МИКРОВОЛНОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к устройствам СВЧ нагрева и может быть использована для термообработки полимерных композиционных материалов, в частности труб на основе углеродных, базальтовых или стеклянных волокон.
Полимерные композиционные материалы на основе углеродных, базальтовых или стеклянных волокон обладают высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, малым удельным весом, стойкостью к химическим воздействиям, надежностью и долговечностью. В процессе производства труб применяют термореактивное эпоксидное связующее, которое обеспечивает высокий уровень гидравлической стойкости. Такие трубы применяют для нефтяной и газовой промышленности, систем водоснабжения, в дорожном, коммунальном и сельском хозяйстве. Трубы из полимерных композиционных материалов являются экологически чистыми, что позволяет использовать их для трубопроводов питьевой воды.
Традиционные технологии тепловой обработки труб из полимерных композиционных материалов основаны на конвективном, радиационном или контактном теплообмене между обрабатываемым материалом и теплоносителем. Однако, полимерные композиционные материалы обладают низкой теплопроводностью и возникающие градиенты (перепады) температуры в обрабатываемом материале делают традиционный технологический процесс тепловой обработки весьма длительным с большими затратами электрической энергии. Это приводит к неоднородности структуры материала получаемых изделий, что отражается на их физико-механических характеристиках.
Благодаря объемному характеру микроволнового нагрева, можно с использованием различных конструкций электродинамических систем, например, электродинамических систем лучевого типа, сформировать в заданной конфигурации обрабатываемого материала (в виде труб) равномерное распределение температуры по его объему и избавиться от градиентов (перепадов) температуры, которые имеют место в традиционных методах нагрева. Это преимущество микроволнового метода нагрева позволяет обеспечить однородную структуру обрабатываемого материала и увеличить скорость технологического процесса.
Технология производства труб из полимерных композиционных материалов предполагает процесс нагрева термореактивного эпоксидного связующего до номинального значения температуры +(180-200)°С, а затем процесс отверждения связующего при заданном номинальном значении температуры в течение времени, которое для этого необходимо. Время отверждения зависит от скорости движения нагретого материала трубы в микроволновой установке, а также от диаметра и толщины стенок трубы. При отверждении материал трубы приобретает необходимые физико-механические характеристики. При этом полимерное эпоксидное связующее приобретает более высокую плотность и прочность получаемых изделий по сравнению с традиционными методами тепловой обработки, а также позволяет ускорять многие химические реакции, в частности, реакции полимеризации.
Таким образом, микроволновый метод, по сравнению с традиционными методами тепловой обработки полимерных композиционных труб имеет следующие основные преимущества:
- за счет объемного характера нагрева труб из полимерных композиционных материалов происходит ускорение технологических процессов в несколько раз;
- объемный характер нагрева труб из полимерного композиционного материала не зависит от его теплопроводности и не приводит к появлению напряжений и других механических дефектов внутренней структуры изделий;
- технологический процесс отверждения полимерных композиционных труб не обладает инерционностью, что позволяет его автоматизировать;
- микроволновое излучение не нагревает окружающее пространство -воздух и металлические части используемой установки, что позволяет существенно экономить энергетические затраты;
- обрабатываемый материал расположен между двумя оправками, выполненными из теплоизоляционного материала с малыми диэлектрическими потерями, например, фторопласта, и следовательно, можно не учитывать отдачу тепла в окружающее пространство, что также приводит к экономии энергетических затрат на поддержание в материале трубы заданной температуры до ее отверждения из-за эффекта термоса.
Реализовать технологический процесс отверждения труб из полимерного композиционного материала целесообразно с использованием микроволновой установки лучевого типа.
Известна СВЧ-печь конвейерного типа, содержащая по меньшей мере один СВЧ-генератор, одну камеру нагрева, один ленточный транспортер и два шлюза, установленных на входе и выходе ленты транспортера. На внутренней поверхности диэлектрической трубы, установленной жестко в корпусе шлюза, выполнены пазы, отделенные друг от друга перегородками, глубина пазов кратна 1/4 длины волны, ширина меньше длины волны. На диэлектрическую трубу установлена диэлектрическая трубка с водой, диаметр которой много меньше длины волны, выполненная в виде спирали. Диэлектрическая трубка имеет в поперечном сечении форму прямоугольника, высота которого больше длины волны, а ширина составляет несколько длины волны. Устройство снабжено установленными в полости диэлектрической трубы поглощающими и отражающими шторками. (Патент РФ №2060600, МПК Н05В 6/64,опубл. 20.05.1996)
Недостатком известного устройства является то, что при нагреве значительное количество тепла уходит в окружающее пространство, что ведет к увеличению длины микроволнового устройства, дополнительным энергетическим затратам и существенно понижает коэффициент полезного действия устройства.
Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является обеспечение равномерного нагрева полимерного композиционного материала в виде трубы по всему объему, повышение коэффициента полезного действия за счет уменьшения расхода электроэнергии, уменьшение размеров микроволновой установки.
Поставленная техническая задача решается тем, что в микроволновом устройстве для термообработки полимерных композиционных материалов, содержащем источник микроволнового излучения, камеру нагрева со шлюзовыми камерами, установленными на входе и выходе, диэлектрическую трубу, диэлектрическую трубка с водой, диэлектрическая трубка имеет в поперечном сечении форму прямоугольника, согласно заявляемой полезной модели, камера нагрева выполнена цилиндрической с расположенными по обеим сторонам камеры шлюзовыми камерами цилиндрической формы, внутри по оси размещены установленные последовательно друг в друге металлическая труба, внутренняя цилиндрическая труба и внешняя цилиндрическая труба, выполненные из теплоизоляционного материала с малыми диэлектрическими потерями, при этом металлическая труба имеет контакт с внутренней цилиндрической трубой, с внешней стороны вокруг внешней цилиндрической трубы, выполненной из теплоизоляционного материала с малыми диэлектрическими потерями, обернута диэлектрическая трубка, заполненная водой, между диэлектрической трубкой с водой и внешней поверхностью шлюзовой камеры, в периодической последовательности расположены контактные металлические пластины, устройство дополнительно снабжено, по меньшей мере, одним источником микроволнового излучения, источники микроволнового излучения расположены на камере нагрева таким образом, чтобы обеспечить на поверхности нагреваемого материала трубы одинаковую плотность микроволновой энергии для формирования равномерного нагрева полимерных композиционных материалов.
Кроме того, в качестве теплоизоляционного материала с малыми диэлектрическими потерями для внутренней и внешней цилиндрических труб используется фторопласт.
Кроме того, трубка, заполненная водой, выполнена из материала с малыми диэлектрическими потерями.
Кроме того, в качестве материала с малыми диэлектрическими потерями для трубки, заполненной водой, используется поливинилхлорид.
Кроме того, в качестве источника микроволнового излучения используется источник, который имеет волноводный вывод энергии на основном типе волны Ню.
Кроме того, шлюзовые камеры соединены с цилиндрической камерой нагрева с помощью соединительных фланцев, между которыми установлена пружинная прокладка для предотвращения излучения микроволновой энергии в окружающее пространство.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении всей совокупности заявляемых существенных признаков, является формирование равномерного без перепадов распределения температуры по всему объему обрабатываемого материала трубы за счет предотвращения теплоотдачи в окружающее пространство, что обеспечивается предложенным конструктивным выполнением устройства.
Сущность полезной модели поясняется рисунками, где
на фиг. 1 схематически показано продольное сечение микроволнового устройства для термообработки полимерных композиционных материалов;
на фиг. 2 показано поперечное сечение микроволнового устройства для термообработки полимерных композиционных материалов;
на фиг. 3 показаны рассчитанные (1) и измеренные (2) характеристики распределения температуры по поперечному сечению материала трубы. Рисунки на фиг. 1-2 включают следующие позиции:
1 - цилиндрическая труба из полимерного композиционного материала;
2 - внутренняя цилиндрическая труба из теплоизоляционного материала с малыми диэлектрическими потерями;
3 - внешняя цилиндрическая труба из теплоизоляционного материала с малыми диэлектрическими потерями;
4 - шлюзовая камера;
5 - цилиндрическая рабочая камера;
6 - источник микроволнового излучения;
7 - металлическая труба;
8 - трубка с водой из материала с малыми диэлектрическими потерями, например, поливинилхлорида;
9 - контактные металлические пластины;
10 - соединительные фланцы;
v - скорость движения материала трубы вдоль оси z.
10
Микроволновое устройство для термообработки полимерных композиционных материалов в виде труб (фиг. 1 и фиг. 2) состоит из цилиндрической рабочей камеры 5, на которой расположены источники микроволнового излучения 6, обеспечивающие равномерное распределение температуры по поверхности и по толщине материала трубы 1. В качестве источника микроволнового излучения 6 используется источник, который имеет волноводный вывод энергии на основном типе волны Н, а раскрыв прямоугольного волновода используется в качестве излучающей антенны.
Количество источников микроволновой энергии и их расположение на поверхности рабочей камеры 5 выбирается таким образом, чтобы на единицу поверхности нагреваемого материала трубы 1 приходилась одинаковое количество СВЧ мощности.
По обеим сторонам цилиндрической рабочей камеры 5 расположены шлюзовые камеры 4. Шлюзовые камеры 4 поглощают микроволновое излучение, предотвращая его выход из цилиндрической рабочей камеры 5 микроволнового устройства и обеспечивая безопасную работу обслуживающего персонала.
Труба 1 из полимерного композиционного материала расположена между внутренней цилиндрической трубой 2 и внешней цилиндрической трубой 3, выполненными из теплоизоляционного материала с малыми диэлектрическими потерями. Это сделано для того, чтобы не было отдачи тепла от материала трубы 1 в окружающее пространство.
Внутренняя цилиндрическая труба 2 из теплоизоляционного материала с малыми диэлектрическими потерями расположена на металлической трубе 7, которая фиксирует внутренний диаметр материала трубы 1 и выполняет функцию отражающего экрана для микроволнового излучения, прошедшего через материал трубы 1 от источника микроволнового излучения 6. Труба 2 имеет контакт с металлической трубой 7.
Шлюзовые камеры 4 выполнены из металла и имеют цилиндрическую форму. Конструкция шлюзовых камер описана, например, в патенте РФ №2060600 на изобретение «СВЧ - печь конвейерного типа (варианты)», авторы В.Н. Нефедов, Г.Г. Валеев, С.В. Корнеев, Ю.В. Карпенко, опубл. 20.05.1996.
В шлюзовых камерах 4 вокруг внешней цилиндрической трубы 3, обернута диэлектрическая трубка 8, заполненная водой. Трубка 8 выполнена из материала с малыми диэлектрическими потерями, например поливинилхлорида. Между трубкой 8 с водой и внешней поверхностью шлюзовой камеры 4, в периодической последовательности расположены контактные металлические пластины 9. Микроволновое излучение, попадая между пластинами 9, которые имеют электрический контакт с внешней цилиндрической поверхностью шлюзовой камеры 4, испытывает многократные отражения от этих металлических пластин 9 и поглощается циркулирующей водой в трубке 8.
Шлюзовые камеры соединены с цилиндрической рабочей камерой 5 с помощью соединительных фланцев 10, между которыми имеется пружинная прокладка для предотвращения излучения микроволновой энергии в окружающее пространство (на рисунках не показана).
Микроволновое устройство работает следующим образом.
1
3
Сформированный материал трубы 1 из полимерного композиционного материала (фиг. 1), имеющей внешний радиус R, надевается, на внутреннюю диэлектрическую трубу 2 радиусом R, выполняющую функцию оправки для материала трубы 1 и выполненную из теплоизоляционного материала с малыми диэлектрическими потерями, например, фторопласта.
Полимерный композиционный материал трубы 1 движется через микроволновое устройство со скоростью v между двух диэлектрических труб 2 и 3, которые фактически выполняют функцию оправок. Выполнение труб 2 и 3 из фторопласта позволяет не учитывать теплоотдачу в окружающее пространство и поддерживать требуемую температуру для отверждения материала трубы в течение времени, необходимого для отверждения трубы после того, как материал трубы набрал номинальное значение температуры.
Полимерный композиционный материал трубы 1 поступает в шлюзовую камеру 4. После прохождения шлюзовой камеры 4, материал попадает в цилиндрическую камеру нагрева 5, где с использованием источников микроволнового излучения 6, расположенных на цилиндрической камере нагрева 5 таким образом, чтобы на единицу поверхности обрабатываемой трубы приходилась одинаковое количество СВЧ-мощности. Это необходимо, чтобы обеспечить равномерное распределение температуры по поверхности обрабатываемого материала трубы.
Затем материал трубы 1 входит в другую шлюзовую камеру 4. Шлюзовые камеры предотвращают выход микроволнового излучения из микроволновой установки для обеспечения безопасной работы обслуживающего персонала.
2
Уровень побочных излучений от микроволновой установки не должен превышать 10 мкВт/см. Такой уровень побочных излучений обеспечивает безопасные санитарные нормы для обслуживающего персонала.
Для того чтобы обеспечить равномерное распределение температуры на поверхности обрабатываемого материала трубы необходимо выбрать соответствующие размеры от поверхности рабочей камеры до материала трубы, расстояние между источниками, как в азимутальном, так и в продольном направлении. Отклонение значения температуры от номинального значения на внешней поверхности трубы и по толщине материала трубы должно удовлетворять требованиям технологического режима.
При расчете диаграммы излучения из раскрыва прямоугольного волновода использовался метод Гюйгенса - Кирхгофа. Расчет осуществлялся такими образом, чтобы на единицу поверхности обрабатываемой трубы 1 приходилось одинаковое значение энергии микроволнового излучения.
Распределения температуры по толщине трубы из полимерного композиционного материала можно рассчитать по формуле:
Здесь T(z)- температура материала трубы на расстоянии z от ее поверхности; T(0)-температура на поверхности трубы +200°С; α - постоянная затухания амплитуды напряженности электрического поля в полимерном композиционном материале, которая в первом приближении определяется выражением:
Пример расчета.
Рассмотрим конструкцию микроволнового устройства, работающего на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц для непрерывного производства трубы внешним диаметром 1000 мм и толщиной 30 мм из композиционного полимерного материала на основе базальтового волокна.
2
10
1
2
3
4
Для реализации технологического процесса равномерного нагрева трубы, от температуры +20°С до температуры +200°С, на цилиндрической рабочей камере, длинной 3000 мм и радиусом 900 мм, при скорости движения трубы 8 м/час и времени облучения 22 минуты, необходима СВЧ - мощность 57,6 кВт. В этом случае плотность СВЧ-мощности, которая приходится на единицу поверхности обрабатываемой трубы составляет 6,1 кВт/м. Источник микроволнового излучения, который использовался в рассматриваемом СВЧ устройстве, имел массу 10 кг и габаритные размеры: длина - 400 мм; ширина - 200 мм; высота - 200 мм. Максимальная выходная мощность одного источника микроволнового излучения составляла 0,8 кВт. Следовательно, для реализации мощности микроволнового устройства 57,6 кВт необходимо расположить на поверхности рабочей камеры 72 источника микроволнового излучения. Вывод микроволновой энергии из источника осуществляется с использованием прямоугольного волновода, поперечным сечением 72×34 мм на основном типе волны Н. Для формирования равномерного распределения температуры на поверхности трубы из композиционного материала, расположенной на расстоянии 400 мм от цилиндрической поверхности рабочей камеры, было выбрано шесть поперечных сечений, в каждом из которых по окружности располагалось 12 источников микроволнового излучения под углом 30° друг относительно друга. Расстояние между соседними рядами источников микроволнового излучения вдоль оси рабочей камеры составляло 500 мм. В этом случае, размеры рабочей камеры и труб (фиг. 2) составляют: R=900 мм, R=500 мм, R=520 мм, R=470 мм, R=450 мм.
На фиг. 2 показано поперечное сечение микроволнового устройства лучевого типа для отверждения трубы из полимерного композиционного материала.
Отклонение рассчитанного значения температуры от номинального значения температуры на внешней поверхности трубы из полимерного композиционного материала отсутствовало после прохождения микроволнового устройства.
2
Экспериментальными исследованиями установлено, что уровень побочных излучений от микроволнового устройства не превышал 10 мкВт/см, что отвечает принятым нормам безопасности для обслуживающего персонала.
На фиг. 3 показана рассчитанная и экспериментальная зависимость распределения температуры по толщине материала трубы.
Экспериментальные исследования по измерению температуры полимерного композиционного материала трубы проводились после отключению микроволнового излучения на выходе из микроволновой установки. Температура измерялась по толщине материала трубы через каждые 5 мм с учетом отражения микроволнового излучения от металлической трубы 7. На фиг. 3 показано измеренное значение температуры на внутренней поверхности материала трубы, которое составляла +197°С после достижения номинального значения температуры +200°С на ее внешней поверхности. С учетом отраженной мощности от внутренней поверхности металлической трубы отклонение температуры по толщине трубы от номинального значения температуры не превышало 6°С.
В таблице 1 приведены основные параметры микроволнового устройства и обрабатываемого материала трубы.
Микроволновая установка позволяет существенно сократить энергетические затраты на технологический процесс отверждения трубы из полимерного композиционного материала, увеличить производительность.
2
Уровень побочных излучений от микроволновой установки не превышал 10 мкВт/см и отвечал необходимым нормам безопасности для работы обслуживающего персонала.