Система циркуляции и термостатирования рабочих растворов

Онаобеспечивает непрерывное интенсивное перемешивание и фильтрацию растворов и стабильную поддержку их температуры во всем объеме бака.

Одним из важнейших параметров систем термостатирования является точность поддержания температуры, которая для проявочных машин должна составлять ±(0,1-0,5)°С.

На рис. 9.5 приведена упрощенная функциональная схема замкнутого контура циркуляции и термостатирования обрабатывающего раствора. Принцип действия системы состоит в том, что раствор отсасывается из бака 1 центробежным насосом 2 и через фильтр 3 поступает в теплообменник 4 и далее по трубопроводу 8 подается снова в бак машины. Такой замкнутый цикл циркуляции растворов осуществляется в большинстве современных проявочных машин.

Рисунок 9.5 – Функциональная схема системы циркуляции и термостатирования обрабатывающего раствора

При циркуляции раствора по замкнутому контуру наблюдается изменение его температуры из-за потерь тепла в окружающую среду, уноса тепла пленкой, изменения температуры окружающей среды и др.

Система термостатирования рабочих растворов обеспечивает непрерывный контроль температуры и поддержание ее с требуемой точностью. Система включает теплообменник 4 с нагревательными и холодильными элементами, блок контроля и регулирования температуры 6 с термодатчиком 7 и исполнительные элементы 5 (пусковые реле и электромагнитные вентили).

Системы термостатирования можно разделить на два класса: с нагревателем и змеевиком-охладителем, погруженными непосредственно в растворы, и с промежуточным теплоносителем. В проявочных машинах применяются системы с промежуточным теплоносителем (обычно водой). Они имеют ряд преимуществ по сравнению с непосредственным погружением нагревателя и змеевика-охладителя в растворы, так как не контактируют с агрессивными растворами. Кроме того, тепловая емкость объекта регулирования увеличивается. Под тепловой емкостью понимают свойство объекта накапливать или сохранять тепловую энергию. Чем больше тепловая емкость объекта, тем меньше изменится его температура при нарушении баланса между притоком и расходом энергии.

Наиболее проста по конструкции система термостатирования с проточным теплоносителем (рис. 9.6).

Рисунок 9.6 – Система термостатирования с проточным теплоносителем

Ванна с теплоносителем 9 расположена под ваннами с рабочими растворами 2. В нее погружен электронагреватель 6 и подключена магистраль холодной воды 4 с электромагнитным вентилем 3. Теплообмен между теплоносителем и рабочими растворами происходит непосредственно через дно ванн. Температура контролируется датчиком 1, связанным с двухпозиционным прибором, который через релейную схему включает электронагреватель 6 либо электромагнитный вентиль 3 на магистрали холодной воды 4.

Растворы циркулируют по замкнутому контуру: ванна 2 — насос 7— фильтр 5— ванна 2.

Теплоноситель поступает в ванну 9 через магистраль 4 и сливается в канализацию через переливную трубу 8, отверстие которой находится выше уровня дна ванны 2, что обеспечивает постоянный контакт теплоносителя и дна ванн.

Достоинство описанной системы — конструктивная простота. Однако она не обеспечивает высокой надежности поддержания температуры растворов по следующим причинам:

давление и температура в магистрали холодной воды подвержены сезонным колебаниям, которые невозможно учесть, а в южных районах страны, где температура водопроводной воды в летнее время может быть выше температуры рабочих растворов, применение данной системы невозможно;

теплоноситель неподвижен при работе нагревателя, из-за чего раствор нагревается неравномерно;

замена перегретой воды более холодной при включении электромагнитного вентиля вызывает охлаждение рабочего раствора ниже допустимой температуры, а также дополнительные затраты энергии на последующий нагрев теплоносителя с более низкой температурой до заданной температуры растворов при отключении электромагнитного вентиля 3 и включении нагревателя 6. Таким образом, система работает в импульсном режиме со значительными температурными отклонениями (выбросами) рабочих растворов.

Повышение надежности поддержания температуры растворов дает система с циркулирующим теплоносителем (рис. 9.7).

Отличие ее от предыдущей системы состоит в том, что теплоноситель, как и рабочие растворы, циркулирует по замкнутому контуру: ванна 6— насос 7 — ванна 6. В ванну 6 погружен змеевик 5, который может подключаться как к магистрали холодной воды, так и к холодильному агрегату. Циркуляция теплоносителя повышает коэффициент теплопередачи, тем самым сокращается время ввода установки в стабильный температурный режим, а также устанавливается более равномерная температура рабочего раствора по высоте ванны 2. Введение змеевика 5 уменьшает зависимость температуры рабочего раствора от давления и температуры магистрали холодной воды, так как теплоноситель не вытесняется, а лишь охлаждается или нагревается до требуемой температуры. Одновременно змеевик позволяет подключить холодильник, что полностью устраняет зависимость температуры рабочего раствора от внешних факторов. (На рис. 9.5: 1 — датчик контроля температуры воды, 3 — фильтр, 4—насос, 8—нагреватель.)

Рисунок 9.7 – Система термостатирования с циркулирующим теплоносителем

Однако и в этой системе коэффициент теплопередачи по-прежнему невелик, так как площадь теплообмена ограничена размерами дна рабочих ванн. Поскольку наиболее распространены установки с вертикальным расположением ванн, что связано с требованиями минимальной площади окисления растворов, площадь теплообмена минимальна. Это значит, что за единицу времени может быть передана относительно небольшая часть энергии, отдаваемой нагревателем. Поэтому относительно велико время ввода в стабильный режим и невозможно поддержать точность температуры растворов в пределах ±0,5°С.

Как известно из теории теплопередачи, максимальный теплообмен происходит при циркуляции растворов противотоком. Поэтому дальнейшим шагом на пути повышения точности и надежности поддержания температуры рабочих растворов явилось создание систем с теплообменником типа “труба в трубе”, в котором коэффициент теплопередачи — максимально возможный, а площадь теплообмена можно варьировать в широком диапазоне, меняя длину змеевика. Схема системы приведена на рис. 9.6.

Рабочие растворы циркулируют в этой системе по замкнутым контурам, включающим внутренние трубы змеевиков теплообменника 5 (сечение А—А). Теплоноситель циркулирует в межтрубном пространстве и в емкости 6 теплообменника в противоположном направлении. В зависимости от действительной температуры рабочего раствора в ванне 2, измеренной датчиком 1, включается нагреватель вили холодильник 7, размещенные в емкости 6 с теплоносителем. (На рис. 9.8: 1 —датчик контроля температуры воды, 2—ванны с раствором, 3—насос, 4— фильтр, 9—насос.)

Рисунок 9.8 – Система термостатирования с теплообменником типа “труба в трубе”

Такая система обеспечивает надежную работу с точностью поддержания температуры рабочих растворов в пределах ±0,4°С и при этом практически исключает кратковременные выходы температуры за допустимые пределы под влиянием внешних факторов.

Для достижения более высокой точности поддержания температуры ±(0,1-0,2)°С необходимо применять двухконтурные системы циркуляции теплоносителя, в которых снижено время перерегулирования (время, в течение которого температура превышает допустимую) благодаря переключению циркуляции теплоносителя из основного контура во вспомогательный посредством реверсирования насоса циркуляции.

Схема системы термостатирования такого типа приведена на рис. 9.9.

Рисунок 9.9 – Схема термостатирования с реверсированием насоса циркуляции

Основной контур образован емкостью 8 теплообменника со встроенными змеевиком охладителя 9 и нагревателем 12, всасывающей магистралью 13, центробежным насосом 14, нагнетательной магистралью 17 с золотниковым распределителем 19, трубопроводом 10, змеевиком 7 теплообменника 6.

Вспомогательный контур образован емкостью 8, магистралью 13, насосом 14, золотниковым распределителем 19, трубопроводом 18. Растворы из ванн 2 через магистрали 5 и 3 насосами 4 подаются через змеевики теплообменника 6 обратно в ванны.

Центробежный насос 14 имеет два нагнетательных штуцера 15 и 16. Штуцеры расположены таким образом, что при вращении ротора насоса в одном направлении, например по часовой стрелке, для ввода теплоносителя в основной контур служит штуцер 15, а при вращении ротора в противоположном направлении теплоноситель выводится через штуцер 16 во вспомогательный контур. Золотниковый распределитель плунжерного типа установлен с вожможностью перекрытия штуцеров 15 или 16 при каждом изменении направления вращения ротора насоса 14. При этом основная масса теплоносителя направляется по одному из нагнетательных штуцеров в одну из двух камер золотникового распределителя 19. Из-за разности давлений в камерах золотникового распределителя плунжер перемещается, открывая путь циркуляции по основному или вспомогательному контуру.

Для контроля температуры в ванне 2 с растворами установлен трехпозиционный прибор с датчиком 1. Температура тепло­носителя контролируется также трехпозиционным прибором с датчиком 11.

Система работает следующим образом. Датчик 1 измеряет температуру раствора в ванне и передает сигнал на трехпозиционный прибор, который в зависимости от знака рассогласования включает через релейную схему нагреватель 12 или охладитель 9. При достижении заданной температуры растворов включается реверс насоса 14, при этом переключается циркуляция теплоносителя из основного контура во вспомогательный. Датчик 11 измеряет температуру теплоносителя и в зависимости от знака рассогласования включает нагреватель или охладитель для приведения температуры теплоносителя к температуре растворов. В дальнейшем температура растворов поддерживается теплоносителем, температура которого имеет незначительные отклонения от температуры растворов.

Работа схемы происходит в импульсно-релейном режиме. Длительность импульса передачи энергии от теплоносителя к раствору определяется временем работы насоса в основном контуре, а отклонение температуры теплоносителя — разностью температуры теплоносителя и растворов.

Последняя система наиболее перспективная с точки зрения обеспечения надежности и точности поддержания температуры.

Система циркуляции растворов обеспечивает непрерывное интенсивное перемещение и фильтрацию рабочих растворов, постоянство их рабочих свойств и температуры во всем объеме баков.

Принцип действия систем состоит в том, что раствор отсасывается из бака центробежным насосом и через фильтр по системе трубопроводов подается снова в бак машины. Таким образом осуществляется замкнутый цикл перемещения растворов. В большинстве современных проявочных машин реализуется именно такая циркуляция растворов. При этом чаще всего раствор забирается в нижней части бака, а подается в среднюю.

Система циркуляции (рис. 9.10) имеет канал для ввода освежающих добавок. Канал образован кюветой для хранения подкрепляющего раствора 2, расходомером для регулирования объема добавки 3, соленоидом 4 для ввода добавки в систему и трой­ником 5, через который добавка вводится в систему циркуляции. В этой системе есть устройство 6 для контроля температуры и фильтры 7 для очистки жидкости от загрязнения. Для контроля процесса восстановления рабочих растворов служит панель 1. Для обеспечения интенсивного перемешивания в высокопроизводительных проявочных машинах применяются довольно мощные центробежные насосы.

Рисунок 9.10 – Система циркуляции