RU203860U1

RU203860U1 - MICROWAVE DEVICE FOR HEAT TREATMENT OF ROD MADE OF POLYMER COMPOSITE MATERIAL

Info

Publication number: RU203860U1
Application number: RU2020134358U
Authority: RU
Inventors: Александр Владимирович Мамонтов; Владимир Николаевич Нефедов; Александр Владимирович Суворинов
Priority date: 2020-10-20
Filing date: 2020-10-20
Publication date: 2021-04-23

Abstract

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. Устройство для термообработки содержит 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, при этом устройство 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, причем волновод первой секции выполнен с прямоугольным сечением, изогнутым в форме меандра с плотно прилегающими друг к другу смежными участками, работающим на основном типе волны Ню. 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. 4 ил.The utility model relates to the field of heat treatment by means of microwave heating of polymer composite materials, for example, fiberglass reinforcement rods, which are based on fiberglass, and epoxy resins are used as a binder. The device for heat treatment contains series-connected first and second sections for heating the product, the first section consists of a waveguide and associated microwave source and an element for absorbing excess energy, and the second section consists of a circular diaphragm waveguide and associated microwave source and an element for absorbing excess energy, while the device is provided with a pipe installed inside the above-mentioned sections with the possibility of moving the processed rod product in it and made of heat-insulating material with low dielectric losses, and sluices made in the form of circular transcendental waveguides that are installed on the said pipe at the inlet of the first section, between the sections and at the outlet of the second section, and the waveguide of the first section is made with a rectangular cross-section, bent in the form of a meander with adjacent sections tightly adjacent to each other, operating on the main type of Nu wave. The use of the utility model makes it possible to increase the uniformity of the temperature distribution over the cross-section of the processed rod product, as well as to reduce the losses of heating energy and microwave radiation, which ultimately increases the efficiency of heat treatment of the product. 4 ill.

Description

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.The utility model relates to the field of heat treatment by means of microwave heating of polymer composite materials, for example, fiberglass reinforcement rods, which are based on fiberglass, and epoxy resins are used as a binder.

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).A microwave device for heat treatment of a rod article made of a polymer composite material is known from the prior art, it contains an electrodynamic system for heating the article, made in the form of a rectangular waveguide bent in the form of a meander and operating on the main type of wave Ni, as well as a microwave source associated with said waveguide and element for absorbing excess energy. Inside the waveguide, there is a pipe made of a heat-insulating material with low dielectric losses, for example, fluoroplastic, for moving the processed rod product in it, and the inner diameter of the pipe corresponds to the diameter of the product, and locks made in the form of transcendental round waveguides (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.The disadvantage of the known device is a rather large non-uniformity of temperature distribution over the cross-section of a rod product made of a polymer composite material and, as a consequence, it does not allow achieving good quality of heat treatment.

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.It is also known a microwave device for heat treatment of rod products made of polymer composite materials (RU 83379 U1 - prototype), containing two sections connected in series, in which heating elements are used: in one section - an electrodynamic system in the form of a circular waveguide, and in the other section - an electrodynamic system in the form of a circular diaphragmed waveguide, with a microwave radiation source located on one side of each of the waveguides, and an element (water load) on the other side for absorbing unused energy from the microwave radiation source. This device makes it possible to increase the uniformity of the temperature distribution over the cross section of the processed rod, but it has the following disadvantages.

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.Microwave radiation interacts only with the cross-sectional area of the pipe in the direction of movement of the workpiece, which reduces the efficiency of interaction and leads to the duration of interaction for reaching the required temperature (which requires a large length of the circular waveguide) and, therefore, has significant ohmic losses in the walls of the waveguide. In this case, it is necessary to support the workpiece (rod) along the axis of the circular waveguide, which leads to the presence of additional fasteners, which causes additional dielectric losses. In addition, the absence of a pipe made of heat-insulating material for moving the workpiece and locks at the inlet and outlet of the heating elements, as well as between them, leads to a decrease in the efficiency of heat treatment due to losses for heat transfer to the surrounding space and both the exit of microwave radiation from the device and the penetration of energy. microwave radiation from one section to another.

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.The technical problem to be solved by the utility model is to ensure uniform heating of the processed rod product made of polymer composite material over the cross section and to reduce power consumption.

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.The technical problem to be solved by the utility model is to ensure uniform heating of the processed rod product made of polymer composite material over the cross section, which leads to the absence of stresses in the internal structure of the material and, as a consequence, to an increase in the strength characteristics of the products obtained, as well as to a decrease in energy consumption. ...

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.The technical result achieved in the implementation of the utility model is to increase the efficiency of heat treatment by increasing the area of interaction of microwave radiation and the material of the processed product, as well as preventing the loss of heating energy and microwave radiation.

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 Н₁₀.The specified technical result is achieved by the fact that a device for heat treatment of polymer composite materials, containing series-connected first and second sections for heating the product, the first section consists of a waveguide and associated microwave radiation source and an element for absorbing excess energy, and the second section consists of from a circular diaphragm waveguide and an associated microwave radiation source and an element for absorbing excess energy, equipped with a pipe installed inside the mentioned sections with the possibility of moving the processed rod product in it and made of heat-insulating material with low dielectric losses, and locks made in the form of round transient waveguides, which are installed on the said pipe at the inlet of the first section, between the sections and at the outlet of the second section, while the waveguide of the first section is made with a rectangular cross-section, bent in the shape of a meander with a tightly fitting mi to each other by adjacent sections, operating on the main type of the H ₁₀ wave.

Полезная модель поясняется чертежами, на которых показаны:The utility model is illustrated by drawings, which show:

фиг. 1 - схематичное изображение продольного сечения микроволнового устройства;fig. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a microwave device;

фиг. 2 - рассчитанные и экспериментальные характеристики распределения температуры по поперечному сечению (r) стержневого изделия;fig. 2 - calculated and experimental characteristics of the temperature distribution over the cross section (r) of the rod product;

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;fig. 3 is a cross-section of a rectangular waveguide and a cross-section of a rod product in transverse interaction with microwave energy, where a is the size of the wide wall of the waveguide, b is the size of the narrow wall of the waveguide;

фиг. 4 - эпюра и структура электрического поля (Е) в поперечном прямоугольном сечении волновода для волны типа Ню.fig. 4 - diagram and structure of the electric field (E) in the transverse rectangular section of the waveguide for a wave of the Niu type.

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.A device for heat treatment of a rod product 1 made of a polymer composite material contains, as a heating chamber, a pipe 2 made of heat-insulating material with low dielectric losses, for example, fluoroplastic, sluices 3, made in the form of out-of-limit circular waveguides, which are installed on pipe 2 at the inlet of the first section 4 for heating the product, at the outlet of the second section 7 for heating the product and between sections 4 and 7. At the same time, the sluices 3 installed at the inlet of the first section 4 and at the outlet of the second section 7 prevent microwave radiation from leaving these sections, which, in particular, ensures a safe the work of the service personnel, and the gateway 3, installed between sections 4 and 7, prevents the mutual penetration of microwave radiation from one section to another. Pipe 2 is installed inside sections 4 and 7 with the ability to move the processed rod product 1 in it.

Первая секция 4 для нагрева изделия содержит волновод с длиной l₁, выполненный с прямоугольным сечением, изогнутым в форме меандра с плотно прилегающими друг к другу смежными участками, работающий на основном типе волны Н₁₀, 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.The first section 4 for heating the product contains a waveguide with a length l ₁ , made with a rectangular cross-section, bent in the form of a meander with adjacent sections closely adjacent to each other, operating on the main wave type H ₁₀ , as well as associated with the waveguide source 5 of microwave radiation and an element 6 for absorbing excess energy, which can be made, for example, in the form of a water matched load with a sensor for detecting the transmitted microwave power for monitoring the technological process.

Вторая секция 7 для нагрева изделия содержит круглый диафрагмированный волновод с длиной l₂, а также связанные с волноводом источник 5 микроволнового излучения и элемент 6 для поглощения избыточной энергии.The second section 7 for heating the article contains a circular diaphragm waveguide with a length l ₂ , as well as a microwave radiation source 5 and an element 6 for absorbing excess energy associated with the waveguide.

Работа устройства осуществляется следующим образом.The device operates as follows.

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 l₁, 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 l₂, а неиспользованная мощность микроволнового излучения поступает в элемент 6 для поглощения избыточной энергии.The core product 1 to be treated is moved in the pipe 2 at a speed of movement v successively through sections 4 and 7 to heat the product. In section 4, the power from the microwave source 5 is absorbed by the product material over a length l ₁ , and the unused microwave power is fed to the element 6 to absorb excess energy. In section 7, the power from the microwave source 5 is absorbed by the product material over a length l ₂ , and the unused microwave power is fed to the element 6 to absorb excess energy.

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.In the first section 4, the microwave energy propagates perpendicular to the direction of movement of the product, and in the second section 7 it coincides with the direction of movement of the product. By experimentally selecting the parameters of sections 4 and 7, it is possible to obtain a uniform temperature distribution over the cross section of the workpiece 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.The execution of pipe 2 from a heat-insulating material with low dielectric losses (radio-transparent) allows microwave radiation to pass through the pipe 2 and enter the material of the product 1, and then maintain and maintain the operating temperature of the heat treatment process, while saving energy consumed for heating and avoiding heat transfer to the surrounding space.

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.The length of the pipe 2 is selected from the condition that the time of passage of the workpiece 1 through it corresponds to the specified time of the heat treatment process. Pipe 2 made of the specified material plays the role of a thermos, which makes it possible, after the product has set a predetermined temperature, to maintain it until the complete end of the heat treatment process. This circumstance makes it possible to avoid additional expenditures of energy for maintaining a given temperature in the material of the product.

На выходе из микроволнового устройства изделие 1 приобретает номинальное значение температуры нагрева, которое определяется требованиями технологического процесса.At the exit from the microwave device, the product 1 acquires a nominal heating temperature value, which is determined by the requirements of the technological process.

Для оптимизации технологического процесса можно регулировать выходную мощность источников 5 микроволнового излучения для каждой секции 4 и 7.To optimize the technological process, you can adjust the output power of the microwave sources 5 for each section 4 and 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).Experimental studies were carried out during which a fiberglass rod for fiberglass reinforcement with a diameter of 36 mm was heated on the claimed microwave device from a temperature of + 20 ° C to a temperature of + 200 ° C at an electromagnetic field frequency of 2450 MHz (λ = 12.24 cm) ...

На фиг. 2 показаны рассчитанные (верхняя кривая) и измеренные (нижняя кривая) характеристики распределения температуры по поперечному сечению материала стержня на выходе микроволнового устройства.FIG. 2 shows the calculated (upper curve) and measured (lower curve) characteristics of the temperature distribution over the cross-section of the rod material at the exit of the microwave device.

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.It was found that the discrepancy between the calculated and measured values of the temperature of the rod material over the cross section did not exceed 4 ° C, and the deviation of the temperature over the cross section of the rod material from the nominal temperature of the rod material did not exceed 6 ° C.

Из показанной на фиг. 4 эпюры электрического поля (Е) в поперечном прямоугольном сечении волновода для волны типа Н₁₀ 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.As shown in FIG. 4 diagrams of the electric field (E) in the transverse rectangular section of the waveguide for a wave of type H _10, it can be seen that the amplitude of the electric field strength has a maximum value in the center of the wide wall of the waveguide. Therefore, for maximum efficiency of the interaction of the electromagnetic field with the workpiece, it is desirable to pass the workpiece through the middle of the wide wall of the waveguide parallel to the narrow walls, which determines the required location of pipe 2 in the waveguide of section 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.Thus, the use of the utility model makes it possible to increase the uniformity of the temperature distribution over the cross section of the processed rod product, as well as to reduce the losses of heating energy and microwave radiation, which ultimately increases the efficiency of the heat treatment of the product.

Claims

A microwave device for heat treatment of a rod product made of a polymer composite material, containing first and second sections connected in series for heating the product, while the first section consists of a waveguide and an associated microwave radiation source and an element for absorbing excess energy, and the second section consists of a circular diaphragm a waveguide and an associated microwave radiation source and an element for absorbing excess energy, characterized in that it is equipped with a pipe installed inside said sections with the possibility of moving the processed rod product in it and made of heat-insulating material with low dielectric losses, and locks made in in the form of circular transcendental waveguides, which are installed on the said pipe at the inlet of the first section, between the sections and at the outlet of the second section, while the waveguide of the first section is made with a rectangular section, bent in the shape of a meander with a tight adjacent to each other adjacent areas, operating on the main type of wave H ₁₀ .