Способ переработки изношенных шин

 

Изобретение относится к технике утилизации полимерных материалов и позволяет при его использовании уменьшить энергозатраты и повысить производительность при переработке изношенных шин различных транспортных средств. Способ переработки изношенных шин включает деформацию изношенной шины путем приложения к ее бортовым кольцам через соответствующие захваты осевой растягивающей нагрузки, последовательную генерацию в жидкости волн сжатия. После приложения к захватам осевой растягивающей нагрузки изношенную шину охлаждают до температуры ниже температуры охрупчивания резины, из которой выполнена шина, приводят шину во вращение вокруг ее оси путем приложения к ней через те же захваты соответственно крутящих моментов М₁ и М₂. Погружают изношенную шину в радиальном направлении в некипящую жидкость на глубину (0,8-1,1)•(R₁-R), где R₁ и R соответственно наибольший и наименьший радиус шины в недеформированном состоянии. Генерируют в жидкости волны сжатия с амплитудой 0,3-0,9 МПа и длительностью 10^-3-10 мс, воздействующие на всю внешнюю поверхность погруженной в жидкость части шины. Температура жидкости Т_ж, температура шины Т_ш, и минимальная температура Т_L пленочного кипения жидкости удовлетворяют неравенству: где λ_ж,λ_ш - теплопроводность, ρ_ж,ρ_ш - плотность, С_ж, С_ш - теплоемкость, соответственно жидкости и материала шины. Способ обеспечивает высокую технологичность, уменьшает затраты энергии и имеет высокую производительность. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технике утилизации полимерных материалов) а более конкретно к переработке изношенных шин различных транспортных средств с металлическим кордом или без него для последующей раздельной утилизации резины и корда.

Из предшествующего уровня техники известен способ переработки изношенных шин (авторское свидетельство SU-A1-1194687, 1984), согласно которому изношенную шину охлаждают ниже температуры охрупчивания резины, из которой выполнена шина, нагревают металлический корд шины токами высокой частоты, а затем осуществляют дробление шины с помощью механических средств.

Недостаток известного способа заключается в том, что его осуществление связано с большими капитальными затратами (сооружение крупногабаритной установки индукционного нагрева) и энергетическими затратами на нагрев металлокорда. Кроме того, охлаждение шин осуществляют до температуры существенно ниже температуры начала охрупчивания резины, чтобы при последующем естественном нагревании шина не нагрелась до температуры начала охрупчивания резины раньше, чем ее начнут дробить.

Известен также способ переработки изношенных шин (патент RU-C1-2080261, 1997), включающий охлаждение изношенной шины до температуры охрупчивания резины, из которой выполнена шина, воздействие на всю внутреннюю поверхность шины сначала ударной, а затем детонационной волнами.

Недостаток известного способа заключается в том, что он не обеспечивает получение резиновой крошки заданного размера, а также полного отделения металлокорда от резины, поскольку последовательное воздействие на изношенную шину ударной и детонационной волн приводит к разрушению шины на фрагменты достаточно больших размеров, которые представляют без дополнительной переработки ограниченный утилизационный интерес.

В качестве прототипа взят способ переработки изношенных шин, описанный в патенте RU-C1-2135355, 1977, согласно которому помещают шину в жидкость и одновременно деформируют ее путем приложения к ее бортовым кольцам через соответствующие захваты осевой растягивающей нагрузки, последовательно воздействуют на внутреннюю поверхность шины ударными волнами, генерируемыми в жидкости сфокусированным лазерным излучением.

Недостатками известного способа являются: - большой расход энергии и низкий КПД в связи с низким КПД мощных лазеров; - низкая производительность, поскольку интервал между ударными волнами определяется временем восстановления оптической прозрачности жидкости.

В основу изобретения поставлена задача уменьшения затрат энергии и повышения производительности.

Поставленная задача решена тем, что в способе переработки изношенных шин, включающем деформацию изношенной шины путем приложения к ее бортовым кольцам через соответствующие захваты осевой растягивающей нагрузки, последовательную генерацию в жидкости волн сжатия, согласно изобретению после приложения к захватам осевой растягивающей нагрузки изношенную шину охлаждают до температуры ниже температуры охрупчивания резины, из которой выполнена шина, приводят шину во вращение вокруг ее оси путем приложения к ней через те же захваты соответственно крутящих моментов M₁ и M₂, погружают изношенную шину в радиальном направлении в некипящую жидкость на глубину (0,8 - 1,1) (R₁ - R), где R₁ и R, соответственно наибольший и наименьший радиус шины в недеформированном состоянии, после чего генерируют в жидкости волны сжатия с амплитудой 0,3 - 0,9 МПа и длительностью 10^-3 - 10 мсек, воздействующие на всю внешнюю поверхность погруженной в жидкость части шины, при этом температура жидкости T_ж, температура шины T_ш и минимальная температура T_L пленочного кипения жидкости удовлетворяют неравенству: где: λ_ж,λ_ш - теплопроводность, ρ_ж,ρ_ш - плотность, C_ж, C_ш - теплоемкость соответственно жидкости и материала шины.

Кроме того, временная зависимость крутящих моментов M₁ и M₂ имеет вид: M₁= M₀+ΔM•cos(ω₂t) M₂= M₀+ΔM•cos(ω₂t+π) ω₂≥ ω₁ где M₀ и Δ M соответственно постоянная составляющая и амплитуда переменной составляющей; ω₁ - угловая частота вращения изношенной шины; ω₂ - угловая частота изменения знака деформации кручения шины, t - время.

Преимущество предложенного способа заключается в том, что при его осуществлении обеспечиваются условия принципиально нового механизма гидродинамического дробления изношенных шин. Действительно, как следует из уровня техники, специалисты исходили из того, что в той или иной степени фрагментацию изношенной шины можно осуществить путем воздействия на всю шину или ее часть ударных волн, генерируемых с помощью внешнего источника и с амплитудой, превышающей прочностные характеристики материала шины. В результате для тонкой фрагментации изношенной шины необходимо было затрачивать значительную энергию.

При осуществлении же предложенного способа переработки изношенных шин погружение условно выделенного каждого участка (кольцевого сектора) изношенной шины в жидкость, температура кипения (T_к) которой ниже температуры материала (T_м) погружаемого участка шины, будет сопровождаться нагревом слоя жидкости вблизи поверхности контакта ее с материалом шины. Если температура поверхности контакта жидкость-шина (величину - T_р которой можно оценить, исходя из решения нестационарного уравнения теплопроводности для двух полуограниченных пространств:
где T_ж - температура жидкости; λ_ж,λ_ш - теплопроводность, ρ_ж,ρ_ш - плотность, C_ж, C_ш - теплоемкость соответственно жидкости и материала шины) превышает минимальную температуру пленочного кипения T_L (точку Лейденфроста), то происходит образование сплошной паровой пленки, изолирующей жидкость от рассматриваемого (выделенного условно) участка шины. В процесс вращения изношенной шины вокруг своей оси материал выделенного участка шины будет постепенно охлаждаться, что приведет к уменьшению величины теплового потока от него в жидкость, а следовательно, к снижению величины температуры T_р. Подбирая скорость вращения шины вокруг своей оси таким образом, чтобы температура T_р при выходе рассматриваемого участка шины из жидкости в находящийся над ней газ была заключена в пределах T_з < T_р <, где T_з - температура спонтанного зародышеобразования паровых пузырьков, получаем режим, при котором вблизи внешней поверхности погруженной в жидкость части изношенной шины реализуется режим пленочного кипения, постепенно переходящий (в направлении вращения шины) в режим спонтанного образования пузырьков пара в перегретом слое жидкости вблизи поверхности шины. При воздействии в этом случае на внешнюю поверхность погруженного в жидкость участка шины волны сжатия (акустической или ударной в зависимости от скорости ее распространения) с амплитудой 0,3 - 0,9 МПа (т.е. существенно меньшей, чем необходимо для фрагментации материала шин) и длительностью 10^-3 - 10 мсек, происходит индуцированное этой волной сжатия схлопывание паровых пузырьков с образованием мощных ударных волн, а также дестабилизация пленочного кипения, сопровождающаяся разрушением паровой пленки. Физически это происходит следующим образом. Под действием волны сжатия (импульса давления) граница раздела между жидкостью и паром ускоряется по направлению к шине. При этом происходит частичная конденсация пара. Уменьшение толщины пленки приводит к возрастанию давления пара, что при указанных выше параметрах волны составляет 3,0 - 8,0 МПа. При этом происходит замедление перемещения границы раздела жидкость-пар с последующим изменением направления ее движения на противоположное. На последней стадии расширения паровой пленки возникают волны неустойчивости Релея-Тейлора, развитие которых приводит к отрыву пузырьков пара и возникновению микроструй жидкости с температурой T_ж, "бьющих" о поверхность шины, имеющей существенно более высокую температуру. В результате практически мгновенного вскипания жидкости, взаимодействующей с поверхностью шины вследствие возникших микроструй, происходит образование пузырьков пара, объем которых быстро увеличивается. Коллапс этих пузырьков газа протекает несимметрично вблизи границы раздела жидкость-тина, что обеспечивает высокую эффективность гидродинамического воздействия на материал шины за счет создания мощных гидродинамических возмущений (кавитационной области) в непосредственной близости от поверхности шины, поскольку амплитуда излучаемого при схлопывании парового пузырька импульса давления быстро уменьшается с расстоянием (обратно пропорционально), а также за счет образования при этом кумулятивных микроструй жидкости.

Здесь необходимо отметить, что создание аналогичной кавитационной области потребовало бы, во-первых, целой системы ультразвуковых преобразователей, обеспечивающих не только фокусировку акустической энергии вблизи поверхности шины, но и перефокусировку в процессе разрушения шины. Кроме того, необходимо было затратить энергию на генерацию самих паровых пузырьков.

В предложенном способе за счет деформации шины путам приложения к ее бортовым кольцам через соответствующие захвати осевой растягивающей нагрузки обеспечивается не только создание больших внутренних напряжений в материале шины, но и оптимальные условия взаимодействия генерируемых с помощью внешнего источника волн сжатия со всеми паровыми образованиями (пленками и пузырьками), расположенными на всей внешней поверхности (как на протекторной части, так и на внешней поверхности бортовых колец) той части изношенной шины, которая погружена в жидкость. В результате, волны сжатия, как бы "раздавливают" паровые пузырьки на твердой поверхности (за счет захолаживания) изношенной шины.

В результате мощных гидродинамических возмущений в виде импульсов сжатия амплитудой более 10 МПа и микропотоков жидкости (струй), инициируемых волнами сжатия от внешнего источника, в материале изношенной шины, находящемся к тому же в сложно-напряженном состоянии, возникают трещины. Проникновение микроструй "холодной" жидкости в объем шины с существенно более высокой температурой приводит к образования паровых пузырей, объем которых быстро увеличивается за счет перегрева. В результате происходит рост трещин, а затем и фрагментация материала изношенной шины. На начальном этапе каждый отделившийся от изношенной шины фрагмент малых размеров окружен тонкой паровой пленкой. Затем начинается быстрый рост парового пузыря, окружающего фрагмент шины (поскольку все запасенное во фрагменте тепло идет только на нагрев пара), в завершении которого пузырь резко коллапсирует. Возникающий при этом импульс давления приводит к разрушению данного фрагмента на более мелкие, а также обеспечивает дестабилизацию пленочного кипения на расположенных вблизи более крупных фрагментах.

Описанный выше процесс фрагментации заканчивается, когда теплосодержание фрагментов недостаточно для образования вокруг них быстрорасширяющегося парового пузыря. Это обеспечивает довольно узкий диапазон фрагментации. После выхода рассматриваемого участка шины из жидкости температура его поверхности повышается за счет выравнивания температуры по объему вследствие существенно более низкой теплоотдачи в газовую среду, а также за счет теплопритоков через захваты. При последующем погружении выделенного участка изношенной шины в жидкость процесс ее разрушения протекает аналогично описанному выше. Таким образом, каждый участок изношенной шины подвергается циклическому разрушающему воздействию мощных гидродинамических возмущений, инициируемых в основном волнами сжатия от внешнего источника.

Дополнительное создание в материале разрушаемой шины деформаций сдвига и кручения позволяет не только эффективно расширять уже имеющиеся трещины, но и создавать новые, а следовательно, повысить не только эффективность процесса фрагментации материала шины, но и степень фрагментации.

Если в процессе фрагментации материала изношенной шины при погружении выделенного участка шины температура его поверхности будет ниже T_L, то поверхность шины перед ее контактом с жидкостью подогревают, например с помощью инфракрасного излучателя или какого-либо другого.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения ожидаемого технического результата указанной выше совокупностью существенных признаков.

На фиг. 1 схематично представлено устройство для осуществления предложенного способа (разрез); на фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1.

Устройство для осуществления способа переработки изношенных шин содержит теплоизолированную от окружающей среды рабочую камеру 1 с оптическим окном 2 и загрузочным люком (на чертеже не показан), а также размещенные внутри рабочей камеры 1 первый 3 и второй 4 захваты для приложения к разрушаемой шине 5 крутящих моментов M₁ и M₂ и растягивающей нагрузки P вдоль оси 6. Рабочая камера l частично заполнена некипящей жидкостью 7 с температурой кипения ниже температуры охрупчивания данного сорта резины шины 5. На дне рабочей камеры 1 установлен источник 8 волн сжатия (акустических или ударных), распространяющихся в направлении, перпендикулярном оси 6 и выполненный в виде, например, ультразвукового излучателя. В качестве источника 8 волн сжатия могут быть использованы также электрогидравлические излучатели, излучатели на основе взрывающихся проволочек и т.п. Снаружи рабочей камеры 1 установлен линейный излучатель 9 инфракрасного или видимого диапазона длин волн, который оптически сопряжен с внешней поверхностью разрушаемой шины 5, при этом ось линейного излучателя 9 параллельна оси 6.

Способ переработки изношенных шин осуществляется следующим образом. Предназначенная для переработки изношенная шина 5 фиксируется с помощью захватов 3 и 4 за бортовые кольца, после чего осуществляют ее деформацию путем приложения к захватам 3 и 4 растягивающей нагрузки Р. В ряде случаев целесообразно перед фиксацией шины 5 в бортовых кольцах выполнить 3-8 радиальных разрезов. После этого изношенную шину 5 охлаждают до температуры ниже температуры охрупчивания конкретного материала резины, из которого выполнена шина 5. Затем приводят шину 5 во вращение вокруг ее оси 6 и одновременно подвергают ее циклически изменяющейся по знаку деформации кручения путем приложения к ней через захваты 3 и 4 соответственно крутящих моментов ₁ и M₂, величина которых изменяется во времени t в соответствии с зависимостями:

ω₂≥ ω₁
где M₀ и Δ M соответственно постоянная составляющая и амплитуда переменной составляющей; ω₁ - угловая частота вращения изношенной шины; ω₂ - угловая частота изменения знака деформации кручения шины, t - время.

Погружают шину 5 в радиальном направлении в некипящую жидкость 7, например, сжиженный газ, на глубину (0,8 - 1,1) (R₁ - R), где R₁ и R соответственно наибольший и наименьший радиус шины 5 в недеформированном состоянии, после чего включают источник 8 волн сжатия с амплитудой 0,3 - 0,9 МПа и длительностью 10^-3 - 10 мсек. При этом температура жидкости (T_ж), температура шины 5 (T_ш) и минимальная температура пленочного кипения жидкости 7 (T_L) должны удовлетворять соотношению:

где λ_ж,λ_ш - теплопроводность, ρ_ж,ρ_ш - плотность, С_ж, С_ш - теплоемкость соответственно жидкости и материала шины.

Разрушение поверхностного слоя погруженной части шины 5 происходит за счет создания (как показано выше при анализе выделенного, элементарного участка кольцевого сектора длиной Δl - фиг. 2) мощных гидродинамических возмущений в виде импульсов сжатия с амплитудой более 10 МПа и микротоков жидкости 7, индуциируемых волнами сжатия, генерируемых источником 8 и распространяющихся в направлении, перпендикулярном оси 6 изношенной шины 5, обеспечивая при этом эффективное взаимодействие волн сжатия не только с протекторной частью изношенной шины 5, но и с ее обоими бортовыми кольцами.

В случае необходимости подогрева поверхности шины в процессе ее разрушения (фрагментации) используется излучатель 9, интенсивность которого можно регулировать, при этом спектральный состав излучателя 9 не должен перекрывать спектральную область поглощения газа, заполняющего свободное от жидкости 7 пространство рабочей камеры 1.

Предложенный способ переработки изношенных шин может быть использован как на специализированных предприятиях переработки отходов, так и на крупных транспортных предприятиях поскольку не требует больших капитальных и энергетических затрат и обеспечивает высокую экологичность.

Формула изобретения

1. Способ переработки изношенных шин, включающий деформацию изношенной шины путем приложения к ее бортовым кольцам через соответствующие захваты осевой растягивающей нагрузки, последовательную генерацию в жидкости волн сжатия, отличающийся тем, что после приложения к захватам осевой растягивающей нагрузки изношенную шину охлаждают до температуры ниже температуры охрупчивания резины, из которой выполнена шина, приводят шину во вращение вокруг ее оси путем приложения к ней через те же захваты соответственно крутящих моментов М₁ и М₂, погружают изношенную шину в радиальном направлении в некипящую жидкость на глубину (0,8-1,1) • (R₁-R), где R₁ и R, соответственно наибольший и наименьший радиус шины в недеформированном состоянии, после чего генерируют в жидкости волны сжатия с амплитудой 0,3-0,9 МПа и длительностью 10^-3-10 мс, воздействующие на всю внешнюю поверхность погруженной в жидкость части шины, при этом температура жидкости Т_ж, температура шины Т_ш и минимальная температура Т_L пленочного кипения жидкости удовлетворяют неравенству

где λ_ж, λ_ш - теплопроводность;
ρ_ж, ρ_ш - плотность;
С_ж, С_ш - теплоемкость, соответственно жидкости и материала шины.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что временная зависимость крутящих моментов М₁ и М₂ имеет вид
M₁= M₀+ΔM•cos(ω₂t),
M₂= M₀+ΔM•cos(ω₂t+π),
ω₂≥ ω₁,
где М₀ и ΔM соответственно постоянная составляющая и амплитуда переменной составляющей;
ω₁ - угловая частота вращения изношенной шины;
ω₂ - угловая частота изменения знака деформации кручения шины;
t - время.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2