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 стержней из стекловолокна и полимерного термореактивного эпоксидного связующего для стеклопластиковой арматуры.
В строительной индустрии широкое распространение получила стеклопластиковая арматура, которая обладает малым удельным весом, высокой химической стойкостью и прочностью, не подвержена коррозии и имеет низкую теплопроводность.
Традиционные технологии тепловой обработки 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 и могут приводить к неоднородности структуры материала получаемых изделий.
Благодаря объемному характеру микроволнового нагрева, можно с использованием различных конструкций, например, волноводных систем, сформировать в заданной конфигурации обрабатываемого материала (в виде стержней) равномерное распределение температуры по поперечному сечению 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 стеклопластиковой арматуры предполагает процесс нагрева термореактивного полимерного эпоксидного связующего до температуры +(180-200)°С, а затем осуществить процесс отверждения связующего при заданной температуре в течение времени, которое для этого необходимо. Время отверждения зависит от скорости движение нагретого материала стержня в микроволновой установке и его диаметра. При отверждении материал стержня 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. Микроволновый метод нагрева не обладает инерцией, что позволяет с необходимой точностью осуществлять контроль и автоматизировать технологический процесс отверждения полимерного композиционного материала.
Известно устройство для электромагнитной обработки сыпучих материалов. Устройство содержит узел загрузки, вибрационный механизм, протяженную камеру нагрева, волновод в форме меандра, многократно пересеченного камерой нагрева, выполненной из прозрачного для СВЧ материала и установленной под углом к горизонтальной плоскости. (Патент РФ №2080747, МПК Н05В 6/64, опубл. 27.05.1997 г.).
Известное устройство не может быть использовано для целей термообработки полимерных композиционных материалов, в частности стержней из стекловолокна для стеклопластиковой арматуры. Известное устройство связано с реализацией конкретного технологического процесса, а именно нагрева сыпучего материала. Для реализации равномерного нагрева используется бегущая волна, которая взаимодействует с сыпучим материалом только в местах пересечения с волноводом. Такое импульсное взаимодействие необходимо для удаления выделяемых паров воды, которые удаляются через торцы рабочей камеры. Периодическое (импульсное) взаимодействие микроволнового излучения с обрабатываемым материалом приводит к большой протяженности микроволновой установки и, следовательно, к большим омическим потерям в стенках меандрового волновода, что приводит к низкому коэффициенту полезного действия микроволновой установки. Кроме того, поток обрабатываемого материала является нагрузкой для микроволнового излучения и большая его часть поглощается обрабатываемым материалом, но куда девается оставшаяся часть микроволновой мощности (неиспользованная энергия микроволнового излучения) из технического решения не ясно. В качестве радиопрозрачного материала в устройстве используется обычное кварцевое стекло, которое не является теплоизоляционным материалом и приводит к потерям тепла через кварцевое стекло в окружающее пространство. Это значительно увеличивает энергетические затраты.
Известно микроволновое устройство для отверждения изделий в виде стержней из стеклопластика с продольным взаимодействием, так как нагреваемый стержень движется в том же направлении в котором распространяется энергии микроволнового излучения. Сформированный стержень из стекловолокна через дроссели поступает в волновод квадратного сечения, выполненного в «U»-конфигурации, который с одной стороны согласован с источником микроволновой энергии (магнетроном), а с другой стороны согласован с резервуаром для поглощения избыточной энергии (водяной нагрузкой). В водяную нагрузку поступает неиспользованная энергия микроволнового излучения. Нагретый до заданной температуры стержень из полимерного композиционного материала выходит через дроссель, который препятствует выходу микроволнового излучения из микроволновой установки. (Патент Великобритании №2245893, МПК Н05В 6/78, В29С 70/50, опубл. 25.01.1995 г., пп. 12-26 формулы изобретения - прототип).
В известном устройстве энергия электромагнитного поля распространяется в направлении движения обрабатываемого материала. Подобные микроволновые установки называются установками согласного типа или установками с продольным взаимодействием. Основным недостатком известного устройства является то, что микроволновое излучение взаимодействует только с площадью поперечного сечения стержня в направлении движения обрабатываемого материала, что снижает эффективность взаимодействия. Эта площадь равна π⋅r2, где r - радиус обрабатываемого стержня. Это приводит к длительности взаимодействия (большой длины волноводной системы) для набора требуемой температуры стержня и, следовательно, имеют существенные омические потери в стенках волновода. Кроме того, в устройстве необходимо поддерживать обрабатываемый материал (стержень) по оси волновода, что приводит к наличию дополнительных крепежных элементов.
Технической задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является обеспечение равномерного нагрева полимерного композиционного материала 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, включающем источник микроволнового излучения, устройство для поглощения избыточной энергии и соединенную с источником микроволнового излучения и устройством для поглощения избыточной энергии электродинамическую систему, оснащенную на входе и выходе шлюзами, камеру нагрева, протяженную через электродинамическую систему, согласно предложенной полезной модели, электродинамическая система выполнена в виде работающего на основном типе волны Н10 волновода прямоугольного сечения, изогнутого в форме меандра, при этом длинные волноводные отрезки линии меандра плотно прилегают друг к другу, шлюзы на входе и выходе электродинамической системы выполнены в виде запредельных круглых волноводов, камера нагрева выполнена в виде диэлектрической трубы из теплоизоляционного материала с малыми диэлектрическими потерями.
Кроме того, диэлектрическая труба проходит через середину широкой стенки волновода прямоугольного сечения параллельно его узким стенкам.
Кроме того, диэлектрическая труба выполнена из фторопласта.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении всей совокупности заявляемых существенных признаков, является формирование равномерного без перепадов распределения температуры по всему объему обрабатываемого материала стержня за счет увеличения площади взаимодействия микроволнового излучения и материала стержня и предотвращения теплоотдачи в окружающее пространство, что обеспечивается предложенным конструктивным выполнением устройства.
Сущность предложенной полезной модели поясняется рисунками, где
на фиг. 1 представлена конструкция заявляемого устройства;
на фиг. 2 показано поперечное сечение прямоугольного волновода и поперечное сечение стержня при продольном взаимодействии с энергией микроволнового излучения;
на фиг. 3 показано поперечное сечение прямоугольного волновода и поперечное сечение стержня при поперечном взаимодействии с энергией микроволнового излучения;
10
на фиг. 4 построена эпюра и структура электрического поля в поперечном прямоугольном сечении волновода для волны типа Н;
на фиг. 5 представлена экспериментальная характеристика распределения температуры на внешней поверхности стержня из полимерного композиционного материала (стекловолокна) для стеклопластиковой арматуры по длине электродинамической системы.
Рисунок фиг. 1 содержит следующие позиции:
1 - стержень из полимерного композиционного материала
2 - камера нагрева, выполненная в виде диэлектрической трубы
3 - шлюз в виде запредельного круглого волновода
4 - электродинамическая система, выполненная в виде работающего на основном типе волны Н10 волновода прямоугольного сечения, изогнутого в форме меандра
5 - источник микроволнового излучения
6 - устройство для поглощения избыточной энергии (водяная нагрузка).
Предложенное устройство (фиг. 1) для термообработки диэлектрических материалов содержит камеру нагрева 2, электродинамическую систему 4, источник микроволнового излучения 5, устройство для поглощения избыточной энергии (водяную нагрузку) 6. Электродинамическая система 4 с одной стороны согласована с источником микроволнового излучения 5, а с другой стороны согласована с устройством для поглощения избыточной энергии 6 (водяной нагрузкой). На входе и выходе электродинамическая система 4 имеет шлюзы 3 в виде запредельных круглых волноводов.
Камера нагрева 2 выполнена в виде диэлектрической трубы, протяженной через электродинамическую систему 1. Диэлектрическая труба проходит через середину широкой стенки волновода прямоугольного сечения параллельно его узким стенкам. Выполнение камеры нагрева в виде диэлектрической трубы обеспечивает эффективное отверждение материала стержня 1 из полимерного композиционного материала, а также повышение коэффициента полезного действия микроволновой установки.
Диэлектрическая труба выполнена из теплоизоляционного материала с малыми диэлектрическими потерями, предпочтительно из фторопласта.
Фторопласт является не только радиопрозрачным материалом, но и теплоизоляционным, то есть микроволновое излучение проходит через радиопрозрачный материал и поступает в материал стержня (термореактивное полимерное эпоксидное связующее и стеклянные волокна), преобразуется в тепло, а назад тепло выйти не может, так как труба из фторопласта является теплоизоляционным материалом. Таким образом, выполнение диэлектрической трубы из теплоизоляционного материала с малыми диэлектрическими потерями, в частности из фторопласта, позволяет сохранить и поддержать рабочую температуру процесса термообработки, одновременно обеспечивает экономию расходуемой на нагрев электроэнергию, а также избежать теплоотдачу в окружающее пространство.
Протяженность трубы выбирается из условия выполнения длины трубы такой, чтобы время прохождения по ней обрабатываемого стержня соответствовало бы времени отверждения термореактивного полимерного связующего. Таким образом обеспечивается возможность сохранить после выхода из микроволнового устройства заданную температуру для полного отверждения стержня. Трубка из фторопласта играет роль термоса, что позволяет после набора стержнем заданной температуры поддерживать ее до полного отверждения материала стержня. Это обстоятельство позволяет избежать дополнительных затрат энергии на поддержание заданной температуры в материале стержня.
Электродинамическая система 4 представляет собой волновод прямоугольного сечения, работающий на основном типе волны Ню. Для повышения эффективности взаимодействия микроволнового излучения с материалом стержня волновод изогнут в форме меандра. Сформированный стержень 1 из полимерного композиционного материала проходит по диэлектрической трубе 2 через середину широкой стенки волновода прямоугольного сечения параллельно узким стенкам. В этом случае направление распространения энергии микроволнового излучения распространяется перпендикулярно направлению движения обрабатываемого материала. Микроволновое излучение проникает сразу во весь объем стержня вне зависимости от его теплопроводности и вызывает равномерный нагрев сразу всего объема. Таким образом обеспечивается достижение заявленного технического результата, который проявляется при работе устройства в условиях производства стержней из стекловолокна для стеклопластиковой арматуры.
На фиг. 2 показано поперечное сечение прямоугольного волновода и поперечное сечение стержня при продольном взаимодействии с энергией микроволнового излучения. На фиг. 3 показано поперечное сечение прямоугольного волновода и поперечное сечение стержня при поперечном взаимодействии с энергией микроволнового излучения. В этом случае площадь взаимодействия стержня увеличивается по сравнению с электродинамической системой с продольным взаимодействием, что важно для обеспечения равномерного эффективного отверждения материала стержня из полимерного композиционного материала.
Микроволновое устройство работает следующим образом. Сформированный стержень из полимерного композиционного материала 1 по диэлектрической трубе 2 поступает в шлюз в виде запредельного круглого волновода 3. Форма и размеры круглого волновода 3 препятствуют выходу микроволнового излучения из микроволнового устройства и обеспечивают безопасную работу обслуживающего персонала. Затем стержень 1 поступает в электродинамическую систему 4 в виде волновода прямоугольного сечения, изогнутого в виде меандра, протяженностью L.
10
В волноводе, изогнутом в виде меандра, распространяется основная волна типа Н. Площадь взаимодействия микроволнового излучения в волноводе, изогнутом в виде меандра, с материалом стержня равна 2r⋅b, где b - размер узкой стенки волновода, r - радиус стержня из полимерного композиционного материала.
2
Площадь взаимодействия при продольном взаимодействии на этом же типе волны соответствует площади материала стержня ⋅π⋅r. Если сравнить эти две площади взаимодействия:
2
2
- при продольном взаимодействии эта площадь составляет 3,14⋅64 мм = 200,96 мм
2
2
- при поперечном взаимодействии эта площадь составляет 16⋅45 мм = 720 мм.
Таким образом эффективность взаимодействия при поперечном взаимодействии микроволнового излучения в волноводе предложенного конструктивного выполнения с материалом стержня в 3,5 раза выше, чем при продольном взаимодействии, которым характеризуется прототип.
10
10
Волна типа Н является основной волной в прямоугольных волноводах, так как она является самой длинноволновой и другие типы волн при этом по волноводу не распространяются. Кроме того этот тип волны легко возбуждается и широко используется в различных устройствах, в частности, в микроволновых бытовых печах (энергия микроволнового излучения через волновод, возбужденный на волне типа Н вводится в камеру нагрева).
10
На рисунке фиг. 4 построена эпюра электрического поля в поперечном сечении волновода для волны типа Н. Видно, что амплитуда напряженности электрического поля имеет максимальное значение в центре широкой стенки волновода. (И.В. Лебедев "Техника и приборы СВЧ", том 1. Изд-во "Высшая школа", Москва, 1970. (стр. 63-64). Поэтому для максимальной эффективности взаимодействия электромагнитного поля с обрабатываемым материалом необходимо стержень пропускать через середину широкой стенки волновода параллельно узким стенкам. В этом случае обеспечивается равномерное распределение температуры по поперечному сечению стержня, так как диаметр обрабатываемого стержня много меньше широкой стенки волновода. Волноводы прямоугольного поперечного сечения обеспечивают максимальную напряженность электрического поля именно в середине широкой стенки волновода.
Поглощенная мощность материалом стержня прямо пропорционально квадрату амплитуды напряженности электрического поля. Распределение температуры в материале стержня определяется величиной поглощенной мощности. Поэтому прохождение стержня из полимерного композиционного материала через середину широкой стенки волновода параллельно узким стенкам позволяет реализовать максимальную концентрацию энергии микроволнового излучения в материале стрежня.
В частности, в реализованном образце разработанного устройства размер широкой стенки волновода на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц составлял 90 мм, а диметр стержня 8 мм.
Приведенный пример только иллюстрирует, но не ограничивает возможные реализации устройства с иными геометрическими размерами.
Волновод изгибают в виде меандра таким образом, чтобы не было промежутков между секциями.
Благодаря предложенному конструктивному выполнению электродинамической системы микроволновое излучение равномерно перераспределяется в меандре и непрерывно взаимодействует с материалом обрабатываемого стержня, что обеспечивает необходимую равномерность нагрева. При этом исключается излучение микроволновой энергия из отверстий волновода при определенных размерах обрабатываемого материала. За счет отсутствия облучения обеспечивается безопасность обслуживающего персонала в отличие от известных аналогов с прерывистым взаимодействием микроволновой энергия с обрабатываемым материалом. Дополнительным преимуществом использования меандрового волновода является возможность сократить протяженность микроволновой установки (уменьшение ее длины), упростить технические решения центровки стержня и диэлектрической трубы из фторопласт, в которой он движется по оси волновода.
10
В устройстве используется источник микроволновой энергии с выводом в виде прямоугольного волновода на волне типа Н. Мощность от источника микроволнового излучения 5 поглощается материалом стержня на длине электродинамической системы L в виде волновода прямоугольного сечения, изогнутого в виде меандра. Неиспользованная мощность микроволнового излучения поступает в согласованную водяную нагрузку 6, в которой расположен датчик регистрации проходящей мощности для контроля технологического процесса. На конце электродинамической системы 4 материал стержня 1 приобретает заданное значение температуры +180°С. На выходе из микроволновой установки стержень из полимерного композиционного материала проходит через шлюз в виде запредельного круглого волновода.
Были проведены экспериментальные исследования, в ходе которых производился нагрев стержня из стекловолокна для стеклопластиковой арматуры диаметром 8 мм от температуры +20°С до температуры +180°С на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц (λ=12,24 см) на заявляемом микроволновой устройстве, которое представлена на фиг. 1. В экспериментальных исследованиях использовался волновод поперечным сечением 90 мм × 45 мм, изогнутый в виде меандра. Длина L электродинамической системы составляла 120 см. Мощность источника микроволновой энергии составляла 0,5 кВт, время нагрева в стационарном состоянии составило 72 секунды. На фиг. 4 показано экспериментальное распределение температуры на внешней поверхности стержня по длине электродинамической системы. При движении стержня из стеклопластика через заявляемое микроволновое устройство со скоростью 1 м/мин этот стержень на выходе из микроволнового устройства приобретал температуру +180°С при начальной температуре окружающего пространства и стержня +20°С. Температура внутри стержня составляла +186°С при температуре поверхности стержня +180°С.
10
Выражение для амплитуды напряженности электрического поля, которое изменяется по синусоидальному закону для волны типа Н, можно записать в виде (И.В. Лебедев "Техника и приборы СВЧ", том 1. Изд-во "Высшая школа", Москва, 1970. (стр. 63):
Выражение для распределения температуры по поперечному сечению стержня, которая пропорциональна распределению мощности (мощность пропорциональна квадрату амплитуды напряженности электрического поля, а распределение температуры по поперечному сечению (оси х) прямо пропорциональна распределению мощности:
Расчет показывает, что неравномерность распределения температуры стержня по поперечному сечению не превышает 2%. При нагреве стержня до температуры +180°С неравномерность распределения температуры по поперечному сечению стержня не превышает 3,6°С (в центре материала стержня максимальное значение температуры +180°С а по диаметру 176,4°С).
Использование предложенной полезной модели позволяет обеспечить равномерный нагрев полимерного композиционного материала по всему объему обрабатываемого стержня.
Важно отметить и другое преимущество использования заявляемого устройства для термообработки полимерных композиционных материалов, которое состоит в том, что окружающий воздух и металлические конструкции используемого оборудования не нагреваются. Обрабатываемое изделие расположено в трубе из теплоизоляционного материала с малыми диэлектрическими потерями, например, фторопласта, в течение времени, необходимого для нагрева и отверждения полимерного термореактивного эпоксидного связующего, что позволяет снизить энергопотребление технологического процесса ввиду отсутствия теплоотдачи в окружающее пространство, а следовательно, повысить коэффициента полезного действия устройства.