Особенности применения ик-систем в камерах полимеризации

Камеры, или печи полимеризации – это основные звенья любой покрасочной линии. Поэтому поиск новых методов и средств термообработки, направленных на совершенствование процесса полимеризации порошковых красок — актуальная задача при создании современного экономичного покрасочного оборудования. По физической сути, нагревание любого тела происходит за счет механизма теплообмена.

В чем суть

А вот «канал» передачи энергии может быть разный: непосредственный теплообмен, конвективный, либо лучистый. Каждый, из указанных способов реализуется в оборудовании очень широкого применения. В последнее время, в связи с серьезным подорожанием энергоносителей, все чаще и чаще производители термооборудования стали искать пути эффективного использования особенностей инфракрасного излучения при подаче лучистой энергии. Однако, для широкого промышленного внедрения ИК — техники имеются серьезные препятствия.

С одной стороны – это трудности роста, а с другой — отсутствие специализированных научно — конструкторских подразделений целенаправленно работающих в этом направлении. Создание новых современных ИК — установок требует как аналитического, так и экспериментального углубленного изучения процессов переноса энергии в поглощающих средах, а также процессов теплообмена излучением, протекающих в рабочих камерах.

Знание этих закономерностей, а также сокращение сроков перехода от экспериментальных моделей к промышленным установкам и разработка надежных инженерных методов расчета, учитывающих специфику процессов и кинетику их протекания, позволит научно обоснованно решить вопрос внедрения теплотехнологий с применением ИК — энергоподвода.Понятно, что этот вопрос актуален и в лакокрасочном производстве, где современные технологии требуют более совершенных методов термообработки, как жидких, так и порошковых покрытий.

Немного истории

Впервые широкое применение инфракрасные лучи, для целей сушки и запекания лакокрасочных покрытий, получили в 1934г. на заводах Форда. Считается, что с этого времени были заложены основы процесса сушки посредством выделенного спектрального диапазона ИК — излучения.В отличие от жидких красок, где выполняется «сушка», т.е. удаление влаги, находящейся в различных связях с высушиваемым материалом, и «нагрев» поверхности для выполнения процесса отверждения, при порошковой покраске цель нагрева состоит только в термоактивировании физико — химических процессов, перечисленных в начале статьи. Поэтому, при использовании ИК — нагрева, в первую очередь необходимо определить перечень и последовательность решаемых технологических задач.

Физическая сущность ИК — нагрева объясняется корпускулярно — волновой природой электромагнитного поля и связана с интенсификацией процессов, вследствие резонансного воздействия поглощаемой энергии на связи атомов в молекулах, частоты колебаний которых совпадают, или кратны частоте падающего излучения. Энергия отдельных химических связей соизмерима с энергией фотонов ИК- излучения. Так при λ ≤ 1мкм энергия фотона

E = hv ≤ 2 * 10 ^-19Дж,а энергия химических связей основных групп полимеров С-С и О-Н составляют

2 * 10^-19Дж и (0,32 — 0,46) * 10^-19Джсоответственно. Поэтому ИК — излучение, вызывая повышение уровня собственных колебаний определенных групп атомов в молекуле, что означает превращение энергии излучения в тепловую, способствует ускорению технологического процесса. Этот наиболее сложный вопрос находиться еще в стадии изучения, так как облучение предметов ИК-лучами нельзя рассматривать только как метод интенсивной термической обработки, это еще и процесс более глубокого воздействия на физико-химическую природу материала.

Эффективность ИК — нагрева определяется оптимизацией соотношения энергии отраженной, поглощенной и прошедшей сквозь образец. Указанные характеристики зависят от диапазона длин волн, типа и физических свойств, как полимера так и подложки. Известно /1,2,3/, что для большинства покрытий материалов 85% лучистой энергии в спектре излучения проникают в вещество на глубину до 30 – 50 мкм. При этом воздушная среда практически не влияет на пропускание лучистого потока. Вот в этом и состоит основное, принципиальное отличие в механизмах ИК и конвективного нагревов при формировании полимерного покрытия. Это разные направления температурного градиента.

При конвективном нагреве направление градиента от поверхности покрытия к подложке, при ИК наоборот, т.е. покрытие частично нагревается за счет тепла, отдаваемого подложкой. Как показывает анализ литературных данных /4,5/, а так же наши тесты, такой механизм существенно влияет на качество формируемого порошкового покрытия, в первую очередь, повышая его адгезионную прочность.

При разработке своего оборудования, первая задача, с которой мы столкнулись: это учесть вышеперечисленные особенности ИК — нагрева при выборе оптимального спектрального диапазона и, как следствие, типа излучателя, генерирующего длины волн в выбранной части спектра. При этом немаловажным критерием являлись экономические и эксплуатационные характеристики разрабатываемого оборудования.В отличие от стандартных конвекционных систем, строгое математическое моделирование процесса нагрева в ИК — печах архисложная задача.

Аналитическое описание кинетики нагрева изделий ИК — излучением – это нахождение связей между плотностью мощности, предельно допустимой температурой и предельно допустимой скоростью нагрева (очень важная характеристика в процессах полимеризации). В данной ситуации методологической основой модели может быть дифференциальное уравнение энергетического баланса, при помощи которого можно установить правила соответствия, связывающие взаимодействие системы «излучатель — изделие», и то только для некоторых частных случаев при серьезных допущениях и приближениях, часто снижающих практическую ценность решений. Более того, существенным недостатком приближенных расчетов является полное отсутствие аналитической связи между функциями температур и эффективных потоков с оптическими свойствами и с параметрами взаимного расположения элементов конструкции системы.

При этом, как постоянные так и варьируемые параметры которые необходимо учитывать:

мощность источников;
длина волны излучения;
спектральные терморадиационные характеристики порошковых полимерных красок;
отражающие характеристики обшивки;
конфигурация отражателей;
время воздействия;
степень черноты изделия;
расстояние от источников до изделия;
соотношение открытой площади к массе изделия;
удельная теплопроводность изделий;
движение воздуха в печи и др.

Поэтому при проектировании ИК — систем разработчики, в основном, опираются на результаты математического моделирования, которые подтверждены экспериментальной апробацией.Теоретический анализ и проведенные физические эксперименты с различными комбинациями излучателей и образцами порошковых красок подтвердили, что наилучшие результаты достигаются при использовании NIR — излучения с длиной волны в четко заданном диапазоне 0,78 – 2,00 мкм. В этом диапазоне работают ламповые галогенные инфракрасные излучатели типа КГ, у которых температура тела накала ниже, чем у обычных осветительных, и, соответственно, доля потока, испускаемого в ИК — области намного больше, чем в видимой. Кроме того указанные источники позволяют создать высокую энергетическую освещенность объектов облучения, имеют большой срок службы при стабильности лучистого потока, очень малую термическую инерцию, простоту устройства цоколей, выгодную линейную форму, высокий КПД, механическую прочность и стойкость по отношению к воздействию воды, агрессивных сред и т.д.

В качестве примера на рисунке приведены графики спектрального распределения энергии излучения лампы типа КГ-220-2000-4 в зависимости от подаваемого напряжения. Измерения проводились (по нашей просьбе) в лаборатории № 373 ОАО «Лисма-ВНИИИС» им.А.Н.Ладыгина (протоколы замеров № С1Л – 2445, 2447, 2449).Наш выбор остановился на использовании кварцевых галогенных излучателей, у которых рабочая цветовая температура Т = 2400˚К.На современном этапе развития технологии изготовления ИК — генераторов, совпадение требуемых характеристик с характеристиками серийно выпускаемых излучателей, при работе их в номинальном режиме, явление скорее случайное, чем закономерное. В этом случае наиболее рациональным, технически доступным и экономически целесообразным методом термообработки, при максимальном значении критерия количественной и качественной оценки эффективности, является осциллирующий режим ИК — энергоподвода с релаксацией теплового потока. При этом для его практической реализации необходимо выявить причинные и функциональные взаимосвязи электротехнологических и временных показателей ИК-облучения на показатели покрасочного слоя. В порядке пробного опыта, была сформулирована, и, в первом приближении, решена задача, описывающая кинетику импульсного подвода ИК-излучения к слою порошковой краски.

Теоретически обоснована целесообразность применения режима пространственно — временной осцилляции. Получены формулы эффективной скважности периода работы излучателей.Для практической реализацииразличных режимов термообработки, была разработана и реализована гибкая информационно — измерительная и управляющая система автоматического регулирования импульсного ИК — энергоподвода по зонам, которая позволяет поддерживать максимальную и минимальную температуру материала. При этом учитывая малую инерционность применяемых ИК — генераторов, а также совершенство способа генерации тепла в разрабатываемых ИК — установках появилась возможность применения компьютерных технологий, позволяющих обеспечивать автоматическое программное регулирование теплового режима в рабочей камере в соответствии с заданной кинетикой подвода тепла к нагреваемому образцу или слою. Это позволило экспериментально подтвердить, теоретически выдвинутую, гипотезу о закономерности управления импульсно — прерывным ИК -энергоподводом в процессе запекания порошковых красок.Правильность выбора идей и технических решений, заложенных в конструкциях наших ИК-печей и систем управлений излучателями подтвердило время, интерес потребителей к нашим разработкам и расширение области их применения.Вкачестве примера, на рисунке приведены динамические термохарактеристики ИК — печи полимеризации. Габариты печи (7,3 * 2,2 * 2,2м), максимальная мощность 66кВт. Загрузка печи: 56 (7связок по 8 изделий) профильных труб (60 * 80 * 3мм, L = 4м) общим весом около 1500кг. Восемь термодатчиков были установлены на изделиях равномерно по всему объему загруженной печи.

Уместно отметить, что в литературе, в качестве основного недостатка ИК — систем, часто упоминается их прямое, направленного действия излучение, что, как часто утверждают, делает их непригодными для получения покрытий на изделиях сложной формы. Наши исследования и разработки опровергают бытующее мнение.Во-первых: ИК-нагрев неразрывно связан с конвективным, за счет передачи тепла от нагреваемых изделий;Во-вторых: мы используем внутри камер (по всей площади) отражатели, со специально обработанной поверхностью, создающей «резонатор» в котором, за счет многократного отражения, создается равномерный поток диффузного облучения;В-третьих: коротковолновые излучатели из — за высокой плотности излучаемой энергии, способны прогревать недоступные части изделий;В-четвертых: в режиме термостабилизации, за счет снижения номинального напряжения на излучатели, увеличивается длина волн излучения, что приводит к образованию дополнительной конвективной составляющей;И последнее: при использовании ИК-излучения, за счет зонального включения источников, а так же направленного воздействия лучей, обеспечивается максимальная равномерность передачи энергии объему сложной формы.Считаем необходимым затронуть еще один вопрос, с которым мы часто сталкиваемся: о вредном влиянии на здоровье персонала, работающего на оборудовании с ИК-излучателями. Оно абсолютно безвредно. Мало того, за последнее время исследования, проведенные медицинскими лабораториями Японии, Китая, США доказали лечебные факторы ИК-прогрева. Пример тому — широкое распространение ИК-саун.

В заключении, подведем итоги и обобщим основные особенности, а также выраженные преимущества использования в печах полимеризации коротковолновых ИК-излучателей:

Снижение затрат, путем сокращения времени отверждения при одновременном повышении качества покрытия.
Возможность создавать плотности тепловых потоков на поверхности изделий в десятки раз больше, по сравнению с традиционными способами нагрева.
Высокий КПД устройств, за счет исключения влияния на процесс нагрева промежуточной среды между источником и объектом.
Возможность создавать в оборудовании зоны нагрева с различными температурами.
Широкий диапазон управления, за счет гибкого регулирования мощностью излучателей.
Безинерционность коротковолновых излучателей обеспечивает высокую точность и чувствительность режима термостабилизации.
Простота конструктивных решений намного уменьшает занимаемые оборудованием площади по сравнению с конвективными печами.
Возможность создания установок с различной формой и размерами рабочих камер в зависимости от производительности и ассортимента окрашиваемых изделий.
Легко реализуется модульная схема конструкций с автономной, либо с комбинированной системой управления.
Расширение спектра функциональных возможностей (сушка при покраске жидкими красками стекла и ПВХ-профилей).
Широкий диапазон температур ИК-печи позволяет производить нагрев изделий до 250-300 °С.

В конце небольшая ремарка. Исходя из приведенного краткого анализа особенностей применения ИК — энергоподвода в технологических линиях порошковой покраски, понятно, что создание термодинамически наиболее эффективной конструкции ИК — установки требует глубокого изучения и понимания, как процесса формирования окрасочного слоя, так и теплотехнических и эксплуатационных характеристик, как ИК — генераторов, так и в целом всей системы. Правильно рассчитанная и сконструированная ИК — установка является довольно сложным инженерным сооружением, конструктивная разработка которого может быть осуществлена только на базе предварительного научно обоснованного выбора источников излучения, их количества, режимов работы, расположения в рабочей камере и т. д.В последнее время на украинском рынке оборудования появились новоиспеченные производители ИК — печей полимеризации, у которых на фоне декларируемых преимуществ своего оборудования на первом плане бизнес задачи, а не продвижение прогрессивных ИК — технологий.

Еще раз хотим подчеркнуть, что разработка и конструирование термооборудования с ИК — энергоподводом требует не только специальных знаний, но и достаточно высокого общеобразовательного уровня. Поэтому при выборе оборудования не стоит полностью доверяться рекламным обещаниям и низким ценам. Важно обратить внимание на известность производителя, его специализацию, убедиться, что разработчик не просто копирует чьи — то разработки, а самостоятельно владеет методологическими подходами к решению поставленной задачи и, хотя бы, основами инженерно-конструкторских расчетов ИК — систем. Каждый, уважающий себя, производитель с удовольствием предоставит Вам вместе с предложением и список референции, где будет указано поставленное ранее оборудование.

Выражаем огромную благодарность компании БЕЛМАР за предоставленную информацию