УСТАНОВКА ПЛАВЛЕНИЯ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1. Область техники
Полезная модель относится к технологии и оборудованию утилизации термопластичных полимерных материалов путем их вторичной переработки.
2. Уровень техники
При вторичной переработке термопластичных полимерных материалов, в частности, широко распространенного поливинилхлорида, могут происходить процессы деструкции и сшивания, при чем, с увеличением температуры выше 160°C скорость реакций нелинейно увеличивается. Это обстоятельство накладывает особые требования к выбору принципа и точности регулирования параметров технологического процесса вторичной переработки.
Анализ научно-технической литературы и патентов сайта ФИПС РФ за последние десять лет показал, что изобретения и полезные модели в области плавления полимеров содержат технические решения, направленные на совершенствование существующих и разработку новых способов и устройств. Однако уровень автоматизации технологического оборудования в настоящее время еще остается низким, так как он в основном ограничен автономными одноконтурными системами стабилизации подачи исходного материала и температуры расплава, что не позволяет осуществлять процесс плавления в оптимальном режиме.
Известна заявка на изобретение РФ №2003100048/12 «Способ и устройство для формирования термопластичного материала» [1]. Предлагаемое устройство содержит емкость для исходного сырья и снабжено средствами его нагрева и подачи под давлением в рабочую зону. В зоне контакта потока со стенками мундштука вблизи его выходного сечения установлено приспособление для стабилизации давления потока формуемого материала. Нагреватель поддерживает температуру исходного сырья в диапазоне 1,1-1,5 температуры плавления. Устройство позволяет в зоне контакта потока со стенками мундштука экструдера вблизи его выходного отверстия обеспечить заданное, стабильное по времени и по сечению потока распределение давления и стабилизировать температуру нагревателя в заданном диапазоне, что значительно повышает качество расплава. Однако, стабилизация значений температуры и давления без учета изменения свойств и характеристик потока исходного материала может привести к браку.
Известен также экструдер (патент на изобретение РФ №2118258) [2], который содержит загрузочную воронку, экструдерную головку, многозонный нагнетающий шнек с полым валом и выступающими винтами. Функционально конструкция нагнетающего шнека образует смесь зон: загрузки, смешения, сжатия, гомогенизации, постепенного возрастания давления, стабилизации давления и формования. Отличительная особенность этого устройства состоит в том, что в зоне гомогенизации внутри полого вала расположены подпружиненные турбулизирующие штифты, а в зоне стабилизации давления выполнены конусные прорези, сходящиеся в направлении обратном движению продукта. Данное устройство гомогенизирует смесь, стабилизирует ее давление и уменьшает градиент температуры в зоне формования. При этом предполагается, что основной технологический параметр: температура материала в зоне плавления, так же автоматически стабилизируется.
Этот процесс трудно поддается настройке, а отсутствие системы автоматического регулирования параметров самого материала не позволяет устройству отрабатывать возможные внешние возмущающие воздействия, такие как изменение фракционного и (или) химического состава исходного материала, что может существенно снизить технико-экономическую эффективность процесса плавления и качество готового продукта.
Общим недостатком известных промышленных экструдерных установок, является то, что управляющие воздействия на материал стабилизированы и потому изменение параметров и характеристик перерабатываемого материала в процессе непрерывного плавления не учитывается. Особое значение этот фактор имеет при совместной переработке термопластичных полимерных материалов с различными температурами плавления.
В результате информационного поиска установок плавления термопластичных полимерных материалов, имеющих с заявляемой полезной моделью существенные общие конструктивные признаки, не обнаружено.
3. Сущность полезной модели
Основным техническим результатом предлагаемой полезной модели является создание установки для осуществления непрерывного технологического процесса плавления, предполагающего наличие на выходе непрерывного потока расплавленного материала, температура которого должна находиться в диапазоне от температуры плавления до ее верхнего критического значения [1], определяемого началом процесса деструкции. При проектировании установки учитывалось, что для обеспечения свободного истечения готового продукта из зоны плавления, его температура должна быть несколько выше температуры плавления.
В предлагаемой полезной модели задача совершенствования управления процессом плавления решена путем использования параметра перерабатываемого материала для формирования управляющего сигнала. В качестве основного технологического параметра процесса плавления термопластичного материала выбрана его вязкость, которая определяет способность к истечению и в рабочем диапазоне достаточно хорошо колерируется с температурой.
Указанный технический результат достигается за счет создания установки, работающей по принципу регулятора вязкости расплава прямого действия. Предлагаемая полезная модель состоит из двух однотипных поршневых модулей A и B, работающих в циклическом режиме (фиг. 1). Каждый модуль состоит из рабочей камеры, выполненной в виде вертикального цилиндра с поршнем. Сила давления поршня на исходный материал задаются весом поршня и помещаемого на него комплекта грузов. Под днищем рабочей камеры установлен электрический нагреватель с устройством регулирования температуры с двумя режимами работы: подогрева и плавления.
В первом периоде в загруженном исходным материалом модуле A автоматический нагреватель работает в режиме плавления, а в модуле B после загрузки материала нагреватель включается в режим подогрева. В нижней рабочей зоне модуля A под действием теплового потока от нагревателя осуществляется плавление исходного материала. Полученный текучий расплав под действием собственной силы тяжести и силы тяжести поршня с помещенным на нем комплектом грузов через течку свободно перетекает в расходную емкость.
Во втором периоде при приближении поршня к нижней мертвой точке (НМТ) в ручном или автоматическом режиме осуществляется переключение нагревателя модуля В с режима подогрева в режим плавления. Когда в начале процесса плавления поршень модуля В опускается ниже верхней мертвой точки (ВМТ), что свидетельствует о начале процесса плавления, нагреватель модуля A переключается на режим подогрева, а поршень поднимается вверх до ВМТ и производится загрузка исходного материала. В этом периоде расплав в расходно-накопительную емкость поступает из модуля B, что обеспечивает возможность работы предлагаемой полезной модели в непрерывной технологической линии.
При заданных значениях температуры нагревателя в режиме плавления и давления поршня постоянное значение вязкости расплава обеспечивается изменением его расхода, т.е. при увеличении вязкости скорость опускания поршня и расход расплава уменьшаются, а при ее уменьшении значения этих параметров увеличиваются. Такое устройство является регулятором вязкости прямого действия и обеспечивает осуществление процесса плавления в оптимальном режиме, а наличие двух переключающихся модулей периодического действия позволяет установке работать в непрерывном режиме.
Технологическая эффективность работы установки может быть повышена за счет предотвращения образования застойных зон на днище рабочей камеры, причиной которых может быть значительные отклонения от плоскостности и (или) горизонтальности верхней плоскости днища. Для исключения этого явления и увеличения потенциальной энергии объема расплава, находящегося на днище со стороны противоположной течке, плоские днища обеих рабочих камер выполнены с малым уклоном в сторону течек. Это способствует стабилизации и частичному увеличению расхода расплава за счет увеличения энергии активации вязкого течения [3].
Еще одним средством повышения эффективности работы установки является наличие направляющих параллельных ребер, формирующих ламинарный поток расплава в сторону течки и снижающих потери напора на трение за счет уменьшения гидравлических сопротивлений на выходе. Наряду с формированием потока текучего материала, при оребрении поверхности днища
значительно возрастает удельная мощность теплового потока за счет увеличения коэффициента теплоотдачи от поверхности днища к расплаву. Для поддержания заданной температуры расплава в расходно-накопительной емкости она снабжена регулируемым электронагревателем, работающим в режиме подогрева.
В целом, совокупность признаков предлагаемой полезной модели необходима и достаточна для решения поставленной технической задачи. Эта совокупность в полном объеме ранее нигде не использовалась для решения поставленной задачи и других эквивалентных задач. Следовательно, предлагаемое техническое решение отвечает критериям существенной новизны и полезности.
4. Примеры конкретного выполнения
Схема и конструкции основных элементов предлагаемой установки плавления термопластичных полимерных материалов иллюстрируются чертежами, представленными на фиг. 1, 2.
Фиг. 1 - установка плавления термопластичных полимерных материалов.
Фиг. 2 - днище рабочей камеры.
1 - рабочая камера; 2 - поршень; 3 - набор грузов; 4 - люк загрузочный; 5 - днище рабочей камеры; 6 - нагреватель; 7 - течка; 8 - емкость накопительно-расходная; 9 - ребра.
Пример 1 конкретного выполнения
Предлагаемая установка плавления термопластичных полимерных материалов (фиг. 1) состоит из двух однотипных модулей A и B, работающих в циклических режимах, что обеспечивает непрерывное поступление расплава в накопительно-расходную емкость 8. Модуль представляет собой вертикальную цилиндрическую рабочую камеру 1, внутри которой находится поршень 2 с набором грузов 3. На боковой стенке рабочей камеры расположен загрузочный люк 4, верхняя кромка которого находится на уровне верхней мертвой точки (ВМТ).
Под днищем рабочей камеры 5 установлен нагреватель 6 с устройством автоматического регулирования заданного значения температуры с переключением режимов работы: подогрев - плавление. Истечение расплава из рабочей камеры в расходно-накопительную емкость 8 осуществляется через течку 7.
A
При запуске установки загрузка исходного материала в рабочую камеру модуля A осуществляется через загрузочный люк 4, когда поршень находится в ВМТ, а нагреватель Н включен в режиме подогрева. После загрузки поршень с грузом опускается на исходный материал, а нагреватель переключается в режим плавления. Давление поршня на исходный материал определяется экспериментально и задается весом поршня и помещаемого на него набора грузов.
В результате плавления материал приобретает свойство текучести и под действием силы тяжести и силы давления поршня 2 через течку 7 поступает в расходно-накопительную емкость 8. Автоматическое управление процессом плавления в оптимальном режиме при постоянных значениях температуры и давления в предлагаемой полезной модели осуществляется путем стабилизации вязкости потока расплава за счет изменения его расхода.
B
В этом периоде выполняется загрузка исходного материала в рабочую камеру модуля B, нагреватель которого Н работает в режиме подогрева. При подходе поршня модуля A к нижней мертвой точке режимы работы модулей переключаются на противоположные, что обеспечивает непрерывность работы установки. Поочередное перемещение поршней в верхнее положение при переключениях режимов работы осуществляется электроприводами с дистанционным или автоматическим управлением (на фиг. 1 не показаны).
Пример 2 конкретного выполнения
В установке плавления термопластичных полимерных материалов по примеру 2 (фиг. 2) верхняя плоскость днища 5 рабочей камеры 1 выполнена с уклоном в сторону течки под углом 5-7° (на фиг. 2 не показано) и снабжена продольными направляющими ребрами 9.
кр
Направляющие параллельные ребра, образуют на днище рабочей камеры волнистую профильную поверхность радиусом кривизны . Максимальное значение диаметра профиля канавки d (фиг. 2) определяется по критерию Рейнольдса при условии формирования ламинарного потока с малыми потерями напора на трение, т.е. Re=2320:
,
где: V - скорость движения потока;
ν - коэффициент кинематической вязкости расплава при температуре плавления.
Уклон плоскости днища в сторону течки и наличие направляющих ребер способствует формированию ламинарного потока расплава, при минимальных потерях напора на трение и существенно увеличивает мощность теплового потока от днища к расплаву, что обеспечивает надежность и значительно повышает эффективности работы установки.
Пример 3 конкретного выполнения
Полезная модель по примеру 3 отличается тем, что расходно-накопительная емкость 8 снабжена электронагревателем с устройством автоматического регулирования температуры (на фиг. 1 не показано), работающем в режиме подогрева. Это позволяет использовать емкость 8 в качестве накопителя, обеспечивающего длительное время текучесть расплава и его подачу в непрерывную технологическую линию.
5. Промышленная применимость
Установка плавления термопластичных полимерных материалов комплектуется в основном серийным оборудованием и достаточно проста в изготовлении и эксплуатации. В промышленном производстве в зависимости от имеющихся объемов сырья возможны два варианта: мощная двухмодульная установка непрерывного действия и одномодульная портативная установка периодического действия малой производительности. Экспериментальный образец одномодульной установки плавления термопластичных полимерных материалов изготовлен и испытан в экспериментально-технологической лаборатории ФТП ТГПУ.
Источники информации
1. Способ и устройство для формирования термопластичного материала. Заявка на изобретение №2003100048/12.
2. Экструдер. Патент РФ №2118258.
3. http://portal.tpu.ru/SHARED/a/ALEXDES/instructional_work/Tab2/ Основы технологии переработки.