NL1009267C2 - Hogedrukinrichting. - Google Patents

Description

Hogedrukinrichting.

De uitvinding betreft een hogedrukinrichting omvattende een hoofdzakelijk 5 cilindrisch hogedrukvat en uitwendige voorspanmiddelen voor het uitoefenen van een uitwendige druk op het vat.

Uit WO 95/21690 is een hogedrukvat bekend met een aan twee zijden open cilindrische binnenmantel die met behulp van een stalen draadwikkeling onder een radiale voorspanning is geplaatst. Hierbij is de voorspanning ten gevolge van de 10 stalen wikkeling gelijk aan de tangentiële spanning die wordt opgewekt wanneer het hogedrukvat onder druk wordt geplaatst.

In het bekende hogedrukvat kunnen drukken tussen 1000 en 15000 bar worden opgewekt. Hierbij kan het cilindrische drukvat worden gevuld met een vloeistof om een isostatische druk uit te oefenen op bijvoorbeeld voedingsmiddelen, farmaca, 15 cosmetische preparaten en dergelijke. Door de hogedrukbehandeling bij deze drukken kunnen schadelijke micro-organismen en enzymen worden gedood zonder dat vitaminen worden beschadigd of de smaak vermindert.

Door de variërende belasting van het bekende drukvat, kunnen daarin haarscheuren worden gevormd zodat het vat uiteindelijk ongeschikt wordt voor 20 gebruik. Om een voldoende weerstand tegen de inwendige druk te leveren en de vorming van haarscheuren te voorkomen, zijn de bekende drukvaten relatief zwaar uitgevoerd met meerdere concentrische stalen wanden. Het losnemen van het relatief zware drukvat uit de hydraulische pers, het legen daarvan en het laden met nieuw te behandelen materiaal neemt relatief veel tijd in beslag zodat de doorzet van de 25 bekende inrichting beperkt is. Het lichter uitvoeren van het hogedrukvat volgens de stand van de techniek om dit sneller en gemakkelijker te kunnen vullen en legen zou weer leiden tot toepassing van lagere drukken waardoor de verblijftijd van het product in het hogedrukvat toeneemt.

Het is daarom een doel van de onderhavige uitvinding te voorzien in een 30 hogedrukinrichting waarbij het hogedrukvat relatief licht kan worden uitgevoerd terwijl dit toch bij hoge drukken kan worden bedreven. Het is een verder doel van de onderhavige uitvinding te voorzien in een hogedrukinrichting waarbij de verblijftijd van de producten kan worden verkort, waarbij het hogedrukvat relatief eenvoudig en 1009267 2 gemakkelijk buiten de hogedrukinrichting kan worden geplaatst en gemakkelijk kan worden gevuld en geleegd en waarbij een lange levensduur gedurende een groot aantal drukbelastingscycli mogelijk is.

Hiertoe is de hogedrukinrichting volgens de onderhavige uitvinding 5 gekenmerkt doordat het vat is versterkt met vezels, waarbij de voorspanmiddelen een compressie-inrichting omvatten voor het uitoefenen van een axiale druk op het hogedrukvat. Gebleken is dat door het aanbrengen van een axiale voorspanning op het hogedrukvat door compressie in axiale richting, het spanningsverloop over de wand van het vat gelijkmatiger wordt. Hierdoor wordt de spanning aan het binnenste 10 wanddeel aanzienlijk verlaagd hetgeen een positief effect heeft op de levensduur van het vat. Verder wordt de gehele wanddikte nuttiger gebruikt voor het verkrijgen van de gewenste sterkte, zodat de wand dunner kan worden uitgevoerd of, bij een gelijkblijvende wanddikte, de druk kan worden verhoogd.

Bij voorkeur is het vat gevormd uit een composietmateriaal omvattende in 15 kunststof ingebedde vezels. De door de voorspanmiddelen uitgeoefende druk kan afhankelijk zijn van de inwendige druk in het hogedrukvat, zodat geen voorspanning wordt uitgeoefend wanneer het vat niet onder druk staat. De voorspanmiddelen kunnen een in axiale richting van het cilindrische hogedrukvat verplaatsbaar drukorgaan omvatten dat aangrijpt op een kopvlak van het hogedrukvat, alsmede een 20 toevoerleiding voor toevoer van een drukfluïdum aan het drukorgaan. Dergelijke voorspanmiddelen kunnen gemakkelijk worden geïntegreerd met bekende hydraulische installaties voor het opwekken van druk in het hogedrukvat, met een relatief klein aantal eenvoudige aanpassingen.

Het hogedrukvat volgens de onderhavige uitvinding kan metaal omvatten, en 25 omvat bij voorkeur een composietmateriaal uit vezels met een treksterkte van 1000 MPa of hoger, zoals bijvoorbeeld glasvezels, koolstofvezels of aramidevezels. Deze vezels kunnen zijn ingebed in een matrix van bijvoorbeeld een epoxyhars, een polyamide of polyurethaan. Bij voorkeur zijn de vezels in hoofdzaak in de omtreksrichting georiënteerd zodat een hoge tangentiële sterkte van het hogedrukvat 30 wordt verkregen. Geschikte hogedrukvaten uit composietmaterialen van het bovengenoemde type zijn in detail beschreven in Europese octrooiaanvrage nr.

96203187.8 ten name van aanvraagster. Een hogedrukvat uit composietmateriaal waarop volgens de uitvinding een axiale voorspanning wordt aangebracht heeft een 1009267 3 levensduur van 300.000 cycli of meer bij een werkdruk van 10 kbar.

Door het aanbrengen van een axiale voorspanning wordt de afschuifspanning in de wand van het hogedrukvat, met name in een wand van composietmateriaal verlaagd.

5 Een uitvoeringsvorm van een hogedrukinrichting volgens de onderhavige uitvinding is gekenmerkt doordat het hogedrukvat nabij tenminste één van de kopvlakken is voorzien van een zich radiaal naar buiten toe, in axiale richting verbredende versterkingsring. Om de voorspanning in de wand als functie van de afstand van de hartlijn van het vat op de juiste waarde te brengen, wordt de drukring 10 zodanig gevormd dat de schuifspanning nabij het inwendige van het hogedrukvat wordt verlaagd en voor wanddelen nabij de buitenzijde van de wand wordt verhoogd. Verder wordt door toepassing van de versterkingsring de radiale rek nabij de kopvlakken (ter plaatse van een eventuele afdichting) geminimaliseerd.

Een voordelige uitvoeringsvorm van een hogedrukinrichting volgens de 15 uitvinding omvat een huis met een langsas en daarlangs gelegen een eerste en een tweede drukkamer. Een bovenste kopvlak van het hogedrukvat is in of nabij de tweede drukkamer gelegen. Een zuiger met een in de eerste drukkamer gelegen zuigerkop en met een daarmee verbonden zuigerstang is in de langsrichting via de tweede drukkamer tot in het hogedrukvat verplaatsbaar. Om de zuigerstang is 20 verplaatsbaar een drukring opgenomen die kan aangrijpen op het bovenste kopvlak van het hogedrukvat. Door toevoer van een drukfluïdum aan de tweede drukkamer wordt de drukring op de wand van het cilindrische hogedrukvat afgesteund om daarop de axiale voorspanning aan te brengen. Bij voorkeur is de fluïdumdruk in de tweede drukkamer afhankelijk van de fluïdumdruk die op de zuiger wordt 25 uitgeoefend, zodat de voorspanning evenredig is met de druk op de zuiger en dus met de druk in het inwendige van het hogedrukvat.

De wand van het hogedrukvat kan uit meerdere lagen, bijvoorbeeld 6 lagen, trekvaste vezels zijn opgebouwd, waarbij de binnenmantel van het vat is gevormd uit een superelastisch materiaal. Het superelastische materiaal scheidt de 30 composietmantel van het drukmedium en hoeft zelf geen spanningen te verwerken. De binnenste mantel dient rekken in de orde van grootte van 2% te kunnen weerstaan. Hiervoor zijn nikkel-titaanlegeringen of polymeren zoals ABS, PE, PP of polycarbonaten geschikt.

1009267 4

Een uitvoeringsvorm van een hogedrukinrichting volgens de onderhavige uitvinding zal bij wijze van voorbeeld nader worden toegelicht aan de hand van de bijgevoegde tekening. In de tekening toont:

Figuur 1 een perspectivisch aanzicht van een hogedrukinrichting volgens de 5 onderhavige uitvinding,

Figuur 2 een langsdoorsnede door de inrichting volgens figuur 1,

Figuur 3 op vergrote schaal een detail van het uiteinde van de zuigerstang, Figuur 4 een langsdoorsnede door een hogedrukvat geschikt voor toepassing in de inrichting volgens figuur 1 en 2, en 10 Figuren 5a en 5b het verloop van de tangentiële spanning in de wand van het hogedrukvat uit composietmateriaal, respectievelijk zonder en met een axiale voorspanning.

Figuur 1 toont een hogedrukinrichting 1 volgens de onderhavige uitvinding omvattende een huis 2 met daarin heen en weer verplaatsbaar een zuiger en een 15 drukring. In dit huis 2 zijn eveneens voorspanmiddelen opgenomen voor het uitoefenen van een axiale druk op de wand van een hogedrukvat 3. Het cilindrisch hogedrukvat 3 grenst aan het huis 2 en kan zijdelings via bijvoorbeeld een in de figuur niet getoond railsysteem onder het huis 2 worden gepositioneerd en weer worden verwijderd. De inrichting 1 omvat verder een juk 4, gevormd door een aantal 20 parallelle versterkingsplaten om het hogedrukvat 3 en het huis 2 tijdens bedrijf bij werkdrukken van 10.000 bar en hoger in axiale richting bijeen te houden. Zoals getoond in figuur 2, wordt het hogedrukvat 3 gevormd door een aan beide zijden open cilinder die met een onderste kopvlak 6 is afgesteund op een voetstuk 5 van de drukinrichting 1. Door de opening in het bovenste kopvlak 7 van het hogedrukvat 3 25 treedt een zuigerstang 8 van een zuiger of "intensifier" 9. De bovenzijde van de zuiger 9 omvat een zuigerkop 10 die is opgenomen in een eerste drukkamer 11 van het huis 2. Aan de onderzijde is de eerste drukkamer 11 afgesloten door een wand 12 waardoorheen de zuigerstang 8 afdichtend is gevoerd. De wand 12 begrenst een tweede drukkamer 13, met daarin heen en weer verschuifbaar een drukring 14.

30 Ter weerszijden van de zuigerkop 10 monden toevoerleidingen 16,17 in de drukkamer 11 uit voor het heen en weer bewegen van de zuiger 9. Een toevoerleiding 18 mondt uit in de tweede drukkamer 13, tussen de drukring 14 en de wand 12. Een vierde toevoerleiding 19 mondt via het onderste kopvlak 6 uit in de drukkamer 20 van 1009267 5 het hogedrukvat 3.

Via de toevoerleiding 19 kan een drukmedium, zoals bijvoorbeeld water, worden toegevoerd aan de drukkamer 20 voor het uitoefenen van een isostatische druk op het te behandelen product dat in de drukkamer 20 is geplaatst. Met het 5 drukmedium 19 kan een voordruk worden opgewekt van bijvoorbeeld 2000 bar. Vervolgens kan door verbinding van de toevoerleiding 16 met het bovenste deel van de eerste drukkamer 11 een werkdruk op de zuigerkop 10 worden aangebracht. Deze druk zal evenredig met de verhouding tussen het oppervlak van de zuigerkop 10 en het oppervlak van de zuigerstang 8 aan de drukkamer 20 van het hogedrukvat 3 10 worden doorgegeven, zodat de totale inwendige druk daar bijvoorbeeld 10 kbar of meer bedraagt. Door het verbinden van de toevoerleiding 18 met een drukbron wordt de tweede drukkamer 13 op druk gebracht zodat de drukring 14 een axiale voorspanning aanbrengt op de wand van het hogedrukvat 3. Na een voorafbepaalde behandeltijd kan de druk in de leiding 16 worden verminderd zodat de zuiger 9 15 omhoog wordt geduwd.

Zoals in meer detail wordt getoond in figuur 3, is het uiteinde van de zuiger 9 voorzien van een kraag 21 die aangrijpt op een ring 24 voorzien van twee afdichtingen. Deze ring 24 grijpt aan op een onderrand van de drukring 14. Wanneer de druk in de tweede drukkamer 13 wordt gereduceerd, wordt de drukring 14 door de 20 kraag 21 en ring 24 losgetild van het bovenste kopvlak 7 van het hogedrukvat 3. Vervolgens kan het hogedrukvat 3 zijdelings uit de hogedrukinrichting 1 worden verwijderd.

Ring 24 kenmerkt zich door de aanwezigheid van twee afdichtingen 33 en 34. De buitenste afdichting 33 is een statische hogedruk afdichting tussen de liner 25 en 25 de ring 24. De binnenste afdichting 34 is een dynamische hogedruk afdichting tussen de zuigerstang 8 en ring 24.

De opsplitsing van de afdichting biedt ten minste drie voordelen. Ten eerste kan de afdichting 33 zodanig worden uitgevoerd dat geen extrusie van de liner 25 kan optreden. Ten tweede is er geen wrijvend contact tussen de afdichting 33 en de liner 30 25. Tenslotte zou, in geval van een dynamische afdichting op de liner, de dichting, door de hoge elastische rek van het composiet, een spleet van enkele millimeters moeten dichten. Door het splitsen van de afdichting is de radiale uitzetting die door de set afdichtingen moet worden gevuld minimaal.

1009267 6

Voor een juiste verdeling van de door de drukring 14 op de wanden van het vat 3 opgewekte tangentiële voorspanning, zijn aan de bovenste en onderste kopvlakken 7,6 stalen versterkingsringen 22,23 aangebracht. De dikte van deze versterkingsringen neemt af in de richting van de hartlijn van het hogedrukvat 3.

5 Door deze ringen wordt tevens de radiale rek aan de boven- en onderzijde van het drukvat 3 geminimaliseerd.

Figuur 4 toont het hogedrukvat 3 volgens de onderhavige uitvinding op vergrote schaal. Het hogedrukvat 3 omvat een open cilinder waarbij de binnenste mantel 25 van de drukkamer 20 is gevormd uit een superelastisch materiaal. Deze 10 mantel 25 behoeft geen spanningen te verwerken en wordt tijdens de levensduur van het hogedrukvat 3 niet vervangen. De mantel 25 kan rekken in de orde van grootte van 2% weerstaan. De mantel 25 kan worden gevormd door superelastische materialen zoals nikkel-titaanlegeringen. Eveneens kunnen polymeren zoals ABS, PE, PP of polycarbonaten worden toegepast. Rondom de mantel 25 bevindt zich een 15 laag composietmateriaal 26 met bijvoorbeeld in de omtreksrichting gelegen vezels met breukspanningen in de orde van grootte van 1000-10.000 MPa zoals glasvezels, koolstofvezels of aramidevezels. Deze vezels kunnen zijn ingebed in bijvoorbeeld een epoxyhars of in polyurethanen. De wand 32 van het hogedrukvat 3 kan zijn gevormd uit verscheidene lagen composietmateriaal zoals beschreven in Europese 20 octrooiaanvrage nr. 96203187.8.

Aan de boven- en onderzijden van het hogedrukvat 3 zijn de versterkingsringen 22,23 voorzien van een afgeschuinde rand 28,29 waartegen de afdichtring 24 kan zijn afgesteund, die aan de bovenzijde van het hogedrukvat 3 glijdend om de zuigerstang 8 ligt, zoals getoond in figuur 3, en die aan de onderzijde 25 van het hogedrukvat 3 deel uitmaakt van het voetstuk 5. Door toepassing van de drukring 14, die tijdens bedrijf aanligt tegen het bovenste kopvlak 7, kan een axiale afdichting 30 worden toegepast om zelfs bij de zeer hoge werkdrukken een goede afdichting langs het kopvlak 7 te bewerkstelligen.

De hoogte, H van het hogedrukvat 3 kan bijvoorbeeld 27 cm bedragen. 30 Uitwendige diameter D2 van het hogedrukvat 3 bedraagt bijvoorbeeld 30 cm, terwijl de diameter Dl van de drukkamer 20, 10 cm bedraagt. De dikte van de versterkingsringen 22,23 bedraagt aan de buitenomtrek 31 van het hogedrukvat 3 bijvoorbeeld 4,5 cm. De bovengenoemde afmetingen zijn louter illustratief en kunnen ! 1009267 7 binnen een breed bereik worden gevarieerd, afhankelijk van de afmeting en hoeveelheid van het in de drukkamer 20 te behandelen materiaal.

Figuur 5a geeft het tangentiële spanningsverloop weer over de breedte, D, van de wand 32 van het hogedrukvat 3, bij het aanbrengen van een druk in drukkamer 20, 5 zonder dat een axiaal gerichte voorspanning op de wand wordt uitgeoefend. De tangentiële spanning, a, is het hoogst ter plaatse van de mantel 25 en neemt in de richting van de buitenomtrek 31 de wand 32 zeer snel af. Zoals blijkt uit figuur 5b wordt door het aanbrengen van een axiale voorspanning op de wand 32 via de versterkingsringen 22,23, de tangentiële spanning ter plaatse van de mantel 25 (aan 10 de linkerzijde in figuur 5b) aanzienlijk verlaagd en wordt de tangentiële spanning ter plaatse van de buitenomtrek 31 (aan de rechterzijde van figuur 5b) verhoogd, zodat een gelijkmatiger spanningsverloop wordt verkregen. De verlaging van de tangentiële spanning reduceert de belasting van de vezels van het composietmateriaal nabij de mantel 25 aanzienlijk en heeft een positief effect op de levensduur van het drukvat 3. 15 Tevens worden de vezels over de gehele dikte van de wand 32 nuttig gebruikt en zijn niet alleen de binnenste vezels effectief. Bij voorkeur is de voorspanning op het drukvat 31 zodanig dat een axiale compressie van 0,5% tot 2% wordt gerealiseerd.

Bij voorkeur wordt het drukvat 3 volgens de onderhavige uitvinding voorzien van een akoestische emissie-inrichting voor het detecteren van microdefecten die zich 20 tijdens het op druk brengen van het drukvat en het reduceren van de druk ontwikkelen. Indien het drukvat zijn kritische levensduur nadert zal de intensiteit van het aantal microdefecten sterk toenemen maar zal het vat uiterlijk nog volledig intact lijken. Door meting van de akoestische emissie kan de veiligheid van het hogedrukvat 3 worden gegarandeerd en kan een hogedrukproces op tijd worden beëindigd indien 25 het aantal microdefecten een kritische bovengrens overschrijdt.

1009267

Claims (15)

1. Hogedrukinrichting (1) omvattende een hoofdzakelijk cilindrisch hogedrukvat (3) en uitwendige voorspanmiddelen voor het uitoefenen van een uitwendige druk op 5 het vat, met het kenmerk, dat het vat (3) is versterkt met vezels, waarbij de voorspanmiddelen (13,14,18,22,23) een compressie-inrichting omvatten voor het uitoefenen van een axiale druk op het hogedrukvat (3).

2. Hogedrukinrichting (1) volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het vat (3) is 10 gevormd uit een composietmateriaal omvattende in kunststof ingebedde vezels.

3. Hogedrukinrichting (1) volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de door de voorspanmiddelen (13,14,18,22,23) uitgeoefende druk afhankelijk is van de inwendige druk in het hogedrukvat (3). 15

4. Hogedrukinrichting (1) volgens conclusie 1,2 of 3, met het kenmerk, dat de voorspanmiddelen een in axiale richting ten opzichte van het cilindrische hogedrukvat (3) verplaatsbaar drukorgaan (14) omvatten dat aangrijpt op een kopvlak (7) van het hogedrukvat (3), alsmede een toevoerleiding (18) voor toevoer van een 20 drukfluïdum aan het drukorgaan (14).

5. Hogedrukinrichting (1) volgens conclusie 1, 2, 3 of 4, met het kenmerk, dat het hogedrukvat (3) in hoofdzaak in de omtreksrichting georiënteerde vezels omvat.

6. Hogedrukinrichting (1) volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de wand (32) van het hogedrukvat (3) nabij ten minste een van de kopvlakken (6,7) is voorzien van een zich radiaal naar buiten toe, in axiale richting verbredende versterkingsring (22,23).

7. Hogedrukinrichting (1) volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de versterkingsring (22,23) een metalen ring omvat.

8. Hogedrukinrichting (1) volgens een der voorgaande conclusies, met het , 1009267 i kenmerk, dat de inrichting een huis (2) omvat met langsas, langs de langsas gelegen eerste en tweede drukkamers (11,13), waarbij een kopvlak (7) van het hogedrukvat in of nabij de tweede drukkamer (13) is gelegen, en een langs de langsas verplaatsbare zuiger (9) met een in de eerste drukkamer (11) gelegen zuigerkop (10) en met een met 5 de zuigerkop verbonden zuigerstang (8) die in de langsrichting via de tweede drukkamer (13) tot in het hogedrukvat (3) verplaatsbaar is, en van een om de zuigerstang (8) in de langsrichting in de tweede drukkamer (13) verplaatsbare drukring (14), welke drukring (14) aan kan grijpen op het kopvlak (7) van het hogedrukvat (3). 10

9. Hogedrukinrichting (1) volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de eerste drukkamer (11) aan beide zijden van de zuigerkop (10) is voorzien van een drukfluïdum toevoerleiding (16,17).

10. Hogedrukinrichting volgens conclusie 8 of 9, met het kenmerk, dat de tweede drukkamer (13) aan de van het hogedrukvat (3) afgekeerde zijde is voorzien van de toevoerleiding (18) voor de toevoer van een drukfluïdum aan de drukring (14).

11. Hogedrukinrichting volgens een der voorgaande conclusies 7-10, met het 20 kenmerk, dat een aan de onderzijde van de drukring aangrijpende kraag (21) aanwezig is en dat zich tussen kraag (21) en drukring (14) een ring (24) bevindt.

12. Hogedrukinrichting (1) volgens conclusie 8,9 of 10, met het kenmerk, dat het hogedrukvat (3) in of nabij een op afstand van de drukring (14) gelegen kopvlak (6) is 25 voorzien van een drukfluïdum toevoerleiding (19).

13. Hogedrukinrichting (1) volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het hogedrukvat (3) is voorzien van een binnenmantel (25) uit een superelastisch materiaal. 30

14. Hogedrukinrichting (1) volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de voorspanmiddelen zijn ingericht voor het uitoefenen van een voorspanning waarbij de axiale compressie tussen 0,5% en 5% bedraagt. 1009267

15. Hogedrukinrichting (1) volgens conclusie 14, met het kenmerk, dat de druk in het hogedrukvat hoger is dan 5000 bar, bij voorkeur hoger dan 10000 bar. 1009267