Autoclave (industrial) - Autoclave (industrial)
Autoclaves industriais são vasos de pressão usados para processar peças e materiais que requerem exposição a pressão e temperatura elevadas. A fabricação de componentes de alto desempenho a partir de compostos avançados geralmente requer processamento em autoclave.
Princípio da Operação
Uma autoclave aplica calor e pressão à carga de trabalho colocada dentro dela. Normalmente, existem duas classes de autoclave. Aqueles pressurizados com cargas de trabalho de processo de vapor que podem suportar a exposição à água, enquanto a circulação de gás aquecido fornece maior flexibilidade e controle da atmosfera de aquecimento.
O processamento por autoclave é muito mais caro do que o aquecimento do forno e, portanto, geralmente é usado apenas quando a pressão isostática deve ser aplicada a uma carga de trabalho de forma comparativamente complexa. Para peças planas menores, as prensas aquecidas oferecem tempos de ciclo muito mais curtos. Em outras aplicações, a pressão não é exigida pelo processo, mas é parte integrante do uso do vapor, uma vez que a temperatura do vapor está diretamente relacionada à pressão do vapor. A vulcanização da borracha exemplifica essa categoria de autoclavagem.
Para requisitos excepcionais, tais como a cura de injectores de motores foguete compósitos ablativos e de mísseis nosecones , um hydroclave pode ser usado, mas isto envolve custos extremamente elevados de equipamento e riscos elevados em operação. A hidroclave é pressurizada com água; a pressão mantém a água na fase líquida apesar da alta temperatura.
O principal componente da autoclave industrial é a porta de abertura rápida; este também é o componente crítico no custo de construção da autoclave. Por um lado, o operador deve ser capaz de abrir e fechar a porta com rapidez e facilidade; por outro, a porta deve atender a requisitos de segurança rigorosos. A qualidade do design da porta da autoclave é tamanha que os Estados Unidos experimentam apenas cinco ou seis falhas de autoclave por ano.
O projeto da autoclave é orientado por vários padrões de segurança, sendo o principal deles o Código de Vaso de Pressão ASME . Embora a maioria das nações use o código ASME , algumas desenvolveram o seu próprio. O padrão CE na Europa se aplica a vasos, bem como a controles elétricos, e a China exige que os vasos de pressão estejam em conformidade com seu código doméstico. Todos os códigos especificam requisitos conservadores destinados a maximizar a segurança. Os governos locais também podem impor requisitos de licenciamento relacionados à operação de autoclave.
Design e construção
Vaso de Pressão
O projeto do vaso de pressão envolve a fórmula de Barlow , usada para calcular a espessura de parede necessária. No entanto, o projeto de um sistema complexo de contenção de pressão envolve muito mais do que a aplicação dessa fórmula. Para quase todos os vasos de pressão, o código ASME estipula os requisitos para projeto e teste. Antes da entrega, o vaso de pressão é testado hidrostaticamente a 130% de sua pressão nominal sob a supervisão de um inspetor de código ASME. Ele é preenchido com água e uma pequena bomba eleva a pressão ao valor de teste necessário, no qual é mantida por um tempo especificado (30 minutos de acordo com o código ASME). O inspetor verifica se há vazamentos, bem como evidências de falhas ou inadequações na soldagem .
O projeto de pequenas autoclaves não precisa levar em consideração a possibilidade de desenhar um vácuo dentro do vaso de pressão, mas esta suposição não deve ser feita em grandes. Autoclaves a vapor, por exemplo, podem ser expostas a um vácuo interno se o vapor se condensar totalmente enquanto o recipiente permanecer selado. Embora a pressão externa não possa exceder uma atmosfera, isso pode ser suficiente para causar o colapso do vaso em alguns casos. Assim, o enrijecimento pode ser necessário.
Em situações incomuns, a autoclave em si pode ter que ser quadrada ou retangular em vez de redonda, ou pode ser vertical em vez de horizontal. Se a autoclave for incomumente grande, pode ser necessário colocá-la em uma escavação no chão para que haja carregamento no nível do chão, como geralmente é o caso.
Materiais
A seleção dos materiais com os quais a autoclave é fabricada depende inteiramente da aplicação. Para autoclaves a vapor, aço carbono é usado, mas uma permissão de corrosão é adicionada à espessura calculada. Isso acomoda a ferrugem que ocorre com ciclos repetidos de exposição a vapor, água e ar. Implícito nisso está a necessidade de monitorar a perda de metal e descomissionar a embarcação quando ocorrer uma perda excessiva de espessura.
Para temperaturas de até 650 ° F (343 ° C), nenhum ajuste precisa ser feito no cálculo da espessura da parede do vaso. Acima dessa temperatura, o estresse permitido é reduzido. Acima de 750 ° F (399 ° C), ligas de alta temperatura são usadas. A temperatura nominal, que está estampada na placa de identificação do vaso, aplica-se à própria parede do vaso e não ao gás que circula na autoclave. Isso é relevante quando o isolamento interno é usado para circular ar ou gás a uma temperatura além da classificação do vaso.
Embora o engenheiro de projeto possa usar o material de sua própria escolha, a seleção normal é aço carbono SA516 Grau 70 PVQ (Qualidade do Vaso de Pressão). Este aço é particularmente adequado para uso em vasos de pressão em virtude de ter uma diferença excepcional entre sua resistência ao escoamento comparativamente baixa de 38 ksi e sua resistência à tração de 70 a 90 ksi. O alongamento em placas de 2 polegadas de espessura (51 mm) é de 21%. Isso significa que o metal estica consideravelmente sob pressão excessiva antes de falhar. No caso de pressão excessiva, as peças se deformarão antes de quebrar, causando uma perda gradual em vez de catastrófica da vedação. Essa perda de pressão atua, então, para aliviar a sobrecarga crítica na estrutura do vaso de pressão. Este modo de falha presume a ausência de rachaduras significativas no metal sobrecarregado.
Como esse tipo é usado em vasos de pressão, ele está disponível em variações de espessura de um décimo sexto de uma polegada, bem como tamanhos de placa grandes. É prontamente soldado e totalmente usinável .
A especificação do vaso de pressão incluirá as temperaturas mais alta e mais baixa às quais o casco do vaso é exposto. Como as propriedades do aço mudam à medida que o metal fica mais frio, o vaso será carimbado para um MDMT de -20 ° F, a menos que o usuário exija um menor. Normalmente, a espessura do metal é determinada pelos requisitos do código relativos à inspeção visual. Pode ser usado metal mais fino, desde que as soldas sejam radiografadas . Isso economiza custos quando o metal não é SA516, mas aço inoxidável ou uma liga refratária .
Portas
De toda a máquina, a mais cara (dependendo do tamanho da autoclave) e a mais importante peça única de hardware é a porta de abertura rápida. Deve ter o diâmetro total para permitir o acesso ao espaço de trabalho, vedar firmemente contra a pressão nominal na temperatura mais alta do invólucro, operar prontamente e rapidamente e cumprir o mesmo código de segurança que rege o resto do vaso de pressão. De todas as preocupações relacionadas à segurança, as mais críticas são aquelas relacionadas à operação da porta.
Existem vários tipos de portas de abertura rápida comumente usados. O tipo de porta mais simples e primitivo, uma placa aparafusada ou tampa com flange em algum tipo de dobradiça, não é mais considerado minimamente aceitável para autoclaves de produção porque é tudo menos rápido para abrir e fechar. Para embarcações de até quatro pés de diâmetro e avaliadas em não muito mais que 125 psi, uma porta semi-elíptica com dobradiças protegida por parafusos T de travamento por came operados por alavanca funciona essencialmente tão rápida e facilmente quanto a porta de anel de travamento rotativa mais comumente usada . Este projeto de porta usa cerca de uma dúzia de parafusos T de travamento no cubo da porta (veja as fotos), a parte estacionária encaixada no próprio vaso cilíndrico, que engatam alças soldadas à porta. Quando as alavancas de operação são rodadas sobre o centro, os parafusos T desenhar as patilhas mais estreita e selar a porta por meio de um O-ring de vedação.
Este tipo é intrinsecamente seguro, uma vez que abrir as travas sob pressão libera a vedação da porta e despressuriza o vaso. Na verdade, o código ASME não requer travas ou dispositivos mecânicos de indicação de pressão nessas portas. Mesmo quando aberta, a trava de came não permite que o ferrolho se solte da lingueta de travamento se houver pressão contra a porta. Uma vez que é montado em um pequeno ângulo em relação à saliência, o ferrolho não pode ser girado para fora da saliência de engate na porta se houver algum puxão.
Essas portas são comparativamente simples e econômicas, adequadas para autoclaves menores. Este projeto é limitado a quatro pés de diâmetro e cerca de 125 psi por causa do espaço limitado disponível na porta para as fechaduras de came e a deflexão da porta quando as fechaduras estão muito distantes.
Outra limitação é a tendência de tais portas distorcerem se não forem instaladas corretamente. Embora a aplicação seja muito simples, se o conjunto da porta não for encaixado em uma montagem feita corretamente, podem ocorrer problemas de vedação. Omitir o reforço de reforço no barco logo atrás do cubo da porta é uma boa maneira de aprender como isso é verdade. Uma autoclave com este tipo de porta apresenta montagens fortemente reforçadas que mantêm a porta alinhada durante toda a vida útil da máquina. A junta O-ring pode ser substituída em menos de um minuto e é bastante barata.
Autoclaves com mais de um metro de diâmetro ou aquelas classificadas em pressões mais altas geralmente usam a porta de anel de travamento giratória, também chamada de porta de fechadura de culatra. Esta porta pode ser projetada para qualquer tamanho e pressão. Tanto o cubo quanto a própria porta geralmente não giram. O cubo é soldado ao vaso e a porta se move nas dobradiças que a alinham com o cubo à medida que ele fecha.
A porta tem abas dentadas em toda a sua circunferência, com as abas alinhadas com as aberturas correspondentes no anel de travamento, que gira sobre o cubo. Quando fechada, a porta fica de frente para o cubo e uma junta de anel em O fornece o meio de vedação contra pressão interna. Conforme o anel de travamento gira, ele empurra as saliências da porta para frente, pressionando a porta contra o cubo. Dessa forma, não há movimento deslizante da face da porta através da gaxeta do anel de vedação. Portanto, a gaxeta pode ser um anel de vedação barato, cujas substituições podem ser feitas na própria loja do usuário usando estoque de anel de vedação comum, e dura muito tempo. As poucas peças de desgaste da porta são substituíveis, tornando a autoclave um investimento de longa duração.
Em portas de até 2,5 metros de diâmetro, o balanço pode ser manual. Não é incomum ver autoclaves de 2,5 metros de diâmetro cujas portas podem ser totalmente abertas ou fechadas com um único dedo. A vantagem do giro manual, além do menor custo e maior confiabilidade, é que há muito menos risco de alguém prender os dedos na porta que se fecha se ele mesmo a mover com as mãos.
Em máquinas com portas giratórias manualmente, um detalhe trivial, mas importante, é um batente de porta para evitar batidas ao abrir. Se uma grande autoclave for instalada em um piso ligeiramente fora do nível, a porta, uma vez aberta, oscilará rapidamente até o fim de seu curso. Sem qualquer tipo de amortecedor instalado, ele irá acumular danos e desgaste lentamente.
Em autoclaves menores, a rotação do anel de travamento às vezes é realizada por engrenagens operadas manualmente. Em maiores, são usados cilindros pneumáticos ou hidráulicos. Os cilindros pneumáticos geralmente fornecem rotação brusca, mas às vezes podem ser mais seguros porque geralmente não podem mover a argola da porta tão prontamente quando há muita pressão contra a porta.
A porta giratória com anel de bloqueio requer um intertravamento de segurança para impedir a operação quando houver qualquer pressão na autoclave. É uma boa prática incorporar a capacidade de inverter a rotação do anel de travamento da porta a qualquer momento e sem demora. Em algumas portas, é possível fechá-las não o suficiente e, em seguida, fazer com que o anel de travamento emperre ao tentar fechar.
É essencial observar que a autoclave é muito mais perigosa quando a pressão está baixa do que quando a pressão está alta. Isso ocorre porque as pressões mais altas criam forças de atrito que tendem a dificultar muito o movimento do anel da porta. Em alguns casos, os cilindros hidráulicos dobraram em vez de girar o anel. Em pressões mais baixas, o anel pode ser movido e há energia suficiente armazenada no recipiente para arruinar o dia de alguém completamente. Autoclaves adequadamente projetadas incorporam vários intertravamentos adicionais para garantia adicional. Esses intertravamentos extras são comparativamente baratos e devem sempre ser projetados para serem à prova de falhas.
Em testes bem além do projeto e das pressões de prova, este tipo de porta mostrou que a ligeira deflexão causada pela sobrepressão move as faces da porta e do cubo afastadas o suficiente para fazer com que a vedação do anel de vedação falhe, liberando a pressão. O ar que escapa é difundido pelo anel de travamento, evitando ferimentos causados por jatos de ar em alta velocidade.
Existem outros tipos de porta disponíveis. Estes são designs proprietários com características especiais que os adaptam a uma variedade de aplicações. Por exemplo, alguns projetos de porta são mais simples do que o tipo de anel de travamento, não tendo recortes entalhados nos anéis de travamento. Eles são facilmente operados manualmente ou com força e intrinsecamente seguros, muito parecido com a configuração do parafuso em T, em que qualquer movimento do mecanismo de travamento de fechado para aberto liberará a pressão bem antes da porta e do cubo realmente se separarem.
Outros tipos de portas simples podem ser fornecidos para autoclaves menores de baixa pressão, às vezes com economias valiosas no custo de aquisição, mas nem sempre no custo de operação.
Um aspecto frequentemente esquecido do acesso à autoclave é a extremidade traseira. Em muitos casos, a melhor autoclave é aquela com duas portas. Na autoclave industrial típica, há hardware mecânico na parte traseira, incluindo o acionamento do ventilador de circulação. Uma autoclave com porta traseira custará mais inicialmente. Ao longo de sua vida útil, no entanto, custará menos para manter, principalmente porque o fácil acesso aos componentes internos incentivará sua inspeção mais frequente. Em qualquer autoclave, como em qualquer máquina, todos os componentes principais e secundários devem estar acessíveis para inspeção, reparo e substituição. Ignore isso e o proprietário acabará se arrependendo.
Uma porta traseira de diâmetro completo que não abre custa pouco, considerando todas as coisas. Em máquinas maiores, ele pode ser montado em uma dobradiça, turco ou conjunto de carrinho (veja a foto acima) que permite que seja girado ou movido para longe da autoclave uma vez que sua montagem de flange aparafusada tenha sido separada. Isso fornece o melhor acesso possível às obras internas. Isso também significa que os componentes críticos nunca são enterrados profundamente dentro da máquina, onde são difíceis de alcançar e, portanto, muito provavelmente serão ignorados até que causem problemas. Uma autoclave de médio porte construída para uma oficina de reparo de aeronaves do sul para ser tão barata quanto humanamente possível não tinha acesso fácil ao ventilador de circulação e, quando observada pela última vez por um dos engenheiros de serviço do fabricante, fazia os mais alarmantes ruídos de rolamento seco sempre correu.
Ao comparar projetos alternativos, considere a quantidade de trabalho que qualquer tarefa de manutenção exigirá, bem como o grau de dificuldade e o risco de danos ou ferimentos no trabalhador. Se, por exemplo, um motor de ventilador de sessenta cavalos de potência montado internamente tiver que ser manuseado por meio de uma pequena passagem de passagem ou porta de acesso, o potencial de problemas é inevitável. Em uma autoclave fácil de usar, a porta traseira é aberta e o motor é rápida e facilmente levantado com uma empilhadeira ou um guincho de mastro simples.
Interior
O layout interno varia de autoclave para autoclave. Alguns têm um duto de ar na posição de seis horas que também carrega os trilhos do carrinho, enquanto outros têm um piso largo com os componentes mecânicos abaixo dele. Outros têm o duto de ar na parte superior. Normalmente, as autoclaves usam um duto de ar anular que percorre toda a circunferência do interior.
O duto anular é atraente em virtude de criar a menor intrusão no espaço de trabalho disponível dentro da autoclave. Reduz o diâmetro do volume cilíndrico em apenas alguns centímetros. Também cria a maior perda de pressão por fricção da pele. Isso significa que o ventilador tem que ser maior para a mesma quantidade de circulação de ar e que há mais aquecimento com a potência do motor.
Se for necessário manter baixas temperaturas com circulação total, pode ser necessário executar o resfriamento em vez do aquecimento. A circulação vigorosa de ar sob pressão gera calor por si só, e isso pode ser significativo ao tentar operar em temperaturas e pressões excepcionalmente baixas. O mobiliário interno da autoclave pode ser de aço galvanizado , aluminizado ou inoxidável . Até cerca de 400 ° F (204 ° C), galvanizado é econômico e confiável; até talvez 800 ° F (427 ° C) a 1.000 ° F (540 ° C), aluminizado será necessário; acima disso, encontra-se em território exótico.
Outra questão é se o revestimento interno, as paredes da área de trabalho, devem ser removíveis. Qual deve ser o peso dessa parede? As espessuras de metal representativas variam de calibre 18 (0,0478 pol.) A 1/8 pol. (0,125 pol.). Quanto mais pesada a parede, mais durável e resistente ela será a amassados; também, mais energia será absorvida durante o aquecimento e mais energia será liberada durante o resfriamento. Para dar um exemplo típico, considere uma autoclave com um diâmetro interno de 8 pés (2,4 m) e um comprimento de trabalho de 40 pés (12 m). Se a parede interna for feita de aço de bitola 11 (0,1196 pol.), Ela pesará bem mais de cinco toneladas. Aquecer apenas a própria parede a uma temperatura operacional de 300 ° F (149 ° C) em uma hora consumirá cerca de 90 quilowatts de energia. Em cobranças de demanda típicas, isso custará aproximadamente $ 2.000 (para o mês), além da cobrança de energia (para cada ciclo). Reduzir a espessura da parede para bitola 18 reduzirá essa despesa em aproximadamente 60 por cento. Com uma economia de $ 13.000 por ano, o operador médio de autoclave pode viver com muitos amassados.
Em algumas autoclaves, ruídos estranhos vêm de dentro à medida que aquecem e esfriam. Esses ruídos são causados por distorções no interior do metal conforme ele se expande e se contrai com as mudanças extremas de temperatura. O interior da autoclave descrita acima crescerá quase uma polegada de comprimento durante a parte de aquecimento de seu ciclo. Devem ser tomadas providências para um alívio adequado desses movimentos ou eles irão eventualmente entortar o interior.
Se a máquina for grande, será necessário um piso interno adequado para suportar o pessoal que anda sobre ela, bem como dispositivos de segurança para proteger o pessoal dentro da máquina contra inicialização inadvertida.
Aquecimento
A introdução de calor na câmara de trabalho pode ser feita de várias maneiras. Para a maioria das autoclaves, e particularmente aquelas usadas para processar peças compostas ou executar colagem de estruturas metálicas, o mais fácil e menos caro inicialmente é o calor elétrico . Os aquecedores de resistência são compactos e confiáveis e podem ser colocados convenientemente no duto de ar circulante. Como a massa térmica desses aquecedores é pequena, o controle da temperatura da câmara é preciso e os aquecedores adicionais podem ser instalados posteriormente sem problemas excessivos. No entanto, o custo desta instalação adicional pode ser bastante significativo em comparação com uma autoclave maior. Esses aquecedores são essencialmente 100% eficientes e podem ser instalados em qualquer tensão, monofásica ou trifásica.
Instalar mais capacidade do que o necessário estende a vida útil dos aquecedores, permitindo que funcionem em temperaturas de superfície mais baixas e fornece maior garantia de atingir as taxas de aquecimento necessárias. O aumento da capacidade de aquecimento geralmente custa pouco no preço inicial. Não é seguro presumir automaticamente que todo fabricante de autoclave usa hastes tubulares revestidas com Incoloy de alta qualidade, individualmente substituíveis e com suporte adequado. No interesse da economia, alguns esperam que o cliente aceite fios de nicrômio pendurados em isoladores de cerâmica.
A desvantagem do aquecimento elétrico é o custo operacional. Para uma pequena autoclave operada apenas periodicamente, isso pode não ser um grande problema. Para uma autoclave de tamanho médio ou maior, as contas de eletricidade ao longo da vida útil da máquina somam algumas vezes o custo total da autoclave.
Por exemplo, em Rochester, Nova York, área, onde o preço da energia elétrica é quatro vezes maior do que o do gás natural antes de levar em consideração as taxas de demanda, uma autoclave de seis pés de diâmetro e vinte e quatro pés de comprimento (com um medidor de luz parede interna) custaria cerca de US $ 2.000 por mês em encargos de demanda, mais uma média de US $ 14 por hora em energia durante o funcionamento. Os encargos de demanda, incorridos assim que a autoclave é ligada, mesmo que por apenas um momento, seriam iguais ao preço de compra da autoclave em apenas alguns anos. A experiência com contas de serviços públicos sugere que isso vai piorar no futuro.
A alternativa mais fácil é o aquecimento a vapor. Isso pressupõe a presença de uma caldeira capaz de gerar vapor em pressões altas o suficiente para atingir as temperaturas exigidas. Uma planta de vapor de alta pressão existente é uma coisa boa de se ter em mãos e facilita o uso de serpentinas de vapor, que são simples, compactas e facilmente controladas. O preço de compra do aquecimento por serpentina a vapor é quase comparável ao do aquecimento elétrico, mas o custo operacional é drasticamente menor. Se o vapor de alta pressão não estiver disponível, considere uma pequena caldeira dedicada para a autoclave. O custo pode ser surpreendentemente baixo, tornando esta alternativa quase tão econômica quanto a queima direta a gás de um trocador de calor interno. Ele também permite que o usuário opere sua autoclave com gás natural, propano, butano ou óleo combustível, às vezes de forma intercambiável se a caldeira estiver configurada para operação com combustível duplo. Onde o suprimento de gás é suscetível a interrupção, usar uma pequena caldeira a vapor de alta pressão para operar a autoclave e os fornos pode salvar vidas quando a queima de combustível duplo é incorporada.
Uma pequena caldeira vertical requer pouco espaço. Se as leis locais exigirem o licenciamento de operadores de caldeiras de alta pressão, isso geralmente pode ser uma simples questão de treinar o pessoal existente da fábrica e obtê-los licenciados para operação de caldeira única. Igualmente econômica para operar é uma autoclave com um trocador de calor a gás embutido no vaso de pressão. Embora isso apresente algumas limitações de projeto, é mais simples do que usar fluidos de transferência de calor sintéticos e de custo um pouco menor. O conjunto do queimador de gás é instalado na extremidade oposta ou na lateral do vaso e dispara para um trocador de calor dentro do duto de ar. A extremidade quente do tubo substituível é coberta com turbuladores para melhor transferência de calor . Isso recupera a maior parte da energia do gás de combustão . É simples e confiável, usando gás natural comum , butano , propano ou outro gás combustível industrial.
Existem configurações alternativas, incluindo um circuito de circulação secundário que canaliza uma parte do fluxo de ar primário através de um trocador de calor pressurizado externo. Este fluxo de desvio também pode ser utilizado para resfriamento usando um trocador de calor air-over. Embora a queima de gás não seja adequada para máquinas pequenas, ela pode ser instalada em autoclaves de três a quatro pés de diâmetro ou mais. Quanto mais comprida for a máquina, mais comprido será o tubo do permutador de calor e, portanto, mais eficiente será. Esta opção de aquecimento é menos cara do que óleo quente e mais cara do que eletricidade ou vapor (assumindo uma caldeira existente) para comprar, mas a despesa extra é paga de volta muito rapidamente. Ao longo de sua vida útil total, a autoclave aquecida eletricamente custará o suficiente para pagar por outras quatro ou cinco autoclaves comparáveis. Para qualquer um, exceto as menores máquinas de laboratório, a queima de gás e o aquecimento a vapor são, para ser franco, as melhores alternativas a serem consideradas.
Em algumas circunstâncias, quando o vapor está disponível na planta, um dinheiro considerável pode ser economizado usando a injeção de vapor vivo. Nessa abordagem, todo o interior da autoclave é preenchido com vapor vivo na pressão adequada. Comumente usado nas indústrias de produtos de borracha, pode ser adaptado para uso na cura de compósitos. Requer diferentes materiais de ensacamento a vácuo, mas tem a vantagem de eliminar aquecedores, dutos e ventilador de circulação. Com isolamento externo, há mais espaço disponível para cargas de trabalho, para um determinado tamanho de vaso de pressão. Naturalmente, esta abordagem pressupõe a disponibilidade de uma caldeira com a classificação adequada.
Em certas aplicações, uma autoclave a vapor de baixa pressão pode substituir um forno de cura comum. A combinação de consolidação de vácuo, que é equivalente a aproximadamente dez a quatorze psi de pressão externa, e vapor em aproximadamente a mesma pressão manométrica, dará melhores resultados e aquecimento mais rápido do que o forno. Essa abordagem seria menos adequada para materiais que precisam ser levados à temperatura de cura lentamente, uma vez que o vapor transfere seu calor com bastante rapidez em comparação até mesmo com um fluxo de ar circulante turbulento. Além disso, uma vez que o interior do recipiente é repetidamente exposto ao vapor e depois ao ar, continuamente, deve-se levar em consideração a corrosão das paredes do recipiente.
Em algumas circunstâncias, um aquecedor acionado externamente leva o fluido térmico sintético a temperaturas de 600 ° F (316 ° C) a 800 ° F (427 ° C), e bombas especiais circulam por trocadores de calor dentro da autoclave. Isso tem duas vantagens - gás ou óleo podem ser usados como combustível sem muita preocupação com o espaço ocupado dentro do volume de trabalho da autoclave - e desvantagens - o custo é muito alto e pode ser mais difícil de manter adequadamente. Além disso, pode servir para aquecer e resfriar a autoclave, direcionando o fluido de transferência de calor através do aquecedor ou da serpentina de resfriamento, conforme exigido pelo processo.
Levando tudo em consideração, as opções de aquecimento mais econômicas, durante toda a vida útil da autoclave, serão uma caldeira a vapor de alta pressão ou a gás usando um trocador de calor interno ou externo.
Resfriamento
O resfriamento no final do ciclo do processo requer um meio de extração de calor da autoclave. A necessidade de resfriamento controlado dependerá do trabalho que está sendo processado. Com alguns materiais compósitos em camadas espessas, o resfriamento lento evita o microcracking interno da matriz de resina resultante de tensões induzidas termicamente.
O método de resfriamento usado dependerá da temperatura mais alta atingida antes do resfriamento e do grau de precisão que deve ser mantido conforme a temperatura da câmara diminui. Para baixas temperaturas e taxas de resfriamento que podem variar significativamente ou simplesmente resfriamento em qualquer taxa resultante de um fluxo fixo de refrigerante , a água circulada por uma bobina na corrente de ar será eficaz e barata. Uma bobina com aletas serpentina colocada na entrada do ventilador circulante ou adjacente à matriz do aquecedor serve a esse propósito usando água da planta como refrigerante. Se água de resfriamento de passagem única e uma torre de resfriamento não estiverem disponíveis ou não forem aceitáveis, um refrigerador de circuito fechado simples pode ser integrado à autoclave. Taxas de resfriamento precisamente controladas podem ou não ser facilmente alcançáveis com este arranjo. Em uma autoclave operada em altas temperaturas, precauções especiais devem ser tomadas no resfriamento. Bombear água fria em uma serpentina de resfriamento a 800 ° F (427 ° C) encurtará a vida útil da serpentina. Também torna difícil controlar a taxa de resfriamento.
Quando a água fria atinge uma serpentina de troca de calor a 800 ° F (427 ° C), o vapor instantâneo é gerado, junto com choques mecânicos no sistema e incrustação considerável dentro da serpentina a ponto de a água conter sólidos dissolvidos. O descarte do vapor e da água quente pode ser difícil e a vida útil do sistema de refrigeração pode ser curta. Isso pode ser aliviado até certo ponto, primeiro pré-resfriando a bobina com um fluxo de ar comprimido seguido por uma névoa de água e ar comprimido. Isso é apenas um pouco melhor do que a água fria por si só, e faz pouco para eliminar o vapor instantâneo.
Para temperaturas de até cerca de 800 ° F (427 ° C) e taxas de resfriamento que devem ser mantidas em tolerâncias estreitas, o fluido de transferência de calor sintético extrairá o calor da autoclave sem uma mudança de fase (ou seja, fervura). Passar o óleo quente por uma serpentina de aquecimento de ar com fluxo de ar controlado permitirá que o sistema module o fluxo de calor para fora da autoclave com precisão suficiente para manter uma taxa de rampa de resfriamento especificada. Esse ar aquecido pode ser despejado onde quer que resulte mais ou menos mal. A desvantagem do uso de transferência de calor por fluido é o custo inicial. Acrescenta talvez dez por cento ao preço da autoclave em instalações de médio porte. A vida útil do fluido é estimada em cinco a quinze anos, dependendo do tempo de exposição às temperaturas mais altas, bem como da manutenção da limpeza interna.
Se a temperatura interna mais alta não exceder 300 ° F (149 ° C), o propilenoglicol pode ser usado como meio de transferência de calor. Como esse produto químico é um constituinte de produtos alimentícios, como sorvete, não há necessidade de preocupações com a toxicidade. Tem aproximadamente a mesma gravidade específica que a água, portanto o bombeamento é simples. Como não há mudança de fase, as bobinas não acumulam depósitos de incrustações. A vida útil do fluido é muito boa se o ar for mantido fora do circuito. O propilenoglicol deve ser usado sem diluição de água, e encanamento de aço inoxidável não é necessariamente obrigatório. O custo do propilenoglicol não é trivial, portanto, a quantidade de refrigerante no circuito deve ser equilibrada entre os interesses da economia e da dissipação de calor.
Uma vez, surpreendeu desagradavelmente um grande cliente de autoclave ao saber que os sistemas de resfriamento de água de circuito fechado eram estritamente regulamentados em sua localidade. O preço dessa surpresa desagradável estava na faixa de cinco dígitos. Em algumas localidades, despejar água de resfriamento pura e pura pelo ralo pode ser ilegal. Em geral, não usar água para resfriamento pode ter uma série de vantagens reais.
Circulação
A menos que a autoclave use injeção de vapor, o ventilador de circulação carrega o fardo de garantir a uniformidade da temperatura em toda a câmara de trabalho. Uma vez que o calor flui da fonte, seja resistência elétrica, serpentina de vapor ou tubo de disparo, para a corrente de ar circulante e, em seguida, para a carga de trabalho, quanto maior a turbulência do fluxo de ar , melhor será a transferência de calor, particularmente com cargas de trabalho pesadas e densas .
O acionamento do ventilador deve ser dimensionado para as condições que criam a maior carga no ventilador , ou seja, temperatura mais baixa e pressão mais alta, embora essa combinação de condições raramente ocorra. Idealmente, isso significa ventoinhas inclinadas para trás; estes são mais eficientes do que os tipos de impulsor radial e curva para frente.
O objetivo da circulação do ar ou gás inerte pela autoclave é garantir uma transferência de calor eficaz e uniformidade de temperatura. Circulação vigorosa e atenção cuidadosa para onde o fluxo de ar realmente vai são as melhores maneiras de fazer isso. Como regra geral, não considere a velocidade média do ar inferior a 300 pés por minuto no espaço de trabalho vazio da autoclave. Mais do que isso tornará a transferência de calor mais eficaz.
A indústria aeronáutica possui especificações relacionadas diretamente à uniformidade de temperatura. Mesmo que a aplicação não seja aeroespacial, pode valer a pena adotar uma dessas especificações para garantir a qualidade e confiabilidade do processo.
As unidades de ventilador podem ser internas ou externas. Os drives internos têm o motor dentro da autoclave em uma câmara sem aquecimento. Uma parede espessa de isolamento mantém o calor do lado de fora e o motor fica sob pressão total da autoclave. Os acionamentos externos requerem uma vedação de eixo para transportar o eixo de acionamento através da parede do vaso de pressão. As unidades internas são mais simples, resultam em um pouco menos de espaço ocupado e impõem uma carga de resfriamento pequena, mas essencial; acionamentos externos requerem arranjos de eixo de acionamento mais elaborados e usam vedações de alta pressão.
A seleção da disposição da unidade interna / externa costuma ser idiossincrática. A vida útil da vedação do eixo de alta pressão pode ser difícil de prever e pode-se presumir com segurança que a vedação custará muito mais do que o próprio motor. Por exemplo, uma vedação de 2 polegadas (51 mm) e 150 psi para um motor de 50 HP custará US $ 2.000, enquanto o motor em si custa a metade disso. Geralmente, a combinação de pressão do vaso, diâmetro do eixo e velocidade do ventilador encontrada em autoclaves é tal que torna o uso de uma vedação de eixo razoavelmente praticável.
O acesso à sala de máquinas em uma autoclave com acionamento de ventilador interno é feito pela porta dos fundos ou por uma passagem de passagem. O espaço de trabalho da autoclave não é reduzido, pois o vaso de pressão é um pouco mais comprido para acomodar o acionamento do ventilador. A acessibilidade do hardware na parte traseira é essencial. Eventualmente, o pessoal de manutenção precisará chegar até ele, e o acesso, de repente, se torna um grande problema.
Embora isso acrescente ao preço inicial, autoclaves bem projetadas apresentam extremidades traseiras removíveis que fornecem acesso fácil e irrestrito ao hardware na área não aquecida. É difícil perceber o quão valioso isso é até que de repente é necessário remover um motor de 60 cavalos de potência que pesa bem mais de meia tonelada por uma abertura apenas grande o suficiente para ele passar. Algumas autoclaves possuem ventilador de circulação, completo com motor, montado em sino terminal de diâmetro reduzido. Embora isso permita que o conjunto seja removido facilmente, também significa que o diâmetro do ventilador é menor e, portanto, menos eficiente.
Se o impulsor do ventilador estiver montado no eixo do motor ou em uma extensão dele (acionamento direto), a velocidade do ventilador é restrita à do motor, normalmente 1750 rpm, e isso provavelmente resultará em operação do ventilador abaixo do ideal, dada a sensibilidade de ventiladores para velocidade de rotação. Os fãs são como hélices de avião; quanto maiores são e quanto mais lentamente giram, melhores são. É a lei.
Algumas aplicações permitem prescindir do ventilador de circulação e do aquecimento do ar. Se as peças que estão sendo processadas são simplesmente geometricamente, pode ser viável usar moldes que são aquecidos integralmente. Por exemplo, é viável fabricar molas de trem de pouso de aeronaves leves de curvatura plana e simples em moldes de alumínio baratos com almofadas de aquecimento elétricas coladas diretamente na parte inferior do molde. Isso elimina o custo do motor e do ventilador, bem como dos aquecedores de ar, e usa muito menos eletricidade do que uma autoclave elétrica comparável exigiria. Desta forma, a autoclave fornece apenas pressão de consolidação. Existem limitações para essa abordagem, como a complexidade do molde. Às vezes, as peças são aquecidas apenas de um lado; às vezes, o molde tem partes superior e inferior, cada uma equipada com aquecedores. Embora geralmente não seja viável em uma oficina, esse tipo de autoclave pode gerar economias significativas quando apenas uma pequena variedade de peças comparativamente simples está sendo feita.
Visto que a falha do ventilador de circulação terá consequências imediatas e infelizes para o trocador de calor ou elementos de aquecimento, a detecção de falha do ventilador de circulação é vital. Isto pode ser feito de várias maneiras. Primeiro, monitore a temperatura da superfície do aquecedor, seja bobina ou elemento. Se o fluxo de ar falhar, ele aumentará repentinamente e o sistema de controle pode executar um desligamento imediato. Em segundo lugar, instale pelo menos um e de preferência dois sensores de fluxo de ar. Uma vez que o fluxo de ar pode estar em temperaturas muito altas, isso pode ser feito com interruptores de pressão montados remotamente que se conectam aos lados de alta e baixa pressão do ventilador por meio de tubos de aço inoxidável longo o suficiente para colocar os interruptores bem dentro da área fria do dentro da embarcação. Esses interruptores devem ser conectados em série em um lado do circuito de controle, de forma que qualquer uma das aberturas interrompa a alimentação do aquecedor, e em paralelo no outro lado, para que o computador possa detectar qual deles mudou de estado.
Isolamento
A massa substancial do vaso de pressão fornece garantia de contenção de pressão, mas representa um dissipador de calor igualmente grande que deve ser aquecido e resfriado ciclicamente durante o funcionamento da autoclave. As autoclaves a vapor são necessariamente isoladas no exterior, tornando essa perda de calor inevitável. Autoclaves a ar ou outro gás empregam isolamento térmico em seu interior, o que acarreta uma penalidade única no custo do vaso de pressão e um leve custo operacional decorrente do volume interno um pouco maior a ser pressurizado.
O isolamento, que é protegido por uma concha metálica, é dimensionado para manter a perda de calor dentro de uma faixa aceitável e para manter a temperatura da superfície externa do vaso abaixo do que afetaria a segurança do trabalhador. Geralmente, isso é 120 ° F (49 ° C), com 140 ° F (60 ° C) às vezes permitido em conexões e encanamentos. Dependendo da política da empresa sobre conservação de energia, essa temperatura pode ser definida ainda mais baixa.
Tanto a lã mineral quanto a fibra de vidro são usadas em autoclaves. A espessura varia com a temperatura interna, variando de um mínimo de duas a três polegadas até três a quatro vezes isso, a regra geral sendo uma polegada por cem graus F. Economicamente, o maior efeito é aumentar o custo do vaso de pressão aumentando seu diâmetro. Isso efetivamente desestimula a especificação excessiva da espessura do isolamento.
Um fator menor é garantir que o isolamento possa "respirar", uma vez que o ar flui para dentro e para fora dele conforme a pressão na autoclave muda. Além disso, a folha de metal que retém o isolamento requer alguma provisão para expansão térmica. Mesmo uma autoclave de até seis metros sofre um movimento considerável em uma diferença de temperatura de várias centenas de graus.
Pressurização
A escolha do agente pressurizante é determinada pelo processo. O ar pode ser aceitável para autoclaves operando em temperaturas comparativamente baixas, mas pode ser totalmente inaceitável além disso. A inflamabilidade dos materiais freqüentemente usados em peças compostas aumenta sob pressão, à medida que a pressão parcial do oxigênio aumenta. Assim, nitrogênio ou dióxido de carbono podem ser usados para pressurização.
As hidroclaves usam água como meio de pressurização. Como o ponto de ebulição da água sobe com a pressão, a hidroclave pode atingir altas temperaturas sem gerar vapor. Embora simples em princípio, isso traz complicações. É necessária uma capacidade de bombeamento substancial, pois mesmo a leve compressibilidade da água significa que a pressurização armazena energia não trivial. As vedações que funcionam de forma confiável contra o ar ou outro gás não funcionam bem com água extremamente quente. Os vazamentos se comportam de maneira diferente nas hidroclaves, pois a água que vaza se transforma em vapor, e isso continua enquanto a água permanecer no vaso. Por essas e outras razões, poucos fabricantes considerarão a fabricação de hidroclaves, e os preços dessas máquinas refletem isso.
Vácuo
As peças processadas em autoclave são frequentemente ensacadas a vácuo para permitir que a pressão opere isostaticamente nas peças de trabalho. Na forma mais simples, a carga de trabalho é totalmente contida dentro de uma bolsa de plástico flexível, capaz de suportar as temperaturas envolvidas. Quando o vácuo é extraído, a bolsa é comprimida pela pressão atmosférica e compacta os componentes internos. Entre as peças e a bolsa, um material absorvente fornece um canal para a evacuação do ar e absorve o excesso de resina espremido durante a cura.
No processamento de autoclave de peças compostas, a funcionalidade do saco a vácuo pode ser onde a maior variedade pode ser encontrada. Algumas lojas deixam a sacola sob vácuo total, desde a colocação até a desmontagem pós-cura. Outros retêm o vácuo apenas até que a autoclave atinja a pressão total. Outros ainda encherão o saco de vácuo com gás inerte , normalmente nitrogênio, a pressão zero.
O papel desempenhado pela pressão interna do saco de vácuo pode ser crítico na produção consistente de peças compostas de múltiplas camadas de alta qualidade. Um artigo SAMPE descreve os benefícios de controlar o vácuo e a pressão sob o saco de vácuo em um lay-up. Seguindo o vácuo no saco com pressurização, a formação de vazios na matriz de resina é suprimida, reduzindo as falhas microscópicas que semeiam rachaduras e outras falhas da matriz. A instalação desse recurso em uma autoclave envolve válvulas de controle e software adicionais e, à luz dos benefícios no desempenho dos materiais compostos, não tem um efeito irracional no preço da máquina.
Uma bomba ejetora pode ser usada para a evacuação rápida do ar dentro de uma autoclave que deve ser pressurizada com gás inerte. Para eliminar o oxigênio do interior e substituí-lo por um agente pressurizante que não suporte a combustão, a maneira mais simples é remover quase todo o ar e então introduzir o nitrogênio ou dióxido de carbono. As autoclaves devem ser projetadas para esse serviço de vácuo, uma vez que o próprio vaso pode exigir reforçadores para suportar a pressão externa, e as portas de acesso comuns e tampas de passagem frequentemente são classificadas apenas para pressão interna e não serão capazes de suportar a pressão externa que resulta do vácuo interno.
O vácuo é fornecido às peças de trabalho por coletores e tubos individuais equipados com desconexões rápidas nas paredes internas. O sistema de vácuo mais simples consiste em uma bomba e medidor na parte externa e uma única porta de desconexão rápida na parte interna. Em arranjos mais elaborados, pode haver uma dúzia ou mais linhas de suprimento de vácuo individuais indo para a máquina, cada uma para uma porta QD separada, com tantas linhas de medição voltando para sensores de vácuo conectados ao sistema de controle e um preenchimento de gás inerte sob pressão controlada para quando a bomba é desligada e as linhas de vácuo ventiladas durante o ciclo de cura.
A capacidade de fluxo da bomba de vácuo é menos importante do que seu nível de vácuo de pico. Qualquer fluxo significativo significa que há um vazamento no ensacamento de vácuo, e uma bomba potente tentará superar isso, resultando em uma perda de vácuo medida menor do que seria o caso com uma bomba menor. Isso serviria para esconder a falha da bolsa, pois a queda do vácuo seria mais difícil de detectar. Como no equilíbrio operacional não deve haver fluxo de ar, é melhor desenhar um vácuo mais alto do que tentar manter uma taxa de fluxo alta.
Deve haver um tanque receptor de vácuo de tamanho adequado que possa manter o vácuo do sistema se a bomba falhar durante uma operação de produção. Isso só será possível se o encanamento a vácuo estiver virtualmente livre de vazamentos. É por isso que o vazamento de vácuo é uma das principais preocupações no teste de pré-aceitação da máquina. Para uma autoclave de compósitos típica, um receptor de 5 a 10 pés cúbicos (140 a 280 L) pode ser apropriado. Observe que este receptor deve ser carimbado com ASME para a pressão operacional total da autoclave, uma vez que é concebível que uma falha do sistema de vácuo possa resultar na descarga de tanta pressão para o receptor.
Quando várias peças são processadas, pode ser benéfico ter uma linha de vácuo separada para cada uma, reduzindo a perda potencial se uma bolsa de vácuo vazar durante a cura. Isso é facilmente acomodado com vários tubos de alimentação de um único coletor na parte externa da autoclave.
Além disso, é necessário decidir se cada linha deve ser monitorada individualmente e como isso deve ser feito. Se houver um único sensor de vácuo, seja um transdutor eletrônico conectado ao computador de controle ou apenas um medidor sensível verificado visualmente, determinar qual saco de vácuo está vazando significa desligar um de cada vez e observar uma ligeira mudança na pressão do coletor de vácuo. Dadas as restrições de fluxo de ar nas linhas médias de lay-up e vácuo, mesmo uma falha completa da bolsa de vácuo pode aparecer como pouco mais do que uma pequena mudança no nível de vácuo.
Colocar um sensor em cada linha de vácuo resolve isso, mas custa várias centenas de dólares a mais por linha. Algumas aplicações envolvem duas linhas de vácuo por saco. Um está conectado a uma penetração do saco em uma extremidade da peça que está sendo processada e fornece vácuo da bomba e do coletor. A outra linha retorna de uma penetração de saco separada na outra extremidade da bolsa de vácuo e através de uma linha de volta através da parede do vaso até um sensor que mede o nível de vácuo na bolsa em vez do nível no coletor. Isso é preferido, pois fornece uma indicação precisa do vácuo real visto pela peça como um todo.
Como uma opção com este arranjo, se o vácuo for desligado antes da conclusão da cura, como é exigido em algumas aplicações, antes que a linha de abastecimento seja ventilada para a atmosfera, a linha manométrica é preenchida com nitrogênio de um regulador de gás de pressão zero, evitando assim que contaminantes atmosféricos entrem no tecido de respiro / sangramento. O monitoramento individual de cada linha de vácuo não requer necessariamente linhas de medição, nem aterro de gás inerte. No entanto, o custo extra de fornecer linhas de medida não é muito. Se o controle de pressão da bolsa a vácuo for usado, as válvulas e reguladores apropriados devem ser integrados.
Se o processo gerar um fluxo considerável de resina para fora da peça de trabalho, a especificação do processo pode exigir armadilhas de resina. Alguns materiais perdem enormes quantidades de resina altamente móvel durante o aquecimento, e esse fluxo às vezes pode voltar pelo encanamento a vácuo, talvez longe o suficiente para conectar componentes essenciais. É muito mais fácil prevenir esse tipo de dano do que repará-lo.
Algumas resinas, como os poliésteres , liberam quantidades significativas de voláteis durante a cura. Isso ocorre através das portas de vácuo e às vezes pode causar danos à bomba. As melhores bombas de vácuo usam reservatórios de óleo e recirculação de óleo, e esses voláteis podem transformar rapidamente o óleo em uma pasta repulsiva. Eles também atacam as vedações das válvulas de vácuo e causam o acúmulo de depósitos com o tempo. Para evitar isso, pode ser necessário instalar condensadores nas linhas da porta de vácuo. Isso exigirá água gelada a 35 ° F (2 ° C) . Um pequeno resfriador adicionará vários milhares de dólares ao custo da autoclave, além de outras centenas de dólares por porta para o condensador e o separador. As armadilhas de resina de aço inoxidável devem ser projetadas e feitas para serem facilmente desmontadas e limpas. Naturalmente, eles também devem ser totalmente acessíveis.
Controles e instrumentação
Embora grande parte da operação de uma autoclave simples possa permanecer manual, o controle de temperatura é quase sempre automatizado, pois isso é feito facilmente e com baixo custo. O valor dos produtos processados na maioria das autoclaves justifica um alto grau de automação. O hardware e software disponíveis para automação de processos industriais tornam a operação totalmente automática de uma autoclave acessível e confiável. É realista projetar e implementar essa automação sem os serviços de um fornecedor externo em muitos casos.
Temperatura
Tal como acontece com os outros parâmetros, a precisão necessária do controle de temperatura depende da especificação do processo . A autoclave deve exceder essa capacidade por uma margem suficiente para excluir todas as chances de temperaturas inadequadas ou excessivas na carga de trabalho. Muito quente e as peças podem ser danificadas ou sofrer excursão térmica; muito frio e todas as propriedades estruturais podem não ser realizadas. Igualmente vital é evitar variações de temperatura em todo o volume de trabalho da autoclave. As especificações aeroespaciais incluem a variação máxima permitida e também como testar a uniformidade.
O aquecimento elétrico é virtualmente infinitamente variável e, portanto, se presta a um controle preciso da temperatura , normalmente de ± 1 ° a ± 2 °. Este tipo de precisão pode ser alcançado com aquecimento indireto a gás, mas não tão facilmente. A energia elétrica consumida pelos elementos de aquecimento pode ser controlada com uma precisão de 12 bits por dispositivos SCR acionados por sinal analógico do controlador de temperatura . A baixa massa do elemento de aquecimento torna-o responsivo e mudanças repentinas e dramáticas na produção - embora geralmente não sejam necessárias - podem ser alcançadas.
A necessidade de exatidão e precisão na medição da temperatura do ar dentro da autoclave atribui importância à seleção e implementação do sensor. O mais barato e mais fácil é um único termopar colocado em algum lugar na corrente de ar. Para obter melhores resultados a um preço irrisório, dois ou três RTDs calculados funcionam melhor, com maior precisão e menos desvio. Embora os RTDs respondam a mudanças repentinas de temperatura com menos rapidez do que os termopares, isso não importa, uma vez que mudanças repentinas de temperatura em autoclaves simplesmente não acontecem. Um pode ser colocado na entrada do ventilador de circulação; este detecta a temperatura mais baixa, assumindo que o aquecedor está a jusante do ventilador. Outro pode ser colocado no ponto em que o fluxo de ar inverte a direção e começa a fluir além da carga de trabalho. Um terceiro pode ser colocado próximo ao meio. A detecção da temperatura do ar perto de uma superfície de parede geralmente incorrerá em um erro de camada limite ou, pior, um erro de estagnação .
Pressão
O controle da pressão apresenta menos desafios. Dada uma fonte de ar ou gás com pressão e capacidade de fluxo suficientes, o sistema de controle da autoclave abre a válvula de pressurização e a fecha quando a pressão interna atinge o ponto de ajuste. A despressurização ocorre quando a válvula de descarga é aberta. Em autoclaves grandes, pode ser necessário um silenciador ou silenciador. As válvulas são ligadas / desligadas em vez de modulantes, por razões de custo.
Conforme a temperatura aumenta, o gás se expande, elevando a pressão. Uma válvula de compensação libera o excesso, mantendo o setpoint.
Em algumas aplicações, a precisão do controle de pressão influencia diretamente no sucesso do processo. Por exemplo, os materiais do núcleo têm resistência à compressão limitada a temperaturas elevadas; mesmo uma pequena sobrepressão pode colapsar o núcleo e arruinar a carga de trabalho.
Em uma autoclave mal projetada, a oscilação da pressão pode resultar em vibração das válvulas de entrada e saída. Um meio de evitar isso é utilizar válvulas grandes para encher e despejar e válvulas pequenas para compensar no ponto de ajuste e próximo a ele. Alternativamente, válvulas modulantes evitarão esse fenômeno.
Vácuo
Freqüentemente, o fator menos controlado em uma autoclave, o vácuo pode ou não exigir modulação. Em alguns casos, não é totalmente automatizado e envolve pouco mais do que uma conexão com o sistema de vácuo da planta, algumas válvulas manuais e um medidor. No outro extremo, o sistema de controle de vácuo pode ser consideravelmente mais complexo do que o da temperatura do ar.
Garantia de segurança
A segurança é sempre uma preocupação com autoclaves. O código ASME é extremamente conservador; como resultado, os vasos de pressão estão entre os tipos de máquina mais seguros e menos arriscados em uso atualmente. No entanto, isso não significa que a segurança pode ser considerada garantida.
O código ASME requer, além do design muito conservador do vaso e seus acessórios, a instalação de uma válvula de segurança com estampa de código ajustada na pressão do projeto. Esta válvula tem fiação de segurança para evitar alterações em sua configuração e abrirá sempre que a pressão na autoclave exceder a pressão projetada. Embora este acionamento da válvula alivie qualquer possível sobrepressão no vaso, ela também deve ser capaz de impedir a fonte de pressão, seja ela qual for, de empurrar ar, gás inerte ou vapor suficiente para trazer a pressão de volta a um nível inseguro nivelar mesmo com a válvula de segurança totalmente aberta.
Uma autoclave projetada de forma conservadora tem várias válvulas de segurança, cada uma dimensionada para ser capaz de lidar com o maior fluxo de ar disponível no vaso mais não menos que 30%. As válvulas são montadas em um coletor que permite que várias saídas de vasos de pressão alimentem várias válvulas de segurança, cada uma das quais pode lidar com todo o despejo de ar sozinha, mesmo se uma saída de vaso de pressão for acidentalmente bloqueada por detritos de uma falha interna. O custo adicional das válvulas de segurança redundantes é de aproximadamente um décimo de um por cento do preço da máquina .
O ar ou nitrogênio da fonte de pressurização não é a única causa potencial de sobrepressão repentina. Um incêndio de autoclave é garantido para aumentar a pressão interna, e isso pode exceder a capacidade da válvula de segurança de ventilar rápido o suficiente. A solução são válvulas de segurança e discos de ruptura superdimensionados , e mais de um de cada.
Saber quanto ar ou gás pode, nas piores circunstâncias possíveis, ser fornecido à entrada da autoclave faz parte do processo de especificação. Fazer isso da maneira certa depende de fornecer os dados corretos ao fabricante da autoclave. Essa combinação da válvula de alívio de segurança com a capacidade de ar comprimido da planta é um exemplo de como a autoclave é considerada não como uma entidade isolada, mas como parte integrante da planta na qual está instalada e operada.
As peças compostas e os materiais usados em sua cura são freqüentemente inflamáveis, mesmo que não o sejam prontamente em temperatura ambiente e pressão atmosférica. As temperaturas e pressões elevadas envolvidas na cura aumentam os riscos de combustibilidade potencial. Embora o ar seja um meio adequado de pressurizar materiais de cura de autoclave a 100 psi e 350 ° F (177 ° C), pode ser muito perigoso em uma autoclave que processa materiais potencialmente combustíveis a 500 psi e 700 ° F (371 ° C). O risco também pode ser muito alto em cargas de cura extremamente grandes (e caras). Em tais aplicações, o nitrogênio pode ser usado, uma vez que é inerte (normalmente não suporta a combustão) e está prontamente disponível. Na forma líquida a granel, custa menos do que refrigerantes. É também uma alternativa realista aos compressores de ar especiais quando são necessárias pressões significativamente maiores do que cem psi.
O dispositivo de segurança mais simples e econômico é o disco de ruptura . Incorporado ao vaso de pressão na fabricação, é simplesmente uma porta no vaso fechada por uma placa finamente usinada que se romperá a uma pressão predeterminada. Esta placa pode ser feita de alumínio ou carbono. O disco é encaixado em um conjunto flangeado que descarrega a pressão da autoclave em um tubo de exaustão para afastar o ruído do pessoal. O disco é bastante barato e pode ser facilmente substituído. O disco de ruptura deve ser usado para fazer backup da válvula de segurança e dimensionado para diminuir a pressão interna o mais rápido possível. Os fogos de autoclave podem liberar uma energia considerável no ar interno, resultando em um aumento repentino de pressão. O disco de ruptura é projetado para liberar a uma pressão ligeiramente acima da válvula de segurança ASME e bem abaixo do teste hidrostático; ela nunca é acionada a menos que haja um aumento repentino de pressão além da capacidade da válvula de segurança. O custo muito modesto de até mesmo um par de discos de ruptura razoavelmente grandes torna esta uma opção extremamente atraente. O disco de ruptura não deve ser inferior a duas vezes o diâmetro da entrada ou da saída do vaso, o que for maior.
O tipo de porta determinará se ela precisa de seu próprio dispositivo de segurança. A porta com parafuso em T é intrinsecamente segura e o código ASME não exige um intertravamento para ela. Os outros tipos de portas exigem um dispositivo de bloqueio para evitar a possibilidade de abertura, quando existe ~ 1 / 2 psi ou mais no interior do recipiente. Cada autoclave terá isso; é o mínimo absoluto que é legal. No entanto, um operador de autoclave prudente não deve estar disposto a se contentar com o mínimo necessário. Mesmo os componentes mais bem feitos não são perfeitos, então a autoclave projetada de forma conservadora usa intertravamentos de backup no hardware e no software de controle para reduzir o risco ao nível mais baixo razoavelmente possível. Por exemplo, se o sistema de controle detectar qualquer pressão no vaso, ele bloqueará os cilindros de abertura da porta com válvulas à prova de falhas, impedindo assim qualquer tentativa de contornar o intertravamento de segurança manualmente. Isso é um acréscimo ao bloqueio obrigatório por código. Se desejado, um intertravamento adicional também pode ser instalado em uma porta com parafuso em T.
Outra consideração de segurança é como os sensores são conectados. Se um dispositivo for capaz de falhar em um determinado estado, a falha deve ser tal que uma falsa indicação de pressão seja fornecida. Isso é muito melhor do que uma falsa indicação de falta de pressão.
No entanto, verificar a pressão como condição para abrir uma autoclave simplesmente não é seguro o suficiente. Particularmente com autoclaves de tamanho industrial, como as usadas na indústria da borracha, é fundamental que a autoclave seja aberta somente após a verificação dos medidores de pressão e temperatura. Se a água dentro de uma autoclave conseguiu ficar superaquecida, o manômetro pode não indicar a presença de vapor, embora a temperatura possa ser significativamente mais alta do que o ponto de ebulição local da água. Se a autoclave for aberta neste estado e a água superaquecida for agitada, uma explosão de vapor se torna possível. Este fenômeno pode facilmente produzir queimaduras fatais em pessoas nas proximidades da explosão. Freqüentemente, as vítimas morrem apenas depois de uma agonia dolorosa, às vezes durando até um mês.
Como os requisitos de seguro e regulamentares variam de um local para outro, eles devem ser objeto de discussão durante o processo de design. Se uma pequena caldeira a vapor de alta pressão for necessária, pode ser necessário ter um engenheiro operacional para operá-la. Em muitas localidades, um funcionário existente pode ser treinado para fazer isso e receber uma licença limitada à caldeira na fábrica. Algumas partes do mundo exigem que as autoclaves sejam licenciadas ou operadas somente após as inspeções e as autorizações emitidas.
Economia
Construção
O preço de uma autoclave variará enormemente em função do que foi projetado e incorporado nela. É sensível a alguns fatores e insensível a outros. O preço dependerá muito de seu diâmetro e, em muito menor medida, de seu comprimento. Alguns dos recursos de uma autoclave permitem uma ampla gama de opções e alguns deles podem afetar o preço dramaticamente. Ao considerar a aquisição de uma autoclave, é prudente não considerar nada garantido; veja todas as opções e variações possíveis. Isso inclui se a autoclave é o meio ideal de cumprir os requisitos do processo. A nova tecnologia em compósitos avançados, por exemplo, está reduzindo a supremacia que a autoclave há muito possuía no setor.
Embora dobrar a pressão do projeto possa aumentar o custo da autoclave em cinquenta por cento, dobrar o diâmetro pode dobrar ou triplicar seu custo. Por outro lado, os aumentos de comprimento são surpreendentemente baratos. Dobrar o comprimento de uma autoclave curta de 1,8 m (6 pés) de diâmetro pode adicionar apenas 5 ou 6% ao preço final. Como regra, é mais econômico pensar no comprimento em incrementos de 1,5 a 3 metros. Adicionar um pé de comprimento a uma embarcação de 6,1 m (20 pés) não é muito mais barato do que adicionar outros cinco pés. Isto é baseado na prática habitual de fabricar o vaso de pressão a partir de placas laminadas de 5 ou 10 pés de largura (1,5 ou 3,0 m).
Vários centímetros de isolamento devem ser adicionados ao diâmetro interno de trabalho para obter o diâmetro do vaso de pressão. Colocar o isolamento do lado de fora produz o menor vaso de pressão para um determinado diâmetro interno de trabalho, mas a energia necessária para aquecer o próprio vaso a cada ciclo logo torna esta uma maneira muito pouco atraente de economizar, a menos que a injeção de vapor seja usada para aquecimento, em que isolamento externo do evento deve ser usado. Para a maioria das máquinas, calcule de dez a quinze centímetros de espessura de isolamento. Em máquinas com classificação inferior a 300 ° F (149 ° C), isso pode ser reduzido para três polegadas (76 mm). Para temperaturas acima de 600 ° F (316 ° C), deve ser aumentado para oito polegadas ou mais. Isso afeta o diâmetro de forma significativa, mas a compensação geralmente favorece o isolamento adicional.
Se o preço for um problema importante, algumas alterações podem restringi-lo sem abrir mão de recursos importantes, enquanto outras podem ser excluídas apenas ao custo de reduzir materialmente a funcionalidade e o valor da máquina. Os preços da autoclave também variam espetacularmente de um fabricante para outro. Às vezes, eles parecem mudar com as fases da lua. Não é aconselhável presumir que todo fabricante ou vendedor de autoclave cobrará praticamente o mesmo preço por uma determinada configuração. Além disso, os preços das máquinas usadas podem variar muito além da crença. É não raro encontrar máquinas usadas a preços bem acima novos, autoclaves que vendeu em leilão por centavos de dólar, bem como pouco usado.
Ao decidir se deve comprar uma nova autoclave ou uma máquina existente, o comprador em potencial descobrirá que as máquinas usadas podem ou não ser mais baratas do que uma nova construída com suas especificações precisas e que podem ser muito difíceis de encontrar no configuração. Se uma máquina usada que atende aos requisitos está localizada a um preço razoável, certifique-se de verificar coisas como desgaste da dobradiça da porta, modificações não documentadas feitas pelo usuário ou outros (muito mais comum do que se possa imaginar) e a disponibilidade da pressão documentos de registro do navio. Para ficar realmente seguro, peça as impressões da construção e compare-as com a própria máquina. Acréscimos não inspecionados feitos após a inspeção do seguro podem ser insignificantes (por exemplo, maçanetas soldadas depois que a embarcação foi inspecionada), mas podem permitir que uma seguradora rejeite um pedido de indenização se algo desastroso acontecer.
Se o formulário U-1 da autoclave, que é emitido pelo construtor do vaso de pressão, não estiver disponível, ou se a placa de dados da autoclave não for legível ou talvez nem mesmo lá, então alguém pode estar olhando para um vaso de pressão feito em casa. Esteja ciente de que muitas lojas de vasos de pressão não tocarão em um vaso que tenha sido fabricado em outro lugar, mesmo para a menor modificação. Nunca compre uma autoclave que precise de trabalho no próprio vaso de pressão, a menos que o negócio inclua todas as modificações e novos testes e reinspeção antes da aceitação da máquina. Caso contrário, pode-se acabar com o peso de papel mais caro da história da empresa. Em caso de dúvida, verifique se o registro do Conselho Nacional da embarcação é realmente válido. Verifique se o fabricante ainda está em atividade e se as vedações das portas ainda estão disponíveis.
Ainda mais importantes são os desenhos de construção e instalação, bem como os diagramas de fiação. Eles estão disponíveis e são atualizados? Se usar aquecimento elétrico, será necessário comprar um transformador grande para corresponder à tensão? Modificar uma máquina de 230 volts para operar em 460 volts ou vice-versa pode custar muito mais do que simplesmente instalar um transformador. Muito poucas das máquinas usadas no mercado estão equipadas com controles avançados; os controles existentes atenderão às necessidades atuais e previstas? Os sistemas de controle antigos e obsoletos podem ser substituídos. Embora o custo não seja trivial, um vaso de pressão sonora pode ser atualizado com menos despesas do que o preço de uma nova autoclave. Além disso, a máquina fica disponível mais rapidamente.
Operação
Dos vários fatores que impulsionam a economia de operar uma autoclave, nenhum é tão importante quanto o meio de aquecimento, e isso terá uma relevância ainda maior com o aumento dos preços da energia. O calor elétrico é essencialmente 100% eficiente e é o mais fácil e preciso de controlar, bem como o mais barato de manter (se a autoclave for projetada com a manutenção em mente). No entanto, o custo por quilowatt-hora torna isso o mais caro. Pode ser facilmente demonstrado que o dinheiro gasto com eletricidade durante toda a vida útil de uma autoclave pode ser igual a quatro a seis vezes o preço pago pela autoclave em primeiro lugar.
Operação
Usos típicos
Embora a autoclave não seja tão onipresente quanto o forno, ela é normalmente usada em várias classes de aplicação. Uma vez que a vulcanização da borracha não pode ser feita em uma atmosfera de ar, vapor é usado, e isso exige um vaso de pressão com capacidade adequada. Este é um processo em lote, portanto, uma porta de ação rápida é necessária. O único meio prático de fazer isso é uma autoclave, e muitos são usados na indústria de produtos de borracha. A fabricação de madeira tratada sob pressão pode exigir autoclaves. A esterilização de produtos residuais é mais uma aplicação das autoclaves a vapor.
A indústria aeroespacial fabrica um pequeno número de produtos muito caros e, portanto, é capaz de arcar com os altos custos de capital e de operação unitária das autoclaves. Normalmente, isso envolve a aplicação de níveis cuidadosamente controlados de calor e pressão a peças e conjuntos. A cura de compósitos requer a compactação das pilhas de material, pressionando esse material contra o molde, expulsando os voláteis e o excesso de resina e mantendo tudo imóvel durante todo o ciclo de cura. Na colagem com adesivo estrutural, a autoclave força as partes juntas e as mantém enquanto o adesivo cura. Ao contrário da prensa, a autoclave aplica pressão uniformemente, independentemente do formato da carga de trabalho.
Ciclo
Em um ciclo típico de cura em autoclave de peças compostas, essas etapas ocorrem:
- A autoclave é carregada e as conexões do saco de vácuo e do termopar são feitas na autoclave.
- A porta é fechada e trancada, o MPID confirmando o fechamento.
- A pressão é aplicada até que o nível necessário seja atingido.
- Dependendo dos requisitos, o saco de vácuo pode ser mantido sob vácuo ou não.
- O ventilador de circulação é iniciado.
- O aquecimento começa e é mantido na taxa de rampa especificada, normalmente 5 ° a 10 ° por minuto.
- Assim que a temperatura necessária for atingida, uma imersão cronometrada nessa temperatura começa e ocorre durante a duração necessária.
- No final do período de imersão, a função de resfriamento reduz a temperatura a um valor definido em uma taxa de rampa especificada.
- O vaso é despressurizado e a circulação interrompida.
Modos de falha
A falha em uma autoclave difere materialmente de defeitos de maquinário comuns apenas quando envolve a contenção de pressão. Uma vez que ar comprimido, gás ou vapor podem armazenar energia considerável, medidas estritas são impostas por lei para prevenir tais incidentes. Geralmente, a falha do vaso de pressão assume uma de duas formas. Uma delas é a ruptura do vaso, normalmente por propagação de fissura . Rachaduras no aço sob tensão podem se espalhar a velocidades de até mais de um quilômetro por segundo. Isso resulta na liberação de energia armazenada, um dos efeitos da qual é a aceleração da própria ruptura . Esses lançamentos são efetivamente explosões. A outra forma é a falha de um dispositivo mecânico de segurança, tais como o encravamento que desactiva o mecanismo de abertura da porta, enquanto a pressão do vaso exceda um valor conservativo, tais como 1 / 4 ou 1 / 2 psi.
Menos comumente, pode haver uma falha na presunção de que um anel de culatra de porta não pode girar quando a porta está sob pressão. A geometria das rampas de came resulta em um torque rotacional preciso que tende a abrir a porta quando a pressão atua contra o interior da porta. Essa força também cria um atrito que resiste a essa rotação. Se o coeficiente de fricção nas rampas for baixo o suficiente, o anel de travamento pode se mover sozinho. Ele pode até mesmo entortar os atuadores hidráulicos usados para girar o anel. Os dispositivos de intertravamento em portas de autoclave têm como objetivo evitar sequências impróprias, não restringir mecanicamente o movimento da porta. Assim, o interesse da segurança é melhor atendido quando o sistema de controle incorpora vários dispositivos que fornecem não apenas redundância, mas uma variedade de métodos, a falha de qualquer um dos quais não pode anular todo o sistema de segurança.
Veja também
- Nas indústrias química e alimentícia, recipientes herméticos para aplicar calor a uma substância também são chamados de retorta .
- Para uso como um laboratório ou instrumento médico, veja autoclave .