ТЕРМОКАМЕРА И СПОСОБ ЕЕ РАБОТЫ
HEAT CHAMBER AND METHOD OF ITS OPERATION

Изобретение относится к оборудованию и к способу изготовления крупногабаритных изделий из композиционных материалов, в частности к установкам для нагрева и полимеризации, используемым в производстве изделий из композиционных материалов, полимеризуемых на оснастке из инвара.
Для изготовления и полимеризации больших деталей из композиционных материалов используется крупногабаритная оснастка из инвара - сплава на основе железа и никеля (никеля Ni-36% и железо Fe - остальное, именуется как FeNi36, 64FeNi), который имеет малый коэффициент теплового расширения, что позволяет полимеризовать изделия с повышенными требованиями по точности. Масса оснастки порядка 2-5 тонн, диаметр 2-4 метра.
Полимеризация - это процесс образования полимера путем присоединения низкомолекулярного вещества к активным центрам молекулы полимера. Различают следующие стадии полимеризации:
- зарождение (инициирование),
- рост цепи,
- разветвление цепи,
- передача цепи,
- гибель (обрыв) цепи.
Очень важно, чтобы при нагреве каждая следующая стадия полимеризации для всех точек поверхности изделия наступала одновременно, при термической инициализация процесса это означает равенство, либо минимально достижимый перепад температур по поверхности изделия.
При полимеризации крупногабаритных изделий в термокамере необходим нагрев, равномерный по всей площади изделия и контролируемый по скорости подъема температуры. Оснастка с выложенным на ней полимеризуемым изделием по специальной программе нагревается до заданного значения, выдерживается заданное время полимеризации и равномерно охлаждается, что позволяет получить качественную и точную поверхность изделия, обращенную к оснастке и копирующую ее форму.
Равномерный нагрев. Обычно передача тепла осуществляется за счет конвекции, теплопроводности и излучения. При больших габаритах и массах нагреваемых изделий неизбежен температурный градиент (перепад) по поверхности изделия. Уменьшить или почти устранить большой градиент температур можно за счет увеличения времени нагрева. Однако для деталей из композиционных материалов это время задается технологическим процессом полимеризации.
Известны установки для нагрева, содержащие теплоизолированную рабочую камеру и различные устройства для подачи и циркуляции рабочей среды, где равномерный нагрев предполагается достигать особой геометрией теплообменника (SU №1394895, RU №66893). Либо это различные, как правило круглые, установки, в которых организуется циркуляция рабочей среды для обтекания располагаемого по центру объекта, равноудаленного от стенок нагрева (RU №97109024, RU №58678, RU №80849).
В качестве прототипа на устройство и способ его работы выбрана «Универсальная термокамера», описанная в патенте на полезную модель RU №66893. Устройство содержит взаимосвязанные между собой и смонтированные на корпусе термокамеры узел нагрева, вентиляторы подачи и вытяжки воздуха и размещенные вдоль боковых стенок приспособления, цель которых выровнить объем газовой смеси по высоте термокамеры, т.е равномерно распределить ее относительно нагреваемого объекта. Это - воздуховоды с заслонками, выполненные с прямоугольным поперечным сечением, кронштейны, связанные с приводом (с узлом управления) и заслонками, фальшстенки неподвижные, фальшстенки подвижные наклонные, имеющие элементы регулирования наклона.
Работа термокамеры заключается в создании циркуляции газовой смеси. Вначале термокамеру подготавливают к работе, после чего термокамеру загружают необходимым сырьем, устанавливают требуемые для данного сырья технологические параметры и осуществляют требуемую выдержку, продукт выгружают и затем цикл повторяют.
Недостатком такой конструкции является то, что единственным способом достижения равномерности прогрева служит регулировка потоков газовой смеси заслонками, такой способ дает хороший результат только при симметричном объекте нагрева, установленном по центру термокамеры. Кроме того, при циркуляции рабочей среды снизу-вверх и конструкции термокамеры в виде колпака имеются серьезные проблемы с загрузкой объекта нагрева особенно при больших габаритах последнего.
Целью изобретения является создание способа и устройства, позволяющих осуществлять равномерный нагрев по всей площади изделия, и получение высокоточных крупногабаритных изделий из композиционных материалов.
Указанная цель достигается за счет того, что термокамера содержит корпус с установленным внутри него узлом нагрева, вентиляторы подачи и вытяжки воздуха, внутри корпуса расположена оснастка из инвара и созданы четыре канала для прохождения воздуха вблизи боковых стенок корпуса; на оснастке и в каналах расположены датчики температуры, узел нагрева состоит из четырех блоков нагревателей (по одному на каждый канал); один из каналов расположен под оснасткой и соединен с радиальным вентилятором; три других канала согласованы с вентилятором, находящимся в секции с отверстием в центральной части стенки торца термокамеры; вентиляторы и нагреватели подключены к системе управления.
Способ работы термокамеры заключается в том, что изделие помещают в термокамеру на оснастке, устанавливают требуемые для данного изделия технологические параметры, для создания тепловых потоков используют четыре канала, расположенных вблизи боковых стенок корпуса, при этом один из вентиляторов, расположенный по центру торцевой стенки термокамеры, создает тепловые потоки по трем каналам, а другой - по одному каналу, расположенному в нижней части корпуса под оснасткой; осуществляют пошаговый набор температуры, при этом на каждом шаге программы задают температуру, до которой должно нагреться изделие, скорость выхода на эту температуру и скорость вращения вентиляторов; нагревание воздуха производят от четырех блоков нагревателей (по одному на каждый канал), при этом ведут непрерывный контроль за процессом нагрева по датчикам температуры, расположенным на оснастке, и регулируют температуру в каждом канале отдельно.
Изобретение поясняется чертежом, где изображена термокамера. Для реализации предлагаемого способа предлагается термокамера, представляющая собой сварную конструкцию 1 - корпус прямоугольной формы, закрытую с одного из торцов дверями 2. Вентиляторная секция 3, расположенная с другого торца, ее корпус в плане представляет собой равнобедренную трапецию. В вентиляторной секции 3 термокамеры установлен осевой основной вентилятор 4. Основной вентилятор 4 через отверстие, расположенное в центре стенки торца термокамеры, всасывает воздух из термокамеры и далее через четыре блока трубчатых электронагревателей (ТЭН) 6 (по одному на каждый канал) потоки воздуха направляются в каналы корпуса. Корпус состоит из швеллерного и уголкового проката, отстоящих на некотором расстоянии от потолка и от внутренних стенок корпуса 1. Таким образом, сформированы каналы прохождения потоков горячего воздуха, три канала - 7 и один канал - 8, являющиеся частью конструкции корпуса термокамеры, через которые инициируется равномерное распределение воздушного потока. Пол имеет силовой каркас, выдерживающий вес оснастки, в силу этого и канал прохождения воздуха - 8 меньше сечением, чем три других. Кроме этого, горячий воздух в силу меньшей плотности стремится в верхнюю часть термокамеры, поэтому дополнительная подача воздуха в этот канал осуществляется вспомогательным радиальным вентилятором 5, который регулированием расхода может компенсировать данные неблагоприятные условия.
Система управления термокамерой включает в себя:
- Программный регулятор температуры, который осуществляет по задаваемому оператором графику и закону регулирования режимы нагрева, выдержки и остывания.
- Программируемое модульное устройство, состоящее из центрального процессора и модулей ввода-вывода дискретных сигналов, ввода аналоговых сигналов. Это устройство осуществляет по задаваемому оператором алгоритму управление всеми устройствами термокамеры, включение сигнализации и блокировок.
- Регистратор, на который поступают сигналы с датчиков температуры, он осуществляет запись графиков, создание архивов измерений.
- Панель оператора с графическим дисплеем и кнопками. При помощи панели производятся все необходимые по технологическому процессу операции включения-отключения оборудования и осуществляется визуальный контроль за текущим состоянием электрооборудования термокамеры.
- Силовые блоки - тиристорные блоки для регулировки напряжения на ТЭН-ах по графику и закону регулирования, задаваемому программным регулятором температуры.
Устройство работает следующим образом.
Изделие размещают внутри корпуса термокамеры на оснастку из инвара. С панели оператора задается программа полимеризации, как правило, включающая в себя пошаговый набор температуры с целью последовательного прохождения всех стадий полимеризации. На каждом шаге программы задаются температура, до которой должно нагреться изделие, скорость выхода на эту температуру и скорости вентиляторов - основного и вспомогательного. На модули ввода аналоговых сигналов системы управления поступают сигналы с датчиков температуры, расположенных в каналах 7 и в канале 8. Кроме этого поступают сигналы с 12-ти датчиков, равномерно распределенных по оснастке. Включают нагреватели 6 и вентиляторы 4, 5. Основной вентилятор 4 через отверстие, расположенное в центре стенки торца термокамеры, всасывает воздух из термокамеры и далее через четыре блока нагревателей 6 (по одному на каждый канал) потоки воздуха направляются в каналы. Таким образом, основной вентилятор 4 и радиальный вспомогательный вентилятор 5 создают через три канала 7 и канал 8 циркуляцию потоков горячего воздуха, которые обтекают нагреваемую оснастку с изделием со всех сторон. Система управления позволяет контролировать и регулировать температуру ТЭН 6 раздельно в каждом канале. Таким образом, регулирование процесса нагрева осуществляется по четырем каналам. Система управления осуществляет непрерывный контроль за процессом нагрева по датчикам на оснастке и, регулируя температуру по каналам (сторонам нагрева), позволяет добиваться равномерного распределения температуры.
Это позволяет снять ограничения на геометрию расположения объекта нагрева. В результате сочетания интенсивности и равномерности нагрева изделия за счет распределения четырех тепловых потоков, регулируемых по температуре, достигается прецизионный равномерный нагрев изделия по длине и сечению с заданными технологическими параметрами по скорости подъема температуры.
Конструкция термокамеры и способ ее работы позволяет разместить крупногабаритную массивную оснастку из инвара с расположенной на ней полимеризуемой деталью и произвести программируемый нагрев (полимеризацию) с высокой равномерностью. Кроме того, термокамера прямоугольной формы удобнее в эксплуатации, чем известные термокамеры круглой формы.
Контроль распределения температуры по поверхности показал, что достигается высокая равномерность нагрева - отклонение температуры от заданной не более чем на 5°С. Эта точность является предельно достижимой для изделий данного размера.