Осушитель гранул полиэтилена с источниками ЭМПСВЧ

Аннотация. Повышение эффективности процесса сушки гранул полиэтилена, является актуальной задачей. Существующие методы сушки гранул имеют небольшую производительность, что негативно сказывается на полном цикле производства. Для решения указанной задачи была разработана установка с источниками электромагнитного поля сверхвысокой частоты для термообработки в непрерывном режиме гранул полиэтилена низкого давления при сниженных эксплуатационных затратах.

Ключевые слова: полиэтилен, термообработка, магнетрон, сверхвысокая частота, комбинированный резонатор, полусферический отражатель.

На сегодняшний день полимерные материалы широко используются практически во всех отраслях промышленности и в быту, в том числе и для изготовления ответственных и высоконагруженных изделий. Мировой объем производства полимерных материалов постоянно растет. Для получения высококачественной продукции исходное сырье должно соответствовать ряду технических требований. Особое внимание при проведении входного контроля материала уделяется влажности гранул полиэтилена [1]. Использование материалов с повышенной влажностью приведет к выпуску некачественной или бракованной продукции. Происходит нарушение поверхности изделий в виде раковин или пузырей, а также внутренние пустоты. Если влажность материала не соответствует норме, его обязательно подвергают сушке.

Перед производителями трубной продукции остро стоит задача повышение эффективности процесса сушки гранул полиэтилена низкого давления (ПНД). Существующие методы сушки имеют небольшую производительность, что негативно сказывается на полном цикле производства. При этом снижаются темпы производства, увеличиваются энергетические затраты, что в конечном итоге ведет к увеличению себестоимости выпускаемой продукции.

Применение осушителя при производстве продукции из полимеров способствует поглощению избыточной влаги и способствует улучшению внешнего вида изделия. Поэтому целью научных исследований является разработка осушителя гранул полиэтилена низкого давления с источниками ЭМПСВЧ непрерывного действия. В связи с поставленной целью решаются следующие научные задачи:

1. Провести аналитический обзор ресурсов и объемов перерабатываемых гранул ПНД;
2. Проанализировать электрофизические и теплофизические параметры гранул ПНД в зависимости от температуры нагрева при частоте электромагнитного поля 2450 МГц;
3. Проанализировать технологии и технические средства, предназначенные для нагрева и сушки гранул ПНД;
4. Провести теоретические исследования динамики нагрева в ЭМПСВЧ гранул ПНД;
5. Обосновать электродинамические параметры системы «генератор-резонатор-нагрузка» по данным распределения ЭМП в цилиндрическом резонаторе, при расположении излучателей со сдвигом по периметру и высоте; (напряженность ЭП, собственная добротность, плотность потока мощности);
6. Разработать осушитель гранул полиэтилена низкого давления с источниками ЭМПСВЧ входящей в состав технологической линии переработки гранул ПНД; составить операционно-технологическую схему;
7. Обосновать эффективные режимы работы осушителя гранул полиэтилена с источниками ЭМПСВЧ через регрессионные модели;
8. Составить принципиальную электрическую схему управления осушителем гранул полиэтилена с источниками ЭМПСВЧ; оценить электромагнитную безопасность установки для обслуживающего персонала;
9. Оценить технико-экономические показатели применения осушителя гранул полиэтилена с источниками ЭМПСВЧ.

В материалах данной статьи приведено описание осушителя гранул полиэтилена с источниками ЭМПСВЧ. Предварительно анализированы материалы, описывающие сверхвысокочастотные установки, предназначенные для термообработки сырья в непрерывном режиме [2-4]. С учетом преимуществ и недостатков в разработанных ранее конструкционных исполнениях объемных резонаторов, предложена рабочая камера, комбинирующая цилиндрическую и коническую части резонаторов.

Осушитель гранул полиэтилена (рис. 1) с источниками электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ) разработана в ГОУ ВО «Нижегородский государственный инженерно-экономический университет» (заявка на изобретение № 2019135766 от 06.11.2019). В конической части 1 резонатора с помощью монтажных элементов установлен полусферический неферромагнитный отражатель 9 так, что между ним и образующей конической части резонатора имеется кольцевой зазор для выгрузки высушенных гранул. Под полусферический неферромагнитный отражатель 9, расположенный выпуклой стороной вверх, подведен неферромагнитный воздуховод 8, соединенный с вентилятором 7. С наружной стороны цилиндрической части 2 резонатора установлены магнетроны 3 с излучателями, направленными внутрь со сдвигом по периметру и высоте цилиндра, для обеспечения равномерного электромагнитного поля в резонаторе. На усеченной вершине конической части резонатора расположен фланец 10 для соединения с экструдером для дальнейшей обработки высушенных гранул. Причем фланец расположен на уровне критического сечения конической части резонатора (известно, что на вершине конического резонатора существует критическое сечение, при котором волны отражаются внутрь резонатора). Для воздушного охлаждения маломощных магнетронов предусмотрены гибкие воздуховоды от вентилятора 7.

а) б)

Рисунок 1. Осушитель гранул полиэтилена с источниками ЭМПСВЧ:

а) пространственное изображение; б) схематическое изображение;

1 – коническая часть резонатора; 2 − цилиндрическая часть резонатора; 3 – магнетроны; 4 − крышка резонатора с центральным отверстием для загрузки сырья; 5 − воздухоотвод неферромагнитный; 6 − перфорированный неферромагнитный ограничитель излучений; 7 − вентилятор; 8 − неферромагнитный воздуховод; 9 – неферромагнитный отражатель полусферический; 10 − фланец для крепления на экструдер

Технологический процесс диэлектрического нагрева и удаления избыточной влаги происходит следующим образом. Гранулы полиэтилена из автоматического вакуумного загрузчика дозированно подаются в цилиндрическую часть резонатора. После чего следует включить вентилятор 7 и сверхвысокочастотные генераторы. В связи с тем, что магнетроны расположены с равномерным сдвигом по периметру и по высоте цилиндра, в резонаторе возбуждается равномерное ЭМПСВЧ. Волны, отраженные от стенок резонатора и полусферического неферромагнитного отражателя 9 попадают и в коническую часть резонатора. Ограничение излучения из конической части резонатора достигается расположением фланца на определенном уровне от вершины конуса. В связи с тем, что фланец расположен на уровне критического сечения конического резонатора, распространение волн за пределы фланца не происходит. Под воздействием ЭМПСВЧ гранулы полиэтилена, находящиеся в резонаторе, нагреваются эндогенно. Избыточная влага, выделяемая при диэлектрическом нагреве гранул полиэтилена, отводится потоком воздуха, подаваемым через воздуховод 8 вентилятором 7, и выводимым через воздухоотвод 5, расположенный на крышке 4. При этом одновременно подается воздух через гибкие воздуховоды для охлаждения магнетронов. Распространение излучений через воздухоотвод 5 исключается за счет установленного на нем перфорированного неферромагнитного ограничителя излучений 6. Высушенные гранулы самотеком через кольцевой зазор между образующей конической части резонатора и полусферическим неферромагнитным отражателем 9, и через фланец 10 поступают в экструдер, имеющийся в технологической линии производства труб (рис. 2).

Рисунок 2. Технологическая линия производства полиэтиленовых труб:

1 – загрузочный бункер-осушитель осушитель; 2 – шкаф управления производственной линией; 3 − одношнековый экструдер KME65

На рисунке 2 показаны основные узлы технологической линии производства полиэтиленовых труб в состав которой и будет входить изобретенный осушитель гранул полиэтилена − это загрузочный бункер-осушитель 1; шкаф управления производственной линией − 2; одношнековый экструдер KME65 − 3.

Выводы. В результате использования осушителя непрерывного действия с источниками ЭМПСВЧ появляется возможность равномерного нагрева гранул полиэтилена низкого давления и удаление избыточной влаги.