МИКРОВОЛНОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ СТЕРЖНЕВОГО ИЗДЕЛИЯ ИЗ ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Полезная модель относится к области термообработки посредством СВЧ нагрева полимерных композиционных материалов, например, стержней стеклопластиковой арматуры, основу которых составляет стекловолокно, а в качестве связующего используются эпоксидные смолы.
Из уровня техники известно микроволновое устройство для термообработки стержневого изделия из полимерного композиционного материала, содержащее электродинамическую систему для нагрева изделия, выполненную в виде прямоугольного волновода, изогнутого в форме меандра и работающего на основном типе волны Ню, а также связанные с упомянутым волноводом источник микроволнового излучения и элемент для поглощения избыточной энергии. Внутри волновода расположена труба, выполненная из теплоизоляционного материала с малыми диэлектрическими потерями, например, фторопласта, для перемещения в ней обрабатываемого стержневого изделия, причем внутренний диаметр трубы соответствует диаметру изделия, а на входе в трубу и выходе из нее установлены шлюзы, выполненные в виде запредельных круглых волноводов (RU 185725 U1).
Недостатком известного устройства является довольно большая неравномерность распределения температуры по поперечному сечению стержневого изделия из полимерного композиционного материала и, как следствие, это не позволяет достигать хорошего качества термообработки.
Известно также микроволновое устройство для термообработки стержневых изделий из полимерных композиционных материалов (RU 83379 U1 - прототип), содержащее две последовательно соединенные секции, в которых в качестве нагревательных элементов используются: в одной секции - электродинамическая система в виде круглого волновода, а в другой секции - электродинамическая система в виде круглого диафрагмированного волновода, при этом с одной стороны каждого из волноводов расположен источник микроволнового излучения, а с другой стороны - элемент (водяная нагрузка) для поглощения неиспользованной энергии источника микроволнового излучения. Данное устройство позволяет повысить равномерность распределения температуры по поперечному сечению обрабатываемого стержня, однако оно имеет следующие недостатки.
Микроволновое излучение взаимодействует только с площадью поперечного сечения трубы в направлении движения обрабатываемого изделия, что снижает эффективность взаимодействия и приводит к длительности взаимодействия для набора требуемой температуры (что требует большой длины круглого волновода) и, следовательно, имеют существенные омические потери в стенках волновода. При этом необходимо поддерживать обрабатываемое изделие (стержень) по оси круглого волновода, что приводит к наличию дополнительных крепежных элементов, что обуславливает дополнительные диэлектрические потери. Кроме того, отсутствие трубы из теплоизоляционного материала для перемещения обрабатываемого изделия и шлюзов на входе и выходе нагревательных элементов, а также между ними приводит к снижению эффективности термообработки за счет потерь на теплоотдачу в окружающее пространство и как выхода микроволнового излучения из устройства, так и проникновения энергии микроволнового излучения из одной секции в другую.
Технической проблемой, на решение которой направлена полезная модель, является обеспечение равномерного нагрева обрабатываемого стержневого изделия из полимерного композиционного материала по поперечному сечению и уменьшение расхода электроэнергии.
Технической проблемой, на решение которой направлена полезная модель, является обеспечение равномерного нагрева обрабатываемого стержневого изделия из полимерного композиционного материала по поперечному сечению, что приводит к отсутствию напряжений внутренней структуры материала и, как следствие, к повышению прочностных характеристик получаемых изделий, а также снижению расхода электроэнергии.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении полезной модели, является повышение эффективности термообработки за счет увеличения площади взаимодействия микроволнового излучения и материала обрабатываемого изделия, а также предотвращения потерь энергии нагрева и микроволнового излучения.
10
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для термообработки полимерных композиционных материалов, содержащее последовательно соединенные первую и вторую секции для нагрева изделия, при этом первая секция состоит из волновода и связанных с ним источника микроволнового излучения и элемента для поглощения избыточной энергии, а вторая секция состоит из круглого диафрагмированного волновода и связанных с ним источника микроволнового излучения и элемента для поглощения избыточной энергии, снабжено трубой, установленной внутри упомянутых секций с возможностью перемещения в ней обрабатываемого стержневого изделия и выполненной из теплоизоляционного материала с малыми диэлектрическими потерями, и шлюзами, выполненными в виде круглых запредельных волноводов, которые установлены на упомянутой трубе на входе первой секции, между секциями и на выходе второй секции, при этом волновод первой секции выполнен с прямоугольным сечением, изогнутым в форме меандра с плотно прилегающими друг к другу смежными участками, работающим на основном типе волны Н.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг. 1 - схематичное изображение продольного сечения микроволнового устройства;
фиг. 2 - рассчитанные и экспериментальные характеристики распределения температуры по поперечному сечению (r) стержневого изделия;
фиг. 3 - поперечное сечение прямоугольного волновода и поперечное сечение стержневого изделия при поперечном взаимодействии с энергией микроволнового излучения, где а - размер широкой стенки волновода, b - размер узкой стенки волновода;
фиг. 4 - эпюра и структура электрического поля (Е) в поперечном прямоугольном сечении волновода для волны типа Ню.
Устройство для термообработки стержневого изделия 1 из полимерного композиционного материала содержит в качестве камеры нагрева трубу 2 из теплоизоляционного материала с малыми диэлектрическими потерями, например, фторопласта, шлюзы 3, выполненные в виде запредельных круглых волноводов, которые установлены на трубе 2 на входе первой секции 4 для нагрева изделия, на выходе второй секции 7 для нагрева изделия и между секциями 4 и 7. При этом шлюзы 3, установленные на входе первой секции 4 и на выходе второй секции 7 препятствуют выходу микроволнового излучения из этих секций, что, в частности, обеспечивает безопасную работу обслуживающего персонала, а шлюз 3, установленный между секциями 4 и 7, препятствует взаимному проникновению микроволнового излучения из одной секции в другую. Труба 2 установлена внутри секций 4 и 7 с возможностью перемещения в ней обрабатываемого стержневого изделия 1.
1
10
Первая секция 4 для нагрева изделия содержит волновод с длиной l, выполненный с прямоугольным сечением, изогнутым в форме меандра с плотно прилегающими друг к другу смежными участками, работающий на основном типе волны Н, а также связанные с волноводом источник 5 микроволнового излучения и элемент 6 для поглощения избыточной энергии, который может быть выполнен, например, в виде водяной согласованной нагрузки с датчиком для регистрации проходящей мощности микроволнового излучения для контроля технологического процесса.
2
Вторая секция 7 для нагрева изделия содержит круглый диафрагмированный волновод с длиной l, а также связанные с волноводом источник 5 микроволнового излучения и элемент 6 для поглощения избыточной энергии.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
1
2
Обрабатываемое стержневое изделие 1 перемещают в трубе 2 со скоростью движения v последовательно через секции 4 и 7 для нагрева изделия. В секции 4 мощность от источника 5 микроволнового излучения поглощается материалом изделия на длине l, а неиспользованная мощность микроволнового излучения поступает в элемент 6 для поглощения избыточной энергии. В секции 7 мощность от источника 5 микроволнового излучения поглощается материалом изделия на длине l, а неиспользованная мощность микроволнового излучения поступает в элемент 6 для поглощения избыточной энергии.
В первой секции 4 энергия микроволнового излучения распространяется перпендикулярно направлению движения изделия, а во второй секции 7 совпадает с направлением движения изделия. Подбирая экспериментально параметры секций 4 и 7, можно получить равномерное распределение температуры по поперечному сечению обрабатываемого изделия 1.
Выполнение трубы 2 из теплоизоляционного материала с малыми диэлектрическими потерями (радиопрозрачного) позволяет микроволновому излучению проходить через трубу 2 и поступать в материал изделия 1, а затем сохранять и поддерживать рабочую температуру процесса термообработки с обеспечением экономии расходуемой на нагрев электроэнергии и избегать теплоотдачу в окружающее пространство.
Протяженность трубы 2 выбирается из условия соответствия времени прохождения по ней обрабатываемого изделия 1 заданному времени процесса термообработки. Труба 2 из указанного материала играет роль термоса, что позволяет после набора изделием заданной температуры поддерживать ее до полного окончания процесса термообработки. Это обстоятельство позволяет избежать дополнительных затрат энергии на поддержание заданной температуры в материале изделия.
На выходе из микроволнового устройства изделие 1 приобретает номинальное значение температуры нагрева, которое определяется требованиями технологического процесса.
Для оптимизации технологического процесса можно регулировать выходную мощность источников 5 микроволнового излучения для каждой секции 4 и 7.
Были проведены экспериментальные исследования, в ходе которых на заявляемом микроволновом устройстве производился нагрев стержня из стекловолокна для стеклопластиковой арматуры диаметром 36 мм от температуры +20°С до температуры +200°С на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц (λ=12,24 см).
На фиг. 2 показаны рассчитанные (верхняя кривая) и измеренные (нижняя кривая) характеристики распределения температуры по поперечному сечению материала стержня на выходе микроволнового устройства.
Было выяснено, что расхождение рассчитанных и измеренных значений температуры материала стержня по поперечному сечению не превышало 4°С, а отклонение температуры по поперечному сечению материала стержня от номинального значения температуры материала стержня не превышало 6°С.
10
Из показанной на фиг. 4 эпюры электрического поля (Е) в поперечном прямоугольном сечении волновода для волны типа Н видно, что амплитуда напряженности электрического поля имеет максимальное значение в центре широкой стенки волновода. Поэтому для максимальной эффективности взаимодействия электромагнитного поля с обрабатываемым изделием желательно обрабатываемый стержень пропускать через середину широкой стенки волновода параллельно узким стенкам, что определяет требуемое расположение трубы 2 в волноводе секции 4.
Таким образом, использование полезной модели позволяет повысить равномерность распределения температуры по поперечному сечению обрабатываемого стержневого изделия, а также снизить потери энергии нагрева и микроволнового излучения, что в конечном итоге повышает эффективность термообработки изделия.