DE10028709C2

DE10028709C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Fertigungsgegenständen

Info

Publication number: DE10028709C2
Application number: DE10028709A
Authority: DE
Inventors: Glen Patrick Reese; James Richard Goodall
Original assignee: Arteva Technologies SARL
Current assignee: Invista Technologies SARL Switzerland
Priority date: 1999-06-15
Filing date: 2000-06-09
Publication date: 2002-03-21
Anticipated expiration: 2020-06-10
Also published as: DE10028709A1; US6168743B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Fertigungsgegenständen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Polyethylentereph thalatfaser mit gesättigtem Wasserdampf unter erhöhten Drücken behandelt.

In einem weiterem Aspekt ist die Erfindung auf eine selbstdichtende Druckvorrichtung für die kontinuierliche Wärmebehandlung von Gegenständen mit gesättigtem Dampf gerichtet.

Im Stand der Technik ist die Wärmebehandlung durch Anwendung von Hochdruckdampf bekannt. Insbesondere sind vergütete Polyesterfilamente in den US 4 704 329 und 4 639 347, unter Anwendung von gesättigtem Wasserdampf beschrieben. Das korrespondierende EP 0 125 112 B1 hierzu enthält im Wesentlichen die gleiche Offenbarung. Die US 5 287 606 beschreibt eine Vorrichtung für die Dampf behandlung textiler Filamente, wobei die Vorrichtung eine Anzahl von Kammern umfaßt. Wie aus der Beschreibung zur Fig. 1 dieses Patents ersichtlich ist, dienen die stromaufwärts und stromabwärts reihenförmig angeordneten Kammern dazu, den Druck in der Behandlungskammer aufrecht zu erhalten (Spalte 7, Zeilen 25-31).

Eine weitere Dampfbehandlungseinrichtung ist in DE 195 46 783 C1 besonders detailliert in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben. Die in diesem Patent offenbarte Einrichtung enthält eine Expansionsdüse, die zu einem Behandlungskanal führt, in welchem der Wasserdampf auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. Der Wasserdampf wird auf Unterschallgeschwindigkeit in der Behandlungskammer verzögert, bevor er in eine zweite Düse eintritt, in der er wiederum auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird.

In der DE 195 46 784 C2 ist eine Vorrichtung zur relaxierenden Wärmebehandlung von Filamentgarnen aus synthetischen Polymeren beschrieben, die eine Vorschaltkammer, eine Vorschaltdüse, eine Injektordüse, einen Behandlungskanal mit zwei durch Kanalabschnitte voneinandergetrennten Engstellen und anschließenden konischen Erweiterungen umfasst. In der Vorschaltdüse wird die das Filamentgarn umgebende Luftgrenzschicht durch Anblasen mit niedriggespanntem Wasserdampf entfernt und durch eine Grenzschicht aus Wasserdampf ersetzt. Der Prozesswasserdampf wird nach dem Passieren der ersten Engstelle auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt, wobei sich vor der zweiten Engstelle ein Verdichtungsstoß mit Druckanstieg zwischen 2 und 13 bar einstellt und aufrecht erhalten wird. Das Filamentgarn wird von seiner Eintrittstemperatur auf die Kondensationstemperatur beim Passieren des Verdichtungsstoßes durch Aufnahme der Kondensationswärme des Prozesswasserdampfs aufgeheizt und dadurch die Relaxation ausgelöst. Nach der zweiten und dritten Engstelle entspannt sich der Prozesswasserdampf schrittweise auf Umgebungsdruck und wird zusammen mit dem relaxierten Filamentgarn einer Nachschaltkammer Zugeführt, aus der das Filamentgarn durch eine Austrittsöffnung austritt und danach einer Abzugsvorrichtung zum Aufwickeln zugeführt wird.

Eine weitere Methode für die Wasserdampfbehandlung von Polyesterfasern ist in US 3 452 132 offenbart, in dem ein Verfahren für die Hitzebehandlung eines Polyethylenter ephthalatgarns durch Anwendung eines Wasserdampfstrahls beschrieben ist.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Fertigungsgegenständen mit gesättigtem Dampf unter hohem Druck zu verbessern und den Druckverlust auch für hohe Druckverhältnisse von Überdruck zu Atmosphärendruck von etwa bis zu 5 : 1 möglichst auf 0 bzw. sehr klein zu halten.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Fertigungsgegenstandes, bei dem

a) ein erhitztes Dampfmedium unter erhöhtem Druck durch eine erste Düse in eine Dampfexpansionskammer geleitet wird, wobei die erste Düse mit der Expansionskammer in der Weise zusammenwirkt, dass eine Hochgeschwindigkeitsströmung in der Expansionskammer erzeugt wird, die innerhalb der Expansionskammer Bereiche mit reduziertem Druck schafft;
b) der Fertigungsgegenstand kontinuierlich der Expansionskammer durch eine Zufuhröff nung, die innerhalb eines Bereiches mit reduziertem Druck in der Expansionskammer angeordnet ist, zugeführt wird;
c) der Fertigungsgegenstand durch einen Stoßwellenbereich zu einer Behandlungskammer geleitet wird, wobei der Stoßwellenbereich den Druck der Behandlungskammer von dem Druck der Expansionskammer isoliert.

Die erste Düse wirkt mit der Expansionskammer zusammen um eine Hochgeschwindigkeits strömung zu erzeugen und Bereiche mit reduziertem Druck innerhalb der Expansionskammer einzurichten. Der Fertigungsgegenstand wird kontinuierlich der Expansionskammer durch eine Zufuhröffnung zugeleitet, die in einem der eingerichteten Bereiche mit niedrigem Druck angeordnet ist. Der Fertigungsgegenstand wird dann durch einen Stoßwellenbereich hindurch der Behandlungskammer zugeführt, wobei der Stoßwellenbereich so arbeitet, dass der Druck der Behandlungskammer von dem Druck der Expansionskammer getrennt ist.

Bevorzugt ist die Hochgeschwindigkeitsströmung, die in der Expansionskammer erzeugt wird, eine Überschallströmung und die Zufuhröffnung ist durch eine Leitung definiert, wobei die Öffnung an einer Stelle mit minimalem Druck in der Expansionskammer angeordnet ist. Die Leitung weist typischerweise einen Eintritt außerhalb der Expansionskammer auf.

In einem Kaskadenverfahren wird der Druck in der Behandlungskammer stufenweise geregelt, wobei ein weiterer Schritt im Vergleich zu einem einstufigen Verfahren vorgesehen ist, bei dem ein erhitztes Dampfmedium durch eine zweite Düse in die Behandlungskammer einströmt.

Das Verfahren nach der Erfindung ist für die Behandlung einer Mannigfaltigkeit von Gegenständen geeignet. Diskrete Gegenstände wie beispielsweise Pellets können kontinuierlich mittels eines geeigneten Förderbandes transportiert werden. In typischer Weise wird das Verfahren an kontinuierlich geformten Gegenständen, die von einer Rolle oder einer äquivalenten Einrichtung gefördert werden, angewandt, beispielsweise an Folien, Fasern, Faserkabeln, Seilen, Geweben und Garnen. In den meisten Fällen werden Polymergegenstände behandelt, beispielsweise geformte Gegenstände aus Polyethylenteraphthalat. Das erhitzte Dampfmedium ist insbesondere Wasserdampf und das Verfahren wird so betrieben, dass der Dampf gesättigter Wasserdampf in der Behandlungskammer ist. Der Dampf kann überhitzt oder gesättigt sein, wenn er der ersten Düse zugeleitet wird.

In Ausgestaltung des Verfahrens entweicht das erhitzte Dampfmedium durch eine dritte Düse aus der Behandlungskammer. In einer weiteren Ausführungsform des erfinderischen Verfahrens werden die Gegenstände durch einen Stoßwellenbereich hindurch in einen Bereich mit niedrigem Druck geführt, erzeugt durch das erhitzte Dampfmedium und in diesem zu einer Behandlungs zone mit niedrigem Druck. Im allgemeinen wird dieses Verfahren mit der gleichen oder ähnlichen Ausrüstung wie das zuvor beschriebene Verfahren ausgeführt und schließt mit ein die Lieferung eines erhitzten Dampfmediums mit erhöhtem Druck durch eine erste Düse in eine Expansionskammer, um einen Bereich niedrigen Druckes einzurichten, Ausströmen des Dampfmediums durch eine zweite Düse, die so betrieben wird, dass sie einen Stoßwellenbereich schafft, der den strömungsabwärts liegenden Druck von dem Druck in der Expansionskammer trennt und Führung des zu behandelnden Gegenstandes kontinuierlich durch den Stoßwellen bereich zu der Zone niedrigen Drucks in der Expansionskammer und von dort in eine Behandlungskammer niedrigen Drucks.

In einem weiteren Aspekt ist die Erfindung auf eine Vorrichtung für die Dampfbehandlung von Fertigungsgegenständen gerichtet. Die Vorrichtung umfaßt eine Einrichtung zur Lieferung eines erhitzten Dampfmediums mit erhöhtem Druck, eine Dampfexpansionskammer und eine erste Düse, die diese beiden miteinander verbindet. Die erste Düse ist für das Zusammenwirken mit der Expansionskammer geeignet, um eine hohe Geschwindigkeitsströmung des Dampfmediums zu erzeugen, die ihrerseits Niederdruckzonen innerhalb der Expansionskammer einrichtet. Die mit Dampf zu behandelnden Gegenstände werden in eine Niederdruckzone innerhalb der Expansionskammer durch eine Zufuhröffnung hindurch eingeführt.

Die Dampfexpansionskammer ist durch eine zweite Düse, die so arbeitet, dass sie eine Stoßwelle aufrecht erhält, welche den Druck in der Expansionskammer von dem Druck in einer Behandlungskammer isoliert, mit der Behandlungskammer verbunden.

Des weiteren umfaßt die Vorrichtung eine Zufuhrleitung mit einer Öffnung, die nahe oder an der Stelle des Druckminimums in der Expansionskammer angeordet ist und eine zweite Öffnung besitzt, die außerhalb des Expansionskammer liegt. Ebenso gilt, dass die Hochgeschwindigkeits strömung in der Expansionskammer bevorzugt eine Überschallströmung ist.

Die zweite Düse kann mit einer Quelle für erhitztes Dampfmedium mit erhöhtem Druck verbunden sein, falls dies erwünscht ist, um den Druck im System schrittweise zu regeln.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist bevorzugt mit einer strömungsabwärts liegenden dichtenden Einrichtung ausgerüstet, die eine dritte Düse umfaßt, einen Sammelbehälter, der mit der Behandlungskammer über die dritte Düse verbunden ist und Austrittsöffnungen innerhalb des Sammelbehälters. Der Sammelbehälter wird auf atomosphärischen Druck mittels Auslasskanälen gehalten, welche die Strömung zu einem Abfall- oder einem Wieder aufbereitungsbereich leiten. Die Kanäle sind groß genug, um die Strömung ohne einen großen Druckverlust aufrecht zu erhalten. Die Austrittsströmungsgeschwindigkeit wird durch die dritte Düse begrenzt, welche die Strömung drosselt und sie unabhängig von dem Druck im Sammelbehälter macht. Die Vorrichtung wird bevorzugt aus rostfreiem Stahl, einer gebrauchs tauglichen Legierung oder anderem verschleißfesten, nicht korrodierendem Material gefertigt. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine mehrstufige Vorrichtung für ein kaskadenförmiges Druckaufbringen auf die dampfbehandelten geformten Gegenstände vorgesehen. Eine derartige Vorrichtung umfaßt:

a) eine erste Einrichtung zur Lieferung einer Erstversorgung mit erhitztem Dampfmedium unter erhöhtem Druck;
b) eine erste Dampfexpansionskammer;
c) eine erste Düse, welche die Einrichtung zur Lieferung einer Erstversorgung mit erhitztem Dampfmedium mit der ersten Expansionskammer verbindet, wobei die erste Düse mit der ersten Expansionskammer so zusammenwirkt, dass eine Überschallströmung des Dampfmediums in der Expansionskammer erzeugt wird und ein Druckminimum in der Expansionskammer entsteht;
d) eine erste Zufuhröffnung, die derart angeordnet, konfiguiert und dimensioniert ist, dass sie die Fertigungsgegenstände in der ersten Expansionskammer in eine Zone reduzierten Drucks einführt;
e) eine zweite Einrichtung zur Lieferung einer Zweitversorgung mit erhitztem Dampf medium unter erhöhtem Druck;
f) eine zweite Dampfexpansionskammer;
g) eine zweite Düse, welche die Einrichtung für die Zweitversorgung von erhitztem Dampfmedium mit der zweiten Dampfexpansionskammer verbindet, wobei die zweite Düse mit der zweiten Expansionskammer so zusammenarbeitet, dass eine Überschall strömung des Dampfmediums innerhalb der zweiten Dampfexpansionskammer erzeugt und ein Druckminimum in der zweiten Expansionskammer generiert wird;
h) eine zweite Zuführöffnung, die derart positioniert, konfiguriert und dimensioniert ist, dass sie die Fertigungsgegenstände in die zweite Expansionskammer in einer Zone mit reduziertem Druck einführt;
i) eine dritte Einrichtung zur Lieferung von erhitztem Dampfmedium mit erhöhtem Druck;
j) eine Behandlungskammer;
k) eine dritte Düse, welche die dritte Einrichtung zur Lieferung von erhitztem Dampf medium mit der Behandlungskammer verbindet, wobei die dritte Düse geeignet ist eine Schallstoßwelle aufrecht zu erhalten, die den Druck der Behandlungskammer von dem Druck der zweiten Dampfexpansionskammer isoliert; und
l) eine dritte Zufuhröffnung, die die Fertigungsgegenstände in die Behandlungskammer einführt.

Die Erfindung wird im Folgenden im Detail unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungs beispiele und die Zeichnungen näher beschrieben.

Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1A ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung und eines Verfahrens gemäß der Erfindung;

Fig. 1B den Verlauf des Druckes über der Distanz entlang der Länge der Vorrichtung nach Fig. 1A, wobei der Druck mit der Stelle der Vorrichtung korrespondiert, die direkt oberhalb dieses Kurvenverlaufs sich befindet;

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer strömungsabwärts liegenden dichtenden Einrichtung, die in Verbindung mit der Vorrichtung nach Fig. 1A genutzt wird;

Fig. 3A eine schematische Schnittansicht einer mehrstufigen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3B ein Druckprofil entlang der Länge der Vorrichtung gemäß Fig. 3A, die direkt oberhalb dieses Druckprofils liegt; und

Fig. 4 eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung der Erfindung zur Be handlung von Garn mit niedrigem Druck.

Die Erfindung wird an Hand mehrerer Ausführungsformen zu Zwecken der Darstellung beschrieben. Der Umfang der Erfindung und der Erfindungsgedanke folgen aus den anhängigen Patentansprüchen.

Fig. 1A zeigt eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung 10 nach der Erfindung. Die Vorrichtung 10 umfaßt zwei Hochdruckdampfeinlässe 12, 14, die mit einer Einlassplenumkam mer 16 in Verbindung stehen. Eine Zufuhrleitung 18 ist zentral in der Plenumkammer 16 angeordnet und erstreckt sich durch diese. Eine Auslaßseite 66 der Plenumkammer 16 verjüngt sich zu einer ersten Düse 20 hin. Die erste Düse 20 verbindet die Plenumkammer 16 mit einer Expansionskammer 22, in der sich ein Auslass 24 der Zufuhrleitung 18 befindet. Ein Einlass 26 der Leitung 18 ist außerhalb der Plenumkammer 16 angeordnet. Strömungsabwärts von der Expansionskammer 22 ist eine zweite Düse 28 angeordnet, die mit einer Behandlungs kammer 30 in Verbindung steht. Die Vorrichtung 10 wird hauptsächlich zur Dampfbehandlung eines Garns 32 in folgender Weise betrieben:
Das Garn 32 wird kontinuierlich einem Einlass 26 der Leitung 18 aus der Umgebung zugeführt, üblicherweise bei Umgebungsbedingungen und wird durch die Vorrichtung 10 in Richtung eines Pfeils 34 gefördert. Die Leitung 18 trennt das Garn von der Umgebung der Plenumkammer 16 und führt das Garn am Auslass 24 in die Expansionskammer 22 ein. Wasserdampf mit erhöhtem Druck von beispielsweise 175775 N/m² (250 psia) wird durch die Einlässe 12, 14 der Plenumkammer 16 zugeführt und strömt in Richtung der Pfeile 36. Der Wasserdampf strömt dann durch die erste Düse 20 und wird in der Expansionskammer 22 auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt, bevorzugt auf Überschallgeschwindigkeit. Nach der Beschleunigung in der Expansionskammer tritt der Wasserdampf in eine zweite Düse 28 ein, die so betrieben wird, dass sie eine Schallstoßwelle errichtet und aufrecht erhält, die die Isolation des Druckes in der Expansionskammer 22 von dem Druck in der Behandlungskammer 30 bewirkt, wie dies Fig. 1B zeigt, in der der Druck P entlang der Zentralachse X der Vorrichtung 10 aufgetragen ist, an Punkten die direkt oberhalb der Schnittdarstellung der Vorrichtung 10 in Fig. 1A liegen. Beim Eintritt in die Düse 20 ist der Wasserdampf druck 38 zunächst konstant. Sowie der Wasserdampf durch die Düse 20 beschleunigt wird, ist ein Druckabfall wie bei 40 gezeigt, zu erwarten, da der erste Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens im Wesentlichen ein adiabatischer Expansionsschritt ist. An der Düse 20 hat der Wasserdampf Schallgeschwindigkeit. Der Wasserdampf setzt seine Beschleunigung zu Überschallgeschwindigkeiten in der Expansionskammer fort, wie durch 42 gezeigt, bis er einen Minimumdruck bei 44 von beispielsweise 17578 N/m² (25 psia) erreicht, abhängig von der Mach-Zahl. Bevorzugt ist der Auslass 24 der Leitung 18 an der Stelle des Minimumdruckes innerhalb der Kammer 22 angeordnet.

Nachfolgend der Stelle des Minimumdruckes beginnt die Verzögerung des Wasserdampfes und der Druck in der Kammer 22 strömungsabwärts von der Düse 20 beginnt bei 46 anzusteigen, vor dem Eintritt in die Düse 28. In dieser wird der Dampf auf Unterschallgeschwindigkeit verzögert und es wird eine Schallstoßwelle ausgebildet, die den Druck in der Behandlungskammer 30 von dem Druck in der Expansionskammer 22, wie bei 48 gezeigt, isoliert.

In der Kammer 30 steigt der Druck als Konsequenz der niedrigeren Geschwindigkeit, wie durch 50 angezeigt, auf einen stabilen Wert von beispielsweise 105465 N/m² (150 psia) an.

In Fig. 2 ist ein strömungsabwärts liegender Schnitt der Vorrichtung 10 gezeigt, wobei gleiche Teile zu Teilen in den Fig. 1A und 1B gleich nummeriert sind wie in den Fig. 1A und 1B. Die Behandlungskammer 30 ist mit einem Sammelbehälter 52 über eine dritte Düse 56 verbunden. Der Sammelbehälter 52 weist eine Ausgangsöffnung 58 und Auslassöffnungen 54 und 55 auf.

Im Betrieb wird das Garn 32 zentral entlang der Vorrichtung zusammen mit dem Wasserdampf geführt. Der Dampf wird durch die Düse 56 beschleunigt und erreicht Schallgeschwindigkeit innerhalb der Düse, in der der Druck um nahezu die Hälfte des Behandlungsdruckes absinkt. Der Sammelbehälter wird auf Atmosphärendruck durch die Auslassöffnungen 55 und 54 gehalten, so dass der Dampfdruck nach einer Düse 56 kontinuierlich absinkt. Die Dampfströmungsmenge wird durch die Düse 56 gedrosselt, so dass sie unabhängig von dem Druck im Sammelbehälter ist. Die Ausgangsöffnung 58 ist in einem Bereich hoher Geschwindigkeit/niedrigen Drucks des Dampfes angeordnet, wobei die Strömung durch die Düse 56 diesen Bereich schafft. Das Garn verlässt die Vorrichtung 10 durch die Öffnung 58, mit einem Minimum an Leckage an die Umgebung der Öffnung 58.

Der durch die Auslassöffnung 54 und 55 austretende Dampf kann gesammelt und wieder verwendet oder kondensiert werden.

Die Vorrichtung nach der Erfindung kann auf mannigfalte Art und Weise gefertigt werden, unter Verwendung einer Mannigfaltigkeit von Materialien, abhängig von den beabsichtigten Betriebsbedingungen. Beispielsweise können alle Teile der Vorrichtung in Teilen gefertigt und dann zusammengeschraubt werden (nicht gezeigt). Geeignete Materialien für die Konstruktion sind rostfreier Stahl, gebrauchstaugliche Legierungen und jedes verschleissfeste, nicht korrodierendes Material.

Vergleichsweise kann die Vorrichtung, wie sie voranstehendbeschrieben ist, unter einer Vielzahl von Bedingungen eingesetzt werden. Die Vorrichtung ist für die sehr schnelle kontaktfreie Erwärmung oder zur Erzeugung von Strömungen sehr großer Geschwindigkeit parallel zu oder entgegen der Richtung der Garnführung geeignet. Die Anwendung kann die Raumerwärmung von verstrecktem Garn, die Erwärmung zur Entspannung technisch er Garne, die Verstreckung und Wärmefixierung von Stapelgarnen oder die Raumerwärmung von Garn in einem einzigen Schritt eines Streck-Spinnprozesses umfassen.

Typische Bedingungen sind z. B. ein Dampf-Einlassdruck in der Plenumkammer von 52733 N/m² (75 psia) oder dergleichen, eine Beschleunigung der Geschwindigkeit auf 26000 m/min durch die erste Düse und auf 43000 m/min in der Expansionskammer. Der Druck am Auslass 24 kann ungefähr auf 0 gehalten werden. Alternativ kann die Vorrichtung auch mit einem positiven Druck d. h. geringem Überdruck am Einlass 26 betrieben werden, um so hereinkommende Luft auszuschließen. Typischerweise sind die Geschwindigkeiten in der Behandlungskammer weit niedriger als diejenigen in der Expansionskammer. Auf der Grundlage der Gesetzmäßigkeiten für kompressible Strömungen ist es möglich Drücke, Geschwindigkeiten und Temperaturen in den verschiedenen Abschnitten der Vorrichtung für verschiedene Geometrien, die von Interesse sind, zu berechnen.

Mit der Vorrichtung nach der Erfindung ist es möglich Behandlungsdrücke von bis zu dem fünffachen Atmosphärendruck, d. h. die Kompressionsverhältnisse betragen 5 : 1 zu erhalten, mit keiner oder nur sehr kleinen Dampfleckagen aus der Vorrichtung,. Mit höheren Versorgungs drücken ergibt der positive Rückdruck geringe Dampfverluste am Eintritt 26, jedoch sind diese Verluste wesentlich kleiner als die Verluste, die entstehen würden, wenn eine Vorrichtung nach der Erfindung nicht eingesetzt wird. Derart hohen Kompressionsverhältnissen wohnt jedoch ein permanenter Druckverlust der Stoßwelle inne, so dass die Versorgungsdrücke erheblich höher als der gewünschte Behandlungsdruck sein müssen, um den permanenten Druckverlust der Stoßwelle auszugleichen.

Wenn es gewünscht wird, die Vorrichtung mit viel höheren Behandlungsdrücken und minimaler Dampfleckage zu betreiben, wie sie praktischerweise mit einem Kompressionsverhältnis von 5 : 1 in dem Rohr erreichbar sind, dann ist es möglich zwei oder mehrere derartige Vorrichtungen zur mehrstufigen Kompression des Druckes einzusetzen, wie nachstehend erläutert wird.

In Fig. 3A ist schematisch eine dreistufige Vorrichtung 110 und in Fig. 3B ein Druckprofil entlang des Behandlungsweges der Vorrichtung 110 gezeigt. Teile oder Drücke ähnlich zu denjenigen die in Verbindung mit der Vorrichtung 10 beschrieben wurden, sind mit Zahlen, die um 100, 200, 300 größer als die Zahlen in den Fig. 1A und 1B sind, in den Fig. 3A und B, dort wo es aus Gründen der Kürze passend ist, belegt. Die Vorrichtung 110 enthält ein Paar von Erststufen-Dampfeinlässen 112, 114 und einen Einlass 126 für das zu behandelnde Garn, das einer Expansionskammer 122 durch einen Auslass 124 und eine erste Düse 120 zugeführt wird. An einer Düse 128 bildet sich eine erste Stoßwelle aus und Dampf hohen Druckes ist in einer Kammer 130 vorhanden. Überschüssiger Dampf wird aus der Kammer 130 durch Öffnungen 113, 115 in Richtung der Pfeile 117 ausströmen.

Die Kammer 130 ist über eine Zufuhröffnung 226 einer Leitung mit einer zweiten Expansions kammer 222 verbunden, die ein weiteres Paar von Dampfeinlässen 212 und 214 enthält, die in die Kammer 222 führen. Es wird angestrebt, die Drücke in den Kammern 130 und 222 im Allgemeinen ähnlich groß zu halten. Die Kammer 222 ist ihrerseits mit einer Kammer 230 höheren Druckes über eine Düse 228 verbunden, in der eine zweite Stoßwelle ausgebildet ist. Das Verfahren wiederholt sich, wenn das Garn die Hochdruckkammer 230 über eine Öffnung 326 in Richtung eines Überschallbereichs 322 verläßt und durch eine Stoßwellendüse 328 in eine Behandlungskammer 330, in der sehr hoher Druck herrscht, eintritt. Die Kammer 330 wird mit Hochdruckdampf von den Einlässen 312 und 314 gespeist. Die Düsen und Öffnungen, die die Kammern miteinander verbinden, können kreisringförmig konzentrisch oder von jeder sonstigen geeigneten Geometrie sein. Die Behandlungskammer 330 ist mit einem Sammelbehälter 152 verbunden.

Die Vorrichtung 110 wird im Allgemeinen so betrieben, wie dies in Verbindung mit den Fig. 1A und 1B beschrieben wurde, mit Ausnahme dessen, dass Dampf an mehr als einem Punkt zur ansteigenden Kaskadenregelung des Druckes der Vorrichtung zugeführt wird, wie dies in Verbindung mit Fig. 3B gezeigt ist. Für Kaskadenvorrichtungen kann es nützlich sein niedrigere Kompressionsverhältnisse anzuwenden als diejenigen, die für Vorrichtungen mit einer einzelnen Stufe verwendet werden. Ein Vorteil besteht bei der Kaskadenregelung darin, dass der permanente Druckverlust geringer ist, so dass die Druckerfordernisse für die Versorgung niedriger sein können. Ein Beispiel für eine Kaskadenvorrichtung mit einem Druckverhältnis 3 : 1 wird nachstehend beschrieben.

In Fig. 3B ist der Atmosphärendruck im Allgemeinen durch die Zahl 344 angezeigt. Der Auslass 124 hat ungefähr Atmosphärendruck, während Dampf durch die Einlässe 112, 114 mit einem Druck von 3515 N/m² (50 psia) geliefert wird. Der Druck in der Kammer 130 steigt auf etwa 31640 N/m² (45 psia) an, wie dies durch die Zahl 350 in Fig. 3B angezeigt ist. Das Garn wird von der Kammer 130 zu der Kammer 222 durch die Öffnung 226 und die Düse 220 geführt. Die Düse 220 ist mit einer anderen Dampfversorgungsquelle höheren Drucks mittels der Einlässe 212, 214 verbunden, wobei der Druck etwa 105465 N/m² (150 psia) beträgt. Der Druck steigt dann nach der Stoßwellen-Düse 228 auf etwa 94919 N/m² (135 psia) an und ist in Fig. 3B durch die Zahl 351 gekennzeichnet. Überschüssiger Dampf wird durch die Öffnungen 213, 215, in Pfeilrichtung 217, falls es erwünscht ist, abgelassen. Das Garn wird dann durch eine Öffnung 326 und die Schalldüse 320 der Überschallkammer 322 zugeführt. Die Versorgung mit Dampf an den Einlassöffnungen 312 und 314 erfolgt mit einem Druck von ungefähr 316395 N/m² (450 psia), wodurch am Ausgang 324 ein Druck von 94919 N/m² (135 psia) gehalten wird und die Strömung durch die Öffnung minimiert wird. Die Düse 328 arbeitet in der Weise, dass sie eine Stoßwelle schafft und den Druck der Behandlungskammer 330 von dem Druck in der Kammer 322 isoliert. Eine derartige Isolation ist auch typisch für die Düse 120 und die Düse 220 mit ihren entsprechenden Kammern. Bei dem voranstehenden Beispiel trägt der Behandlungsdruck 355 etwa 284756 N/m² (405 psia) in der Kammer 330.

In dem strömungsabwärts liegenden Abschnitt durchströmt der Dampf eine weitere Düse 156, die so betrieben wird, dass sie den Dampf wieder beschleunigt und einen Bereich niedrigen Drucks um die Auslassöffnung 158 schafft, wo der Dampf im Wesentlichen auf Umgebungs konditionen zurückgeführt wird, wie dies durch die Zahl 357 in Fig. 3B angezeigt ist.

Eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung und des Verfahrens wird in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben, in der gleiche Teile wie in Fig. 1 mit Zahlen belegt sind, die um 400 höher sind als die entsprechenden Zahlen in Fig. 1.

In Fig. 4 ist schematisch eine Dampfbehandlungsvorrichtung 410 für die Dampfbehandlung von Fertigungsgegenständen bei unteratmosphärischen Bedingungen des Druckes gezeigt. Ein Gehäuse 411 enthält eine unteratmosphärische Behandlungskammer 430, die mit einer Expansionskammer 422 über eine Leitung 418 verbunden ist, die Öffnungen 424 und 426 aufweist. Die Kammer 422 ist mit einer Plenumkammer 416 mittels einer ersten Düse 420 gekoppelt. Eine zweite Düse 428 verbindet die Kammer 422 mit einer Ausströmröhre 423. Die voranstehend beschriebenen verschiedenen Teile werden durch Wände 466 umschlossen und die verschiedenen Teile können in Abschnitten wie im Fall der Vorrichtung 10 und 110 gefertigt werden.

Die Vorrichtung 410 wird in der Weise betrieben, dass Dampf mit erhöhtem Druck, d. h. oberhalb Atmosphärendruck, über die Einlässe 412, 414 der Plenumkammer 416 zugeleitet wird. Der Dampf strömt, wie Pfeile 436 anzeigen, durch die Plenumkammer 416, die Expansionskammer 422 und die Auslassröhre 423. Die Strömung wird so betrieben, dass ein Bereich von niedrigem, bevorzugt Minimaldruck über der Öffnung 424 geschaffen wird und es entsteht eine Schall stoßwelle an der Stelle 428, die den Druck der Kammer 422 von dem Druck der Auslassröhre isoliert.

Das Garn wird kontinuierlich durch eine Öffnung 425 in dem Gehäuse 411 in Richtung eines Pfeils 437 geführt, selbstverständlich können auch andere Gegenstände eingesetzt werden. Der Dampfdruck innerhalb des Gehäuses 411 liegt nur geringfügig über dem Atmosphärendruck, so dass wenig Dampf durch die Öffnung 425 entweicht. Das Garn passiert strömungsabwärts den Stoßwellenbereich bei 428 und gelangt in den Hochgeschwindigkeitsbereich mit unter atmosphärischem Druck der Kammer 422. Der Druck innerhalb der Behandlungskammer 430 wird ungefähr auf den gleichen subatmosphärischen Pegel durch eine subatmosphärische Dampfversorgungsleitung 468 gehalten, so dass die Dampfströmung durch die Leitung 418 minimal ist und die Behandlungskammer wirksam vom Atmosphärendruck isoliert ist. Eine ähnliche, spiegelgleiche Vorrichtung des voranstehend beschriebenen Typs kann strömungs abwärts vorgesehen werden, um das andere Ende der Kammer zu isolieren, wo das Garn die Niederdruckbehandlungskammer 430 verlässt.

Die Erfindung wurde in Verbindung mit verschiedenen Ausführungsformen, die für die Erfindung illustrativ sind, dargestellt und beschrieben. Verschiedene Modifikationen können von dem Fachmann vorgenommen werden, beispielsweise können die zu erwärmenden Materialien in Gestalt von Fasern, Garnen, Seilen, Blättern, Folien, Geweben oder jedem sonstigen kontinuierlichen Strom von Festmaterial eingesetzt werden. Es können ebenso nicht-kontinuierli che Materialien (das sind Partikeln oder halbfeste Teilchen) behandelt werden, die durch die Behandlungskammer auf kontinuierlich laufenden B ändern transportiert werden. Die Erfindung ist im Wesentlichen auf eine Vorrichtung für die Wärmebehandlung von Materialien durch Kondensation von Dampf auf dem Material gerichtet, in einer Kombination von Temperatur- und Druckanwendung entsprechend der Sättigung des Dampfes, bei dem es sich im Allgemeinen um Wasserdampf, Ethylenglykol, Dowtherm und dergleichen handelt, wie voranstehend erläutert wurde.

Claims

1. Verfahren zur Wärmebehandlung eines Fertigungsgegenstandes, bei dem

a) ein erhitztes Dampfmedium unter erhöhtem Druck durch eine erste Düse in eine Dampfexpansionskammer geleitet wird, wobei die erste Düse mit der Expansionskammer in der Weise zusammenwirkt, dass eine Hochgeschwindigkeitsströmung in der Expansionskammer erzeugt wird, die innerhalb der Expansionskammer Bereiche mit reduziertem Druck schafft;
b) der Fertigungsgegenstand kontinuierlich der Expansionskammer durch eine Zufuhröff nung, die innerhalb, eines Bereiches mit reduziertem Druck in der Expansionskammer angeordnet ist, zugeführt wird;
c) der Fertigungsgegenstand durch einen Stoßwellenbereich zu einer Behandlungskammer geleitet wird, wobei der Stoßwellenbereich den Druck der Behandlungskammer von dem Druck der Expansionskammer isoliert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhröffnung durch eine Zufuhrleitung festgelegt wird und nahe oder an einer Stelle mit minimalem Druck innerhalb der Expansionskammer angeordnet ist, und dass die Zufuhrleitung einen Einlass außerhalb der Expansionskammer aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erhitztes Dampfmedium durch eine zweite Düse der Behandlungskammer zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fertigungsgegenstand aus der Gruppe Fasern, Faserseile, Folien, Gewebe und Garne ausgewählt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fertigungsgegenstand ein Faserseil ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fertigungsgegenstand aus Polyethylenterephthalat geformt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erhitzte Dampfmedium Wasserdampf ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für den Wasserdampf Sättigungsbedingungen in der Behandlungskammer herrschen.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für den Wasserdampf im wesentlichen Sättigungsbedingungen vorliegen, wenn er der ersten Düse zugeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erhitzte Dampfmedium aus der Behandlungskammer über eine dritte Düse entlüftet wird.

11. Verfahren zur Wärmebehandlung eines Fertigungsgegenstandes, bei dem

a) ein erhitztes Dampfmedium unter erhöhtem Druck durch eine erste Düse in eine Expansionskammer eingespeist wird, um in dieser einen Bereich niedrigen Drucks zu erzeugen;
b) das Dampfmedium aus der Expansionskammer über eine zweite Düse entlüftet wird, die eine Stoßzone generiert, die den Druck in der Expansionskammer von dem Außendruck isoliert; und
c) der Fertigungsgegenstand durch die Stoßzone und durch den Niedrigdruckbereich der Expansionskammer durch eine Zufuhröffnung hindurch zu einer Behandlungskammer mit niedrigem Druck geführt wird, der subatmosphärisch ist.

12. Selbstdichtende Vorrichtung (10) zur Dampfbehandlung kontinuierlich zugeführter Fertigungsgegenstände, mit

a) einer ersten Einrichtung (12, 14, 16) zur Lieferung eines erhitzten Dampfmediums (36) mit erhöhtem Druck;
b) einer Dampfexpansionskammer (22);
c) einer ersten Düse (20), welche die Einrichtungen (12, 14, 16) zur Lieferung von erhitztem Dampfmedium mit der Expansionskammer (22) verbindet, wobei die erste Düse mit der Expansionskammer derart zusammenwirkt, dass eine Hochgeschwindigkeitsströmung des Dampfmediums in der Expansionskammer (22) erzeugt und der Druck des Dampf mediums auf ein Minimum innerhalb der Expansionskammer reduziert wird;
d) einer Zufuhröffnung (24), die so angeordnet, konfiguriert und dimensioniert ist, dass sie die Fertigungsgegenstände (32) innerhalb der Expansionskammer in eine Zone mit reduziertem Dampfmediumdruck einführt;
e) einer Behandlungskammer (30), und
f) einer zweiten Düse (28), die die Expansionskammer (22) und die Behandlungskammer (30) miteinander verbindet, wobei die zweite Düse (28) eine Schallstoßwelle aufrecht erhält, die den Druck in der Behandlungskammer von dem Druck in der Expansions kammer isoliert.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zufuhrleitung (18) eine erste und zweite Öffnung (24, 26) aufweist, wobei die erste Öffnung die Zufuhröffnung (24) ist und innerhalb der Expansionskammer nahe oder an der Stelle des Druckminimums in der Expansionskammer angeordnet ist und dass die zweite Öffnung (26) sich außerhalb der Expansionskammer befindet.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochgeschwindigkeits strömung eine Überschallströmung ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Einrichtung, die erhitztes Dampfmedium liefert, mit der zweiten Düse (28) gekoppelt ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine strömungsabwärts angeordnete dichtende Einrichtung

a) eine dritte Düse (56) aufweist; des weiteren
b) einen Sammelbehälter (52), der über die dritte Düse mit der Behandlungskammer (30) in Verbindung steht; und
c) eine Ausgangsöffnung (58) im Sammelbehälter (52) in einer Zone reduzierten Drucks, erzeugt durch die dritte Düse (56).

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Düse (56) geeignet ist eine Schallstoßwelle aufrecht zu erhalten, die den Druck im Sammelbehälter (52) von dem Druck in der Behandlungskammer (39) isoliert.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Düse (56) geeignet ist, ein Druckminimum innerhalb des Sammelbehälters (52) zu erzeugen und dass die Ausgangsöffnung (58) nahe oder an der Stelle des Druckminimums angeordnet ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus rostfreiem Stahl besteht.

20. Vorrichtung zum kaskadenförmigen Druckaufbringen während der Dampfbehandlung von kontinuierlich zugeführten Fertigungsgegenständen, mit

a) einer ersten Einrichtung (112, 114) zur Lieferung einer Erstversorgung mit erhitztem Dampfmedium unter erhöhtem Druck;
b) einer ersten Dampfexpansionskammer (122);
c) einer ersten Düse (120), welche die Einrichtung zur Lieferung einer Erstversorgung mit erhitztem Dampfmedium mit der ersten Expansionskammer (122) verbindet, wobei die erste Düse mit der ersten Expansionskammer so zusammenwirkt, dass eine Überschall strömung des Dampfmediums in der Expansionskammer erzeugt wird und ein Druckminimum in der Expansionskammer entsteht;
d) einer ersten Zufuhröffnung (124), die derart angeordnet, konfiguiert und dimensioniert ist, dass sie die Fertigungsgegenstände in der ersten Expansionskammer in eine Zone reduzierten Drucks einführt;
e) einer zweiten Einrichtung (212, 214) zur Lieferung einer Zweitversorgung mit erhitztem Dampfmedium unter erhöhtem Druck;
f) einer zweiten Dampfexpansionskammer (222);
g) einer zweiten Düse (128), welche die Einrichtung für die Zweitversorgung von erhitztem Dampfmedium mit der zweiten Dampfexpansionskammer verbindet, wobei die zweite Düse mit der zweiten Expansionskammer (122) so zusammenarbeitet, dass eine Überschallströmung des Dampfmediums innerhalb der zweiten Dampfexpansionskammer erzeugt und ein Druckminimum in der zweiten Expansionskammer generiert wird;
h) einer zweiten Zufuhröffnung (224), die derart positioniert, konfiguriert und dimensioniert ist, dass sie die Fertigungsgegenstände in die zweite Expansionskammer in einer Zone mit reduziertem Druck einführt;
i) einer dritten Einrichtung (312, 314) zur Lieferung von erhitztem Dampfmedium mit erhöhtem Druck;
j) einer Behandlungskammer (330);
k) einer dritten Düse (328), welche die dritte Einrichtung zur Lieferung von erhitztem Dampfmedium mit der Behandlungskammer verbindet, wobei die dritte Düse geeignet ist eine Schallstoßwelle aufrecht zu erhalten, die den Druck der Behandlungskammer von dem Druck der zweiten Dampfexpansionskammer (222) isoliert; und
l) einer dritten Zufuhröffnung (324), die die Fertigungsgegenstände in die Behandlungs kammer (330) einführt.