Способ нагрева сушильного барабана, например шлихтовальной машины

Способ нагрева сушильного барабана, например шлихтовальной машины

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, а также для сушки текстильных изделий.

1. Уровень техники

Известны способы нагрева сушильных барабанов путем непрерывной подачи в их внутреннюю полость перегретого пара [1, 2, 3, 4, 5].

Существенные недостатки данных способов - чрезвычайно низкий КПД, сложность транспортировки теплоносителя до барабанов, теплоизоляции и регулировки давления-температуры.

Известны также способы электромагнитного нагрева стенок барабана [6, 7, 8, 9, 10].

Общим в данных способах является размещение во внутренней полости барабана электромагнитного индуктора, наводящего вихревые токи (токи высокой частоты) в стенках барабана.

Известны также излучатели инфракрасного излучения, так называемые "тепловые" лампы накаливания или лампы инфракрасного излучения: лампы ИКЗ, серийно выпускаемые, например, заводом "ЛИСМА", г. Саранск, Мордовская республика, а также электроламповым заводом в г. Калашников, Тверской области. Данные лампы накаливания с зеркальным покрытием колбы излучают направленно-рассеянный поток инфракрасного светового излучения. Эти лампы (источники инфракрасного излучения) широко используются для нагрева помещений (рабочих и подсобных). Факт использования инфракрасных излучателей для нагрева движущихся предметов или поверхностей не обнаружен. В то же время для использования инфракрасных излучателей (далее в тексте ИКИ) не требуется преобразователей частоты и защиты от электромагнитного излучения высокой и сверхвысокой частоты. Известны также регуляторы одно- и трехфазного напряжения или электрической мощности, а также терморегуляторы с термодатчиками (терморезисторами).

2. Наиболее близким техническим решением (прототипом) из найденных в ходе патентно-информационных исследований способов нагрева вращающихся сушильных барабанов является способ нагрева сушильного цилиндра посредством комбинированного индуктора [11].

В данном способе на полом валу внутри пустотелого барабана, закрепленного на валу с возможностью вращения, устанавливают последовательно по длине вала индукторы, которые дополнительно снабжают статорные обмотки электродвигателя. Обмотки индукторов и электродвигателя через полый вал электрически подсоединены через пускорегулирующую аппаратуру с источником электроэнергии.

В описании к прототипу утверждается, что обмотки индуктора нагревают цилиндрическую поверхность барабана, а статорные обмотки обеспечивают его вращение.

По сравнению с аналогами в прототипе согласно описанию совмещены операции нагрева и создания вращающего момента на барабане.

3. Причины, препятствующие получению технических результатов.

Наиболее существенными недостатками прототипа являются высокая энергоемкость, вредность для окружающей среды и здоровья, сложность реализации и материалоемкость, малые функциональные возможности.

3.1. Высокая энергоемкость обусловлена высокими потерями электромагнитного излучения высокой частоты при наведении токов высокой частоты индукторами. Количество тепла, выделяемое в единицу времени в корпусе барабана, пропорционально квадрату частоты изменения магнитного поля [12], а мощность излучения уменьшается пропорционально кубу от величины зазора (расстояния) между индуктором и корпусом барабана. Излучение индуктора, отражаясь во внутренней поверхности барабана, фокусируется на неподвижный вал, осуществляя его нагрев. Рассеяние проводимой энергии осуществляется и на элементы крепления барабана.

3.2. Вредное воздействие на окружающую среду и здоровье обслуживающего персонала.

Интенсивность нагрева такой массивной детали, как корпус сушильного барабана, с длиной, не меньшей ширины, например ткани, 2-2,5 м и диаметром от 0,6 до 1,5 м, с толщиной стенки 3-5 мм, требует использования токов высокой частоты. Огромная электрическая мощность, необходимая для разогрева барабана весом 80-150 кг до 100-140°С генераторами ТВЧ, создает вредное высокочастотное электромагнитное поле в диапазоне частот 10⁹-10¹¹ Гц [13], неблагоприятное для человеческого организма.

3.3. Низкий КПД и невозможность реализации вращения барабана.

В сушильных машинах используют несколько последовательно расположенных барабанов или групп барабанов [14]. Влажное полотно, например ткацкий навой на шлихтовальных машинах или ткань на сушильных машинах отделочного производства в текстильной промышленности, огибает по мере движения поверхности сушильных барабанов. Вращение барабанам задают кинематически цепным или зубчатыми передачами от одного электродвигателя или редуктора. От равномерности вращения барабанов зависит натяжение полотна и качество его сушки.

В прототипе не может быть реализован принцип электродвигателя, поскольку стандартные обмотки электродвигателя возбуждают не только вращающееся электромагнитное поле, но и токи в обмотках ротора. Вращение ротора обуславливается взаимодействием магнитных полей между статорными и роторными обмотками.

КПД электродвигателя не превышает 60%, тогда как кинематические передачи достигают 98-99% (например, зубчатые), это в 1,5 раза выше.

Нагрузка на барабан в сушильной машине разная на холостом ходу (без заправки) и под заправкой. Чем толще полотно и чем больше его влажность, тем оно тяжелее и нагрузка сопротивления вращению барабана больше. В прототипе отсутствует возможность регулировки токов в статорных обмотках, а неравномерность вращения барабанов недопустима.

3.4. Сложность реализации и высокая материалоемкость способа в прототипе.

В прототипе процесс нагрева связан с необходимостью наличия мощного преобразователя частоты электрического напряжения с мощным трансформатором. Наличие нескольких индукторов, расположенных на неподвижном валу, усложняет и утяжеляет операцию сборки, увеличивает материалоемкость сборки и изготовления. Для защиты от ТВЧ-излучения необходимы дополнительные экраны.

Дополнительные статорные обмотки усложняют и утяжеляют схему реализации способа нагрева и управления процессом нагрева.

Немаловажным является явление наводки электрических токов в статорных обмотках от излучения индукторов. Это наведение токов неконтролируемым образом меняет магнитный момент статорных обмоток и вращающий момент на барабане.

3.5. Ограниченные функциональные возможности прототипа обусловлены сущностью его реализации. Вихревые токи (токи Фуко) не наводятся в легких сплавах цветных металлов, таких как алюминий, магний, титан [15]. Использование индукционного нагрева не позволяет изготавливать легкие сушильные барабаны из пластмасс. Отсутствие контроля и регулировки температуры поверхности барабана вручную или автоматически не позволяют использовать прототипы для сушки полотен с различной влажностью.

4. Признаки прототипа, совпадающие с заявленным предлагаемым изобретением.

Сушильный барабан нагревают изнутри электромагнитным излучением, излучаемым неподвижно установленными на полой оси источниками этого излучения и подключенными через полость оси к источнику электроэнергии (к электрической сети).

5. Задачей предлагаемого изобретения является получение следующих технических результатов:

5.1. Снижение энергоемкости.

5.2. Устранение вредного воздействия электромагнитного излучения на окружающую среду.

5.3. Увеличение КПД использования электроэнергии.

5.4. Упрощение реализации и снижение материалоемкости.

5.5. Расширение функциональных возможностей.

6. Эти технические результаты в заявляемом способе нагрева сушильного барабана изнутри электромагнитным излучением, излучаемым неподвижно установленными на полой оси источниками этого излучения и подключенными через полость оси к источнику электроэнергии, достигаются тем, что на внутреннюю цилиндрическую поверхность барабана воздействуют инфракрасным излучением, размещая на оси неподвижно точечные по сравнению с размерами барабана инфракрасные излучатели направленного, расходящегося от излучателя к внутренней цилиндрической поверхности барабана луча так, что основания конусов этих лучей касаются друг друга на этой поверхности, причем излучатели размещают на оси рядами с одинаковым или неодинаковым числом излучателей в рядах, а число рядов устанавливают четным или нечетным. Полую ось закрепляют с возможностью угловых ее поворотов с последующей фиксацией, излучатели устанавливают на оси с возможностью их радиальных перемещений и подключают их электрически к однофазной или трехфазной сети через регулятор электрического напряжения (мощности).

Кроме этого, излучатели в ряду устанавливают одинаковой или неодинаковой мощности излучения.

7. Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема секции сушильной машины, аналогичной шлихтовальной; на фиг.2 схематично показан продольный разрез сушильного барабана и схема подключения источников излучения к однофазной сети; на фиг.3 схематично показано подключение излучателей через полую ось к трехфазной сети; на фиг.4 схематично показан поперечный разрез барабана с круглой полой осью и тремя рядами одинаковых излучателей, каждый ряд которых электрически соединен со своей фазой трехфазной электрической цепи; на фиг.5 схематично показан поперечный разрез барабана с шестигранной полой осью и шестью рядами одинаковых по мощности излучателей с подключением каждых двух рядов к одной фазе трехфазной сети; на фиг.6 схематично показан поперечный разрез барабана с шестигранной полой осью и тремя рядами излучателей разной мощности в каждом ряду, электрически соединенных с однофазной электрической сетью; на фиг.7 показана развертка в плоскости шестигранной полой оси с одинаковыми по мощности излучателями; на фиг.8 - та же самая развертка с разными по мощности излучателями; на фиг.9 показана схема крепления излучателя, обеспечивающая его радиальное перемещение.

Схемы конструкции, поясняющие реализацию способа, включают в себя секцию (фиг.1) сушильных барабанов 1, например трех, установленных на неподвижных осях 2 с возможностью вращения. Для вращения барабаны снабжены кинематической передачей, например (цепь 3 и звездочки 4), соединенной с электродвигателем - М, установленным неподвижно. Наружная поверхность барабанов 1 взаимодействует с охватывающим их высушиваемым длинномерным материалом 5, например с ткацким навоем (для шлихтовальной машины).

Сушильный цилиндр 1 (фиг.1) включает в себя цилиндрическую оболочку 6 (фиг.2), к торцам которой слева и справа неподвижно, например болтами 7, присоединены цилиндрические цапфы соответственно 8 и 9 со сквозным осевым круглым отверстием, соосным оболочке 6. Цапфы 8 и 9 установлены в подшипниках 10, корпуса которых неподвижно закреплены в остове машины (не обозначены) с возможностью вращения. Левая цапфа 8 снабжена звездочкой 4, взаимодействующей с цепной передачей 3. Во внутренних отверстиях цапф 8 и 9 соосно оболочке 6 на подшипниках качения 11 установлена пустотелая ось 2. Ее конец, противоположный кинематической звездочке 4, закреплен неподвижно винтом 12 в неподвижном кронштейне 13, жестко соединенном с остовом машины (не обозначен). При ослабленном винте 12 ось 2 можно поворачивать в подшипниках 11 относительно корпуса (поз.6, 7, 8, 9) (фиг.2) барабана 1 (фиг.1). На оси 2 радиально смонтированы инфракрасные излучатели 14 расходящегося направленного луча (например, зеркальные инфракрасные лампы, серийно выпускаемые заводом "ЛИСМА" г. Саранск, Мордовская республика, а также Электроламповым заводом, г. Калашников, Тверской области). Эти излучатели 14 идентичны обычным электрическим лампам накаливания, а их колба изнутри покрыта зеркальным слоем, отражающим тепловое излучение спирали лампы-излучателя и направляющим его (излучение) вдоль оси излучателя расходящимся лучом от колбы. Излучатели (лампы) ввернуты в электрические патроны 15, закрепленные в стенке оси 2, которые, в свою очередь, электропроводкой 16 через полость оси 2, через однофазный регулятор напряжения 17 (например, ЛАТР) электрически подсоединены к однофазной электрической сети переменного напряжения (А, 0). Либо через трехфазный регулятор напряжения 18 (трехфазный ЛАТР) (фиг.3) излучатели 14 электрически соединены с трехфазной сетью (А, В, С, 0) переменного напряжения.

Полая ось 2 выполнена круглой 2А (фиг.4), а одинаковые по мощности излучатели 14А установлены в патронах 15 и размещены вдоль оси 2А, например в три ряда с одинаковым или неодинаковым шагом так, что расходящиеся лучи их инфракрасного излучателя (далее ИКИ) перекрывают друг друга или касаются друг друга на внутренней поверхности барабана 1. Каждый из рядов подключен электрически к одной электрической фазе с общим для трех рядов нулевым проводом.

Полая ось 2 выполнена, например, многогранной, в форме, например, шестигранного короба 2Б, на каждой грани которого размещены равномерно или неравномерно по длине одинаковые по мощности излучатели 14А, патроны 15 которых электрически соединены, например, с трехфазной электрической сетью.

Полая ось 2 (фиг.2) выполнена, например, шестигранной 2Б (фиг.6) с тремя рядами неодинаковых по мощности излучателей: ряд излучателей малой мощности 14А (например, 100 Вт лампы), ряд излучателей средней мощности 14Б (например, 250 Вт лампы), ряд излучателей большой мощности 14В (например, 500 Вт лампы). Ряды состоят из одинакового или неодинакового числа излучателей, которые подключены, например, к однофазной (0, А) электрической сети. Точкой ЛК на фиг.6 обозначена линия касания высушиваемого материала 5 вдоль образующей цилиндра 1. Излучатели 14 (14А) расположены на оси 2 (2А, 2Б) либо параллельными рядами, либо со смещением, например в "шахматном" порядке (фиг.7, фиг.8). При этом в рядах могут находиться излучатели и малой мощности 14А, и средней мощности 14Б, и большой мощности 14В (фиг.8). В этом случае излучатели большей мощности 14В размещают по краям оси 2 (2А, 2Б), в области соединения оболочки 6 с цапфами 8 и 9.

Патрон 15 снабжен винтовой канавкой 16 и гайками 17 (серийно выпускаемый электропатрон), позволяет, поворачивая гайку 17, изменять расстояние Н между излучателем 14 (14А, 14Б, 14В) и внутренней поверхностью оболочки 6.

Внутренняя поверхность оболочки 6 (барабана 1) выполнена черной, например покрашена в черный цвет, слоем 18 (фиг.9).

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

При подаче электрического напряжения в однофазную цепь питания инфракрасных излучателей 14 (14А, 14Б, 14В) (фиг.2, фиг.6) или в трехфазную цепь (фиг.3, фиг.4, фиг.5) электромагнитное излучение инфракрасного спектра (частота 10¹²-10¹⁴ Гц) излучателей 14 (14А, 14Б, 14В) и видимой части спектра (частота 10¹⁴-10¹⁵ Гц) в виде теплосветового расходящегося в форме конуса потока попадает на внутреннюю черную 18 поверхность оболочки 6 (фиг.9) цилиндров 1 (фиг.1). Основания конусов ИКИ на внутренней поверхности 18 барабанов 1 соприкасаются друг с другом по длине оболочки 6 (фиг.2) и по ее окружности (фиг.4, 5, 6), обеспечивая равномерный нагрев цилиндрической оболочки 6. После нагрева барабанов 1 (фиг.1) сушильную машину, например шлихтовальную, заправляют длинномерным материалом 5, например ткацким навоем, после чего включают привод машины М. Двигатель М привода цепной передачи 3 и звездочками 4 вращает барабаны 1 относительно неподвижной оси 2 с угловой скоростью ω.

Длинномерный материал 5, огибая и соприкасаясь с разогретой цилиндрической оболочкой 6 барабанов 1, также разогревается и высушивается.

При малой влажности высушиваемого материала 5 достаточно использование трех рядов ИК-излучателей малой мощности 14А, охватывая их излучением всю дугу прилегания материала к оболочке 6 барабанов от линии касания ЛК.

При такой влажности достаточно также использование трех рядов ИК-излучателей разной мощности в рядах (фиг.6), охватывая их излучением поверхность оболочки 6 и тем самым разогревая ее до линии соприкосновения ЛК материала 5 с оболочкой 6. При этом ряд излучателей 14А (малой мощности) обеспечивает предварительный нагрев, ряд излучателей 14Б (средней мощности) обеспечивает промежуточный нагрев стенки оболочки 6, а ряд излучателей 14В (большой мощности) обеспечивает окончательный догрев стенки оболочки 6 для сушки (испарения влаги) материала 5.

При большой влажности материала 5 ИК-излучением охватывают всю внутреннюю поверхность оболочки 6 барабанов 1 (фиг.5, фиг.1). В этом случае ИК-излучатели 14А размещают на шестигранной оси 2Б в шесть рядов, увеличивая общую мощность излучения и поглощения тепловой энергии, увеличивая температуру всей оболочки 6 и устраняя разницу в температурах на ее наружной окружности. ИК-излучатели почти 99% электрической энергии превращают в теплосветовой поток ИКИ, который полностью поглощается черным слоем 18 оболочки 6 (фиг.9), обеспечивая разогрев оболочки 6.

В ходе проведенных исследований было установлено, что для разогрева цилиндрической оболочки сушильного барабана шлихтовальной машины ШБ 11/180-K-3V-2, выпуска 1992 года, до 120°С (масса стального барабана 84 кг) достаточно 33 инфракрасных (тепловых) лампы мод. ИКЗ-250 (по 250 Вт каждая), т.е. суммарной мощностью 8,25 кВт. Это почти в 10 раз превышает мощность, необходимую для нагрева барабана токами высокой частоты (токами Фуко или вихревыми токами), что используется в прототипе.

Таким образом, нагрев сушильного барабана 1 (фиг.1) изнутри направленным электромагнитным излучением инфракрасного спектра позволяет получить первый технический результат поставленной задачи, а именно существенно снизить энергоемкость осуществления способа нагрева барабана.

Инфракрасное излучение внутри барабанов 1 ввиду его направленности на внутреннюю поверхность 18 оболочки 6 на 90% превращается в нагрев оболочки 6. Нагреваемая оболочка 6 непроницаема для теплового излучения так же, как и обечайки 8, 9 барабана.

Таким образом, нагревом сушильного барабана 1 (фиг.1, фиг.2) изнутри направленным электромагнитным излучением инфракрасного спектра ИКИ (фиг.4, 5, 6) позволяет получить второй технический результат поставленной задачи, а именно устранить вредное воздействие излучения на окружающую среду и обслуживающий персонал.

В серийно выпускаемых ИК-излучателях, указанных в тексте описания, типа ИК3 (инфракрасные с зеркальной отражаемой колбой) 99% подводимой электроэнергии преобразуется в теплосветовой луч. Черной внутренней поверхностью 18 поглощается и превращается в нагрев 90% теплосветовой энергии луча. Общий КПД преобразования электрической энергии в нагрев оболочки 6 определяется произведением КПД превращений, т.е. 0,99×0,9=0,891, т.е. 89,1%. Это в 2-2,5 раза больше КПД установок токов высокой частоты (см. прототип).

Таким образом, нагревом сушильного барабана 1 изнутри направленным инфракрасным излучением позволяет получить третий технический результат, заключающийся в повышении КПД использования электроэнергии.

В реализации заявляемого способа нагрева используются общедоступные и серийно выпускаемые ИК-излучатели, электропатроны, электропроводка, регуляторы напряжения (ЛАТРы), подшипники, болты и винты. Единственной несерийной деталью является полая ось 2 (2А, 2Б), масса которой не превышает 10% общей массы барабана (84 кг), т.е. 8,4 кг. Вес инфракрасной лампы мод. ИКЗ-250 вместе с патроном составляет 200 грамм. Общий вес ИК-излучателей в проведенных испытаниях (33 шт.) составляет 6,6 кг, что меньше веса самой оси.

Таким образом, использованием однотипных, общедоступных и легких элементов, реализующих способ, обеспечивается достижением четвертого технического результата решаемой задачи, а именно упрощение реализации и снижение материалоемкости.

Для инфракрасного излучения не имеет значения вид нагреваемого материала, поэтому цилиндрическая оболочка 6 барабанов 1 может быть выполнена из легких сплавов алюминия или теплопроводных сплавов меди. Сплавы этих металлов токами высокой частоты или вихревыми токами Фуко (в прототипе) не нагреваются. Вихревые токи (токи Фуко) в этих сплавах не образуются.

Таким образом, нагревом сушильного барабана изнутри направленным инфракрасным излучением позволяет получить пятый технический результат решаемой задачи предлагаемого изобретения: существенно расширить функциональные возможности. Способ позволяет использовать для оболочки 6 барабанов 1 легкие сплавы цветных металлов, например алюминия, теплопроводные сплавы цветных металлов, например меди, или теплопроводные и легкие пластмассовые материалы.

Кроме выше изложенного, важным моментом в реализации заявляемого способа нагрева является следующее.

При неподвижном или вращающемся барабане 1 ослаблением винта 12 (фиг.2, 3) освобождают ось 2 (2А, 2Б, фиг.4, 5, 6). Ось 2 (2А, 2Б) вместе с излучателями 14 (14А, 14Б, 14В) поворачивают в заданное для направления излучения ИКИ (фиг.4, фиг.6).

Установка излучателей 14 (14В) большей мощности по краям оси 2 (2А, 2Б) (фиг.8) позволяет обеспечить больший подвод тепла к краям оболочки 6 барабана 1, от которых отводится больше тепла, чем в середине, из-за контакта оболочки 6 с цапфами 8 и 9 (фиг.2). Тем самым выравнивается температура оболочки 6 по длине ее образующих.

Регуляторы напряжения (например, ЛАТРы) в однофазной и трехфазных цепях позволяют уменьшать напряжение питания излучателей до минимума при длительных остановах машины (например, шлихтовальной), не давая остыть электроспирали нагревателей. Поэтому при пуске машины после останова напряжение питания излучателей лишь увеличивают до нормы, а спираль, оставаясь разогретой, не перегорает. Повышается долговечность реализации способа.

Использование электрического патрона 15 с внешней резьбой 16 и гайками 17 позволяет быстро и удобно настраивать теплосветовые конуса ИКИ на внутреннюю черную поверхность 18 цилиндрической оболочки 6 (фиг.9).

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №118224, МКИ F 26 B, 1972 г.

2. Авторское свидетельство СССР №579689, МКИ F 26 B, 1979 г.

3. Авторское свидетельство СССР №1605085, МКИ F 26 B, 1991 г.

4. Патент РФ №2027131, МКИ F 26 B 13/14, Бюл. №2, 1995 г.

5. Патент РФ №2137996, МКИ F 26 B 13/14, опубл. 20.09.99.

6. Авторское свидетельство СССР №90517 А, опубл. 25.06.1959.

7. Авторское свидетельство СССР №514177 А, опубл. 22.06.1976.

8. Авторское свидетельство СССР №596795 А, опубл. 08.02.1978.

9. Авторское свидетельство СССР №731234 А, опубл. 30.04.1980.

10. Патент Великобритании №2227823 (GN 8902587.8); МКИ F 26 B 13/14; 08.08.1990.

11. Патент РФ №2177129 C2, МПК F 26 B 13/18, опубл. 20.12.2001.

12. Яворский Б.М., Детлаф А.А., Справочник по физике, М.: Наука, 1964 г., стр.420-421.

13. Орир Дж. Физика, М.: Мир, 1981 г., т.2, стр.344.

14. Патент РФ №2037588, МПК 6 D 06 B 21/00, опубл. 19.06.95, фиг.1, поз.8, 15.

15. "Изобретатель-рационализатор", 1995 г., №2, стр.4

1. Способ нагрева сушильного барабана, например шлихтовальной машины, изнутри электромагнитным излучением, излучаемым неподвижно установленными на полой оси источниками этого излучения и подключенными через полость оси к источнику электроэнергии, отличающийся тем, что на внутреннюю поверхность барабана воздействуют инфракрасным излучением, размещая на оси неподвижно точечные по сравнению с размерами барабана инфракрасные излучатели направленного расходящегося от излучателя к внутренней цилиндрической поверхности барабана луча так, что основания конусов этих лучей излучателей касаются друг друга на этой поверхности, причем излучатели размещают на оси рядами с одинаковым или неодинаковым числом излучателей в рядах, а число рядов устанавливают четным или нечетным.

2. Способ нагрева сушильного барабана по п.1, отличающийся тем, что полую ось закрепляют с возможностью угловых ее поворотов с последующей ее фиксацией, излучатели устанавливают на оси с возможностью их радиальных перемещений и подключают их электрически к однофазной или трехфазной сети через регулятор электрического напряжения (мощности).

3. Способ нагрева сушильного барабана по п.1 или 2, отличающийся тем, что излучатели в ряду устанавливают одинаковой или неодинаковой мощности излучения, а внутреннюю цилиндрическую поверхность барабана делают черной.