установка для термовакуумной обработки материалов

Формула изобретения

1. Установка для термовакуумной обработки материалов, содержащая средство получения теплоносителя, герметичную камеру с системой циркуляции теплоносителя в виде коллекторов, вакуумную систему, отличающаяся тем, что средство получения теплоносителя выполнено в виде газотурбинного двигателя, соединенного выхлопным соплом через блок смешения выхлопных газов с коллектором, вакуумная система выполнена в виде по крайней мере двух эжекторов, соединенных с газотурбинным двигателем и герметичной камерой.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что блок смешения выхлопных газов выполнен в виде эжектора-смесителя и соединенных с ним средства подсоса воздуха и средства впрыскивания воды.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что вакуумная система выполнена с установленным перед эжекторами дополнительным эжектором-конденсатором и соединенным с ним узлом утилизации водяного пара, его охлаждения и циркуляции.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что герметичная камера выполнена в виде силового каркаса с разделяющими его на секции горизонтальными силовыми перегородками и соединенной с каркасом гибкой оболочки, выпуклой в сторону рабочего пространства.

5. Установка по любому пп.1 - 4, отличающаяся тем, что каркас выполнен в виде полых конструкций, например, коробчатой формы, при этом каркас соединен с коллекторами.

6. Установка по любому из пп.1, 4 и 5, отличающаяся тем, что в полых конструкциях выполнена перфорация.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к термическому оборудованию, предназначенному для термовакуумной обработки материалов, преимущественно, полуфабрикатов, например, старение, отжиг и закалка листов и плит из алюминиевых и других сплавов, оно может быть использовано и для сушки капиллярно-пористых материалов, например, древесины, а также сельскохозяйственных продуктов, например, овощей и фруктов.

Известна печь для термической обработки, содержащая гермокорпус, экранную теплоизоляцию, экранированное рабочее пространство, системы вакуумирования и нагрева [1].

Недостатками известного технического устройства являются:

1. Большая металлоемкость конструкции печи, т.к. гермокорпус воспринимает нагрузки от атмосферного давления при нагреве и вакуумировании, конструктивная сложность.

2. Неэффективное использование рабочего пространства печи.

3. Невозможность использования печи при значительных газовыделениях из садки особенно в виде пара.

4. Низкий КПД печи - нагрев только за счет лучеиспускания.

5. Необходимость размещения печи в комфортабельном производственном помещении.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является вакуумная печь для термообработки материалов с системой газового охлаждения термообрабатываемой садки с помощью сопел, размещенных в пространстве печи параллельно ее оси [2].

К ее недостаткам следует отнести:

1. Конструктивную сложность и низкую надежность из-за наличия в рабочем пространстве вращающихся элементов, а также наличие вакуумных вводов для вращающихся элементов.

2. Снижение размеров рабочего пространства из-за размещения непосредственно в гермокорпусе коллекторов, повышающих металлоемкость конструкции.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение КПД установки, снижение металлоемкости, расширение диапазона обрабатываемых материалов, в том числе и выделяющих при термообработке пары.

Поставленная задача достигается в установке для термовакуумной обработки материалов, содержащей средство получения теплоносителя, герметичную камеру с системой циркуляции теплоносителя в виде коллекторов, вакуумную систему, в которой средство получения теплоносителя выполнено в виде газотурбинного двигателя, выхлопным соплом соединенным через блок смешения выхлопных газов с коллектором, вакуумная система выполнена в виде по крайней мере двух эжекторов, соединенных с газотурбинным двигателем и с герметичной камерой, блок смещения выхлопных газов выполнен в виде эжектора-смесителя и соединенных с ним средств подсоса воздуха и средств впрыскивания охлаждающей воды, вакуумная система выполнена с установленными перед эжекторами дополнительным эжектором-конденсатором и соединенной с ним системой утилизации водяного пара, его охлаждения и циркуляции, герметичная камера выполнена в виде силового каркаса с разделяющими его на секции горизонтальными силовыми перегородками, соединенной с каркасом гибкой оболочки, выпуклой в сторону рабочего пространства, каркас выполнен в виде полых конструкций, например коробчатой формы, при этом каркас соединен с коллекторами, а в полых конструкциях каркаса выполнена перфорация.

Достижение задачи предлагаемого изобретения проверено экспериментально, в том числе и на макете установки.

Предлагаемое изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Использование предлагаемого изобретения позволяет:

1. Резко снизить металлоемкость конструкции герметичной камеры установки за счет применения гибкой герметичной оболочки, толщина которой в 10^oC20 раз меньше, чем у традиционно используемых гермооболочек с круглым или прямоугольным сечением, т. к. материал ее работает на растяжение, а не на потерю устойчивости.

2. Наиболее эффективно использовать рабочее пространство герметичной камеры для размещения обрабатываемых материалов.

3. Эксплуатировать гермокамеру вне производственного помещения, например, под навесом.

4. Повысить КПД и экономичность нагрева за счет циркуляции теплоносителя через перфорацию силового каркаса, омывающего обрабатываемый материал, при этом повышается теплоотдача, кроме того, получение теплоносителя не связано с преобразованием энергии, а обеспечивается полным сжиганием топлива (природный газ, авиакеросин и т.п.) в газовой турбине и смешением высокотемпературных продуктов сгорания с воздухом из атмосферы и впрыскиванием воды.

5. Использовать для вакуумирования гермокамеры наиболее простую вакуумную систему с откачными средствами - струйными аппаратами (эжекторами) по сравнению со сложными конструктивно и относительно, малонадежными вакуумнасосами; кроме того, дополнительный эжектор - конденсатор подавляет влияние парциального давления паров на достижение рабочего вакуума, а также утилизирует пары.

6. Использовать внутренний силовой каркас камеры для циркуляции теплоносителя, в случае недопустимости непосредственного контакта теплоносителя с обрабатываемыми материалами, т.е. силовой каркас используется как теплообменник.

7. Использовать газотурбинный двигатель помимо основной функции (получения теплоносителя), для обеспечения питания эжекторов сжатым воздухом, а также электроэнергией для обеспечения работы входящих в установку агрегатов (водяные насосы, запорно-регулирующая аппаратура, пульт управления и т.п.).

Суммарным эффектом изобретения является получение универсальной автономной, независящей от внешнего энергоснабжения, установки для термовакуумной обработки материалов, способной работать в полевых условиях, при наличии укрытия в виде навеса и небольшого модуля для размещения аппаратов, работающих с использованием воды и систем управления, при этом установка за счет снижения металлоемкости, повышения КПД и простоты конструкции имеет расчетную стоимость, по сравнению с лучшими отечественными и зарубежными образцами подобного типа при равной производительности, ниже в 1,5^oC2,0 раза, кроме того установка может легко перенастраиваться на обработку различных материалов.

На фиг. 1 изображена схема установки; на фиг. 2 - герметичная камера в сечении; на фиг. 3 - узел А на фиг. 2; на фиг. 4 - продольный разрез герметичной камеры; на фиг. 5 - вид по стрелке Б фиг. 4.

Установка для термовакуумной обработки материалов, на фиг. 1, состоит:

из системы получения теплоносителя, которая содержит газотурбинный двигатель 1, входящие в его состав компрессор 2 и электрогенератор 3, к выхлопному соплу газотрубинного двигателя 1 подключен блок смешения 4, выполненный в виде эжектора-смесителя к которому подключены коммуникация впрыска воды 5 с расходным баком 6, коммуникация подсоса воздуха из атмосферы 7, коммуникация наддува влажного воздуха 8 в блок смешения 4 посредством вентилятора наддува 9. Блок смешения 4 подключен к входному коллектору циркуляции теплоносителя 10, который снабжен заслонками 11;

из системы вакуумирования, в которую входят эжекторы 12, подключенные к компрессору 2, эжектор-конденсатор 13, связанный с системой утилизации водяного пара и воды 14, система вакуумирования снабжена глушителем шума 15;

из системы утилизации водяного пара и воды 14 (с баком-сборником), которая снабжена устройством охлаждения утилизированной воды 16, водяной насос 17, смонтированный на баке-сборнике 14 связан с распылителем 18 устройства охлаждения утилизированной воды 16 и с распылителем воды 19, установленным в глушителе шума 15, водяной насос 20 предназначен для подачи воды к эжектору-конденсатору 13, в верхней части устройства охлаждения утилизированной воды 16 установлен вентилятор 9 для просасывания воздуха из атмосферы через патрубок 21 для увлажнения и подачи его в сопло 22 блока смешения 4;

герметичной камеры 23 (фиг. 1, 2, 3), которая включает в себя гибкую оболочку 24, имеющую заданную выпуклость в сторону рабочего пространства, она (оболочка) герметично соединена с силовым каркасом 25, выполненным из полых коробчатых конструкций с перфорацией, к которому подключены входной коллектор циркуляции теплоносителя 10 и выходной коллектор 26 с заслонкой 27, через которую теплоноситель направляется на утилизацию. В герметичной камере 23 размещен силовой стеллаж 28 с опорными роликами 29, по его периметру, опирающимися на разделительные перегородки 30. На силовом стеллаже 28 размещены обрабатываемые материалы 31, с наружной стороны гибкая оболочка 24 с теплоизолирована панелями 32.

Открытый торец герметичной камеры 23 (фиг. 4 и 5), закрывается герметичной подвижной крышкой 33, которая состыкована с силовым стеллажом 28. Крышка 33 установлена в передвижном портале 34, который обеспечивает выкатку силового стеллажа из рабочего объема камеры.

Управление установкой производится с пульта управления 35, связанного с электрогенератором 3.

Установка работает следующим образом: на выдвижной силовой стеллаж 28, центрируемый в камере 23 с помощью опорных роликов 29, раскладывается обрабатываемый материал 31. Стеллаж закатывается в камеру, которая герметизируется крышкой 33. Производится включение газовой турбины 1, выхлопные газы из которой поступают в блок смещения 4, где смешиваются в необходимой пропорции с влажным воздухом, подаваемым вентилятором 9 из системы охлаждения утилизированной воды 16, одновременно, эжектор-смеситель подмешивает воздух, эжектируемый из атмосферы. Регулирование температуры горячей смеси контролируется на пульте 35 и в случае необходимости корректируется впрыскиванием в поток газовой смеси воды из бака питания 6 или наоборот уменьшением подачи воздуха от вентилятора 9 с помощью коммуникаций наддува 8. Подготовленная горячая газовая смесь поступает в коллектор 10 камеры 23, где распределяется по каналам силового каркаса 25. Силовые перегородки каркаса 30 и заслонки 11 обеспечивают распределение газового потока по высоте камеры 23. Далее горячая газовая смесь протекает по полостям каркаса камеры и выбрасывается в атмосферу или утилизируется через коллектор камеры 26 и заслонку 27. Одновременно от компрессора 2 газотурбинного двигателя производится отбор сжатого воздуха, который поступает в сопла эжекторов 12 вакуумной системы, обеспечивающих создание разряжения в камере 23.

Отсасываемые из камеры газы и пары, смешиваясь с активным воздухом эжектора 12, через глушитель 15 выбрасываются в атмосферу.

При обработке материалов, выделяющих пары для разгрузки эжекторно вакуумной системы, используется эжектор-конденсатор 13, который питается холодной водой от насоса 20 из системы охлаждения воды 16. Отработавшая в эжекторе вода и сконденсировавшиеся пары стекают в бак системы утилизации воды 14 и циркуляционным насосом 17 подаются в систему охлаждения утилизированной воды 16, где подсасываемый из атмосферы воздух вентилятором 9 охлаждает поступающую в систему воду. Одновременно циркуляционный насос 17 подает воду в форсунки 19 глушителя 15 и бак питания 6. Дефицит испарившейся воды покрывается подпиткой из водопровода в систему охлаждения утилизированной воды 16 по уровню.

Электропитание двигателей насосов 17 и 20 и вентилятора 9 осуществляется от генератора газотурбинной установки 3. Установка позволяет производить нагрев отрабатываемого материала непосредственной подачей горячей газовой смеси в камеру 23 от эжектора-смесителя 4 через коллектор 10 и каналы каркаса 25, которые в этом случае имеют перфорацию по длине перегородок 30. Из камеры использованная газовая смесь через приемные каналы коллектора 26 и заслонку 27 сбрасывается в атмосферу или утилизируется. Вакуумирование в этом случае производится циклически, чередуясь с циклами нагрева, т.е. после нагрева обрабатываемого материала 31 прекращается подача горячего газа в камеру 23, закрываются заслонки 11 и 27 и производится вакуумирование объема камеры 23 эжектором-конденсатором 13 и многоступенчатым воздушным эжектором 12. В период разогрева камеры 23 вакуумная система вакуумирует другие объекты или не работает.

Примером использования установки для термовакуумной обработки материалов может служить сушка пиломатериалов.

В этом случае пиломатериал раскладывается на силовом стеллаже 28 с использованием прокладок (не показаны), обеспечивающих формирование каналов поперек стеллажа. Стеллаж закатывается в герметичную камеру 23, к открытому торцу которой вплотную пристыковывается портал 34, при этом камера герметизируется крышкой 33.

Выхлопные газы от газотурбинного двигателя 1 с температурой 630^oC проходят через блок смешения 1, где происходит снижение температуры их до необходимого уровня, например, до 75^oC80^oC, после чего парогазовая смесь попадает в коллектор 10, который с помощью заслонок 11 обеспечивает равномерное распределение парогазового потока по высоте гермокамеры 23 и через перфорацию разделительных перегородок 30, являющихся одновременно каналами в силовом каркасе 25 камеры 23 вытекает в каналы, сформированные в пиломатериале 31 и производит его разогрев и частичное просушивание. После разогрева пиломатериала до температуры 55^oC подача парогазовой смеси (горячего агента) прекращается за счет закрытия заслонок 11 и 27. Затем начинается процесс вакуумирования разогретого пиломатериала. При этом сжатый воздух от компрессора 2 подается в воздушные эжекторы 12, которые отсасывают парогазовую смесь из гермокамеры 23, снижая в ней остаточное барометрическое давление (создавая разрежение). В условиях разрежения начинается интенсивное выделение паров воды из пиломатериалов (древесины) и его сушка. Для повышения эффективности эжекторов 12, получения остаточного барометрического давления порядка 40 мм рт. ст. , включается в работу водоструйный эжектор-конденсатор 13, питаемый холодной водой от устройства охлаждения утилизированной воды 16, в эжекторе-конденсаторе конденсируется основная масса паров воды (до 95%), за счет чего обеспечивается необходимый уровень разрежения в гермокамере 23 (не хуже 40 мм рт.ст.) За счет испарения пиломатериал остывает и сохнет При снижении температуры до уровня 45^oC процесс вакуумирования прекращается и вновь начинается разогрев высушиваемого пиломатериала. Далее процесс сушки осуществляется циклически и позволяет получить качественный пиломатериал с необходимым уровнем влажности порядка 8^oC10% (см. Кришер О. Научные основы техники сушки. М., 1961, с. 392).

Процесс сушки построен таким образом, что одновременно в одной гермокамере производится разогрев пиломатериала, а в другой - вакуумирование, что значительно повышает экономичность процесса.

В случае использования установки для термообработки металлов она эксплуатируется следующим образом: металлические полуфабрикаты или изделия размещают на силовом стеллаже 28, стеллаж закатывается в гермокамеру 23, после чего она герметизируется крышкой 33.

Выхлопные газы от газотурбинного двигателя 1 поступают в блок смешения 4, где обеспечивается необходимая для термообработки температура газовоздушной смеси в зависимости от типа металла (в пределах 100-700^oC) растворением выхлопных газов воздухом из атмосферы за счет коммуникации 7, и смесь поступает в коллектор 10, за счет заслонок 11 поток равномерно распределяется по высоте гермокамеры 23, после нагрева металла через выходной коллектор 26 и заслонку 27 газовоздушная смесь направляется на утилизацию.

При необходимости термообработки в вакууме внутренние полости силового стеллажа 28 герметично соединяют с внутренними каналами силового каркаса 25 металлорукавами (не показан) и горячая газовоздушная смесь проходит от коллектора 10 до коллектора 26 и далее на утилизацию. Силовые перегородки 30, в этом случае не имеют перфорации, а силовой стеллаж 28, в этом случае служит теплообменником, за счет него и происходит нагрев термообрабатываемых изделий. Одновременно продукты дегазации отсасывают из рабочего объема гермокамеры 23 эжекторами 12, т.е. рабочий объем вакуумируется до 20 мм рт.ст. и затем, в случае необходимости, высоковакуумными насосами (не показан) при обработке химически активных металлов внутрь рабочего пространства 23 напускают инертный газ (аргон).

В случае сушки в вакууме овощей и фруктов установка работает в последовательности, изложенной в предыдущем примере при заданной технологии, температуре и вакууме.