy rozwój konstrukcji stanowiska
 
     W dniu 22.12.2023 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej przyznał firmie FME Food Machinery Europe Sp. z o.o. patent nr PL 241864. Firma Food Machinery Europe Sp. z o.o. nie poprzestaje w swoich pracach badawczorozwojowych nad wdrażaniem do produkcji zbiorników procesowych z wymiennikiem ciepła w postaci wężownicy. Stanowisko zautomatyzowane jest w dalszym ciągu rozwijane i możliwe jest na nim wykonanie złączy doczołowych płaszczy z dennicami. Posiadając wiedzę, że nasz produkt jest bardzo wysokiej jakości, jego trwałość i czas eksploatacji znacznie się wydłuża, zatem możemy naszym klientom zaoferować gwarancję na produkowane zbiorniki procesowe z standardowej 12 – miesięcznej na wydłużoną do 36 miesięcy. Jest to potwierdzeniem że wytwarzane z wymienniki są odporne na zmienne warunki pracy ciśnienia i temperatury. Mając na uwadze krótki czas wytwarzanie możemy do każdego klienta zaproponować dedykowane i elastyczne rozwiązanie spełniające jego wymagania.