Como especificar uma placa de aquecimento com um circuito de resfriamento ativo-integrado para uma prensa de cura de compósitos?

Em uma célula de fabricação de compósitos de alta-taxa, a placa deve não apenas aquecer o item, mas também resfriá-lo ativa e rapidamente até uma temperatura segura de desmoldagem. Sem resfriamento controlado, o tempo do ciclo é dominado pela convecção natural e pela degradação térmica lenta, reduzindo consideravelmente o rendimento. Assim, um circuito de resfriamento ativo deve ser adicionado à especificação da placa como um requisito crucial para taxas de produção em escala-industrial.

O projeto de um sistema de cura de compósito de placa de aquecimento com circuito de resfriamento ativo é essencialmente governado pela taxa de evacuação de calor regulada que pode ser realizada sem comprometer a integridade da placa ou a uniformidade de temperatura.

Definição dos Requisitos do Ciclo Térmico
O primeiro estágio no projeto de uma placa de-função dupla é especificar todo o ciclo de temperatura.

Os cronogramas típicos de cura de compósitos são:

Temperatura de aquecimento para cura (por exemplo, 120–180 graus dependendo do sistema de resina)

Tempo de espera para reticulação completa do-polímero

Resfriamento controlado até a temperatura de desmoldagem (geralmente 50-70 graus)

O estágio de resfriamento costuma ser o gargalo no tempo de um ciclo.

Uma especificação deve especificar explicitamente:

Taxa de resfriamento necessária (por exemplo, . 180 graus em 5 minutos a 60 graus)

Gradiente de temperatura máximo permitido de uma superfície

Superação de temperatura permitida durante a mudança

Temperatura mínima de desmoldagem de moldagem

Estas características determinam diretamente o projeto do circuito de refrigeração interno.

Diagrama do circuito de resfriamento ativo
Normalmente, o sistema de resfriamento é integrado ao corpo do cilindro como uma rede de canais perfurados.

Esses canais normalmente são feitos com:

Técnicas de perfuração de armas

Técnicas de perfuração profunda

Caminhos avançados de usinagem CNC 3D

Os canais de resfriamento são geralmente colocados em uma configuração idêntica aos elementos de aquecimento, mas deslocados para evitar interferência térmica e deterioração estrutural.

As veias da placa devem bombear água-fria para o coração quente e bombear a energia térmica de forma eficaz, preservando a estabilidade mecânica.

As principais variáveis ​​geométricas são:

Tamanho do canal

Espaçamento dos canais

Profundidade (superfície ao canal)

Esquema de distribuição de fluxo

Configuração de caminho (retorno)

Todos os parâmetros afetam o desempenho térmico, bem como a integridade estrutural.

Compensações de design térmico e mecânico
O projeto de canais de resfriamento é fundamentalmente um problema de otimização-multivariável.

Considerações sobre o diâmetro do canal
Canais maiores permitem maior capacidade de fluxo de refrigerante e maiores taxas de remoção de calor. Mas um diâmetro grande significa menos espessura da seção transversal do metal, o que pode enfraquecer a estrutura da placa contra tensões térmicas e mecânicas.

Canais menores são fisicamente robustos, mas têm baixa capacidade de transmissão de calor devido à baixa área superficial e ao baixo fluxo.

É, portanto, necessário um equilíbrio entre:

Capacidade de refrigeração

Robustez estrutural

Capacidade de fabricação

Estratégia de posicionamento para canais
O arranjo do canal geralmente é otimizado por meio de CAD 3D e análise térmica de elementos finitos (FEA).

Simulações FEA são utilizadas para avaliar:

Perfil de temperatura de resfriamento

Criação de pontos quentes

Gradientes de temperatura de superfície da placa

Tensão estrutural na ciclagem térmica

O objetivo é atingir um resfriamento uniforme com pouca distorção e rigidez mecânica uniforme.

Especificações de desempenho de resfriamento explicadas
A especificação completa deve especificar metas para o desempenho hidráulico e térmico.

Taxa de resfriamento necessária
A taxa de resfriamento necessária é o principal fator para o projeto do sistema.

Por exemplo:

Taxas de resfriamento de 20-25 graus/min podem ser necessárias para sistemas de ciclo rápido

Em sistemas de alta-precisão, a homogeneidade pode ser mais importante que a velocidade.

Este critério define vazão, geometria do canal e dimensionamento do trocador de calor.

Limite de uniformidade de temperatura
Durante o resfriamento, a diferença máxima permitida na temperatura da superfície deve ser indicada.

Gradientes excessivamente altos podem levar a:

Peças compostas: Tensão térmica residual

Deformação do laminado curado

Desempenho irregular de desmoldagem

O projeto do espaçamento dos canais e da distribuição do fluxo geralmente é orientado por objetivos de uniformidade.

Condições operacionais e escolha do refrigerante
O meio de resfriamento é comumente um fluido aquoso regulado.

As possibilidades típicas incluem:

Água Processada

Soluções de água-glicol

Os principais parâmetros de especificação são:

Temperatura do líquido refrigerante, entrada

Capacidade de refrigeração disponível

Pressão máxima do sistema

Capacidade de taxa de fluxo:

Tolerância a contaminantes

O sistema hidráulico deverá ser projetado para funcionar dentro dessas restrições e não exceder os limites de queda de pressão.

Limitações Hidráulicas e Queda de Pressão
A resistência ao fluxo é causada por canais de resfriamento que requerem regulação cuidadosa.

A especificação deve dizer:

Queda de pressão máxima permitida através da placa

Capacidade máxima disponível da bomba

Requisitos para balanceamento de fluxo em diversas zonas

Muita diminuição da pressão pode causar:

Distribuição de fluxo desigual

Menor eficiência de resfriamento

Maior uso de energia para bombeamento

Assim, o desempenho térmico é tão importante quanto o desempenho hidráulico.

Especificações de materiais e conexão
Os materiais usados ​​nos circuitos de refrigeração devem ser compatíveis com o longo-tempo de exposição ao líquido refrigerante.

Os pré-requisitos comuns são:

Acessórios resistentes à corrosão

Vedação compatível para glicol ou água tratada

Desempenho estável durante o ciclo térmico

Um coletor de conexão rápida é comumente fornecido para que a placa possa ser facilmente removida do sistema de resfriamento para manutenção ou troca de ferramenta.

Isso dá mais flexibilidade ao sistema em cenários de produção com diversas ferramentas.

Integração com sistema de aquecimento
Na maioria das prensas de cura de compósitos, o circuito de resfriamento é integrado aos elementos de aquecimento elétrico incorporados.

Isso deve ser cuidadosamente separado para evitar:

Shorts-térmicos

Aquecimento localizado em torno dos canais

Expansão térmica não uniforme

Os sistemas de aquecimento e arrefecimento são normalmente modelados em conjunto em simulação, para garantir transições suaves entre as fases de aquecimento e arrefecimento.

Papel da análise de elementos finitos no projeto
FEA térmica é um componente crítico na definição de:

Layout do canal

Profundidade do canal

Diâmetros do canal

Esquema de distribuição de fluxo

As simulações levam em consideração situações transitórias como:

Estágio de aquecimento

Cura de fase de retenção

Fase de resfriamento-forçado rápido

Assim, o desempenho térmico e a integridade estrutural são mantidos durante todo o ciclo de operação.

Considerações finais
Uma placa com sistema de resfriamento integrado requer um acoplamento próximo da abordagem de projeto térmico e hidráulico. O sistema de cura do composto da placa de aquecimento do circuito de resfriamento ativo precisa ser projetado para garantir um resfriamento rápido e controlado, mantendo a resistência da placa, a homogeneidade da temperatura e a durabilidade-de longo prazo.

CAD 3D e análise de elementos finitos melhoraram os canais internos perfurados para controle preciso das taxas de remoção de calor. As especificações de desempenho de resfriamento (taxa de resfriamento, limitações de gradiente de temperatura, características do líquido refrigerante e restrições de queda de pressão) determinam a geometria geral e o projeto hidráulico do sistema.

Uma placa resfriada ativamente é um instrumento térmico totalmente integrado com operações de aquecimento e resfriamento em um sistema regulado. Este projeto permite reduções substanciais no tempo do ciclo de cura do compósito, mantendo ao mesmo tempo a estabilidade do processo. A placa é um verdadeiro atleta térmico, capaz de aquecer e resfriar, respondendo constantemente às necessidades de fabricação de compósitos de alto-desempenho.