Способ нагрева сушильного барабана, например, шлихтовальной машины изнутри линейными излучателями инфракрасного излучения ограниченной длины

Способ нагрева сушильного барабана, например, шлихтовальной машины изнутри линейными излучателями инфракрасного излучения ограниченной длины

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к технологии сушки длинномерных материалов: влажного текстильного полотна, ткацкого навоя после шлихтовки, бумаги; ткани, а также для нагрева пленочных материалов, касающихся или охватывающих вращающиеся цилиндрические поверхности, и для сушки текстильных изделий.

1. Уровень техники.

Известны способы нагрева сушильных барабанов путем непрерывной подачи в их внутреннюю полость перегретого пара с одновременным сливом конденсата [1, 2, 3, 4]. Недостатками данных способов являются сложность получения и транспортировки пара, сложность системы отвода и утилизации конденсата, необходимость использования большого количества воды, пригодной для питья, и ее обработки.

Известны способы нагрева сушильных барабанов путем использования в качестве теплоносителей продуктов сгорания различных природных газов, в том числе сжигая газовые смеси внутри барабана [5, 6, 7, 8, 9, 10].

По сравнению с паровым нагревом продукты сгорания газообразного топлива позволяют обеспечить более высокую температуру нагрева барабана. Недостатками этих способов являются пожароопасность, сложность коммуникаций подвода горючих газов или горячих смесей после горения, вредность для окружающей среды как самих продуктов сгорания, так и конденсата. Кроме этого для горения необходимы большой расход воздуха и сложная конструкция сопел и насадок внутри барабанов.

Известен способ нагрева сушильных барабанов встроенным вращающимся трансформатором [11]. Трансформатор длиной, равной длине барабана, например трехфазный, размещают внутри барабана. При этом активной нагрузкой трансформатора служат обечайки с торцов барабана. Трансформатор, нагреваясь, нагревает цилиндрическую оболочку барабана.

Недостатками данного способа являются низкий КПД и большой расход электроэнергии; необходимость сложной и громоздкой электроизоляции всех деталей барабана; высокая сложность конструкции, ее монтажа и сборки, большая материалоемкость.

Известны способы нагрева сушильных барабанов изнутри токами высокой частоты, размещая внутри барабана на неподвижной оси цилиндрические цельные или составные индукторы с зазором относительно внутренней стенки барабана [12, 13, 14, 15]. Наиболее существенными недостатками этих способов являются: высокая сложность реализации, требующая генераторов высокой частоты, защитных экранов и т.д.; низкий КПД; невозможность использования для изготовления барабана легких цветных металлов или пластмасс, в которых не наводятся вихревые токи; высокая энергоемкость нагрева и невозможность регулировки температуры.

Известен способ контактного электрического нагрева цилиндрической стенки изнутри [16, 17]. В данном способе парой электродов нагревают сыпучий электропроводный порошок, размещенный между ними, который, в свою очередь, посредством контакта с оболочкой барабана нагревает ее. Реализация данного способа наиболее проста. К числу недостатков следует отнести высокую энергоемкость. Это связано с тем, что порошок ссыпается вниз и может располагаться только в нижней части барабана, а тепло стенки барабана должно быть доставлено в зону контакта высушиваемого материала с цилиндрической стенкой барабана. Обдуваемая воздухом снаружи цилиндрическая стенка непрерывно охлаждается, поэтому порошок будет раскален и совсем не в зоне сушки полотна.

2. Наиболее близким техническим решением (прототипом) из найденных в ходе патентно-информационных исследований способов нагрева является способ нагрева сушильного барабана посредством линейного нагревателя ограниченной длины, свободно подвешенного на неподвижной оси, внутри барабана, параллельно образующей его цилиндрической поверхности [18]. Часть внутренней полости барабана заполнена теплопроводной жидкостью (водой), контактирующей с линейным нагревателем, а нагреватель через полую неподвижную ось соединен с электрической сетью.

При подаче электроэнергии нагреватель нагревает воду, а вода нагревает цилиндрическую оболочку барабана в области их контакта.

Преимуществом прототипа по сравнению с аналогами является простота реализации способа и его функционирования.

3. Причины, препятствующие получению технических результатов.

3.1. Невозможность обеспечить достаточный нагрев цилиндрической стенки барабана. Это обусловлено тем, что электрическая энергия через нагрев линейного нагревателя и за счет его контакта с водой нагревает воду. При кипении температура воды не может превысить 100-105°С, тогда как требуемая температура цилиндрической стенки снаружи должна достигать 120-140°С в области контакта с высушиваемым материалом, например на шлифовальной машине [1, 2] [1, 2].

При кипении пар поднимающийся из воды, соприкасаясь с внутренней цилиндрической, вращающейся поверхностью барабана, конденсируется и стекает вниз, охлаждая воду. Вращающаяся цилиндрическая оболочка барабана интенсивно охлаждается снаружи воздухом, а в зоне контакта ее с высушиваемым материалом охлаждается материалом. Охлаждение воды в зоне ее контакта с линейным нагревателем посредством конденсата происходит циклически: вода закипает → пар оседает на внутренние стенки → собирается в капли → конденсат стекает → вода охлаждается, перестает кипеть → вновь закипает и т.д.

Неравномерность нагрева стенки барабана очевидна. Кроме того, испаряющаяся вода не может нагреть постоянно охлаждающуюся оболочку цилиндра даже до 80°С.

3.2. Недостаточные функциональные возможности способа.

Этот недостаток обусловлен тем, что наибольший нагрев барабана обеспечивается только в его ограниченной нижней части, тогда как высушиваемый материал на шлифовальной машине охватывает цилиндрическую поверхность по дуге до 180° и сверху, и снизу, и с боков [1, 2].

3.3. Специфические требования к материалу конструкции барабана. Из-за постоянного контакта с горячей водой и испарениями это должны быть антикоррозионные сплавы. Это делает реализацию способа еще и дорогостоящей.

Таким образом, способ, заявленный в прототипе, функционально неработоспособен.

Тем не менее линейный электронагреватель, например в виде прямого ТЭНа, по своей физической сущности является хорошим линейным источником инфракрасного (теплового) излучения. ТЭНы хорошо известны и используются в основном для нагрева посредством контакта с жидкой или твердой средой.

Главным недостатком линейных инфракрасных излучателей (например, ТЭНов) является равномерное рассеяние энергии излучения во все стороны от его оси.

4. Признаки прототипа, совпадающие с заявляемым техническим решением.

Линейный инфракрасный излучатель размещен внутри барабана, параллельно образующей цилиндрической оболочки, прикреплен к неподвижной полой оси, через которую электрически соединен с источником электроэнергии.

5. Задачей предлагаемого изобретения является получение следующих технических результатов.

5.1. Максимальный нагрев цилиндрической стенки барабана в зоне ее контакта с высушиваемым материалом и облегчение регулировок.

5.2. Снижение энергоемкости и увеличение КПД использования электроэнергии.

5.3. Расширение функциональных возможностей.

6. Эти технические результаты в заявляемом способе нагрева сушильного барабана, например, шлифовальной машины изнутри линейными излучателями инфракрасного излучения ограниченной длины, в котором эти излучатели располагают внутри барабана, с зазором относительно его внутренней поверхности, параллельно его образующей и прикрепляют их к неподвижной полой оси, через полость которой их электрически соединяют с источником электрической энергии, достигаются тем, что излучатели прикрепляют к оси жестко, размещая их так, что один из них располагают под линией контакта высушиваемого материала с цилиндрическим корпусом барабана, второй располагают под серединой дуги контакта корпуса с материалом, а третий располагают посередине между первым и вторым на противоположной относительно оси стороне внутренней полости, совмещая его функции нагревателя с функцией противовеса первым двум так, что общий центр тяжести трех излучателей приближают к геометрической оси барабана. Излучатели размещают в фокусе каждого своего вогнутого отражателя, каждый из которых соединяют с излучателями жестко, размещая их с зазором относительно внутренней цилиндрической поверхности, направляя на нее отраженный поток излучения.

Внутреннюю цилиндрическую поверхность делают черной, а полую ось закрепляют с возможностью угловых перемещений и последующей фиксации, соединяя излучатели с электрической сетью как параллельные электрические сопротивления через регулятор напряжения.

7. Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схематично часть секции сушильной машины, аналогичной шлихтовальной ШБ 11/180-К-3М-2 1992 г. выпуска; на фиг.2 схематично показан продольный разрез сушильного барабана; на фиг.3 схематично показан поперечный разрез барабана; на фиг.4 функциональная схема нагрева цилиндрической оболочки (стенки) барабана линейным инфракрасным излучателем ограниченной длины; на фиг.5 показана схема последовательного подключения излучателей к электрической сети; на фиг.6 показана схема параллельного подключения излучателей к электрической сети;

Схемы конструкции, поясняющие реализацию способа, включают в себя секцию (фиг.1) сушильных барабанов 1, 2 (на шлифовальной машине их одиннадцать), установленных на осях 3 в неподвижных опорах 4 с возможностью вращения. Для вращения барабаны снабжены кинематической передачей, например звездочки 5 и цепь 6, которая аналогично кинематически соединена с электродвигателем привода (на чертежах не показаны). Наружная поверхность барабанов 1 и 2 взаимодействует с охватывающим их высушиваемым длинномерным материалом 7, например с ткацким навоем на шлифовальной машине. Барабаны 1 и 2 идентичны. Их отличия заключаются в том, что барабан 1 охватывается материалом 7 сверху, а барабан 2 - снизу.

Сушильный барабан 1, 2 включает в себя цилиндрический корпус 8 (фиг.2), к торцам которого слева и справа неподвижно, например болтами или винтами 9 (показано условно), присоединены плоские крышки 10 с цапфами 11. Этими цилиндрическими цапфами 11 посредством подшипников 12 барабан 1, (2), (8, 9, 10, 11) установлен в неподвижных опорах 4 корпуса машины (на чертежах не показан). Левая цапфа 11 снабжена звездочкой 5, взаимодействующей с кинематической передачей 6 (фиг.1). Цапфы 11 выполнены со сквозными осевыми отверстиями (на чертежах не обозначены). В эти отверстия посредством подшипников 13 внутри барабана 1 (2) соосно ему, с возможностью поворота в подшипниках 13 установлена полая ось 14, например труба круглого сечения. Конец оси 14, противоположный звездочке 15, выполнен длиннее цапфы 11, и его выступающая снаружи цапфы 11 часть зажата неподвижно, например, винтом 15 в неподвижном кронштейне 16. К полой оси 14 внутри барабанов 1, 2, вдоль ее образующих, тремя рядами, по две в одном ряду, радиально и жестко прикреплены (например, приварены) полые трубки 17. Трубки 17 соединены с осью 14, образуя осевой зазор с крышками 10, а к противоположным от оси 14 концам трубок 17 неподвижно присоединены концами (например, приклеены) вдоль образующей цилиндрического корпуса 8 (параллельно оси 14) и с зазором относительно корпуса 8 линейные излучатели инфракрасного излучения 18. К трубкам 17 между излучателями 18 и осью 14 в одном ряду концами неподвижно присоединены вогнутые отражатели 19 (например, припаяны) так, что параллельные им излучатели 18 (например, трубчатые прямые ТЭНы) расположены в фокальной оси F отражателей 19 (фиг.3, 4). Ряды трубок 17 закреплены на оси 14 так, что угол между первой парой 17А (между первым рядом 17А) трубок 17 и второй парой 17Б (фиг.3) составляет 90°, а между второй парой 17Б и третьей парой 17В - этот угол равен 135°. Электрическими проводами 20 (фиг.2) концы излучателей 18 через внутреннюю полость трубок 17 (17А, 17Б, 17В) и внутреннюю полость оси 14 подключены к регулятору напряжения (мощности) 21 (например, ЛАТР), который, в свою очередь, подключен к электрической сети ˜U.

Вогнутые отражатели 19 установлены с зазором между их краями и цилиндрическим корпусом 8, отражающей поверхностью в направлении внутренней поверхности корпуса 8, а их профиль сечения выполнен параболическим или полукруглым (фиг.4) с центром окружности 0 и радиусом R. Фокальная ось F круглых отражателей 19 расположена на расстоянии 1/2R от центра 0, а плоскость, проходящая через точки 0 и F, делит поперечное сечение отражателей 19 пополам.

Излучатели 18 проводкой 20 подключены к электрической сети ˜U параллельно (фиг.6) или последовательно (фиг.5).

На схемах и чертежах также обозначено: ЛК (фиг.1, 3) - линия касания материалом 7 наружной поверхности барабанов 1, 2 (корпусов 8). Эта линия ЛК вдоль образующей цилиндров 8 является началом (по ходу движения материала 7) дуги охвата (180°) материалом 7 корпуса 8. ← ω (фиг.1, 3) - направление угловой скорости вращения барабанов 1, 2.

Внутренняя поверхность цилиндрического корпуса 8 сделана черной 22 (фиг.4), например покрашена черной краской.

8. Реализация заявляемого способа нагрева сушильного барабана осуществляется следующим образом.

Регулятор напряжения 21 подключают к электрической цепи ˜U и устанавливают половинную электрическую мощность, подаваемую по проводке 20 к линейным инфракрасным излучателем ограниченной длины 18. Барабаны 1 и 2 шлихтовальной машины заправляют с длинномерным высушиваемым материалом 7 (фиг.). При этом излучатели 18, излучая тепло на внутреннюю цилиндрическую поверхность посредством ее направленного отражения отражателями 19, нагреты в полнакала. Ослабив винт 15, ось 14 (фиг.2) поворачивают так, что один ряд трубок (17)-17Б вместе с излучателем 18 и отражателем 19 расположен под линией касания ЛК барабана 1 (2) с материалом 7; второй ряд трубок (17)-17А с излучателем 18 и отражателем 19 размещается под серединой дуг охвата барабана 1 (2) материалом 7, а третий ряд трубок (17)-17В размещен посередине между рядами 17А и 17Б с противоположной относительно них стороны от оси 14 (фиг.3).

Поскольку на большинстве моделей шлихтовальных машин угол охвата составляет 180°, для охвата дуги 180° угол между рядами 17А и 17Б устанавливают 90°, тогда как угол между рядами 17А и 17В, а также между 17Б и 17В одинаков - 135°. Трубки 17 заранее жестко соединены с осью 14, поэтому установку нагревателей 18 осуществляют один раз, после чего закрепляют ось 14 винтом 15, устанавливают регулятором 21 полный накал для излучателя 18, одновременно включая привод машины (на чертежах не показан). Излучатели 18 посредством отражателей 19 нагревают цилиндрический корпус 8 барабанов 1, 2, а передача 5, 6 вращает барабаны 1, 2, перемещая материал 7 по цилиндрическим, охватываемым и нагретым поверхностям этих барабанов. В процессе контакта влажного материала 7 с разогретой стенкой 8 барабанов 1 и 2 часть влаги из материала испаряется и, переходя с поверхности 7 одного барабана (например, 1) на другой (например, 2), материал 7 постепенно высушивается. Это является основным назначением шлихтовальной машины и сушильных барабанов.

Расположенный под линией ЛК излучатель 18 отражателем 19 всю тепловую энергию излучает в зоне контакта ЛК, разогревая стенку 8, перемещающуюся вместе с материалом 7 к ряду трубок 17А. По мере продвижения корпуса 8 с материалом 7 от ряда 17Б к ряду 17А тепло корпуса 8 отдается материалу 7, часть влаги испаряется, а стенка корпуса 8 остывает. Ряд 17А с излучателем 18 отражателем 18 дополнительно разогревают стенку 8 в середине дуги охвата корпуса 8 материалом 7. Дополнительный нагрев стенки (материала) в середине дуги увеличивает влагоиспарение.

Таким образом, размещение одного излучателя под линией контакта ЛК, а другого посередине дуги охвата, упомянутой выше, позволяет максимально нагреть стенку барабана непосредственно по поверхности касания ее с материалом. Однако такое размещение рядов 17А и 17Б создает неуравновешенную их общую массу, неудобства угловых поворотов оси 14 и увеличение силы зажима винта 15 (фиг.2).

Кроме этого после выхода вращающегося корпуса 8 из контакта с материалом 7 он охлаждается окружающим его воздухом на дуге около 180° (фиг.3).

Третий излучатель 18 с отражателем 19 с трубками 17В создает дополнительный нагрев стенки 8 барабана 1 (2).

Воздушное охлаждение стенки 8 значительно слабее, чем в контакте с материалом 7, поэтому из области ряда 17В в область ряда 17Б (ЛК) корпус 8 поступает разогретым. Дополнительный нагрев корпуса в области ЛК создает в ней максимальную (относительно других областей нагрева) температуру нагрева, что крайне необходимо при контакте корпуса с холодным влажным материалом.

Третий ряд 17В с нагревателем 18 и отражателем 19 кроме промежуточного и крайне необходимого подогрева стенки 8 барабана 1 (2), компенсирующего охлаждение обдуваемым воздухом, выполняет важную роль противовеса. На самом деле масса ряда трубок 17В с отражателем и нагревателем уравновешивает массу рядов 17А и 17Б (с излучателями и отражателями) относительно оси 14. Это облегчает поворот оси 14 (например, вручную) и установку заданного положения излучателей внутри барабана 1 (2). При этом для зажима оси 14 не требуется большого усилия и достаточно одного винта 15.

Таким образом, достигается первый технический результат в поставленной задаче предлагаемого изобретения: максимальный нагрев цилиндрической стенки барабана в области ее контакта с высушиваемым барабаном за счет размещения одного излучателя инфракрасного излучения под линией контакта барабана с материалом в начале контакта, а второго излучателя посередине дуги их контакта. При этом необходимую максимальную температуру барабана под линией касания ЛК обеспечивают, размещая третий излучатель между первыми двумя посередине на противоположной стороне относительно оси.

Такое размещение третьего излучателя позволяет совместить его функцию нагрева с функцией балансира, тем самым уравновесить массы первых двух и облегчить регулировки излучателей при их расположении внутри сушильных барабанов.

В случаях, когда дуга охвата материалом барабана составляет, например, 120°, то угол между рядами трубка-нагреватель в области этой дуги составляет 60°, а между промежуточным (уравновешивающим) и основным - 150°.

Конструктивно, элементы нагревателя (ось 14, трубки 17, излучатель 18 и отражатель 19) идентичны для всех барабанов конкретной сушильной машины, например шлихтовальной.

Расположение излучателей инфракрасного излучения 18 в фокусе F вогнутых, например, по окружности с радиусом R позволяет все тепловое излучение направить в область нагрева, причем направить параллельным пучком [19]. Черная поверхность 22 внутренней поверхности цилиндра 8 (фиг.4) поглощает более 90% тепловой излучаемой энергии излучения и интенсивно диффундирует тепло к наружной поверхности барабана, а масса движущейся стенки 8 является аккумулятором и проводником тепла. Установка отражателей 19 с зазором относительно вращающейся поверхности 22 (фиг.4) позволяет сжимать отбрасываемый к этой поверхности воздух, уплотнять его в зазорах и более интенсивно нагревать воздух возле стенки 22 в области расположения излучателей.

По ходу вращения барабанов нагретый воздух сопровождает поверхность 22, уменьшая скорость ее охлаждения. Этот слой нагретого воздуха, контактирующего с поверхностью 22, является также дополнительным источником подогрева стенки барабана изнутри.

Излучатели инфракрасного излучения 18 могут быть подключены к электрической сети ˜U последовательно (фиг.5) или параллельно (фиг.6). Однако электрическая мощность Р, потребляемая излучателями в этих подключениях, не одинакова. Пользуясь известной формулой

где U - электрическое напряжение; R₀ - общее сопротивление.

Отметим, что эта мощность тем меньше, чем больше общее сопротивление.

При одинаковых электрических сопротивлениях R каждого излучателя 18 последовательное их соединение дает R₀=3R, как сумму трех R [20]. При параллельном соединении Поскольку параллельное соединение излучателей дает меньший расход электроэнергии на нагрев.

Таким образом, достигается второй технический результат в задаче предлагаемого изобретения - снижение энергоемкости и увеличение КПД использования электроэнергии.

Малая, расходуемая электронагревателями 18 мощность соответствует меньшей температуре их нагрева и меньшей температуре нагрева цилиндрической стенки 8 барабанов 1 (2). Это необходимо при малой влажности высушиваемого материала 7.

В случаях большой влажности этого материала и при необходимости быстрого разогрева цилиндрической стенки 8 линейные электронагреватели 18 подключают в электрическую схему последовательно (фиг.5). Используя последовательное соединение (фиг.5) или параллельное соединение (фиг.6) линейных электрических нагревателей, предпочтительно высушивать материал 7 соответственно очень влажный, с влажностью до 95% (например, при сушке бумажной суспензии при изготовлении бумаги) и средневлажный, с влажностью до 65% (например, ткацкий навой на шлихтовальных машинах или постельное белье после стирки и отжимки его в центрифуге).

Инфракрасное (тепловое) излучение и горячий пограничный слой воздуха вблизи внутренней поверхности цилиндрического корпуса являются химически инертными к материалу этого корпуса. Поэтому цилиндрический корпус барабанов может быть выполнен из любых доступных, недорогих материалов, расширяя функциональные возможности способа.

Таким образом, достигается третий технический результат поставленной задачи предлагаемого изобретения - расширение функциональных возможностей.

Источники информации

1. Техническое описание и инструкция по монтажу и наладке машины ШБ 11/180-К-3М-2. Изд завод "Вичугмаш", г.Вичуга, Ивановский обл., 1992.

2. Патент России №2037588, кл. D 06 В 21/00, опубл.19.06.95.

3. Патент США №4949475, кл. F 26 В 13/16, 21.08.1990.

4. Патент Великобритании №1238757, кл. F 26 B 13/14.

5. Авторское свидетельство СССР №1605085, кл. F 26 B 13/06, опубл.1991 г.

6. Авторское свидетельство СССР №579689, кл. F 26 B, опубл.1979 г.

7. Патент США №4683015, кл. F 26 B 3/24, 1987.

8. Авторское свидетельство СССР №118224, кл. F 26 B, 1972.

9. Патент России №2027131, кл. F 26 B 13/14, опубл.20.01.95.

10. Патент России №2137996, кл. F 26 B 13/14.

11. Авторское свидетельство СССР №90517, кл. F 26 B 13/14 (заявлено 20.08.1948, опубл.1959 г.).

12. Авторское свидетельство СССР №220744, кл. D 21 F 5/02, 1952.

13. Патент Великобритании №2227823 А, кл. F 26 B 13/14.

14. Авторское свидетельство СССР №731234, кл. F 26 B 13/18, опубл.30.04.80.

15. Патент России №2177129, кл. F 26 B 13/18, опубл.20.12.2001.

16. Авторское свидетельство СССР №514177, кл. F 16 B 13/18, опубл.15.05.76.

17. Патент ФРГ №1226287, НКИ 39а³ 7/14, 1966.

18. Авторское свидетельство СССР №596795, кл. F 26 B 13/18, опубл.05.03.78.

19. Дж.Орир. Физика. М.: Изд. Мир, 1981, т.2 стр.417.

20. Дж.Орир. Физика. М.: Изд. Мир, 1981, т.1 стр.271.

1. Способ нагрева сушильного барабана, например, шлихтовальной машины изнутри линейными источниками инфракрасного излучения ограниченной длины, в котором эти излучатели располагают внутри барабана с зазором относительно его внутренней поверхности, параллельно его образующей и прикрепляют их к неподвижной полой оси, через которую их электрически соединяют с источником электроэнергии, отличающийся тем, что излучатели прикрепляют к оси жестко, размещая излучатели так, что один из них располагают под линией контакта высушиваемого материала с цилиндрическим корпусом барабана, второй располагают под серединой дуги контакта корпуса с материалом, а третий располагают посередине между первым и вторым на противоположной относительно оси стороне внутренней полости, совмещая его функции нагревателя с функцией противовеса первым двум так, что общий центр тяжести трех излучателей приближают к геометрической оси барабана, при этом излучатели размещают в фокусе каждого своего вогнутого отражателя, каждый из которых соединяют с излучателем жестко, размещая их с зазором относительно внутренней цилиндрической поверхности, направляя на нее отраженный поток излучения, причем эту поверхность делают черной, а полую ось закрепляют с возможностью угловых перемещений и последующей фиксации.

2. Способ нагрева сушильного барабана, например, шлихтовальной машины по п.1, отличающийся тем, что излучатели инфракрасного излучения подключены к электрической сети как параллельные или последовательные электрические сопротивления через регулятор электрического напряжения.