ITBS20100190A1 - Sistema integrato di preriscaldo e di raffreddamento per stampi - Google Patents

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ITBS20100190A1
ITBS20100190A1 IT000190A ITBS20100190A ITBS20100190A1 IT BS20100190 A1 ITBS20100190 A1 IT BS20100190A1 IT 000190 A IT000190 A IT 000190A IT BS20100190 A ITBS20100190 A IT BS20100190A IT BS20100190 A1 ITBS20100190 A1 IT BS20100190A1
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preheating
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Paolo Bonvicini
Camillo Penocchio
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Description

D E S C R I Z I O N E
del BREVETTO PER INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo:
“SISTEMA INTEGRATO DI PRERISCALDO E DI
RAFFREDDAMENTO PER STAMPIâ€
Campo dell’Invenzione
La presente invenzione à ̈ diretta a un sistema per la termoregolazione di dispositivi in impianti di processo industriali operanti ad alte temperature, in particolare stampi per la pressofusione, stampi per getti in conchiglia e simili.
Stato della Tecnica
Gli stampi succitati possono trovarsi a lavorare a temperature elevate, per esempio anche dell’ordine di 350°C e oltre. Per un loro corretto impiego nell’ambito di un processo di stampaggio, essi devono essere termoregolati, almeno raffreddandoli laddove la loro temperatura tende a raggiungere valori eccessivi e inaccettabili.
Usualmente, un raffreddamento à ̈ conseguito a mezzo di un fluido termovettore, quale acqua o olio diatermico, che proviene da un serbatoio e che à ̈ fatto circolare in canalizzazioni ricavate nello stampo e poi in uno scambiatore di calore per essere raffreddato a sua volta prima del suo ritorno al serbatoio.
Secondo la tecnica prevalente, il fluido di raffreddamento, quando si tratta di acqua, Ã ̈ contenuto in un serbatoio pressurizzato e fatto circolare in un circuito chiuso ad alta pressione, la quale, per esempio, a 350°C dovrebbe essere di circa 169 Bar e che comporta rilevanti problemi strutturali, di tenuta e di sicurezza per il circuito stesso.
In un precedente brevetto IT 1368 475 della stessa richiedente à ̈ stato descritto e rivendicato un sistema per la termoregolazione di stampi per pressofusione, stampi per getti in conchiglia e simili, che comprende un serbatoio aperto contenente un fluido raffreddante liquido, in particolare acqua, un circuito primario idraulico per una circolazione di detto fluido liquido da detto serbatoio allo stampo da termoregolare e da questo al serbatoio attraverso uno scambiatore di calore. Il circuito primario à ̈ integrato da un circuito secondario destinato alla circolazione di un fluido gassoso, tipicamente aria, nello stampo da condizionare sia in alternativa sia in forma mista con il fluido liquido, e da una centralina di controllo e gestione del circuito idraulico primario e del circuito pneumatico secondario per l’esercizio del sistema e per termoregolare dello stampo con il solo fluido liquido, con il solo fluido gassoso o con il fluido gassoso miscelato con il fluido liquido.
Questo sistema à ̈ risultato funzionale ed affidabile, consente vantaggiosamente la circolazione del fluido termovettore liquido a livelli di pressione relativamente bassi, ma à ̈ adatto al solo raffreddamento degli stampi.
Tuttavia, nella pratica à ̈ talvolta richiesto e conveniente, per meglio gestire ed accelerare l’avvio del processo di stampaggio, anche un preriscaldo degli stampi ad una temperatura per esempio di 140-160°C, comunque inferiore a quella effettiva di esercizio degli stampi stessi.
Il preriscaldo potrebbe essere effettuato con il fluido liquido di ritorno da uno stampo e che si raccoglie nel serbatoio del sistema dopo il suo passaggio attraverso lo scambiatore di calore, ma la temperatura del fluido nel serbatoio, in genere nell’ordine da 90-100°C, non sarebbe di per sé sufficiente ad un appropriato riscaldo dello stampo. D’altra parte il preriscaldo di uno stampo con un fluido liquido riscaldato fino alla temperatura desiderata nello stesso serbatoio del sistema di termoregolazione o in altro serbatoio aggiuntivo, se non in condizioni di pressurizzazione, potrebbe portare a una formazione di vapore, a dispersioni termiche e a un consumo di energia indesiderati.
Scopi e sommario dell’Invenzione
La presente invenzione à ̈ stata concepita per soddisfare pure questa esigenza ed à ̈ infatti suo scopo principale di creare le condizioni, oltre che per un raffreddamento di stampi con un fluido liquido e/o gassoso a pressioni relativamente basse, anche per un preriscaldo degli stampi stessi fino ad una temperatura di volta in volta desiderata.
Un altro scopo dell’invenzione à ̈ quindi di proporre un sistema di termoregolazione per stampi nel quale si trovano riuniti ed integrati un circuito di raffreddamento e un circuito di riscaldamento in particolare di stampi per la pressofusione, stampi per getti in conchiglia e simili operanti a temperature relativamente alte.
Tali scopi sono raggiunti, secondo l’invenzione, con un sistema di termoregolazione secondo il preambolo della rivendicazione 1 e caratterizzato in ciò che il sistema integra inoltre mezzi per un riscaldamento di acqua ed un circuito idraulico per il preriscaldo dello stampo o conchiglia con l’acqua calda proveniente da detti mezzi.
I vantaggi di un sistema integrato di preriscaldo e di raffreddamento per stampi, oltre a quelli già riferiti nel succitato brevetto IT 1 368 475 inerenti la possibilità di usare acqua e aria, sia separatamente, sia combinatamente, la sicurezza, la pulizia e gli aspetti ecologico ed economico, stanno evidentemente nel poter utilizzare un serbatoio di accumulo di fluido termovettore aperto, ovvero a pressione atmosferica, e di poter veicolare ed usare lo stesso fluido per due modalità: preriscaldo e raffreddamento, alternativamente, entro lo stesso impianto, ma con il fluido destinato al preriscaldo che può essere generato sotto pressione fuori dal serbatoio di accumulo per ovviare alla formazione di vapore alle temperatura richieste nel preriscaldo dello stampo.
Breve descrizione del disegno
Maggiori dettagli dell’invenzione risulteranno comunque evidenti dal seguito della descrizione fatta con riferimento al disegno allegato nel quale l’unica figura mostra uno schema di massima del sistema.
Descrizione dettagliata dell’Invenzione
Pertanto e come rappresentato il sistema per la termoregolazione di uno stampo o conchiglia 10 comprende essenzialmente un serbatoio di accumulo aperto 11, un circuito primario idraulico 12, un circuito secondario pneumatico 13 e un circuito ausiliario di preriscaldo 112 connessi al circuito primario idraulico.
Il serbatoio di accumulo 11 contiene un volume di un fluido termovettore, di preferenza acqua caricatavi e poi rabboccata secondo necessità attraverso una linea di adduzione 14 recante un filtro FA e un’elettrovalvola di carico EV1. Il livello del fluido nel serbatoio 11 à ̈ controllato da un sensore di livello SL e da un troppo pieno 15.
Il circuito primario idraulico 12 si presenta con una linea di mandata 12’ dal serbatoio allo stampo 10 e una linea di ritorno 12†dallo stampo al serbatoio, mentre il circuito pneumatico13 si congiunge alla linea di mandata 12’ del circuito primario a mezzo di un eiettore EJT.
Lungo la linea di mandata 12’ sono inseriti almeno una pompa di ricircolo P1 e, a valle di questa, ma a monte dell’eiettore EJT, un’elettrovalvola EV4 ad apertura modulabile e, a valle di detto eiettore, un pressostato di mandata Pm1, per gestire la pressione minima nella stessa linea 12’, un manometro M1 e una valvola di sicurezza VS. Nel tratto tra la pompa di ricircolo P1 e l’elettrovalvola EV4, la linea di mandata 12’ si ricollega al serbatoio di accumulo 11 attraverso una linea di bypass 16 recante una valvola di intercettazione EVBP.
La linea di ritorno 12†attraversa almeno uno scambiatore di calore SC e può essere dotata di un eventuale pressostato per gestire la pressione minima di ritorno e di una valvola di regolazione della laminazione DRL. Da parte sua lo scambiatore di calore SC à ̈ alimentato da un fluido raffreddante attraverso linee di ingresso e di uscita 17 sotto il controllo di un’elettrovalvola EV5 sulla linea d’ingresso.
Il circuito pneumatico 13 à ̈ previsto per la circolazione di un fluido aeriforme, tipicamente aria, si collega alla linea di mandata 12’ del circuito idraulico 12 tramite l’eiettore EJT e comprende almeno un manometro M2, un’elettrovalvola di ingresso EV2 e una valvola di ritegno VR1.
Il circuito idraulico di preriscaldo 112 dello stampo à ̈ sostanzialmente in forma di anello all’interno e integrato al sistema fin qui descritto. Secondo l’invenzione, sulla linea di ritorno 12†del circuito primario 12 à ̈ inserita un’elettrovalvola a tre vie EV5, e il circuito di preriscaldo 112 comprende una linea di mandata 112’ allo stampo, di preferenza comune e coincidente con la stessa linea di mandata 12’ del circuito idraulico primario 12, e una linea di ritorno 112†che si estende da un’uscita di detta valvola a tre vie EV5 fino a raccordarsi alla linea di mandata 12’, 112’ comune ai circuiti primario 12 e di preriscaldo 112, in una parte a monte della pompa di ricircolo P1.
Inoltre, sulla linea comune 12’, 112’ dei due circuiti primario e di preriscaldo 12, 112 à ̈ inserito un secondo serbatoio 111 contenente anch’esso acqua e dotato di resistenza elettrica R per un riscaldamento ed il mantenimento della temperatura del liquido che vi à ̈ contenuto.
Nell’esempio rappresentato, tale secondo serbatoio 111 à ̈ posto a valle di ricircolo P1, tra questa e l’eiettore EJT. Esso à ̈ altresì dotato di una sonda termica S3 per rilevare la temperatura dell’acqua al suo interno e di una linea di sfiato 111’ con un’elettrovalvola di sfiato EV6, che lo collega alla linea di ritorno 12’ del circuito idraulico primario a valle dell’elettrovalvola a tre vie EV5, ovvero a valle dello scambiatore di calore SC.
Per l’erogazione e circolazione dell’acqua di preriscaldo dal secondo serbatoio 111 verso lo stampo 10 e da questo allo stesso secondo serbatoio può essere prevista una seconda pompa P2, o pompa di pressurizzazione, che nell’esempio rappresentato à ̈ inserita sulla linea di mandata 12’ dal serbatoio di accumulo 11 allo stampo 10. In alternativa la circolazione del fluido di preriscaldo nel circuito di preriscaldo 112 può essere realizzata mediante la stessa pompa di riciclo P1 del fluido raffreddante posta ed attivata convenientemente.
L’impianto può inoltre comprendere una sonda di temperatura: S1 dell’acqua nel serbatoio di accumulo, una sonda di temperatura S2 a livello dello stampo 10, nonché di una valvola di ritegno VR2, un vaso di espansione 114 un pressostato Pm2 e un manometro M3 sulla linea della seconda pompa P2.
Il sistema dell’invenzione può lavorare secondo tre diverse modalità:
1. per un raffreddamento dello stampo alternato acqua/aria ad alta pressione (fino a 14 Bar circa);
2. per un raffreddamento dello stampo misto aria con acqua a bassa pressione (1 - 2 Bar circa);
3. per un preriscaldo dello stampo con acqua calda pressurizzata
il tutto sotto il controllo di un dispositivo elettronico (PLC) programmato per gestire le letture provenienti dai vari strumenti di controllo e di apertura e chiusura delle elettrovalvole.
L’apertura/chiusura delle valvole VBP e DRL sul circuito primario possono invece essere effettuate manualmente.
Nella prima modalità di lavoro, l’acqua che viene prelevata dal serbatoio di accumulo e fatta circolare nel circuito primario 12 con la pompa di ricircolo P1 rappresenta il fluido di raffreddamento principale. Il sistema viene ad avere zone a pressioni e temperature differenti che consentono comunque all’acqua di raffreddamento di non evaporare mai. D’altra parte, l’aria, à ̈ allora utilizzabile sia come regolatore della temperatura dell’acqua, nel caso di un raffreddamento blando dello stampo, sia come fluido raffreddante di emergenza, con funzioni di sicurezza in risposta ad allarmi vari e/o ad avarie alla pompa di ricircolo P1 o di altri componenti del circuito primario idraulico 12.
Quando il sistema di raffreddamento viene avviato, la pompa di ricircolo P1 à ̈ ferma, l’elettrovalvola di ingresso EV2 del circuito pneumatico 13 à ̈ aperta per l’immissione di aria nel circuito idraulico 12 e l’elettrovalvola EV1 si apre per il caricamento di acqua nel vaso/serbatoio 11 sotto il controllo del sensore di livello SL. Dopo un tempo prefissato, e se i parametri di pressione e di temperatura nel sistema sono entro soglie prestabilite, l’elettrovalvola EV2 si chiude e la pompa P1 si avvia, mettendo così in funzione il raffreddamento ad acqua dello stampo o conchiglia 10.
Nel corso del raffreddamento, l’acqua nel serbatoio 11 rimane ad un temperatura non superiore a 90°C, la pressione nella linea di mandata 12’ del circuito idraulico primario 12 à ̈ relativamente alta, l’acqua entra nello stampo o conchiglia 10 ed esce riscaldata ad una temperatura, che può essere di circa 180-200°C, e ritorna quindi al detto serbatoio dopo essere passata attraverso lo scambiatore di calore nel quale à ̈ raffreddata e riportata ad una temperatura di circa 90°C.
L’acqua rimane in pressione fino alla valvola di laminazione DRL, regolata e operante al fine di garantire un minimo passaggio di acqua, di mantenere la pressione desiderata nel circuito idraulico a monte della valvola stessa, e di abbattere la pressione dell’acqua dal lato della sua uscita verso il vaso o serbatoio.
Il circuito secondario pneumatico 13 entra in funzione automaticamente quando regolazioni, allarmi o avarie nel circuito idraulico lo richiedano, comunque sotto il controllo del dispositivo elettronico (PLC) programmato o programmabile secondo necessità.
Durante il raffreddamento ad aria, la pompa P1 à ̈ ferma e la valvola EV2 à ̈ aperta, l’aria arriva alla linea di mandata 12’ attraverso l’eiettore EJT e percorre il circuito nello stesso senso dell’acqua di raffreddamento, spurgando le tubazioni dalla stessa acqua e determinando un raffreddamento dello stampo fino a quando non si ristabiliscono le condizioni che consentono un corretto raffreddamento ad acqua.
Con la seconda modalità di lavoro, la pressione nel circuito rimane pressoché costante nel tempo, dipendente dalla pressione dell’aria. La pressione di esercizio viene quindi ad essere relativamente bassa, 1 - 2 Bar come detto più sopra.
Il fluido di raffreddamento principale diventa allora l’aria che, attraverso l’eiettore EJT, si viene a miscelare con l’acqua nella quantità desiderata e stabilita a mezzo dell’elettrovalvola EV4 comandata dal dispositivo elettronico di gestione.
In conseguenza di un segnale locale e/o remoto di inizio raffreddamento si possono allora avere due possibilità.
a. Il raffreddamento dello stampo solo con aria per il quale si apre l’elettrovalvola EV2 di ingresso aria, si avvia la pompa P1, la valvola VBP sulla linea bypass 16 viene aperta, mentre l’elettrovalvola EV4 sulla linea di mandata 12’ à ̈ chiusa per il ritorno dell’acqua al serbatoio; allora il circuito sarà percorso da un flusso d’aria che entra dall’eiettore EJT per circolare poi nello stampo e uscire nel serbatoio. b. Il raffreddamento dello stampo con aria mista ad acqua per il quale la pompa P1 viene avviata, se non già attivata, e l’elettrovalvola EV2 di ingresso aria à ̈ aperta così come à ̈ aperta la valvola VBP sulla linea bypass 16. Allo stesso tempo un controllo elettronico (PLC) gestisce l’apertura dell’elettrovalvola EV4 al fine di dosare la corretta quantità d’acqua da far circolare unitamente all’aria che entra dall’eiettore EJT.
Nella la modalità di preriscaldo dello stampo o conchiglia 10 si utilizza l’acqua contenuta dal secondo serbatoio 111 preventivamente caricato con acqua che può provenire dal serbatoio di accumulo 111.
Allora la pompa di ricircolo P1 rimane inattiva, l’elettrovalvola EV4 sulla linea di mandata 12’ del circuito idraulico primario 12 à ̈ aperta e l’elettrovalvola a tre vie EV5 sulla linea a ritorno 12†dallo stampo o conchiglia à ̈ commutata in modo che tale valvola sia chiusa dal lato connesso con lo scambiatore ed aperta dal lato connesso alla linea di ritorno 112†del circuito di preriscaldo 112.
In queste condizioni, l’acqua può essere riscaldata nel secondo serbatoio 111 ad opera della resistenza elettrica R e quindi erogata mediante la pompa P2 verso lo stampo o conchiglia 10 per il suo preriscaldo per esempio ad una temperatura di 140-160°C. L’acqua in uscita dallo stampo passa attraverso l’elettrovalvola a tre vie EV5 per il suo ritorno al secondo serbatoio 111 attraverso la linea di ritorno 112†del circuito di preriscaldo 112.
Il dispositivo elettronico di controllo, sia in modo autonomo, sia dialogando con interfacce esterne, sarà quindi programmato per gestire le seguenti fasi:
- sistema acceso, ma inattivo agli effetti del raffreddamento dello stampo in quanto erogante né aria, né acqua;
- raffreddamento dello stampo solo con aria;
- raffreddamento dello stampo con aria mista ad acqua nelle varie modulazioni richieste;
- preriscaldo dello stampo con acqua calda proveniente da un secondo serbatoio dotato di un riscaldatore.

Claims (8)

  1. “SISTEMA INTEGRATO DI PRERISCALDO E DI RAFFREDDAMENTO PER STAMPI†R I V E N D I C A Z I O N I 1. Sistema per la termoregolazione di stampi per pressofusione, stampi per getti in conchiglia e simili, comprendente - un serbatoio (11) aperto contenente un fluido raffreddante liquido, in particolare acqua, - un circuito idraulico primario (12) per una circolazione di detto fluido raffreddante liquido da detto serbatoio allo stampo da raffreddare e da questo al serbatoio attraverso uno scambiatore termico (SC), - un circuito pneumatico secondario (13) connesso al circuito idraulico primario (12) e destinato alla circolazione di un fluido aeriforme nello stampo da raffreddare sia in alternativa, sia in forma mista con il fluido raffreddante liquido, e - una centralina di controllo del circuito idraulico primario (12) e del circuito pneumatico secondario (13) per gestire il raffreddamento dello stampo con il solo fluido raffreddante liquido, con il solo fluido aeriforme o con il fluido aeriforme miscelato con il fluido liquido, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre un circuito idraulico di preriscaldo (112) integrato al circuito idraulico primario (12) e destinato alla produzione e circolazione di un fluido liquido caldo per un preriscaldo dello stampo da termoregolare.
  2. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui - il circuito idraulico primario (12) comprende almeno una pompa di riciclo (P1) per la circolazione del fluido liquido, una linea (12’) di mandata dal serbatoio di fluido (11) allo stampo e una linea (12†) di ritorno dallo stampo al serbatoio attraverso lo scambiatore termico di raffreddamento di detto fluido, - il circuito pneumatico secondario (13) à ̈ collegato alla linea di mandata (12’) di detto circuito idraulico primario (12) a mezzo di un eiettore (EJT) posto a valle di detta pompa di circolazione e di una valvola di ritegno, e - il circuito idraulico di preriscaldo (112) comprende • un’elettrovalvola a tre vie (EV5) sulla linea di ritorno (12†) del circuito idraulico primario (12), a valle di detto scambiatore termico (SC), • un secondo serbatoio (111) contenente un fluido liquido di preriscaldo e dotato di un riscaldatore (R), in particolare una resistenza elettrica, per riscaldare e un mantenere la temperatura del fluido di preriscaldo contenutovi, • una linea di mandata (112’) del fluido di preriscaldo da detto secondo serbatoio (111) allo stampo, • una linea di ritorno (112†) del fluido di preriscaldo dallo stampo al secondo serbatoio (111) attraverso detta valvola a tre vie (EV5).
  3. 3. Sistema secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la linea di mandata (112’) del circuito idraulico di preriscaldo (112), a partire dal secondo serbatoio (111) contenente il fluido di preriscaldo, coincide almeno parzialmente con la linea di mandata del circuito idraulico primario (12), in cui la linea di ritorno (112†) del circuito idraulico di preriscaldo (112) coincide con la linea di ritorno (12†) del circuito idraulico primario (12) almeno nella parte tra lo stampo e l’elettrovalvola a tre vie (EV5), e in cui una pompa à ̈ prevista per la circolazione del fluido di preriscaldo in detto circuito idraulico di preriscaldo (112).
  4. 4. Sistema secondo la rivendicazione 3, in cui la pompa per la circolazione del fluido nel circuito di preriscaldo (112) Ã ̈ la stessa pompa di riciclo (P1) per la circolazione del fluido raffreddante nel circuito idraulico primario (12).
  5. 5. Sistema secondo la rivendicazione 3, in cui la pompa per la circolazione del fluido nel circuito di preriscaldo (112) Ã ̈ costituita da una seconda pompa (P2) attivabile in alternativa alla pompa di riciclo (P1).
  6. 6. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il secondo serbatoio (111) per il fluido di preriscaldo comprende una linea di sfiato (111’) che si collega attraverso un’elettrovalvola di sfiato (EV6) alla linea di ritorno (12†) del circuito idraulico primario (12) a valle dell’elettrovalvola a tre vie (EV5), e una sonda termica (S3) per il controllo della temperatura del fluido di preriscaldo nello stesso serbatoio.
  7. 7. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il serbatoio (11) per il fluido raffreddante e lo stampo sono dotati di sonde termiche (S1; S2) e in cui il circuito idraulico primario (12), il circuito pneumatico secondario (13) e il circuito di preriscaldo (112) comprendono elettrovalvole, pressostati e manometri di controllo della circolazione dei fluidi volta in volta in circolazione.
  8. 8. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui sulla linea di ritorno (12†) del circuito idraulico primario (12), a monte dello scambiatore termico (SC) à ̈ inserita una valvola di laminazione per garantire un minimo passaggio di fluido raffreddante, mantenere una pressione desiderata nel circuito idraulico a monte della valvola stessa, ed abbattere la pressione di detto fluido dal lato della sua uscita verso il serbatoio.
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