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Fachgebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Verfahren zur Herstellung fester, weicher, absorbierender Faserstoffbahnen
bzw. Vliesbahnen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung
die Entwässerung
von Faserstoffbahnen.
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Hintergrund der Erfindung
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Faserstrukturen, wie etwa Papierbahnen,
werden mit einer Vielfalt an Verfahren hergestellt. Zum Beispiel
können
Papierbahnen gemäß den gemeinsam übertragenen
US-Patenten 5 556 509 (Trokhan et al., 17. September 1996); 5 580
423 (Ampulski et al., 3. Dezember 1996); 5 609 725 (Phan, 11. März 1997);
5 629 052 (Trokhan et al., 13. Mai 1997); 5 637 194 (Ampulski et
al., Juni 1997); und 5 674 663 (McFarland et al., 7. Oktober 1997)
hergestellt werden, deren Offenbarungen hier per Referenz aufgenommen
sind. Papierbahnen können
auch unter Verwendung von Luftdurchgangs-Trocknungsverfahren hergestellt werden
wie in den gemeinsam übertragenen
US-Patenten 4 514 345 (Johnson et al., 30. April 1985); 4 528 239
(Trokhan, 9. Juli 1985); 4 529 480 (Trokhan, 16. Juli 1985); 4 637
859 (Trokhan, 20. Januar 1987); und 5 334 289 (Trokhan et al., 2.
August 1994) beschrieben. Die Offenbarungen der vorangehenden Patente
sind hier per Referenz aufgenommen.
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Die Entfernung von Wasser aus dem
Papier im Verlauf von Papierherstellungsverfahren bringt typischerweise
mehrere Schritte mit sich. Anfänglich
enthält
eine wäßrige Faserdispersion
typischerweise mehr als 99% Wasser und weniger als 1% papierbildende
Fasern. Fast 99% dieses Wassers wird mechanisch entfernt, was eine
Faserkonsistenz von etwa 20% ergibt. Dann entfernen Preß- und/oder
thermische Arbeitsgänge
und/oder Luftdurchgangstrocknung oder eine Kombination daraus typischerweise
weniger als etwa 1% des Wassers, was die Faserkonsistenz der Stoffbahn
auf etwa 60% erhöht.
Schließlich
wird das restliche Wasser in dem abschließenden Trocknungsarbeitsgang
(der typischerweise einen Trocknungszylinder verwendet) entfernt,
wodurch die Faserkonsistenz der Stoffbahn auf etwa 95% erhöht wird.
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Aufgrund einer derartig großen Menge
an Wasser, die entfernt werden muß, ist die Entfernung von Wasser
einer der energieintensivsten Grundarbeitsgänge in industriellen Papierherstellungsverfahren.
Nach einer Studie ist die Papierherstellung der führende Industriezweig
beim Gesamtenergieverbrauch für
die Trocknung, wobei 1985 mehr als 3,75 × 1014 BTU
verbraucht wurden (Salama et al., Competitive Position of Natural Gas:
Industrial Solids Drying, Energy and Environmental Analysis, Inc.,
1987). Daher können
effizientere Verfahren für
die Entfernung von Wasser in den Papierherstellungsverfahren erhebliche
Vorteile, wie etwa eine erhöhte
Maschinenkapazität
und verringerte Betriebskosten, für die papierherstellende Industrie
zur Verfügung stellen.
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Es ist auf dem Fachgebiet der Papierherstellung
bekannt, stationär
fließendes
Prallgas und Zylindertrockner zu verwenden, um eine Papierbahn zu
trocknen. (Siehe zum Beispiel Polat et al., Drying of Pulp and Paper,
Handbook of Industrial Drying, S. 643–682, 1987). Typischerweise
werden für
Gewebeprodukte Aufprallhauben zusammen mit Zylindertrocknern verwendet.
In Stoffbahnen mit relativ niedrigen Basisgewichten von etwa 8–11 Pfund
pro 3000 Quadratfuß wird
Wasser in etwa 0,5 Sekunden entfernt. (Anmerkung: Im vorliegenden
Patent wird "Pfund" jeweils im Sinne
von amerikanischen "pound" = 453,592 g verwendet. "Fuß" bedeutet jeweils
30,48 cm.) Dies entspricht einer Verdampfungsrate von etwa 42 Pfund
pro Stunde pro Quadratfuß,
wobei etwa 75% der gesamten Verdampfung durch die Aufprallhauben
geleistet wird. Die Trocknungsraten von Papierprodukten mit relativ
höheren
Basisgewichten sind beträchtlich
langsamer. Zum Beispiel hat Zeitungspapier mit einem Basisgewicht
von etwa 30 Pfund pro 3000 Quadratfuß auf den Zylindertrocknern
die Verdampfungsrate von etwa 5 Pfund pro Stunde pro Quadratfuß. Siehe
zum Beispiel P. Enkvist et al., The Valmet High Velocity and Temperature
Yankee Hood on Tissue Machines, vorgestellt am 12.–13. Juni
auf den Valmet Technology Days 1997, in Oshkosh, Wisconsin, USA.
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Es ist auch bekannt, Schallenergie,
wie sie von Dampfstrahlpfeifen erzeugt wird, zu verwenden, um die
Entfernung von Wasser aus verschiedenen Produkten, einschließlich Papier,
zu erleichtern. US-A-3 668 785 (Rodwin, 13. Juni 1972) lehrt Schalltrocknung
gemeinsam mit Prallstromtrocknung für die Trocknung einer Papierbahn.
US-A-3 694 926 (Rodwin et al., 3. Oktober 1972) lehrt einen Papiertrockner
mit einem Schalltrocknungsabschnitt, durch den die Bahn geführt wird
und in dem sie von gruppierten Rauschgeneratoren einem Rauschen
mit hoher Intensität
ausgesetzt wird, um Feuchtigkeit aus der Stoffbahn örtlich zu
versetzen. US-A-3 750 306 (Rodwin et al., 7. August 1973) lehrt
Schalltrocknen von Bahnen und Rollen, wobei entlang rillenartigen
Reflektoren beabstandete Dampfstrahlpfeifen und Sekundärluft mit
niedrigem Druck beteiligt sind, um örtlich versetzte Feuchtigkeit
aus der laufenden Bahn zu fegen.
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Die vorhergehenden Ausführungen
stellen eine Einrichtung zum Erzeugen von Schall-/akustischer Energie
und eine getrennte Einrichtung zum Erzeugen von stationär fließender Prall-/Wischluft
zur Verfügung. Das
Erzeugen der akustischen Energie gemäß dem bisherigen Stand der
Technik mit derartigen Einrichtungen wie Rauschgeneratoren, Dampfpfeifen
und ähnlichem
erfordert sehr leistungsfähige
akustische Quellen und führt
zu einem erheblichen Energieverbrauch. Es ist auf dem Fachgebiet
wohlbekannt, daß der
Wirkungsgrad herkömmlicher
Rauschgeneratoren, wie etwa von Sirenen, Hupen, Dampfpfeifen und ähnlichem,
typischerweise 10–25% nicht übersteigt.
Eine zusätzliche
Ausstattung, wie etwa Hilfskompressoren, um Luft unter Druck zu
setzen, und Verstärker,
um den gewünschten
Schalldruck zu erzeugen, können
ebenfalls notwendig sein, um eine gewünschte Trocknungswirkung zu
erzielen.
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Nun wurde herausgefunden daß das Aufprallen
von Luft oder Gas mit einer oszillierenden Stromumkehrbewegung auf
eine Papierbahn im Gegensatz zu einem stationär fließenden Aufprall nach bisherigem Stand
der Technik erhebliche Vorteile, einschließlich höherer Trocknungs/Entwässerungsraten
und Energieersparnis liefern kann. Es wird angenommen, daß Prallluft
oder ein Prallgas mit oszillierender Stromumkehr mit relativ niedrigen
Frequenzen ein wirksames Mittel ist, um die Wärme- und Massenübertragungsraten
in Papierherstellungsverfahren relativ zum bisherigen Stand der
Technik zu erhöhen.
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Die Impulsverbrennungstechnologie
ist ein bekanntes und gangbares kommerzielles Verfahren zur Verbesserung
der Wärme-
und Massenübertragung
in thermischen Verfahren. Kommerzielle Anwendungen umfassen industrielle
und Haushaltsheizsysteme, Boiler, Kohlevergasung, Sprühtrocknung
und Sondermüllverbrennung.
Zum Beispiel offenbaren die folgenden US-Patente mehrere industrielle
Anwendungen der Impulsverbrennung: US-A-5 059 404 (Mansor et al.,
22. Oktober 1991); US-A-5 133 297 (Mansour, 28. Juli 1992); US-A-5
197 399 (Mansour, 30. März
1993); US-A-5 205
728 (Mansour, 27. April 1993); US-A-5 211 704 (Mansour, 18. Mai
1993); US-A-5 255 634 (Mansour, 26. Oktober 1993); US-A-5 306 481
(Mansour et al., 26. April 1994); US-A-5 353 721 (Mansour et al.,
11. Oktober 1994); und US-A-5 366 371 (Mansour et al., 22. November
1994), wobei die Offenbarungen dieser Patente hier zum Zwecke der
Beschreibung der Impulsverbrennung per Referenz aufgenommen sind.
Ein Artikel mit dem Titel „Pulse
Combustion: Impinging Jet Heat Transfer Enhancement", von P. A. Eibeck
et al., veröffentlicht
in Combustion Science and Technology, Bd. 94, S. 147–165, 1993,
beschreibt ein Verfahren zur Verbesserung der konvektiven Wärmeübertragung,
welches die Verwendung eines Impulsbrenners mit sich bringt, um
einen transienten Strahl zu erzeugen, der auf eine ebene Platte
aufprallt. Der Artikel berichtet Verbesserungen der konvektiven
Wärmeübertragung
von einem Faktor von bis zu 2,5 im Vergleich zum stationären Stromaufprall.
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Der Anmelder glaubt, daß der Aufprall
mit oszillierender Stromumkehr auch eine erhebliche Verbesserung
der Wärme-
und Massenübertragung
in Stoffbahnentwässerungsund/oder
Trocknungsverfahren im Vergleich zu Entwässerungsund/oder Trocknungsverfahren
nach bisherigem Stand der Technik zur Verfügung stellen kann. Insbesondere
glaubt man, daß der
Aufprall mit oszillierender Stromumkehr erhebliche Vorteile hinsichtlich
der Erhöhung
von Papierbearbeitungsgeschwindigkeiten und/oder der Verringerung
des Luftstrombedarfs zum Trocknen der Stoffbahn liefern kann, wodurch
die Größe der Einrichtungen
und die Kapitalkosten von Stoffbahntrocknungs-/Entwässerungsarbeiten
und folglich eines gesamten Papierherstellungsverfahrens verringert
werden. Außerdem
glaubt man, daß der
Aufprall mit oszillierender Stromumkehr es einem ermöglicht,
ein im wesentlichen gleichmäßiges Trocknen
der Stoffbahnen mit unterschiedlicher Dichte zu erreichen, welche
von dem gegenwärtigen
Anmelder hergestellt werden und auf die hier weiter oben Bezug genommen
wurde. Man glaubt nun auch, daß der
Aufprall mit oszillierender Stromumkehr, entweder allein oder in
Kombination mit anderen Wasserentfernungsverfahren, wie etwa Luftdurchgangstrocknung,
stationärer Prallstromtrocknung
und Trocknungszylindertrocknung, erfolgreich auf die Entwässerung
und/oder Trocknung von Faserstoffbahnen angewendet werden kann.
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Um in der Lage zu sein, Wasser effizient
aus der Stoffbahn zu entfernen, sollte die Luft oder das Gas mit
oszillierender Stromumkehr in den meisten Fällen in einer im wesentlichen
gleichmäßigen Weise,
insbesondere über
die Breite der Stoffbahn (d. h. in Querlaufrichtung), auf die Stoffbahn
wirken. Alternativ könnte man
sich wünschen,
die Anwendung des oszillierenden Prallgases über die Breite der Stoffbahn
in einer speziell vorbestimmten Weise zu differenzieren, wodurch
der relative Feuchtigkeitsgehalt und/oder die Trocknungsraten verschiedener
Regionen der Stoffbahn gesteuert werden. In jedem Fall ist die Steuerung
der Verteilung der Luft oder des Gases mit oszillierender Stromumkehr über die
Oberfläche
der Stoffbahn, und insbesondere die Querlaufrichtung, entscheidend
für die
Wirksamkeit des Verfahrens zur Entfernung von Wasser aus der Stoffbahn.
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Papierbahnen, die auf modernen Papiermaschinen
in industriellem Maßstab
hergestellt werden, haben eine Breite von etwa 100 bis 400 Inch
und laufen mit Lineargeschwindigkeiten von bis zu 7000 Fuß pro Minute.
Eine derartige Breite, verbunden mit einer Hochgeschwindigkeitsbewegung
der Stoffbahn, erzeugt gewisse Schwierigkeiten in der (vermutlich
gleichmäßigen) Steuerung
der Verteilung des oszillierenden Gases über die Oberfläche der
Stoffbahn. Vorhandene Vorrichtungen zur Erzeugung von Luft oder
Gas mit oszillierender Stromumkehr, wie etwa zum Beispiel Impulsbrenner,
sind, wenn überhaupt,
nicht gut geeignet, über eine
relativ große
Fläche
ein erforderliches im wesentlichen gleichmäßiges oszillierendes Feld aus
Luft oder Gas mit Stromumkehr zu erzeugen.
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Entsprechend ist es eine Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung
von Wasser aus Faserstoffbahnen zur Verfügung zu stellen, wobei das
Prallgas mit oszillierender Stromumkehr verwendet wird. Es ist eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gasverteilungssystem
zur Verfügung
zu stellen, das es einem ermöglicht,
die Verteilung der Luft oder des Gases mit oszillierender Stromumkehr über die
Oberfläche
der Stoffbahn wirksam zu steuern. Es ist noch eine andere Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, ein Gasverteilungssystem zur Verfügung zu
stellen, das eine im wesentlichen gleichmäßige Anwendung der Luft oder
des Gases mit oszillierender Stromumkehr auf die Stoffbahn erzeugt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung stellt
ein neuartiges Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung von Wasser
aus einer Faserstoffbahn unter Verwendung von Luft oder Gas mit
oszillierender Stromumkehr als ein Aufprallmedium zur Verfügung. Die
Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung können in
verschiedenen Stadien des gesamten Papierherstellungsverfahrens
verwendet werden – von
einem Stadium der Bildung einer entstehenden Stoffbahn bis zum Stadium
des Nachtrocknens. Daher kann die Faserstoffbahn einen Anfangsfeuchtigkeitsgehalt
in einem breiten Bereich von etwa 10% bis etwa 90% haben, d. h.
eine Faserkonsistenz der Stoffbahn kann zwischen etwa 90% und etwa
10% liegen.
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Nach ihrem Verfahrensaspekt weist
die vorliegende Erfindung die folgenden Schritte auf: Bereitstellen einer
Faserstoffbahn; Bereitstellen eines Prallgases mit oszillierender
Stromumkehr mit einer vorbestimmten Frequenz, bevorzugt im Bereich
von 15 Hz bis 1500 Hz; Bereitstellen eines Gasverteilungssystems,
das mehrere Ausströmauslässe aufweist
und so konstruiert ist, daß es
das Gas mit oszillierender Stromumkehr auf einen vorbestimmten Teil
der Stoffbahn liefert; und Aufprallen des Gases mit oszillierender
Stromumkehr durch die mehreren Ausströmauslässe auf die Stoffbahn, wodurch
Feuchtigkeit aus der Stoffbahn entfernt wird. Bevorzugt läßt man das
Prallgas mit oszillierender Stromumkehr auf die Stoffbahn in einem
vorbestimmten Muster aufprallen, welches eine Aufprallfläche der
Stoffbahn definiert.
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Dem ersten Schritt des Bereitstellens
einer Faserstoffbahn können
Schritte der Bildung einer derartigen Stoffbahn vorausgehen, welche
die Schritte des Bereitstellens mehrerer papierbildender Fasern
umfassen. Die vorliegende Erfindung umfaßt auch die Verwendung einer
Stoffbahn, die durch Trockenluftlegeverfahren gebildet wird, oder
einer Stoffbahn, die erneut befeuchtet wurde. Die Stoffbahn kann
vor der Wasserentfernung durch das Verfahren und die Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung eine ungleichmäßige Feuchtigkeitsverteilung
haben, d. h. die Faserkonsistenz ei niger Teile der Stoffbahn kann
verschieden von der Faserkon sistenz der anderen Stoffbahnteile
sein.
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Eine Wasserentfernungsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung hat eine Laufrichtung und eine zu der Laufrichtung
senkrechte Querlaufrichtung bzw. Querrichtung. Die Vorrichtung der
vorliegenden Erfindung weist auf: einen Stoffbahnträger, der
konstruiert ist, um eine Faserstoffbahn darauf aufzunehmen und sie
in der Laufrichtung zu befördern;
mindestens einen Impulsgenerator, der konstruiert ist, Luft oder
Gas mit oszillierender Stromumkehr mit einer Frequenz von etwa 15
Hz bis etwa 1500 Hz zu erzeugen; und mindestens ein Gasverteilungssystem
in Fluidverbindung mit dem Impulsgenerator, um die Luft oder das
Gas mit oszillierender Stromumkehr an einen vorbestimmten Teil der
Stoffbahn zu liefern. Das Gasverteilungssystem endet mit mehreren
Ausströmauslässen, die
dem Stoffbahnträger
(oder der Stoffbahn, wenn die Stoffbahn auf dem Stoffbahnträger angeordnet
ist) gegenübergestellt
sind. Der Stoffbahnträger
und die Ausströmauslässe bilden
dazwischen einen Aufprallbereich. Der Aufprallbereich ist durch
einen Aufprallabstand „Z" definiert. Der Aufprallabstand
Z ist mit anderen Worten ein Zwischenraum zwischen den Ausströmauslässen und
dem Stoffbahnträger.
Bevorzugt weisen die mehreren Ausströmauslässe ein vorbestimmtes Muster
auf, das eine Aufprallfläche „E" der Stoffbahn definiert.
Das das mit oszillierender Stromumkehr kann auf die Stoffbahn aufprallen,
um eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung
des Gases über
die Aufprallfläche
der Stoffbahn zu liefern. Alternativ kann das oszillierende Gas
auf die Stoffbahn aufprallen, um eine ungleichmäßige Verteilung des Gases über die
Aufprallfläche
der Stoffbahn zu liefern, wodurch die Steuerung der Feuchtigkeitsprofile
der Stoffbahn ermöglicht
wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
ist der Impulsge nerator eine Vorrichtung, die konstruiert ist,
Luft oder Gas mit oszillierender Stromumkehr mit einer zyklischen
Geschwindigkeits-/Impulskomponente und einer mittleren Geschwindigkeits-/Impulskomponente
zu erzeugen. Bevorzugt wird ein von dem Impulsgenerator erzeugter
Schalldruck in eine zyklische Bewegung mit großer Amplitude umgewandelt,
welche negative Perioden aufweist, die sich mit positiven Perioden
abwechseln, wobei die positiven Perioden, wie weiter unten detaillierter
beschrieben, relativ zu den negativen Perioden einen größeren Impuls
und eine größere zyklische Geschwindigkeit
haben.
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Ein bevorzugter Impulsgenerator weist
einen Impulsbrenner auf, der im allgemeinen eine Verbrennungskammer,
einen Lufteinlaß,
einen Brennstoffeinlaß und
eine Resonanzröhre
aufweist. Die Röhre
wirkt als ein Resonator, der stehende akustische Wellen erzeugt.
Die Resonanzröhre
ist in weiterer Fluidverbindung mit einem Gasverteilungssystem.
Wie er hier verwendet wird, definiert der Begriff „Gasverteilungssystem" eine Kombination
von Röhren,
Endrohren, Blaskästen,
etc., die konstruiert sind, um einen geschlossenen Weg für die von
dem Impulsgenerator erzeugte Luft oder das Gas mit oszillierender
Stromumkehr zu liefern und die Luft oder das Gas mit oszillierender
Stromumkehr auf einen vorbestimmten (hier weiter oben definierten)
Aufprallbereich zu liefern, wo die Luft oder das Gas mit oszillierender
Stromumkehr auf die Stoffbahn prallt, wodurch Wasser daraus entfernt
wird. Das Gasverteilungssystem ist derart konstruiert, daß eine störende Interferenz
minimiert, bevorzugt ganz vermieden wird, welche eine gewünschte Betriebsart
des Impulsbrenners oder wesentliche Oszillationseigenschaften des
von dem Impulsbrenner erzeugten Gases mit oszillierender Stromumkehr
nachteilig beeinflussen kann. Das Gasverteilungssystem liefert das
Prallgas oder die Luft mit oszillierender Stromumkehr bevorzugt
durch mehrere Ausströmauslässe oder
Düsen auf
die Stoffbahn. Die bevorzugte Frequenz des Prallgases oder der Luft
mit oszillierender Stromumkehr ist im Bereich von etwa 15 Hz bis
etwa 1500 Hz, Die Frequenz liegt, abhängig von der Art des Impulsgenerators
und/oder gewünschten
wesentlichen Eigenschaften des Wasserentfernungsverfahrens, bevorzugter
zwischen 15 Hz und 500 Hz und am bevorzugtesten zwischen 15 Hz und
250 Hz. Wenn der Impulsgenerator den Impulsbrenner aufweist, ist
die bevorzugte Frequenz von etwa 75 Hz bis etwa 250 Hz. Ein Helmholtz-Resonator
kann in dem Impulsgenerator der vorliegenden Erfindung verwendet
werden. Typischerweise kann der Helmholtz-Impulsgenerator so abgestimmt
werden, daß er
eine gewünschte
Tonfrequenz erreicht. In dem Impulsbrenner ist die Temperatur des oszillierenden
Gases beim Austritt aus den Ausströmauslässen etwa 500°F bis etwa
2500°F.
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Eine weitere Ausführungsform des Impulsgenerators
weist eine Infraschallvorrichtung auf. Die Infraschallvorrichtung
weist eine Resonanzkammer auf, die durch einen Pulsator mit einem
Lufteinlaß in
Fluidverbindung ist. Der Pulsator erzeugt oszillierende Luft mit
einem Infraschalldruck (niedrige Frequenz), der dann in der Resonanzkammer
und in der Resonanzröhre
verstärkt
wird. Die Infraschallvorrichtung-Vorzugsfrequenz der Luft mit oszillierender
Stromumkehr liegt zwischen 15 Hz und 100 Hz. Falls gewünscht, kann
die Vorrichtung, welche die Infraschallvorrichtung aufweist, eine
Einrichtung zum Heizen der von der Infraschallvorrichtung erzeugten
Luft mit oszillierender Stromumkehr haben.
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Das Prallgas oder die Luft mit oszillierender
Stromumkehr hat zwei Komponenten: eine mittlere Komponente, die
durch eine mittlere Geschwindigkeit und einen entsprechenden mittleren
Impuls gekennzeichnet ist; und eine oszillierende oder zyklische
Komponente, die durch eine zyklische Geschwindigkeit und einen entsprechenden
zyklischen Impuls gekennzeichnet ist. Die Oszillationszyklen, während denen
das Verbrennungsgas sich von der Verbrennungskammer „vorwärts" und in, durch und
aus dem Gasverteilungssystem bewegt, sind positive Perioden; und
die Oszillationszyklen, während
denen ein Rückfluß des Prallgases
stattfindet, sind negative Perioden. Eine mittlere Amplitude der
positiven Perioden ist eine positive Amplitude, und eine mittlere Amplitude
der negativen Perioden ist eine negative Amplitude. Während den
positiven Perioden hat das Prallgas eine positive Geschwindigkeit
in eine positive Richtung auf die auf dem Stoffbahnträger angeordnete
Stoffbahn zu; und während den
negativen Perioden hat das Prallgas eine negative Geschwindigkeit
in eine negative Richtung. Die positive Richtung ist entgegengesetzt
zu der negativen Richtung, und die positive Geschwindigkeit ist
entgegengesetzt zu der negativen Geschwindigkeit. Die positive Geschwindigkeitskomponente
ist größer als
die negative Geschwindigkeitskomponente, und die mittlere Geschwindigkeit
hat die positive Richtung.
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Der Impulsbrenner erzeugt in der
Verbrennungskammer einen intensiven Schalldruck, typischerweise in
der Größenordnung
von 160–190
dB. Dieser Schalldruck erreicht seinen Maximalpegel in der Verbrennungskammer.
Aufgrund des offenen Endes der Resonanzröhre wird der Schalldruck am
Ausgang der Resonanzröhre
verringert. Dieser Abfall des Schalldrucks führt zu einer fortschreitenden
Zunahme der zyklischen Geschwindigkeit, welche am Ausgang der Resonanzröhre ihr
Maximum erreicht. In dem bevorzugten Helmholtz-Impulsbrenner ist
der Schalldruck am Ausgang der Resonanzröhre minimal, um eine maximale
zyklische Geschwindigkeit im Auslaßstrom des oszillierenden Prallgases
zu erreichen. Der abnehmende Schalldruck verringert günstigerweise
das mit schallunterstützten
Verfahren des bisherigen Stands der Technik typischerweise zusammenhängende Rauschen.
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Am Ausgang des Gasverteilungssystems
wird die zyklische Geschwindigkeit, welche von etwa 1000 Fuß/min bis
etwa 50000 Fuß/min
und bevorzugt von etwa 2500 Fuß/min
bis etwa 50000 Fuß/min
reicht, auf der Grundlage des in der Verbrennungskammer gemessenen
Schalldrucks berechnet. Die bevorzugtere zyklische Geschwindigkeit
liegt zwischen etwa 5000 Fuß/min
und etwa 50000 Fuß/min.
Die mittlere Geschwindigkeit liegt etwa zwischen 1000 Fuß/min und
etwa 25000 Fuß/min,
bevorzugt etwa zwischen 2500 Fuß/min
und etwa 25000 Fuß/min
und bevorzugter etwa zwischen 5000 Fuß/min und etwa 25000 Fuß/min.
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Es wird angenommen, daß die Vorrichtung
und das Verfahren der vorliegenden Erfindung für die Stoffbahn mit einem Feuchtigkeitsgehalt
von etwa 10% bis etwa 60% Wasserentfernungsraten von bis zu 150 Pfund/Fuß2·h
und höher ermöglichen.
Um die gewünschten
Wasserentfernungsraten zu erreichen, sollte das Prallgas mit oszillierender
Stromumkehr bevorzugt ein oszillierendes „Strömungsfeld" bilden, das die Stoffbahn im wesentlichen
gleichmäßig über die
Oberfläche
der Stoffbahn berührt.
Eine Art, dies zu erreichen, ist zu bewirken, daß der Strom des oszillierenden
Gases von dem Gasverteilungssystem durch ein Netz von Ausströmauslässen im
wesentlichen gleichmäßig aufgeteilt
wird und auf die trocknende Oberfläche der Stoffbahn prallt. Deshalb
ist die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung konstruiert, das
Prallgas oder die Luft mit oszillierender Stromumkehr gemäß einem
vorbestimmten und bevorzugt steuerbaren Muster auf die Stoffbahn
ausströmen
zu lassen. Ein Verteilungsmuster der Ausströmauslässe kann variieren. Ein bevorzugtes
Verteilungsmuster weist eine nicht zufällige versetzte Anordnung auf.
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Die Ausströmauslässe des Gasverteilungssystems
können
eine Vielfalt an Formen haben, einschließlich, aber nicht darauf eingeschränkt: eine
runde Form, eine im allgemeinen rechteckige Form, eine länglich-schlitzartige
Form, etc. Jeder der Ausströmauslässe hat
eine offene Fläche „A" und einen äquivalenten Durchmesser „D". Eine resultierende
offene Fläche „ΣA" ist eine kombinierte
offene Fläche,
die aus allen einzelnen offenen Flächen der Ausströmauslässe zusammen
gebildet wird. Eine Fläche
eines Teils der Stoffbahn, auf den das Aufprallfeld mit oszillierender
Stromumkehr aufprallt, ist zu jedem Zeitpunkt des kontinuierlichen Verfahrens
die Aufprallfläche „E".
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Bevorzugt wird die Stoffbahn von
dem Stoffbahnträger,
am besten in die Laufrichtung laufend, gehalten. In der bevorzugten
Ausführungsform
kann eine Einrichtung zum Steuern des Aufprallabstands, wie etwa zum
Beispiel herkömmliche
manuelle Mechanismen ebenso wie automatisierte Vorrichtungen, vorgesehen werden,
um zu bewirken, daß die
Auslässe
des Gasverteilungssystems und der Stoffbahnträger sich relativ zueinander
bewegen, wodurch der Aufprallabstand verändert wird. Der Aufprallabstand
kann ansprechend auf ein Signal von einer Steuerungsvorrichtung
vorausschauend automatisch einstellbar sein, wobei mindestens einer
der Parameter des Entwässerungsverfahrens
oder einer der Parameter der Stoffbahn gemessen wird. In der bevorzugten
Ausführungsform
kann der Aufprallabstand von etwa 0,25 Inch bis etwa 6,0 Inch schwanken. Der
Aufprallabstand definiert einen Aufprallbereich, d. h. den Bereich
zwischen dem/den Ausströmauslaß/auslässen und
dem Stoffbahnträger.
In der bevorzugten Ausführungsform
ist das Verhältnis
des Aufprallabstands Z zu dem äquivalenten
Durchmesser D des Ausströmauslasses
(d. h. Z/D) von etwa 1,0 bis etwa 10,0. Das Verhältnis der resultierenden offenen
Fläche ΣA zu der
Aufprallfläche
E (d. h. ΣA/E)
liegt zwischen 0,002 und 1,000, bevorzugt zwischen 0,005 und 0,200
und am bevorzugtesten zwischen 0,010 und 0,100.
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In einer Ausführungsform weist das Gasverteilungssystem
mindestens einen Blaskasten auf. Der Blaskasten weist eine Bodenplatte
mit den mehreren Ausströmauslässen dadurch
auf. Der Blaskasten kann eine im wesentlichen ebene Bodenplatte
haben. Alternativ kann die Bodenplatte des Blaskastens eine nicht ebene
oder gekrümmte
Form, wie etwa zum Beispiel eine konvexe Form oder eine konkave
Form haben. In einer Ausführungsform
des Blaskastens wird durch mehrere Abschnitte eine im allgemeinen
konvexe Bodenplatte gebildet.
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Eine gewinkelte Anwendung der Luft
oder des Gases mit oszillierender Stromumkehr kann in der vorliegenden
Erfindung vorteilhaft verwendet werden. Winkel, die zwischen der
allgemeinen Oberfläche
des Stoffbahnträgers
(oder einer Oberfläche
der Aufprallfläche
E der Stoffbahn) und den positiven Richtungen der oszillierenden
Luft- oder Gasströme
durch den Ausströmauslaß gebildet
werden, können
von fast 0 Grad bis 90 Grad reichen. Diese Winkel können in
Laufrichtung, in Querlaufrichtung und in einer Richtung zwischen
der Laufrichtung und der Querlaufrichtung ausgerichtet sein.
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Über
die Breite der Stoffbahn können
mehrere der Gasverteilungssysteme verwendet werden. Diese Anordnung
ermöglicht
eine größere Flexibilität in der
Steuerung der Be dingungen des Stoffbahn-Entwässerungsverfahrens über die
Breite der Stoffbahn. Zum Beispiel ermöglicht eine derartige Anordnung,
den Aufprallabstand für
verschiedene Teile der Stoffbahn in Querlaufrichtung einzeln zu
steuern. Falls gewünscht,
können
die einzelnen Gasverteilungssysteme in einer nicht zufälligen und
bevorzugt versetzten Musteranordnung über die Oberfläche der
Stoffbahn verteilt sein.
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Das Feld des Prallgases mit oszillierender
Stromumkehr kann vorteilhaft in Kombination mit einem stationär fließenden (nicht
oszillierenden) auf die Stoffbahn prallenden Prallgas verwendet
werden. Eine bevorzugte Ausführungsform
weist die aufeinanderfolgende abwechselnde Anwendung des Gases mit
oszillierender Stromumkehr und des stationär fließenden Gases auf. Das oszillierende
Gas und/oder das stationär
fließende
Gas können
Düsenströme aufweisen,
welche die gewinkelte Position relativ zum Stoffbahnträger haben.
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Der Stoffbahnträger kann eine Vielfalt an Strukturen,
zum Beispiel ein papierbildendes Band oder einen Gurt, einen Draht
oder ein Sieb, einen Trocknungszylinder, etc., umfassen. In der
bevorzugten Ausführungsform
läuft der
Stoffbahnträger
mit einer Geschwindigkeit von 100 Fuß pro Minute bis 10000 Fuß pro Minute
in die Laufrichtung. Bevorzugter ist die Geschwindigkeit des Stoffbahnträgers von
1000 Fuß pro
Minute bis 10000 Fuß pro
Minute. Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann in mehreren
Hauptschritten des gesamten Papierherstellungsverfahrens angewendet
werden, wie etwa zum Beispiel beim Formen, nassen Übertragen,
Vortrocknen, Trocknungszylinder-Trocknen und Nachtrocknen. Eine
bevorzugte Stelle des Aufprallbereichs ist eine zwischen einem Trocknungszylinder
und einer dem Trocknungszylinder gegenübergestellten Trocknungshaube
gebildete Fläche,
wobei der Stoffbahnträger
in diesem Fall eine Oberfläche
des Trocknungszylinders aufweisen kann. In einer Ausführungsform
ist die Aufprallhaube auf dem „nassen
Ende" des Zylindertrockners
angeordnet. Die Trocknungsverweildauer kann durch die Kombination
des Haubenmantels um den Trocknungszylinder und die Laufgeschwindigkeit
gesteuert werden. Das Verfahren ist insbesondere bei der Beseitigung
von Feuchtigkeitsgradienten nützlich,
die in Papierbahnen mit verschiedener Dichtestruktur vorhanden sind.
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Eine bevorzugte Ausführungsform
des Stoffbahnträgers
weist einen fluiddurchlässigen
endlosen Gurt oder ein Band mit einer die Stoffbahn berührenden
Oberfläche
und eine zu der die Stoffbahn berührenden Oberfläche entgegengesetzte
rückseitige
Oberfläche
auf. Diese Art des Stoffbahnträgers
weist bevorzugt ein mit einer Verstärkungsstruktur verbundenes
Gerüst
und mindestens ein fluiddurchlässiges
Ablenkleitungsrohr auf, welches sich zwischen der die Stoffbahn
berührenden
Oberfläche
und der rückseitigen
Oberfläche
erstreckt. Das Gerüst
kann eine im wesentlichen zusammenhängende Struktur aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich
kann das Gerüst
mehrere diskrete Erhebungen aufweisen. Wenn die die Stoffbahn berührende Oberfläche durch
ein im wesentlichen zusammenhängendes
Gerüst
gebildet wird, weist die die Stoffbahn berührende Oberfläche ein
im wesentliche zusammenhängendes
Netz auf, und das mindestens eine Ablenkleitungsrohr weist mehrere
diskrete Leitungsrohre auf, welche sich durch das im wesentlichen
zusammenhängende
Gerüst
erstrecken, wobei jede diskrete Rohrleitung von dem Gerüst umschlossen
wird.
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Unter Verwendung des Verfahrens und
der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann man gleichzeitig
Feuchtigkeit aus Stoffbahnen mit Teilen mit verschiedener Dichtestruktur
entfernen. Die wesentlichen Entwässerungseigenschaften
des Verfahrens mit oszillierender Stromumkehr hängen, wenn überhaupt, im Vergleich zu den
herkömmlichen
Verfahren nach bisherigem Stand der Technik, in denen ein Trocknungszylinder
oder Luftdurchgangstrocknungsverfahren verwendet werden, in einem
erheblich geringeren Maß von den
Dichteunterschieden in der Stoffbahn, die gerade entwässert wird,
ab. Daher entkoppelt das Verfahren der vorliegenden Erfindung wirksam
die wesentlichen Wasserentfernungseigenschaften des Entwässerungsverfahrens – vor allem
die Wasser entfernungsraten – von
den relativen Dichteunterschieden der verschiedenen Teile der Stoffbahn,
die entwässert
wird.
-
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung
kann, entweder allein oder in Verbindung mit der Luftdurchgangstrocknung,
die Anwendung des Trocknungszylinders als einen Schritt in dem Papierherstellungsverfahren
vermeiden. Eine der bevorzugten Anwendungen des Verfahrens der vorliegenden
Erfindung ist in Verbindung mit dem Luftdurchgangstrocknen, einschließlich der
Anwendung von Druck, welcher zum Beispiel von einer Vakuumquelle
erzeugt wird. Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann vorteilhaft
in Verbindung mit einer Vakuumvorrichtung, wie etwa zum Beispiel
einem Vakuumabnahmeschuh oder einem Vakuumschlitz, verwendet werden,
wobei der Stoffbahnträger
in diesem Fall bevorzugt fluiddurchlässig ist. Die Vakuumvorrichtung
ist bevorzugt der rückseitigen
Oberfläche
des Stoffbahnträgers,
am besten in der dem Aufprallbereich entsprechenden Fläche, gegenübergestellt.
Die Vakuumvorrichtung legt durch den fluiddurchlässigen Stoffbahnträger einen
Druck an die Stoffbahn an. In diesem Fall können das von dem Impulsgenerator
erzeugte Gas mit oszillierender Stromumkehr und der von der Vakuumvorrichtung
erzeugte Druck vorteilhaft zusammenarbeiten, wodurch der Wirkungsgrad
des kombinierten Entwässerungsverfahrens
relativ zu jedem der einzelnen Verfahren erheblich erhöht wird.
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Wahlweise kann die Vorrichtung der
vorliegenden Erfindung eine Hilfseinrichtung zum Entfernen von Feuchtigkeit
aus dem Aufprallbereich einschließlich der Grenzschicht haben.
Eine derartige Hilfseinrichtung kann mehrere Schlitze in Fluidverbindung
mit einer äußeren Fläche mit
Atmosphärendruck
haben. Alternativ oder zusätzlich
kann die Hilfseinrichtung eine Vakuumquelle oder mindestens einen
Vakuumschlitz aufweisen, der sich von dem Aufprallbereich und/oder
einer zum Aufprallbereich benachbarten Fläche zur Vakuumquelle erstreckt,
wodurch eine Fluidverbindung dazwischen bereitgestellt wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische und vereinfachte Seitenrißansicht einer Vorrichtung
und eines bevorzugten Durchlaufverfahrens der vorliegenden Erfindung,
die einen Impulsgenerator zeigt, der Prallluft oder Prallgas mit
oszillierender Stromumkehr auf eine sich bewegende Stoffbahn emittiert,
welche von einem endlosen Gurt oder Band gehalten wird.
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2 ist
ein Diagramm, das eine zyklische Geschwindigkeit Vc und eine mittlere
Geschwindigkeit V des Prallgases oder der Prallluft mit oszillierender
Stromumkehr zeigt, wobei die zyklische Geschwindigkeit Vc eine positive
Perioden-Geschwindigkeit V1 und eine negative Perioden-Geschwindigkeit
V2 aufweist.
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3 ist
ein Diagramm ähnlich
dem in 2 gezeigten Diagramm,
das die Verteilung der zyklischen Geschwindigkeit Vc außer Phase
relativ zu einem Schalldruck P zeigt.
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4 ist
eine schematische und vereinfachte Seitenrißansicht eines Impulsbrenners,
der in der Vorrichtung und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung
verwendet werden kann.
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4A ist
eine entlang der Linie 4A-4A von 4 genommene
Teilansicht, die einen runden Ausströmauslaß des Impulsbrenners zeigt,
wobei der Ausströmauslaß einen
Durchmesser D und eine offene Fläche A
hat.
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4B ist
eine weitere Ausführungsform
des Ausströmauslasses
des Impulsbrenners mit einer rechteckigen Form.
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5 ist
ein Diagramm, das die gegenseitige Abhängigkeit zwischen dem Schalldruck
P und der positiven Geschwindigkeit Vc in dem Impulsbrenner zeigt.
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6 ist
eine schematische und vereinfachte Seitenrißansicht einer Ausführungsform
der Vorrichtung und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, die
einen Impulsgenerator zeigt, der nacheinander Prallgas oder Prallluft
mit oszillierender Stromumkehr abwechselnd mit stationär fließendem Prallgas
oder Prallluft auf die Stoffbahn prallt, welche von einem in eine
Maschinenlaufrichtung laufenden endlosen Gurt oder Band gehalten
wird.
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7 ist
eine schematische Teilansicht der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung,
die eine Trocknungshaube eines Trocknungszylinders aufweist, wobei
die Stoffbahn von dem Trocknungszylinder gehalten wird.
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7A ist
eine schematische Teilquerschnittansicht der Vorrichtung der vorliegenden
Erfindung, die einen Stoffbahnträger
umfaßt,
der einen Trocknungszylinder, welcher eine Stoffbahn darauf befördert, und
ein Impulsgenerator-Gasverteilungssystem aufweist, welches mehrere
der Ausströmauslässe aufweist.
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7B ist
eine ähnliche
Ansicht wie die in 7A gezeigte
und zeigt den Stoffbahnträger,
der einen fluiddurchlässigen
Gurt aufweist, wobei die Stoffbahn zwischen dem Stoffbahnträger und
der Oberfläche
eines Trocknungszylinders eingedrückt wird und das Gas mit oszillierender
Stromumkehr durch den Stoffbahnträger auf die Stoffbahn angewendet
wird.
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8 ist
eine schematische Darstellung eines Papierherstellungsdurchlaufverfahrens
der vorliegenden Erfindung, die einige der möglichen Orte für die Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung relativ zum gesamten Papierherstellungsverfahren
darstellt.
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9 ist
eine entlang der Linie 9-9 von 1 genommene
schematische Querschnittdraufsicht, die eine Ausführungsform
eines nicht zufälligen
Musters der Ausströmauslässe des
Impulsgenerators relativ zu der Oberfläche der Stoffbahn zeigt.
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9A ist
eine schematische Draufsicht der Ausströmauslässe, die in einem nicht zufälligen Muster verteilte
im wesentlichen rechteckige Öffnungen
aufweisen.
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10 ist
eine schematische Querschnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform
des Gasverteilungssystems des Impulsgenerators, das mit einem Blaskasten
mit mehreren sich durch den Boden des Blaskastens erstreckenden
Ausströmöffnungen
endet.
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11 ist
eine entlang der Linie 11-11 von 10 genommene
schematische Draufsicht, die mehrere aufeinanderfolgende in der
Laufrichtung beabstandete Blaskästen
zeigt.
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12 ist
eine schematische Querschnittansicht einer Ausführungsform des Blaskastens
mit einem gekrümmten
konvexen Boden.
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12A ist
eine schematische und detailliertere Querschnittansicht des in 12 gezeigten Blaskastens,
der eine gewinkelte Anwendung der oszillierenden Luft oder des Gases
relativ zu dem fluiddurchlässigen Stoffbahnträger bereitstellt.
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13 ist
eine schematische Querschnittansicht einer Ausführungsform des Blaskastens
mit einem Boden, der mehrere miteinander verbundene Abschnitte aufweist,
die eine im allgemeinen konvexe Form des Blaskastenbodens bilden.
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13A ist
ein schematisches Diagramm, das die Temperaturverteilung des Gases
oder der Luft mit oszillierender Stromumkehr am Ausgang aus dem
Blaskasten mit dem gekrümmten
Boden zeigt, der in 12 schematisch
gezeigt oder dessen Bodenschnitt in 13 schematisch
gezeigt ist.
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14 ist
eine schematische Querschnittansicht einer Ausführungsform des Blaskastens
mit einem konkav gekrümmten
Boden.
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14A ist
ein schematisches Diagramm, das die Temperaturverteilung der Prallgase
mit oszillierender Stromumkehr am Ausgang aus dem in 14 schematisch gezeigten
Blaskasten mit dem gekrümmten konkaven
Boden zeigt.
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15 ist
eine schematische Seitenrißansicht
einer Ausführungsform
des Verfahrens, die mehrere in der Querlaufrichtung voneinander
beabstandete Impulsgeneratoren zeigt.
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16 ist
eine schematische Teilseitenrißansicht
einer Ausführungsform
eines fluiddurchlässigen Stoffbahnträgers, der
ein im wesentlichen zusammenhängendes
Gerüst
auf weist, welches mit einer Verstärkungsstruktur verbunden ist,
wobei der Stoffbahnträger
eine Faserstoffbahn darauf hat.
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17 ist
eine schematische Teildraufsicht des in 16 gezeigten Stoffbahnträgers (die
Faserstoffbahn ist zur Deutlichkeit nicht gezeigt).
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18 ist
eine schematische Teilseitenrißansicht
einer Ausführungsform
des fluiddurchlässigen
Stoffbahnträgers,
der mehrere diskrete Erhebungen aufweist, die mit einer Verstärkungsstruktur
verbunden sind, wobei der Stoffbahnträger eine Faserstoffbahn darauf
hat.
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19 ist
eine schematische Teildraufsicht des in 18 gezeigten Stoffbahnträgers (die
Faserstoffbahn ist zur Deutlichkeit nicht gezeigt).
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20 ist
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Impulsgenerators
der in der vorliegenden Erfindung nützlich ist, der eine Infraschallvorrichtung
aufweist.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Der erste Schritt des Verfahrens
der vorliegenden Erfindung weist die Bereitstellung einer Faserstoffbahn
bzw. Vliesbahn auf. Wie der Begriff „Faserstoffbahn" oder einfach „Stoffbahn" 60 (1 und 6–9) hier verwendet wird, bezeichnet
er ein makroskopisch ebenes Substrat, das Zellulosefasern, synthetische
Fasern oder jede Kombination daraus aufweist. Die Stoffbahn 60 kann
durch jedes auf dem Fachgebiet bekannte Papierherstellungsverfahren,
einschließlich
durch ein herkömmliches
Verfahren und ein Luftdurchgangstrocknungsverfahren hergestellt
werden, wobei es aber nicht darauf beschränkt ist. Geeignete die Stoffbahn 60 bildende
Fasern können
wiederverwertete bzw. Recycling-Fasern
oder sekundäre
papierbildende Fasern ebenso wie jungfräuliche papierbildende Fasern
sein. Derartige Fasern können
Hartholzfasern, Weichholzfasern und Nichtholzfasern aufweisen. Wie
er hier verwendet wird, umfaßt
der Begriff „Faserstoffbahn" Gewebestoffbahnen
mit einem Grundgewicht von etwa 8 Pfund pro 3000 Quadratfuß (lb/3000
ft2) bis etwa 20 Pfund/3000 Fuß2 ebenso wie Stoffbahnen mit Pappequalität mit einem
Grundgewicht von etwa 25 Pfund/1000 Fuß2 bis etwa
100 Pfund/1000 Fuß2, einschließlich Kraftpapierbahnen, aber
nicht darauf beschränkt,
mit einem Grundgewicht in der Größenordnung
von 30 bis 80 Pfund/3000 Fuß2, gebleichte Papierpappen mit einem Grundgewicht
in der Größenordnung
von 40 bis 100 Pfund/1000 Fuß2, und Zeitungspapiere mit einem typischen
Grundgewicht von etwa 30 Pfund/3000 Fuß2.
-
Dem ersten Schritt der Bereitstellung
einer Faserstoffbahn 60 können Schritte zur Bildung einer
derartigen Stoffbahn vorausgehen. Ein Fachmann wird ohne weiteres
erkennen, daß das
Bilden der Stoffbahn 60 die Schritte des Bereitstellens
von mehreren Fasern 61 (8)
umfassen kann. In einem typischen Papierherstellungsdurchlaufverfahren,
das in 8 dargestellt
ist, werden die mehreren Fasern 61 bevorzugt in einem flüssigen Träger suspendiert.
Bevorzugt weisen die mehreren Fasern 61 eine wäßrige Dispersion
auf. Eine Ausstattung zum Herstellen der wäßrigen Dispersion von Fasern 61 ist
auf dem Fachgebiet wohlbekannt und ist daher in 8 nicht gezeigt. Die wäßrige Dispersion
von Fasern 61 kann, wie in 8 gezeigt,
an einen Stoffauflaufkasten 65 geliefert werden. Während in 8 nur ein einziger Stoffauflaufkasten 65 gezeigt
ist, ist klar, daß in
alternativen Anordnungen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung
mehrere Stoffauflaufkästen sein
können.
Der Stoffauflaufkasten/Die Stoffauflaufkästen und die Einrichtung zum
Herstellen der wäßrigen Dispersion
von Fasern sind typischerweise von der in US-A-3 994 771 (Morgan
und Rich, 30. November 1976) offenbarten Art, welches hier per Referenz
aufgenommen ist. Die Herstellung der wäßrigen Dispersion aus den papierbildenden
Fasern und beispielhafte wesentliche Eigenschaften einer derartigen
wäßrigen Dispersion sind
in US-A-4 529 480, das hier per Referenz aufgenommen ist, detaillierter
beschrieben. Die vorliegende Erfindung betrachtet auch die Verwendung
der durch Trockenluftlegeverfahren gebildeten Stoffbahn 60.
Derartige Verfahren sind zum Beispiel in „Pa per Machine Clothing", S. Adanur, Technomic
Publishing Co., Lancaster, PA, 1997, S. 138 beschrieben. Die vorliegende
Erfindung umfaßt
auch die Verwendung der Stoffbahn 60, die wieder naß gemacht
wurde. Das Wiedernaßmachen
einer vorher hergestellten trockenen Stoffbahn kann verwendet werden,
um dreidimensionale Stoffbahnstrukturen zu erzeugen, indem zum Beispiel
die wiedernaßgemachte
Stoffbahn geprägt
und die geprägte
Stoffbahn dann getrocknet wird. Auch wird in der vorliegenden Erfindung
die Verwendung eines Papierherstellungsverfahrens in Betracht gezogen,
das in US-A-5 656 132 (Farrington et al., Kimberly-Clark Worldwide,
Inc., Neenah, Wisconsin, 12. August 1997) offenbart ist.
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Eine Vorrichtung 10 und
das Verfahren der vorliegenden Erfindung sind in verschiedenen Stadien
des gesamten Papierherstellungsverfahrens, von einem Stadium des
Bildens einer entstehenden Bahn bis zu einem Stadium des Nachtrocknens
nützlich,
wie in 8 gezeigt und
weiter unten detaillierter erklärt.
Daher kann die Faserstoffbahn 60 für die Zwecke der vorliegenden
Erfindung eine Faserkonsistenz von etwa 10% bis etwa 90%, oder um
es anders auszudrücken,
kann die Faserstoffbahn 60 einen Feuchtigkeitsgehalt von etwa
90% bis etwa 10% haben. Natürlich
können
und sollten die Parameter des Verfahrens und der Vorrichtung 10 der
vorliegenden Erfindung bevorzugt so angepaßt werden, daß sie, abhängig von
dem Feuchtigkeitsgehalt der Stoffbahn vor dem Entwässern/Trocknen
und einem gewünschten
Feuchtigkeitsgehalt nach einem derartigen Entwässern/Trocknen, einer gewünschten
Entwässerungs-/Trocknungsrate,
der Geschwindigkeit der Stoffbahn 60 in dem bevorzugten
Durchlaufverfahren, der Verweildauer (d. h. der Zeit, während der
das Prallgas mit Stromumkehr auf einen gewissen Teil der Bahn 60 einwirkt)
und anderen hier weiter unten diskutierten relevanten Faktoren,
zu den spezifischen Bedürfnissen
passen. Die Stoffbahn 60 kann vor der Wasserentfernung
durch das Verfahren und die Vorrichtung 10 der vorliegenden
Erfindung eine ungleichmäßige Feuchtigkeitsverteilung
haben.
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Wie der Begriff „Trocknen" hier verwendet wird, bedeutet er die
Entfernung von Wasser (oder Feuchtigkeit) aus der Faserstoffbahn 60 mittels
Verdampfung. Die Verdampfung bringt eine Phasenänderung des Wassers von der
flüssigen
Phase in die Gasphase oder Dampf mit sich. Der Begriff „Entwässern" bedeutet die Entfernung
von Wasser aus der Stoffbahn 60, ohne die Phasenänderung
in dem entfernten Wasser zu erzeugen. Diese Unterscheidung zwischen
dem Trocknen und Entwässern
ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wesentlich, da,
abhängig
von einem bestimmten Stadium des gesamten. Papierherstellungsverfahrens
(8), eine Art der Wasserentfernung
relevanter als die andere sein kann. Zum Beispiel wird im Stadium
einer entstehenden Stoffbahnbildung (8,
I und II) der Großteil
des Wassers in erster Linie mit mechanischen Mitteln entfernt. Danach,
in den Stadien der Preß-
und/oder thermischen Arbeitsgänge
und/oder der Luftdurchgangstrocknung (8,
III und IV), ist im allgemeinen Verdampfung notwendig, um das Wasser zu
entfernen.
-
Wie die Begriffe „Entfernung von Wasser" oder „Wasserentfernung" (oder deren Permutationen)
hier verwendet werden, sind sie generisch und umfassen sowohl das
Trocknen und Entwässern
nacheinander als auch in Kombination miteinander. Analog beziehen
sich die Begriffe „Wasserentfernungsrate(n)" auf das Entwässern, Trocknen
oder jede Kombination davon. Ähnlich
gilt der Begriff „Wasserentfernungsvorrichtung" oder „Raten
für die
Wasserentfernung" (und
ihre Permutationen) für
eine Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, die konstruiert ist,
Wasser aus der Stoffbahn 60 durch Trocknen, Entwässern oder
eine Kombination aus ihnen zu entfernen. Eine Und-/Oder-Kombination
von „Entwässern und/oder
Trocknen" (oder
einfach Entwässern/Trocknen)
umfaßt
eines der folgenden: Entwässern,
Trocknen oder eine Kombination aus Entwässern und Trocknen, wie hier
definiert.
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Der Erfolg des Entwässerns hängt von
der Form des in der Stoffbahn 60 vorhandenen Wassers ab.
Im Stadium der Stoffbahnbildung kann das Wasser in der Stoffbahn 60 in
meh reren unterschiedlichen Formen vorhanden sein: Wassermasse (etwa
20% relativ zum gesamten Wassergehalt), Mikroporenwasser (etwa 40%),
Kolloidwasser (etwa 20%) und Chemisorptionswasser (etwa 10%) (H.
Muralidhara et al., Drying Technology, 3(4), 1985, S. 529–566). Die
Wassermasse kann durch Vakuumverfahren entfernt werden. Die Entfernung
des Mikroporenwassers aus der Stoffbahn 60 ist schwieriger
als die Entfernung der Wassermasse, weil die Kapillarkräfte zwischen
den papierbildenden Fasern und dem Wasser überwunden werden müssen. Sowohl
das kolloidal gebundene Wasser als auch das chemisorbierte Wasser
können
aufgrund der starken Wasserstoffbindung zwischen den papierbildenden
Fasern und Wasser typischerweise nicht unter Verwendung herkömmlicher
Entwässerungsverfahren
entfernt werden und müssen
unter Verwendung einer thermischen Behandlung entfernt werden. Die
Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung sind sowohl
auf die Trocknungs- als auch auf die Entwässerungsverfahren aus der Stoffbahn
zur Wasserentfernung anwendbar.
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Die Vorrichtung 10 der vorliegenden
Erfindung weist einen Impulsgenerator 20 in Kombination
mit einem Stoffbahnträger 70 auf,
der konstruiert ist, um die Stoffbahn 60 in nächster Nähe des Impulsgenerators 20 derart
zu tragen, daß die
Stoffbahn 60 von dem durch den Impulsgenerator 20 erzeugten
Prallgas mit oszillierender Stromumkehr penetriert werden kann.
Wie er hier verwendet wird, bezieht sich der Begriff „Impulsgenerator" auf eine Vorrichtung,
die konstruiert ist, Luft oder Gas mit oszillierender Stromumkehr
mit einer zyklischen Geschwindigkeits-/Impulskomponente und einer
mittleren Geschwindigkeits-/Impulskomponente zu erzeugen. Bevorzugt
wird ein von dem Impulsgenerator 20 erzeugter Schalldruck
in eine zyklische Bewegung mit großer Amplitude umgewandelt,
welche negative Perioden abwechselnd mit positiven Perioden aufweist, wobei
die positiven Perioden, wie weiter unten detaillierter beschrieben
wird, relativ zu den negativen Perioden einen größeren Impuls und eine größere zyklische
Geschwindigkeit haben.
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Eine Art des Impulsgenerators 20,
die in der vorliegenden Erfindung nützlich sein kann, weist einen Schallgenerator
und eine Röhre
oder ein Endrohr mit einem im wesentlichen gleichmäßigen Durchmesser
auf, das ein zur Atmosphäre
offenes Ende und das andere entgegengesetzte Ende geschlossen hat,
wobei eine Länge
L der Röhre
zwischen den entgegengesetzten Enden der Röhre (4) gemessen wird. Die Röhre wirkt
als ein Resonator, der stehende akustische Wellen erzeugt. Wie auf
dem Fachgebiet wohlbekannt, haben die stehenden akustischen Wellen
einen Schwingungsbauch (maximale Geschwindigkeit und minimaler Druck)
an dem offenen Ende der Röhre
und einen Knoten (minimale Geschwindigkeit und maximaler Druck) an
dem geschlossenen Ende der Röhre.
Bevorzugt erfüllen
diese stehenden Wellen die folgende Bedingung: L = ω(2N + 1)/4,
wobei L die Länge
der Röhre, ω die Wellenlänge der
stehenden Welle und N eine ganze Zahl (d. h. N = 0, 1, 2, 3 ,...,
etc.) ist.
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Ein Schall mit der Wellenlänge von
einem Viertel der Resonatorröhre
(d. h., L = ω/4
und N = 0) wird auf dem Fachgebiet typischerweise als ein Grundton
definiert. Andere Schallwellen sind als eine erste Harmonische (N
= 1), eine zweite Harmonische (N = 2), eine dritte Harmonische (N
= 3), ..., etc. definiert. In der vorliegenden Erfindung hat die
bevorzugte Resonatorröhre
eine Länge,
die gleich einem Viertel (1/4) der von dem Schallgenerator erzeugten
Frequenz ist, d. h., der bevorzugte Impulsgenerator 20 erzeugt
akustische Wellen mit dem Grundton, mit N = 0. Die stehenden akustischen
Wellen liefern einen sich verändernden
Luftdruck in dem Resonatorendrohr, wobei die größte Druckamplitude an dem geschlossenen
Ende des Endrohrresonators ist. Die Schallfrequenz und die Wellenlänge hängen gemäß der folgenden
Gleichung miteinander zusammen: F = C/ω, wobei F die Schallfrequenz
und C die Schallgeschwindigkeit ist. In dem Fall, daß der Impulsgenerator 20 den
Grundton erzeugt, kann die Beziehung zwischen der Frequenz und der
Wellenlänge,
aus den vor her definierten Beziehungen genauer durch die Formel
F = C/4L beschrieben werden.
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4 zeigt
einen bevorzugten Impulsgenerator 20, der einen Impulsbrenner 21 aufweist.
Der in 4 gezeigte Impulsbrenner 21 weist
eine Verbrennungskammer 13, einen Lufteinlaß 11,
einen Brennstoffeinlaß 12 und
eine Resonanzröhre 15 auf.
Wie er hier verwendet wird, bezeichnet der Begriff „Resonanzröhre" 15 einen
Teil des Impulsgenerators 20, der bewirkt, daß die Verbrennungsgase
longitudinal mit einer gewissen Frequenz vibrieren, während sie
sich in eine gewisse vorbestimmte Richtung bewegen, die durch die
Geometrie der Resonanzröhre 15 definiert
ist. Ein Fachmann wird wissen, daß Resonanz auftritt, wenn die
Frequenz einer an die Resonanzröhre 15 angelegten
Kraft, d. h. die Frequenz des in der Verbrennungskammer 13 erzeugten
Verbrennungsgases, gleich oder nahe der Eigenfrequenz der Resonanzröhre 15 ist.
Um es anders zu sagen, ist der Impulsgenerator 20, einschließlich der
Resonanzröhre 15,
derart konstruiert, daß die
Resonanzröhre 15 das
in der Verbrennungskammer 13 erzeugte heiße Verbrennungsgas
in Prallgas mit oszillierender (d. h. vibrierender) Stromumkehr
umwandelt.
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In 4 sind
der Lufteinlaß 11 und
der Brennstoffeinlaß 12 jeweils
zur Zuführung
von Luft und Brennstoff in Fluidverbindung mit der Verbrennungskammer 13,
wo der Brennstoff und die Luft sich mischen, um eine brennbare Mischung
zu bilden. Bevorzugt umfaßt
der Impulsbrenner 21 auch eine Zündeinrichtung 14 zum Zünden einer
Mischung aus Luft und Brennstoff in der Verbrennungskammer 13.
Der Impulsbrenner 21 kann auch ein Lufteinlaßventil 11a und
ein Brennstoffeinlaßventil 12a aufweisen,
um die Zufuhr der Luft und des Brennstoffs ebenso wie die Parameter
der Verbrennungszyklen des Impulsbrenners 21 jeweils zu
steuern.
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Die Resonanzröhre 15 ist in einer
weiteren Fluidverbindung mit einem Gasverteilungssystem 30.
Wie er hier verwendet wird, definiert der Begriff „Gasverteilungssystem" eine Kombination
aus Röhren,
Endrohren, Kästen,
etc., die konstruiert sind, um einen geschlossenen Weg für die von
dem Impulsgenerator 20 erzeugte Luft oder das Gas mit oszillierender
Stromumkehr bereitzustellen, und dabei die Luft oder das Gas mit
oszillierender Stromumkehr in einen vorbestimmten Aufprallbereich
zu liefern, wo die Luft oder das Gas mit oszillierender Stromumkehr
auf die Stoffbahn 60 prallt, wodurch Wasser daraus entfernt
wird. Das Gasverteilungssystem 30 ist derart konstruiert,
daß es
störende
Interferenzen, die eine gewünschte
Betriebsart des Impulsbrenners 21 oder wesentliche Eigenschaften
des von dem Impulsbrenner 21 er zeugten Gases mit oszillierender
Stromumkehr nachteilig beeinflussen können minimiert und bevorzugt
ganz vermeidet. Ein Fachmann wird erkennen, daß das Gasverteilungssystem 30 zumindest
in einigen möglichen
Ausführungsformen
(1, 9 und 4)
der Vorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung die Resonanzröhre oder
die Röhren 15 aufweisen
kann. Mit anderen Worten kann die Resonanzröhre 15 in manchen
Fällen
einen inhärenten
Teil sowohl des Impulsbrenners 21 als auch des Gasverteilungssystems 30,
wie sie hier beide definiert sind, aufweisen. In derartigen Fällen wird
eine Kombination aus der/den Resonanzröhre/n 15 und dem Gasverteilungssystem 30 hier
als „Resonanz-Gasverteilungssystem" bezeichnet und mit
dem Bezugszeichen 35 gekennzeichnet. Zum Beispiel kann
das Resonanz-Gasverteilungssystem 35, wie in 4, 1 und 9 gezeigt,
mehrere Resonanzröhren
oder Endrohre 15 aufweisen. In dieser Hinsicht ist die
Unterscheidung zwischen dem „Gasverteilungssystem" 30 und
dem „Resonanz-Gasverteilungssystem" 35 eher
formal, und die Begriffe „Gasverteilungssystem" und „Resonanz-Gasverteilungssystem" sind in den meisten
Fällen
austauschbar.
-
Ungeachtet seiner speziellen Ausführungsform
lie fert das Gasverteilungssystem 30 oder das Resonanz-Gasverteilungssystem 35 das
Prallgas oder die Luft mit oszillierender Stromumkehr, bevorzugt
durch mehrere Ausströmauslässe oder
Düsen 39,
auf die Stoffbahn 60. Die bevorzugte Frequenz F der auf
die Bahn 60 aufprallenden Luft oder des Prallgases mit
oszillierender Stromumkehr ist in einem Bereich von etwa 15 Hz bis
etwa 1500 Hz. Bevorzugter ist die Frequenz F von 15 Hz bis 500 Hz,
und die bevorzugteste Frequenz liegt zwischen 15 Hz und 250 Hz.
Wenn der Impulsgenerator 20 den Impulsbrenner 21 aufweist,
ist die bevorzugte Frequenz zwischen 75 Hz und 250 Hz.
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Ein typischer Impulsbrenner 21 arbeitet
auf die folgende Weise. Nachdem Luft und Brennstoff in die Verbrennungskammer 13 eintreten
und sich darin vermischen, zündet
die Zündeinrichtung 14 die
Luft-Brennstoffmischung, wodurch ein Anspringen des Impulsbrenners 21 ausgelöst wird.
Die Verbrennung der Luft-Brennstoffmischung erzeugt eine plötzliche
Volumenzunahme in der Verbrennungskammer 13, welche von
einer schnellen Zunahme der Temperatur des Verbrennungsgases ausgelöst wird.
Während
sich das heiße
Verbrennungsgas ausdehnt, schließen sich die Einlaßventile 11a und 12a,
wodurch bewirkt wird, daß das Verbrennungsgas
sich in eine Resonanzröhre 15 ausdehnt,
die in Fluidverbindung mit der Verbrennungskammer 13 ist.
In 4 weist die Resonanzröhre 15 auch
das Gasverteilungssystem 30 auf und bildet somit das Resonanz-Gasverteilungssystem 35,
wie hier weiter oben erklärt.
Das Gasverteilungssystem 30 hat mindestens einen Ausströmauslaß 39 mit
einer offenen Fläche,
die in 4A und 4B als „A" bezeichnet ist, durch welche das heiße oszillierende
Gas das Gasverteilungssystem 30 verläßt (4).
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Ein Fachmann wird erkennen, daß 4 eine Art des Impulsbrenners 21 darstellt,
die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Eine Vielfalt
an Impulsbrennern ist auf dem Fachgebiet bekannt. Beispiele umfassen,
aber sind nicht darauf beschränkt:
Impulsgasbrenner, die im Handel von The Fulton® Companies
aus Pulaski, New York, erhältlich
sind; Impulstrockner, hergestellt von der J. Jireh Corporation aus San
Rafael, Kalifornien; und Cello®-Brenner, hergestellt
von der Sonotech, Inc. aus Atlanta, Georgia.
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20 zeigt
eine weitere Ausführungsform
des Impulsbrenners 20, der eine Infraschallvorrichtung 22 aufweist.
Die Infraschallvorrichtung 22 weist eine Resonanzkammer 23 auf,
die durch einen Pulsator 24 in Fluidverbindung mit einem
Lufteinlaß 11 ist.
Der Pulsator 24 erzeugt eine oszillierende Luft mit Infraschalldruck (niedrige
Frequenz), die dann in der Resonanzkammer 23 und in der
Resonanzröhre 15 verstärkt wird.
Die in 20 gezeigte Infraschallvorrichtung 22 weist
ferner einen Druckausgleichsschlauch 28 zum Ausgleichen von
Luftdruck zwischen dem Pulsator 24 und dem Diffusor 26,
einen Meßwandlerkasten 25 und
eine Beschallsteuerung 27 zum Steuern der Frequenz der
pulsierenden Bewegung auf. Verschiedene Ventile, zum Beispiel ein
Ventil 26 zum Steuern der Fludiverbindung zwischen der
Beschallsteuerung 27 und dem Lufteinlaß 11 können ebenfalls
in der Infraschallvorrichtung 22 verwendet werden. Wenn
der Impulsgenerator 20 die Infraschallvorrichtung 22 aufweist,
ist die bevorzugte Frequenz der Luft mit oszillierender Stromumkehr
von 15 Hz bis 100 Hz. Die schematisch in 20 gezeigte Infraschallvorrichtung 22 ist
im Handel unter dem Namen INFRAFONE® von der Infrafone AB Company
aus Schweden erhältlich.
Schallgeneratoren mit niedriger Frequenz sind in US-A-4 517 915 (Olsson
et al., 21. Mai 1985), US-A-4 650 413 (Olsson et al., 17. März 1987),
US-A-4 635 571 (Olsson et al., 13. Juni 1987), US-A-4 592 293 (Olsson
et al., 3. Juni 1986), US-A-4 721 395 (Olsson et al., 26. Januar
1988), US-A-5 350
887 (Sandström,
27. September 1994) beschrieben, wobei die Offenbarungen dieser
Patente hier zum Zwecke der Beschreibung einer Vorrichtung zur Erzeugung
von Oszillationen mit niedriger Frequenz per Referenz aufgenommen
sind.
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Die Vorrichtung 10, welche
die Infraschallvorrichtung 22 aufweist, kann eine Einrichtung
(nicht gezeigt) zum Heizen der von der Infraschallvorrichtung 22 ausströmenden oszillierenden
Luft haben. Eine derartige Einrichtung kann, falls gewünscht, elektrische
Heizer oder temperaturgesteuerte Wärmeübertragungselemente aufweisen,
die in einer Fläche
benachbart zum Aufprallbereich angeordnet sind. Alternativ kann
die Stoffbahn 60 durch den Stoffbahnträger 70 geheizt werden.
Es sollte jedoch klar sein, daß die
Infraschallvorrichtung 22 in einigen Ausführungsformen
(zumindest in einigen Schritten des Papierherstellungsverfahrens)
keine Einrichtung zum Heizen haben kann. Zum Beispiel kann die In fraschallvorrichtung 22 in
den Vortrocknungsstadien des Papierherstellungsverfahrens verwendet
werden, wobei angenommen wird, daß die Infraschallvorrichtung 22 in
diesem Fall fähig
ist, bei Umgebungstemperatur wirksam zu arbeiten. Die Infraschallvorrichtung 22 kann auch
verwendet werden, um das oszillierende Feld zu erzeugen, das dann
einem stationär
fließenden
Prallgas zugefügt
wird.
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In dem Fall, in dem der Impulsgenerator 20 den
Impulsbrenner 21 aufweist, hängt die akustische Frequenz
der Wellen mit oszillierender Stromumkehr zumindest teilweise von
den wesentlichen Eigenschaften (wie etwa der Entzündbarkeit)
des in dem Impulsbrenner 21 verwendeten Brennstoffs ab.
Für beide
Ausführungsformen
des Impulsgenerators 20, des Impulsbrenners 21 und
der Infraschallvorrichtung 22 können mehrere andere Faktoren,
einschließlich
der Konstruktion und der Geometrie des Resonanzsystems 30 ebenfalls die
Frequenz des akustischen Felds, das von dem Prallgas oder der Luft
mit oszillierender Stromumkehr erzeugt wird, beeinflussen. Wenn
das Resonanzsystem 30 zum Beispiel, wie in 1 und 9 schematisch
gezeigt, mehrere Resonanzröhren 15 aufweist,
umfassen derartige Faktoren einen Durchmesser D (9) und die Länge L (4) der Röhre oder der Röhren 15,
die Anzahl der Röhren 15 und
das Verhältnis
eines Volumens der Resonanzröhre(n) 15 zu
einem Volumen der Verbrennungskammer 13 (4) oder der Resonanzkammer 23 (20), sind jedoch nicht darauf
beschränkt.
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Ein Helmholtz-Resonator kann in dem
Impulsgenerator 20 der vorliegenden Erfindung verwendet
werden. Wie ein Fachmann erkennen wird, ist der Helmholtz-Resonator
ein vibrierendes System, das im allgemeinen ein Volumen aus eingeschlossener
Luft mit einem offenen Hals oder einer Öffnung aufweist. Der Helmholtz-Resonator
arbeitet ähnlich
wie eine weiter oben beschriebene Resonanzröhre mit einem offenen und geschlossenen
Ende. Stehende akustische Wellen mit einem Schwingungsbauch werden
an dem offenen Ende des Helmholtz-Resonators erzeugt. Entsprechend gibt
es an dem geschlossenen Ende des Helmholtz-Resonators einen Schwingungsknoten.
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Der Helmholtz-Resonator kann entlang
seiner Länge
einen nicht konstanten Durchmesser (und daher Volumen) haben. Typischerweise
weist der Helmholtz-Resonator eine große Kammer mit einem Kammervolumen
Wr auf, die mit der Resonanzröhre
mit einem Röhrenvolumen
Wt verbunden ist. Die Kombination von Elementen mit verschiedenen
Volumen erzeugt akustische Wellen. Der bevorzugte Helmholtz-Resonator
und somit in der vorliegenden Erfindung nützliche Helmholtz-Impulsgenerator 20 erzeugt,
wie weiter oben erklärt
wurde, bei einer gegebenen Schallfrequenz stehende Wellen bei der
akustischen Äquivalenz
von einem Viertel (1/4) der Wellenlänge. Die akustische Wellenfrequenz
des Helmholtz-Impulsgenerators 20 kann durch die folgende
Gleichung beschrieben werden: F = (C/2πL) × (Wt/Wr)0,5,
wobei F die Frequenz der Luft oder des Gases mit oszillierender
Stromumkehr ist, C die Schallgeschwindigkeit ist, L die Länge der
Resonanzröhre
ist, Wt das Volumen der Resonanzröhre ist und Wr das Volumen
der Verbrennungskammer 13 ist. Auf diese Weise kann der
Helmholtz-Impulsgenerator 20 durch Anpassen des Kammervolumens
Wr, des Röhrenvolumens
Wt und der Länge
L der Röhre 15 so
abgestimmt werden, daß er
eine gegebene Schallfrequenz erreicht.
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Der Helmholtz-Impulsgenerator 20,
der den Impulsbrenner 21 aufweist, wird aufgrund seines
hohen Verbrennungswirkungsgrads und der hochresonanten Betriebsart
bevorzugt. Der Helmholtz-Impulsbrenner 21 ergibt typischerweise
die höchsten
Druckschwankungen pro BTU (d. h. britische Wärmeeinheit) pro Stunde Energiefreisetzung
in einem gegebenen Volumen Wr der Verbrennungskammer 13.
Der sich ergebende hohe Pegel von Stromschwingungen liefert einen
wünschenswerten
Druckverstärkungspegel,
der nützlich
ist, um den Druckabfall einer Wärmeaustauscheinrichtung
stromabwärts
zu überwinden.
Druckschwankungen in dem in der vorliegenden Erfindung verwendeten
Helmholtz-Impulsbrenner 21 reichen im allgemeinen, wie
in 2 zeichnerisch gezeigt,
von etwa 1 Pfund pro Quadratinch (psi) während den negativen Spitzen
Q2 bis etwa 5 psi während
positiven Spitzen Q1. Diese Druck schwankungen erzeugen Schalldruckpegel
von etwa 120 Dezibel (dB) bis etwa 190 dB in der Verbrennungskammer 13. 3 ist ein Diagramm ähnlich dem
in 2 gezeigten Diagramm
und zeigt die Außer-Phase-Verteilung
der zyklischen Geschwindigkeit Vc relativ zum Schalldruck P.
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Das Prallgas mit oszillierender Stromumkehr
hat zwei Komponenten: eine mittlere Komponenten, die durch eine
mittlere Geschwindigkeit V und einen entsprechenden mittleren Impuls
M gekennzeichnet ist, und eine oszillierende oder zyklische Komponente,
die durch eine zyklische Geschwindigkeit Vc und einen entsprechenden
zyklischen Impuls Mc gekennzeichnet ist. Während der Anmelder durch die
Theorie nicht eingeschränkt
werden will, glaubt er, daß die
mittlere und die oszillierende Komponente des Prallgases mit oszillierender
Stromumkehr prinzipiell auf die folgende Weise erzeugt werden. Die
gasförmigen
Verbrennungsprodukte, welche die Verbrennungskammer 13 in
das Gasverteilungs-Resonanzsystem 30 verlassen, haben einen erheblichen
mittleren Impuls M (proportional zu einer mittleren Geschwindigkeit
V des Verbrennungsgases und seiner Masse). Wenn die Verbrennung
der Luft-Brennstoffmischung in der Verbrennungskammer 13 im
wesentlichen vollständig
ist, erzeugt die Trägheit
des Verbrennungsgases, das die Verbrennungskammer 13 mit hoher
Geschwindigkeit verläßt, ein
Teilvakuum in der Verbrennungskammer 13, wobei dieses Vakuum
bewirkt, daß ein
Teil des austretenden Verbrennungsgases in die Verbrennungskammer 13 zurückkehrt.
Das Gleichgewicht des Auslaßgasaustritts
aus dem Impulsbrenner 20 durch das Resonanzsystem 30 liegt
bei der mittleren Geschwindigkeit V. Das in der Verbrennungskammer 13 erzeugte
Teilvakuum öffnet
die Einlaßventile 11a und 12a,
wodurch bewirkt wird, daß die
Luft und der Brennstoff wieder in die Verbrennungskammer 13 eintreten,
und der Verbrennungszyklus wiederholt sich.
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Wie hier verwendet, werden die Oszillationszyklen,
während
denen sich das Verbrennungsgas von der Verbrennungskammer 13 „vorwärts" und in, durch und
von dem Gasverteilungssystem 30 weg bewegt, als „positive
Perioden" bezeich net,
und die Oszillationszyklen, während
denen ein Rückfluß des Prallgases
auftritt, werden hier als „negative
Perioden" bezeichnet.
Entsprechend ist eine mittlere Amplitude der positiven Perioden
eine „positive
Amplitude", und
eine mittlere Amplitude der „negativen
Perioden" ist eine „negative
Amplitude". Analog
hat das Prallgas während
den positiven Perioden eine in eine „positive Richtung" D1 auf die Stoffbahn 60,
die auf dem Stoffbahnträger 70 angeordnet
ist, zu gerichtete „positive
Geschwindigkeit" V1,
und während
den negativen Perioden hat das Prallgas eine in eine „negative
Richtung" gerichtete „negative
Geschwindigkeit" V2.
Die positive Richtung D1 ist entgegengesetzt zu der negativen Richtung
D2, und die positive Geschwindigkeit V1 ist entgegengesetzt zu der
negativen Geschwindigkeit V2. Die zyklische Geschwindigkeit Vc definiert
eine momentane Geschwindigkeit des oszillierend fließenden Gases
zu jedem gegebenen Zeitpunkt während
des Verfahrens, während
die mittlere Geschwindigkeit V eine resultierende Geschwindigkeit des
Felds mit oszillierender Stromumkehr kennzeichnet, welches durch
das mit der Frequenz F vibrierende Verbrennungsgas gebildet wird,
das eine Folge der positiven Perioden abwechselnd mit den negativen
Perioden aufweist. Ein Fachmann wird erkennen, daß die positive
Geschwindigkeitskomponente V1 größer als
die negative Geschwindigkeitskomponente V2 ist und die mittlere
Geschwindigkeit V die positive Richtung D1 hat, und das sich ergebene
oszillierende Prallgas sich in die positive Richtung D1 bewegt,
d. h. den Impulsbrenner 20 in das Gasverteilungssystem 30 verläßt. Da die
zyklische Geschwindigkeit Vc sich beständig von der positiven Geschwindigkeit
V1 in die zur positiven Geschwindigkeit V1 entgegengesetzte negative
Geschwindigkeit V2 ändert,
sollte auch klar sein, daß es
einen Moment geben muß,
zu dem die zyklische Geschwindigkeit Vc ihre Richtung ändert, d.
h. der Moment, wenn Vc = 0 relativ zu V1 und V2. Folglich ändern beide,
die positive Geschwindigkeit V1 und die negative Geschwindigkeit
V2, ihren Absolutwert von null zum Maximum auf null, etc. Daher
könnte
man sagen, daß die
positive Geschwindigkeit V1 eine mittlere zyklische Geschwindigkeit
Vc während
den positiven Perioden ist und die negative Geschwindigkeit V2 eine
mittlere zyklische Geschwindigkeit Vc während den negativen Perioden
des Prallgases mit oszillierender Stromumkehr ist.
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Man glaubt, daß die mittlere Geschwindigkeit
V durch mindestens zwei Faktoren bestimmt werden kann. Erstens erzeugen
die in der Verbrennungskammer 13 verbrannte Luft und der
Brennstoff über
ein gewünschtes
Verbrennungsintervall bevorzugt einen stöchiometrischen Gasstrom. Wenn
die Verbrennungsintensität
zum Beispiel erhöht
werden soll, kann die Brennstffzuführungsrate erhöht werden.
Wenn die Brennstoffzuführungsrate
zunimmt, nimmt die Stärke
der Druckpulsation in der Verbrennungskammer 13 entsprechend
zu, was seinerseits die Menge an durch das Luftventil 11a eingesaugter
Luft erhöht.
Auf diese Weise ist der bevorzugte Impulsbrenner 21 fähig, über die
gewünschte
Verbrennungsrate automatisch eine im wesentlichen konstante Stöchiometrie
aufrecht zu erhalten. Natürlich
kann die Verbrennungsstöchiometrie,
falls gewünscht,
geändert
werden, indem die wesentlichen Betriebseigenschaften der Ventile 11a, 12a,
die Geometrie des Impulsbrenner 21 (einschließlich seines
Resonanzendrohrs 15) und andere Parameter geändert werden. Da
die Verbrennungsgase relativ zu der Temperatur der Einlaßluft und
des Brennstoffs eine viel höhere
Temperatur haben, ist zweitens die Viskosität der Einlaßluft und des Brennstoffs höher als
die Viskosität
der Verbrennungsgase. Die höhere
Viskosität
der Einlaßluft
und des Brennstoffs bewirkt einen höheren Fließwiderstand durch die Ventile 11a und 12a relativ
zum Fließwiderstand
durch das Resonatorsystem 30.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
erzeugt der Impulsbrenner 21 einen hohen Schalldruck P
in der Größenordnung
von 160–190
dB in der Verbrennungskammer 13. Der Schalldruck P erreicht
in der Verbrennungskammer 13 seinen Maximalpegel. Aufgrund
des offenen Endes der Resonanzröhre(n) 15 wird
der Schalldruck P am Ausgang der Resonanzröhre(n) 15 verringert.
Dieser Abfall des Schalldrucks P führt zu einer zunehmenden Erhöhung der
zyklischen Geschwin digkeit Vc, die am Ausgang der Resonanzröhre(n) 15 ihr Maximum
erreicht. In dem bevorzugten Helmholtz-Impulsgenerator 20 ist
der Schalldruck am Ausgang der Resonatorröhre(n) 15 minimal,
um eine maximale zyklische Geschwindigkeit Vc im Abgasstrom der
oszillierenden Prallgase zu erreichen. Der abnehmende Schalldruck
P verringert vorteilhafterweise Rauschen, das typischerweise mit
schallunterstützten
Verfahren des bisherigen Stands der Technik verbunden ist. In einigen
Experimenten mit dem Impulsbrenner 21, die gemäß der vorliegenden
Erfindung durchgeführt
wurden, war der im Abstand von etwa 1,0 Inch (Zoll) bis etwa 2,5
Inch (Zoll) von dem/den Ausströmauslaß/auslässen 39 gemessene
Schalldruck P zum Beispiel etwa von 90 db bis 120 dB. Somit arbeiten
das bevorzugte Verfahren und die Vorrichtung 10 der vorliegenden
Erfindung relativ zu schallunterstützten stationären Aufprallverfahren
nach bisherigem Stand der Technik, welche einen mittleren Schalldruck
von bis zu 170 dB haben (siehe zum Beispiel US-A-3 694 926 2: 16–25), bei
einem erheblich niedrigeren Rauschpegel.
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Am Ausgang des Gasverteilungssystems 30 kann
die zyklische Geschwindigkeit Vc, die von etwa 1000 Fuß pro Minute
(Fuß/min)
bis etwa 50000 Fuß/min
und bevorzugt von etwa 2500 Fuß/min
bis etwa 50000 Fuß/min
reicht, auf der Basis des in der Verbrennungskammer 13 gemessenen
Schalldrucks P berechnet werden. Noch bevorzugter ist die zyklische
Geschwindigkeit Vc zwischen etwa 5000 Fuß/min und etwa 50000 Fuß/min. Ein
Diagramm in 5 zeigt
schematisch den gegenseitigen Einfluß zwischen dem Schalldruck
P und der zyklischen Geschwindigkeit Vc. Wie hier weiter oben erklärt, nimmt
die zyklische Geschwindigkeit Vc gemäß dem bevorzugten Verfahren
der vorliegenden Erfindung in dem Impulsgenerator 20 zu,
erreicht ihr Maximum am Ausgang aus dem Gasverteilungssystem 30 durch
den/die Ausströmauslaß/auslässe 39,
während der
durch die Explosion der Brennstoff-Luftmischung in der Verbrennungskammer 13 erzeugte
Schalldruck P abnimmt. (In dem Diagramm von 5 entspricht ein Symbol „a" einer Stelle im
Inneren der Verbrennungskammer 13, wo die anfängliche
Verbrennung stattfindet, und ein Symbol „b" entspricht dem Ausgang aus den Ausströmauslässen 39.)
Gemäß der vorliegenden
Erfindung liegt die mittlere Geschwindigkeit V zwischen etwa 1000
Fuß/min
und etwa 25000 Fuß/min,
und das Verhältnis
Vc/V liegt etwa zwischen 1,1 und etwa 50,0. Bevorzugt liegt die
mittlere Geschwindigkeit V etwa zwischen 2500 Fuß/min und etwa 25000 Fuß/min, und
das Verhältnis
Vc/V liegt etwa zwischen 1,1 und etwa 20. Bevorzugter liegt die
mittlere Geschwindigkeit V zwischen etwa 5000 Fuß/min und etwa 25000 Fuß/min, und
das Verhältnis
Vc/V liegt etwa zwischen 1,1 und etwa 10,0. Die Amplitude der zyklischen
Geschwindigkeit Vc nimmt von dem Einlaß der Resonanzröhre zum
Auslaß der Resonanzröhre und
somit zu dem Ausströmauslaß 39 des
Gasverteilungssystems 30 hin zu. Dies verbessert die Konvektionswärmeübertragung
zwischen dem Verbrennungsgas und den Innenwänden des Gasverteilungssystems 30 weiter.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die maximale Wärmeübertragung
am Ausgang der Ausströmauslässe 39 des
Gasverteilungssystems 30 erreicht.
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Die Impulsverbrennung ist in mehreren
Quellen beschrieben, wie zum Beispiel: Heat and Mass Transfer Characteristics
of Pulse-Combustion Drying Process, Nomura et al., Drying '89, herausgegeben
von A. S. Mujumdar und M. Roques, Hemispher/Taylor Francis, N. Y.,
S. 543–549,
1989; Convective Heat Transfer in a Gas-Fired Pulsating Combustor,
V. I. Hanby, Trans. ASME J. of Eng. for Power, Bd. 91A, S. 48–52, 1969;
Pulse Combustion, A. A. Putman, Progress Energy Combustion Science,
Pergamon Journal LTD, Bd. 12, S. 4–79, 1986; Heat-Transfer Enhancement
by Pulse Combustion in Industrial Processes, John M. Corliss et
al., Procedures of 1986 Symposium on Industrial Combustion Technology,
Chicago, S. 39–48,
1986; Pulse Combustion: Impinging Jet Heat Transfer Enhancement,
P. A. Eibeck et al., Combust. Sci. and Tech., 1993, Bd. 94, S. 147–165. Diese
Artikel sind hier zum Zwecke der Beschreibung der Impulsverbrennung
und verschiedener Arten von Impulsbrennern per Referenz aufgenommen.
Es sollte jedoch sorgfältig
beachtet werden, daß für die Zwecke
der vorliegenden Erfindung nur die Impulsbrenner geeignet sind,
die fähig
sind, das Prallgas mit der oszillierenden Folge der positiven Perioden
und der negativen Perioden, oder, wie hier verwendet, Prallgas mit oszillierender
Stromumkehr, zu erzeugen. Die stromumkehrende Eigenschaft des Prallgases
sorgt, wie hier weiter unten weiter gezeigt wird, für erhebliche
Entwässerungs-
und Energiesparvorteile gegenüber
dem stationär
fließenden
Prallgas nach bisherigem Stand der Technik.
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Die Vorrichtung 10 der vorliegenden
Erfindung einschließlich
des Impulsgenerators 20 und des Stoffbahnträgers 70 ist
derart konstruiert, daß sie
fähig ist,
das Prallgas oder die Luft mit oszillierender Stromumkehr gemäß einem
vorbestimmten und bevorzugt steuerbaren Muster auf die Stoffbahn 60 ausströmen zu lassen. 1, 6, 7 und 8 zeigen mehrere prinzipielle
Anordnungen des Impulsgenerators 20 relativ zu dem Stoffbahnträger 70.
In 1 läßt der Impulsgenerator 20 das
Prallgas oder die Luft mit oszillierender Stromumkehr auf die Stoffbahn 60 ausströmen, die
von dem Stoffbahnträger 70 gehalten
wird und in eine Laufrichtung oder MD läuft. Wie hier verwendet, ist
die „Laufrichtung" eine Richtung, die
parallel zum Lauf der Stoffbahn 60 durch die Apparatur
ist. Eine Querlaufrichtung oder CD ist eine Richtung, die senkrecht
zur Laufrichtung und parallel zur Hauptebene der Stoffbahn 60 ist.
In 1 und 9 ist das Resonanz-Gasverteilungssystem 35 schematisch als
mehrere Reihen von Resonanzröhren
oder Schlitzen 15 in Querlaufrichtung aufweisend gezeigt,
wobei jede mindestens einen Ausströmauslaß 39 hat. Jedoch sollte
klar sein, daß die
Anzahl der Röhren 15 oder
der Auslässe 39 ebenso
wie ihr Verteilungsmuster relativ zur Oberfläche der Stoffbahn 60 durch
verschiedene Faktoren beeinflußt
werden kann, die umfassen aber nicht darauf beschränkt sind:
Parameter des gesamten Entwässerungsverfahrens,
wesentliche Eigenschaften (wie etwa Temperatur) des Prallgases oder
der Luft, die Art der Stoffbahn 60, ein zwischen den Ausströmauslässen 39 und
dem Stoffbahn träger 70 gebildeter
Aufprallabstand Z (1 und 7A), die Verweildauer, die
gewünschte
Faserkonsistenz der Stoffbahn 60, nachdem das Entwässerungsverfahren
der vorliegenden Erfindung beendet ist, und andere. Die Auslässe 39 brauchen
nicht die runde Form einer in 9 gezeigten
beispielhaften Ausführungsform
haben. Die Auslässe 39 können jede passende
Form haben, einschließlich
einer in 4B gezeigten
im allgemeinen rechteckigen Form, sind aber nicht darauf beschränkt.
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Wie er hier verwendet wird, bedeutet
der Begriff „Aufprallabstand", als „Z" bezeichnet, einen
zwischen den Ausströmauslässen 39 des
Gasverteilungssystems 30 und der die Bahn berührenden
Oberfläche
des Stoffbahnträgers 70 gebildeten
Zwischenraum. In der bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung 10 der vorliegenden
Erfindung kann eine Einrichtung zum Steuern des Aufprallabstands
Z bereitgestellt werden. Eine derartige Einrichtung kann herkömmliche
manuelle Mechanismen ebenso wie automatisierte Vorrichtungen aufweisen,
um zu bewirken, daß die
Auslässe 39 des
Gasverteilungssystems 30 und der Stoffbahnträger 70 sich
relativ zueinander, d. h. aufeinander zu und voneinander weg, bewegen
und dadurch den Aufprallabstand Z einstellen. Der Aufprallabstand
Z kann, wie in 1 schematisch
gezeigt, vorausschauend ansprechend auf ein Signal von einer Steuerungsvorrichtung 90 automatisch
einstellbar sein. Die Steuerungsvorrichtung mißt mindestens einen der Parameter
des Entwässerungsverfahrens
oder einen der Parameter der Stoffbahn 60. Zum Beispiel
kann die Steuerungsvorrichtung eine Feuchtigkeitsmeßvorrichtung
aufweisen, die konstruiert ist, den Feuchtigkeitsgehalt der Stoffbahn 60 vor
und/oder nachdem die Stoffbahn einer Wasserentfernung unterzogen
wurde, oder während
des Wasserentfernungsverfahrens zu messen (1). Wenn der Feuchtigkeitsgehalt der
Stoffbahn 60 höher
oder niedriger als ein gewisser voreingestellter Pegel ist, sendet
die Feuchtigkeitsmeßvorrichtung
ein Fehlersignal, um den Aufprallabstand Z entsprechend einzustellen.
Alternativ oder zusätzlich
kann die Steuerungsvorrichtung 90 einen Tempera tursensor
aufweisen, der konstruiert ist, die Temperatur der Stoffbahn 60 zu
messen, während
die Stoffbahn 60 dem Aufprall mit Stromumkehr entsprechend
der vorliegenden Erfindung unterzogen wird. Ein Fachmann wird wissen,
daß Papier
gewöhnlich
keine höheren Temperaturen
als 300°F–400°F aushält. Deshalb
kann die Steuerung der Temperatur der Stoffbahn insbesondere in
dem Verfahren der vorliegenden Erfindung, in dem das Prallgas mit
oszillierender Stromumkehr beim Verlassen der Ausströmauslässe 39 des
Gasverteilungssystems 30 eine Temperatur von bis zu 2500°F hat, wichtig
sein. Daher kann der Aufprallabstand Z vorausschauend ansprechend
auf ein Signal von der Steuerungsvorrichtung 90, die konstruiert
ist, die Temperatur der Stoffbahn 60 zu messen, automatisch
einstellbar sein. Wenn die Temperatur der Stoffbahn 60 höher als
ein gewisser vorher ausgewählter
Schwellwert ist, sendet die Steuerungsvorrichtung 90 ein
Fehlersignal, um den Aufprallabstand Z entsprechend einzustellen
(vermutlich zu erhöhen),
wodurch Bedingungen erzeugt werden, die die Temperatur der Stoffbahn 60 verringern. Diese
und andere Parameter des Entwässerungsverfahrens
können,
allein oder in Kombination miteinander, als wesentliche Eingangseigenschaften
zum Einstellen des Aufprallabstands Z verwendet werden.
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In der bevorzugten Ausführungsform
kann der Aufprallabstand Z zwischen etwa 0,25 Inch und etwa 6,0
Inch schwanken. Der Aufprallabstand Z definiert einen Aufprallbereich,
d. h. den Bereich zwischen dem/den Ausströmauslaß/auslässen 39 und dem Stoffbahnträger 70,
wobei der Bereich von dem durch den Impulsgenerator 20 erzeugten
Gas mit oszillierender Stromumkehr durchdrungen wird. In der bevorzugten Ausführungsform
der Vorrichtung 10 und des Verfahrens der vorliegenden
Erfindung liegt das Verhältnis
des Aufprallabstands Z zu einem äquivalenten
Durchmesser D des Ausströmauslasses 39,
d. h. das Verhältnis
Z/D zwischen etwa 1,0 und etwa 10,0. Der „äquivalente Durchmesser D" wird hier verwendet,
um eine offene Fläche
A des Auslasses 39 mit einer nicht kreisförmigen Form
relativ zu der äquivalenten
of fenen Fläche
A des Auslasses 39 mit einer kreisförmigen geometrischen Form zu
definieren. Eine Fläche
mit jeder geometrischen Form kann gemäß der Formel S = 1/4πD2 beschrieben werden, wobei S die Fläche der
beliebigen geometrischen Form, π =
3,14159 und D der äquivalente
Durchmesser ist. Zum Beispiel kann die offene Fläche des Auslasses 39 mit
einer rechteckigen Form als ein Kreis mit einer äquivalenten Fläche „s" mit einem Durchmesser „d" ausgedrückt werden.
Dann kann der Durchmesser d aus der Formel s = 1/4πd2 berechnet werden, wobei s die bekannte
Fläche
des Rechtecks ist. In dem vorangehenden Beispiel ist der Durchmesser
d der äquivalente
Durchmesser D dieses Rechtecks. Natürlich ist der äquivalente
Durchmesser eines Kreises der echte Kreisdurchmesser (4 und 4A).
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Verschiedene Konstruktionen des Gasverteilungssystems 30,
die geeignet sind, das Gasfeld mit oszillierender Stromumkehr auf
die Stoffbahn 60 zu liefern, umfassen die, welche eine
einzige gerade Röhre
oder einen Schlitz 15 ( 4)
oder mehrere Röhren 15 aufweisen
(1). Die geometrische
Form, relative Größe und die
Anzahl der Röhren 15 hängen von
dem erforderlichen Wärmeübertragungsprofil,
der relativen Größe einer
Fläche
der trocknenden Oberfläche
und anderen Parametern des Verfahrens ab. Ungeachtet seiner spezifischen
Konstruktion muß das
Gasverteilungssystem 30 gewisse wesentliche Eigenschaften
besitzen. Wenn das Gasverteilungssystem 30 erstens Resonanzröhren 15 aufweist,
durch die, wie weiter oben erklärt
wurde, ein Resonanz-Gasverteilungssystem 35 gebildet wird,
muß das
Resonanz-Gasverteilungssystem 35 das in der Verbrennungskammer 13 erzeugte
Verbrennungsgas, wie weiter oben beschrieben, in das Prallgas mit
oszillierender Stromumkehr verwandeln oder konvertieren. Zweitens
muß das
Gasverteilungssystem 30 das Prallgas mit oszillierender
Stromumkehr auf die Stoffbahn 60 liefern. Mit der Anforderung,
daß das
Gasverteilungssystem 30 das Prallgas auf die Stoffbahn 60 liefern
muß, ist
gemeint, daß das
Prallgas aktiv in die in der Stoffbahn 60 enthaltene Feuchtigkeit
eingreifen muß,
um diese Feuchtigkeit zumindest teilweise aus der Stoffbahn 60 und
aus einer zu der Stoffbahn 60 benachbarten Grenzschicht
zu entfernen. Es sollte klar sein, daß die Anforderung, daß die Prallgase
auf die Stoffbahn 60 geliefert werden, nicht ausschließt, daß die Prallgase zumindest
teilweise in die Stoffbahn 60 eindringen. Natürlich können die
Prallgase in einigen Ausführungsformen
der Erfindung die Stoffbahn 60 durch die gesamte Stärke oder
Dicke der Bahn durchdringen und dadurch Wasser verschieben, erwärmen, verdampfen
und aus der Stoffbahn 60 entfernen.
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Die Konstruktion des Gasverteilungssystems 30 kann
entscheidend sein, um die gewünschten
hohen Wasserentfernungsraten (d. h. Bahnentwässerungs- und/oder Trocknungsraten)
gemäß der vorliegenden
Erfindung – von
bis zu 150 Pfund pro Quadratfuß pro
Stunde (lb/ft2·hr) und höher zu erreichen. Nicht nur
eine resultierende offene Fläche
der Ausströmauslässe 39 im
Verhältnis
zu einer Aufprallfläche
der Stoffbahn 60 ist wichtig, sondern auch ein Verteilungsmuster
der Ausströmauslässe 39 über die
Aufprallfläche
der Bahn. Wie er hier verwendet wird, bezieht sich der Begriff „resultierende
offene Fläche", als „ΣA" bezeichnet, auf
eine kombinierte offene Fläche,
die aus allen einzelnen offenen Flächen A der Auslässe 39 zusammen
gebildet wird. Eine Fläche
eines Teils der Stoffbahn 69, auf die das Aufprallfeld
mit oszillierender Stromumkehr aufprallt, wird hier zu jedem Zeitpunkt
des Durchlaufverfahrens als eine „Aufprallfläche E" bezeichnet. Die
Aufprallfläche E
kann als E = RH berechnet werde, wobei R eine Länge der Aufprallfläche E ist
(1) und H eine Breite
der Stoffbahn 60 ist (9 und 11). Der Abstand R ist, wie
am besten in 1 gezeigt,
durch die Geometrie des Gasverteilungssystems 30, insbesondere
durch eine Abmessung in Laufrichtung des Musters aus den mehreren
Ausströmauslässen 39,
definiert. Die Aufprallfläche
E ist mit anderen Worten eine Fläche,
die einem durch das Muster aus den mehreren Ausströmauslässen 39 umrissenen
Bereich entspricht. Eine Beziehung zwischen der resultierenden offe nen
Fläche ΣA und der
Aufprallfläche
E der Stoffbahn kann durch ein Verhältnis ΣA/E definiert werden, welches
zwischen 0,002 und 1,000 liegen kann. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung liegt das Verhältnis ΣA/E zwischen 0,005 und 0,200
(d. h. ΣA
reicht relativ zu E von 0,5% bis 10%). Das bevorzugteste Verhältnis ΣA/E liegt
zwischen 0,010 und 0,100.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
sind für
die Stoffbahn 60 mit einem Fechtigkeitsgehalt zwischen etwa
10% und etwa 60% die Wasserentfernungsraten höher als 25–30 Pfund/Fuß2·h.
Die bevorzugten Wasserentfernungsraten sind höher als 50–60 Pfund/Fuß2·h.
Die bevorzugtesten Wasserentfernungsraten liegen zwischen 75 Pfund/Fuß2·h
und 150 Pfund/Fuß2·h
und sogar höher.
Um die gewünschten
Wasserentfernungsraten für
die Stoffbahn 60 zu erreichen, sollte das Prallgas mit
oszillierender Stromumkehr bevorzugt ein oszillierendes „Strömungsfeld" bilden, das die
Stoffbahn 60 in der Aufprallfläche E im wesentlichen gleichmäßig über die
Oberfläche
der Stoffbahn 60 berührt.
Das oszillierende Feld kann erzeugt werden, wenn der Strom des oszillierenden
Gases aus dem Gasverteilungssystem 30 im wesentlichen gleichmäßig geteilt
und durch ein Netz aus den Ausströmauslässen 39 auf die trocknende
Oberfläche.
der Stoffbahn 60 prallt. Auch kann aufgrund möglicher
Dichteeffekte in dem Impulsbrenner 21 und dem Gasverteilungssystem 30 eine
Temperatursteuerung des oszillierenden Prallgases in dem Gasverteilungssystem 30 notwendig
sein. Die Steuerung der Gastemperatur am Ausgang aus dem Gasverteilungssystem 30 durch
den/die Ausströmaus-laß/auslässe 39 ist
wünschenswert,
weil sie einem hilft, die Wasserentfernungsraten in dem Verfahren
zu steuern. Ein Fachmann wird ohne weiteres erkennen, daß die Steuerung
der Gastemperatur durch die Verwendung von wassergekühlten Mänteln und/oder
einer Gaskühlung
der äußeren Oberflächen des
Impulsbrenners 21 und des Gasverteilungssystems 30 bewerkstelligt
werden kann. Kühlungsdruckluft
und Wärmeübertra gungsrippen können ebenfalls
verwendet werden, um die Gastemperatur an den Ausströmauslässen 39 zu
steuern und Wärme
in dem Impulsbrenner 21 wiederzugewinnen ebenso wie den
Ort der Verbrennungsflammenfront in der/den Resonanzröhre(n) 15 zu
steuern.
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Es wurde herausgefunden, daß das oszillierende
Feld unter Verwendung der Auslässe 39 mit
einer Vielfalt an geometrischen Formen verteilt werden kann, vorausgesetzt,
einige Richtlinien werden bevorzugt beachtet. Erstens sollte das
Resonanz-Gasverteilungssystem 35 bevorzugt gleiche Volumen
und Längen
in jeder Röhre 15 haben,
um derartige akustische Feldeigenschaften aufrecht zu erhalten,
um sicherzustellen, daß der in
der Verbrennungskammer 13 erzeugte Schalldruck am Ausgang
der Ausströmauslässe 39 maximal
und gleichmäßig in das
oszillierende Feld ungewandelt wird. Zweitens sollte die Konstruktion
des Resonanz-Gasverteilungssystems 35 (oder des Gasverteilungssystems 30)
bevorzugt den Druck „zurück" in die Verbrennungskammer 13 minimieren.
Rückwärtsdruck
kann den Betrieb des Luftventils 11a nachteilig beeinflussen (insbesondere,
wenn es ein aerodynamisches ist) und folglich den von dem Impulsbrenner
erzeugten dynamischen Druck und die oszillierende Geschwindigkeit
Vc der Prallgase verringern. Drittens sollte die resultierende offene
Fläche ΣA der mehreren
Ausströmauslässe 39 mit
einer resultierenden offenen (Querschnitt-)Fläche der Röhre oder der Röhren 15 korrelieren.
Dies bedeutet, daß die
resultierende offene Fläche ΣA der mehreren Ausströmauslässe 39 in
einigen Ausführungsformen
bevorzugt gleich einer resultierenden offenen (Querschnitt-)Fläche der
Röhre oder
der Röhren 15 sein
sollte. In anderen Ausführungsformen
kann es jedoch wünschenswert
sein, ungleiche offene Flächen
zu haben, um eine Steuerung des (vermutlich gleichmäßigen) Temperaturprofils
des Feldes aus Gas mit oszillierender Stromumkehr zu haben. Analog
zu der resultierenden offenen Fläche ΣA der Ausströmauslässe 39 würde ein
Fachmann verstehen, daß die „resultierende
offene Fläche
der Röhre
oder der Röhren
15" sich auf eine
durch die einzelne Röhre
oder Röhren 15 gebildete
kombinierte offene Fläche
bezieht, wie sie in einem imaginären
Querschnitt senkrecht zu einem Strom aus oszillierendem Gas gesehen
wird.
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Ein Verteilungsmuster der Ausströmauslässe 39 relativ
zu der Stoffbahn 60 kann in der Draufsicht variieren. 9 zeigt zum Beispiel eine
nicht zufällige
versetzte Verteilungsanordnung. Verteilungsmuster, die nicht zufällige versetzte
Anordnungen aufweisen, erleichtern die gleichmäßigere Anwendung des Prallgases und
daher die gleichmäßigere Verteilung
der Gastemperatur und Geschwindigkeit relativ zur Aufprallfläche der Stoffbahn 60.
Die Ausströmauslässe 39 können eine
im wesentlichen rechteckige Form haben, wie in 4B gezeigt. Derartige rechteckige Ausströmauslässe 39 können konstruiert
sein, die gesamte Breite der Stoffbahn 60 oder – alternativ – jeden
Teil der Breite der Stoffbahn 60 abzudecken.
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10 und 11 zeigen das Gasverteilungssystem 30,
das mehrere Blaskästen 36 aufweist,
von denen jeder mit einer Bodenplatte 37 abschließt, welche
die mehreren Ausströmauslässe 39 aufweist.
Die Ausströmauslässe 39 können mit
jedem anderen auf dem Fachgebiet bekannten Verfahren als Perforationen
durch die Bodenplatte 37 ausgebildet werden. In 10 hat der Blaskasten 36 eine
im allgemeinen trapezförmige Form,
aber es sollte klar sein, daß andere
Formen des Blaskastens 36 auch möglich sind. Während der
in 10 gezeigte Blaskasten
eine im wesentlichen ebene Bodenplatte 37 hat, wurde ebenso
entdeckt, daß eine nicht
ebene gekrümmte
Form der Bodenplatte 37 möglich und sogar bevorzugt sein
kann. Zum Beispiel zeigt 12 den
Blaskasten 36 mit einer konvexen Bodenplatte 37;
und 14 zeigt den Blaskasten 36 mit
einer konkaven Bodenplatte 37. Es wurde herausgefunden,
daß die
konvexe Form der Bodenplatte 37 relativ zu der ebenen Form
der Bodenplatte 37, höhere
Temperaturen des oszillierenden Gases in dem Aufprallbereich liefert, 13A. Gleichzeitig liefert
die konkave Form der Bodenplatte 37 eine gleichmäßigere Verteilung
der Gastemperatur über
die Aufprallfläche
der Stoffbahn 60 relativ zu der durch die ebene Bodenplatte
gelieferten Temperaturverteilung, wobei alle anderen wesentlichen
Eigenschaften des Verfahrens und der Vorrichtung gleich sind, 14A.
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Während 12 die Bodenplatte 37 zeigt,
die konvex und im Querschnitt gekrümmt ist, zeigt 13 eine andere Ausführungsform einer im allgemeinen
konvexen Bodenplatte, die durch mehrere Abschnitte gebildet wird. 13 zeigt schematisch die
Bodenplatte 37, die drei Abschnitte aufweist: einen ersten
Abschnitt 31, einen zweiten Abschnitt 32 und einen
dritten Abschnitt 33. In dem gezeigten Querschnitt bilden
die Abschnitte 31, 32 und 33 Winkel dazwischen
und bilden dadurch im gezeigten Querschnitt eine „unterbrochene Linie". Natürlich kann
eine Anzahl der Abschnitte ebenso wie ihre Form sich von den in 13 gezeigten unterscheiden.
Zum Beispiel hat jeder der in 13 gezeigten
Abschnitte 31, 32 und 33 einen im wesentlichen ebenen
Querschnittaufbau. Jeder der Abschnitte 31, 32 und 33 kann
jedoch analog zur in 12 gezeigten Bodenplatte 37 individuell
gekrümmt
sein (nicht gezeigt).
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Ein Fachmann sollte verstehen, daß der hier
weiter oben definierte Aufprallabstand Z im Zusammenhang der Bodenplatte 37 mit
einer konvexen Form (ob gekrümmt
oder nicht) sich zwischen den Ausströmauslässen 39 unterscheiden
kann. Daher ist der Aufprallabstand Z, wie er hier verwendet wird,
im Zusammenhang der konvexen Bodenplatte 37 ein arithmetisches
Mittel aller einzelnen Aufprallabstände Z1, Z2, Z3, etc. (12 und 13) zwischen der die Bahn berührenden
Oberfläche
des Stoffbahnträgers 70 und
dem jeweiligen einzelnen Ausströmauslaß 39,
wobei relative offene Flächen
A und relative Anzahlen der Ausströmauslässe 39 pro Einheit
der Aufprallfläche
der Stoffbahn 60 berücksichtigt
werden. Zum Beispiel zeigt 13,
daß die Bodenplatte 37 im
Querschnitt (in dem Abschnitt 32) drei Ausströmauslässe 39 mit
dem Aufprallabstand Z3, zwei Ausströmauslässe 39 (einen in jedem
der Abschnitte 31 und 33) mit dem Aufprallabstand
Z2 und zwei Ausströmauslässe 39 (einen
in jedem der Abschnitte
31 und 33) mit dem Aufprallabstand
Z2 hat. Dann wird unter der Annahme, daß alle Ausströmauslässe 39 jeweils
gleiche offene Flächen
A haben, der Aufprallabstand für
die gesamte Bodenplatte als (Z3 × 3 + Z1 × 2 + Z2 × 2)/7 berechnet. Wenn die
Ausströmauslässe 39 ungleiche
offene Flächen
A haben, sollten die verschiedenen Flächen A in die Gleichung aufgenommen
werden, um den unterschiedlichen Beitrag der einzelnen Ausströmauslässe 39 zu
berücksichtigen.
Der einzelne Aufprallabstand Z1, Z2, Z3, etc. wird von dem Punkt
gemessen, in dem eine geometrische Achse des Ausströmauslasses 39 eine
durch eine der Stoffbahn zugewandte Oberfläche der Bodenplatte 37 gebildete
imaginäre Linie
kreuzt. Das gleiche Verfahren zur Berechnung des Aufprallabstands
Z kann, wie ein Fachmann erkennen wird, falls passend, im Zusammenhang
des Stoffbahnträgers 70 angewendet
werden, welcher einen Trocknungszylinder 80 aufweist, 7, 7A und 8 (IV).
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Andere Konstruktionen und Permutationen
des Gasverteilungssystems 30 einschließlich der Ausströmauslässe 39 werden
in der vorliegenden Erfindung betrachtet. Zum Beispiel können die
mehreren Öffnungen in
den Platten 37, wie in 9A schematisch
gezeigt, in einem vorbestimmten Muster verteilte längliche schlitzartige
Löcher
aufweisen. Ebenso kann, falls gewünscht, in der Vorrichtung 10 der
vorliegenden Erfindung eine Kombination (nicht gezeigt) aus den
runden Ausströmauslässen 39 und
den schlitzartigen Auslässen 39 verwendet
werden.
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Es wird auch angenommen, daß eine gewinkelte
Anwendung der Luft oder des Gases mit oszillierender Stromumkehr
vorteilhaft in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Mit „gewinkelter" Anwendung ist gemeint,
daß die
positive Richtung des oszillierenden Luft- oder Gasstroms und eine
die Stoffbahn berührende
Oberfläche
des Stoffbahnträgers 70 einen
spitzen Winkel dazwischen bilden. 12 und 13 stellen eine derartige
gewinkelte Anwendung des oszillierenden Prallgases oder der Luft
dar. Es sollte jedoch sorgfältig
beachtet werden, daß die
gewinkelte Anwendung der oszillierenden Luft oder des Gases nicht
notwendi gerweise aus der konvexen, konkaven oder anders gekrümmten (oder „unterbrochenen") Form der Bodenplatte 37 folgt.
Mit anderen Worten kann die gekrümmte
oder unterbrochene Bodenplatte 37 einfach so konstruiert
werden, daß sie,
wie am besten in 13 gezeigt,
eine nicht gewinkelte (d. h. zum Stoffbahnträger senkrechte) Anwendung der
oszillierenden Luft oder des Gases bereitstellt. Ebenso kann die
ebene Bodenplatte 37 die Ausströmauslässe 39 aufweisen,
die so konstruiert sind, daß sie
die gewinkelte Anwendung der Luft oder des Gases mit oszillierender
Stromumkehr bereitstellen (nicht gezeigt). Natürlich kann die gewinkelte Anwendung.
der oszillierenden Luft oder des Gases mit einer anderen Einrichtung
als dem Blaskasten 36, zum Beispiel durch mehrere einzelne
Röhren,
die jeweils mit dem Ausströmauslaß 39 enden,
und ohne die Verwendung des Blaskastens 36 bereitgestellt
werden. Während
der Anmelder nicht von der Theorie beschränkt werden möchte, glaubt
er, daß die
Bahnentwässerungsvorteile,
die durch die gewinkelte Anwendung der oszillierenden Luft oder
des Gases bereitgestellt werden, der Tatsache zugeschrieben werden
können,
daß ein „Wischeffekt" der gewinkelten
oszillierenden Luft- oder Gasströme
durch das Vorhandensein des/der spitzen Winkel(s) zwischen dem Gasstrom/den
Gasströmen
und der Oberfläche
der Stoffbahn 60 erleichtert wird.
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In 12A bezeichnet
ein Symbol „λ" einen generischen
Winkel, der zwischen der allgemeinen oder makroskopisch monoplanaren
Oberfläche
des Stoffbahnträgers 70 und
der positiven Richtung des oszillierenden Luft- oder Gasstroms durch
die Ausströmauslässe 39 gebildet
wird. Wie sie hier verwendet werden, bezeichnen die Begriffe „allgemeine" (oder ebene) Oberfläche und „makroskopisch
monoplanare" Oberfläche beide
die Draufsicht des Stoffbahnträgers 70,
wenn der Stoffbahnträger 70 als
ein Ganzes ohne Rücksicht
auf strukturelle Details betrachtet wird. Natürlich können kleinere Abweichungen
von der absoluten Planarität
tolerierbar sein, wohingegen sie nicht bevorzugt sind. Es sollte
auch erkannt werden, daß die
gewinkelte Anwendung der Luft oder des Gases mit oszillierender
Stromumkehr relativ zur Querlaufrichtung (12), der Laufrichtung (nicht gezeigt)
und sowohl zur Laufrichtung als auch zur Querlaufrichtung (nicht
gezeigt) sein kann. Gemäß der vorliegenden
Erfindung reicht der Winkel λ von
fast 0° bis
90°. Auch
können
sich die einzelnen Winkel λ (λ1, λ2, λ3) voneinander
unterscheiden (und tun dies in einigen Ausführungsformen bevorzugt), wie am
besten in 12A gezeigt: λ1 > λ2 > λ3.
Ein Fachmann wird erkennen, daß die
hier weiter oben gegebenen Erläuterungen
hinsichtlich des Winkels λ analog
auch auf die in 14 gezeigte
konkave Bodenplatte 37 anwendbar sein können.
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15 zeigt
schematisch eine Ausführungsform
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, in dem über die
Breite der Stoffbahn 30 mehrere der Gasvereilungssysteme 30 (30a, 30b und 30c)
verwendet werden. Diese Anordnung ermöglicht eine höhere Flexibilität bei der
Steuerung der Bedingungen des Stoffbahn-Entwässerungsverfahrens über die
Breite der Stoffbahn 60 und somit bei der Steuerung der
relativen Feuchtigkeit und/oder den Entwässerungsraten der verschiedenen
Teile (vermutlich in der Querlaufrichtung) der Stoffbahn 60.
Zum Beispiel ermöglicht
es einem eine derartige Anordnung, den Aufprallabstand Z für verschiedene
Teile der Stoffbahn 60 individuell zu steuern. In 15 hat das Gasverteilungssystem 30a einen
Aufprallabstand Za, das Gasverteilungssystem 30b hat einen
Aufprallabstand Zb, und das Gasverteilungssystem 30c hat
einen Aufprallabstand Zc. Jeder der Aufprallabstände Za, Zb und Zc kann einzeln,
unabhängig
voneinander, einstellbar sein. Eine Einrichtung 95 zum
Steuern des Aufprallabstands Z kann bereitgestellt werden. Während 15 drei Impulsgeneratoren 20 zeigt,
von denen jeder sein eigenes Gasverteilungssystem 30 hat,
sollte klar sein, daß in
anderen Ausführungsformen
ein einziger Impulsgenerator 20 mehrere Gasverteilungssysteme 30 haben
kann, von denen jedes eine Einrichtung für den einzeln einstellbaren
Aufprallabstand Z hat.
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In den Ausführungsformen des Verfahrens
der vorliegenden Erfindung, die zwei oder mehr Impulsbrenner 21 aufweisen,
kann ein Paar von Impulsbrennern 21 vorteilhafterweise
in einer Tandemkonfiguration in nächster Nähe zueinander arbeiten. Diese
Anordnung (nicht dargestellt) kann zu einer 180°-Phasenverzögerung zwischen dem Zünden der
Tandem-Impulsbrenner 21 führen, was
den zusätzlichen
Vorteil der Verringerung von Rauschemissionen erzeugen könnte. Diese
Anordnung kann auch höhere
dynamische Druckpegel in den Im-pulsbrennern
erzeugen, die ihrerseits eine höhere
zyklische Geschwindigkeit Vc der Prallgase mit oszillierender Stromumkehr
erzeugen, welche die Ausströmauslässe 39 des
Resonanzsystems 30 verlassen. Die größere zyklische Geschwindigkeit
Vc erhöht
den Entwässerungswirkungsgrad
des Verfahrens.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
kann das Feld des Prallgases mit oszillierender Stromumkehr vorteilhaft
in Verbindung mit einem stationär
fließenden
Prallgas verwendet werden. Eine besonders bevorzugte Betriebsart
weist die nacheinander abwechselnde Anwendung des Gases mit oszillierender
Stromumkehr und des stationär
fließenden
Gases auf. 6 zeigt schematisch
eine prinzipielle Anordnung einer derartigen Ausführungsform
des Verfahrens. In 6 liefert
das Gasverteilungssystem 30 das Prallgas mit oszillierender Stromumkehr
durch die Röhren 15 mit
den Ausströmauslässen 39;
und ein Stationärfluß-Gasverteilungssystem 55 liefert
stationär
fließendes
Prallgas durch die Röhren 55 mit
den Ausströmauslässen 59.
In 6 zeigen Richtungspfeile „Vs" schematisch die
Geschwindigkeit (oder Bewegung) der stationär fließenden Gase an, und die Richtungspfeile „Vc" zeigen die zyklische
Geschwindigkeit (oder oszillierende Bewegung) der Gase mit oszillierender
Stromumkehr schematisch an. Während
die Stoffbahn 60 in der Laufrichtung MD läuft, prallen
das Gas mit oszillierender Stromumkehr und das stationär fließende (nicht
oszillierende) Gas nacheinander auf die Stoffbahn 60. Diese
Reihenfolge der Behandlung kann entlang der Laufrichtung viele Male
wiederholt werden, während
die Stoffbahn 60 in der Laufrichtung läuft. Man nimmt an, daß das oszillierende
Feld den restlichen Wasserdampf, der eine Grenzschicht über der
trocknenden Oberfläche
der Stoffbahn 60 aufweist, „reinigt", wodurch die Entfernung von Wasser
durch das stationär
fließende
Prallgas erleichtert wird. Diese Kombination erhöht die Trocknungsleistung des
Stationärfluß-Aufpralltrocknungssystems.
Es sollte erkannt werden, daß in
der vorliegenden Erfindung die gewinkelte Anwendung des Prallgases
in dem Verfahren, das die Anwendung der Kombination aus dem stationär fließenden Gas
und dem Gas mit oszillierender Stromumkehr aufweist, betrachtet
wird. In diesem Fall können,
wie weiter oben detaillierter erklärt wurde, eines oder beide, das
oszillierende Gas und das stationär fließende Gas, Strahlströme aufweisen,
welche die „gewinkelte" Position relativ
zu dem Stoffbahnträger 70 haben.
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In 6 sind
eine Einrichtung zum Erzeugen von oszillierenden und stationär fließenden Prallgasen schematisch
als den gleichen Impulsgenerator 20 enthaltend gezeigt.
In diesem Fall kann die Steuerung der Temperatur des stationär fließenden Gases
notwendig sein, um einen thermischen Schaden an der Stoffbahn 60 zu
verhindern oder die Wasserentfernungsraten zu steuern. Es sollte
jedoch klar sein, daß ein
getrennter Generator (oder Generatoren) für einen stationären Strom
vorgesehen werden kann, welche(r) unabhängig von dem Impulsgenerator 20 ist
(sind). Die letztere Anordnung liegt innerhalb des Wissensbereichs
eines Fachmanns und wird deshalb hier nicht dargestellt.
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Das kontinuierliche oder periodische
Einspritzen von Verdünnungsmitteln
während
des Verbrennungszyklus des Impulsbrenners, um zur Betriebsfrequenz
des Brenners zu passen, wird in der vorliegenden Erfindung betrachtet.
Wie hier verwendet, weisen die „Verdünnungsmittel" flüssige oder
gasförmige
Substanzen auf, die in die Verbrennungskammer 13 des Impulsbrenners 21 zugesetzt
werden können,
um eine zusätzliche Gasmasse
zu erzeugen und dadurch die mittlere Geschwindigkeit V der Verbrennungsgase
zu erhöhen.
Das Zusetzen von Spülgas
kann auch verwendet werden, um die mittlere Ge schwindigkeit V des
von dem Impulsbrenner 21 erzeugten oszillierenden Strömungsfelds
zu erhöhen.
Die höhere
mittlere Geschwindigkeit V wird ihrerseits die Stromumkehreigenschaften
des oszillierenden Strömungsfelds über einen
weiten Bereich verändern.
Dies ist vorteilhaft bei der Bereitstellung einer zusätzlichen
Steuerung der wesentlichen Eigenschaften des oszillierenden Strömungsfelds,
getrennt von der Steuerung derselben durch die Geometrie des Gasverteilungssystems 30,
die wesentlichen Eigenschaften des aerodynamischen Luftventils 11a und
der thermischen Verbrennungsrate des Impulsbrenners 21.
Wenn ferner ein Verdünnungsgas,
wie etwa Kohlendioxid (CO2), verwendet wird,
kann der höhere
Enthalpiewert (d. h. Wärmegehalt)
vorteilhaft sein, um die Gesamtwärmeflußdichte
des auf die Stoffbahn 60 prallenden oszillierenden Strömungsfelds
zu erhöhen.
Eine Erhöhung
der mittleren Geschwindigkeit V erleichtert auch die konvektive
Massenübertragung,
die ihrerseits den Wasserentfernungswirkungsgrad des Verfahrens
erhöht.
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Verbrennungsnebenprodukte, die in
einem mit Erdgasen arbeitenden Helmholtz-Impulsbrenner erzeugt werden,
enthalten typischerweise 10–15%
Wasserdampf. Das Wasser ist aufgrund der hohen Betriebstemperatur
des Impulsbrenners und des sich ergebenden Verbrennungsgases als überhitzter
Dampfdunst vorhanden. Das Einspritzen von zusätzlichem Wasser oder Dampf
in den Impulsbrenner 21 wird in dem Verfahren und der Vorrichtung 10 der
vorliegenden Erfindung betrachtet. Das Einspritzen kann ohne die
Notwendigkeit einer dampferzeugenden Hilfseinrichtung an Ort und
Stelle weiteren überhitzten
Dampf erzeugen. Der Zusatz des überhitzten
Dampfes in das Prallgasfeld mit oszillierender Stromumkehr kann
wirksam sein, um den sich ergebenden auf die Papierbahn 60 gelieferten
Wärmefluß zu erhöhen.
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Der Impulsbrenner 21 der
vorliegenden Erfindung kann auch eine Einrichtung zum Ventilieren
von Luft in die Verbrennungskammer 13 umfassen, um die
Verbrennungsintensität
zu erhöhen.
In diesem Fall erhöht erstens
ein höherer
Fließwiderstand
die dynamische Druckamplitude in dem Helm holtz-Resonator. Zweitens neigt
die Verwendung der Druckluft dazu, den Brenner 21 für höhere Verbrennungsraten
zu beschicken als bei atmosphärischen
Ansaugbedingungen erreichbar sind. Die Verwendung eines Luftverteilers,
Schubkraftverstärkers
oder Beschickers sind von der vorliegenden Erfindung umfaßt.
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8 zeigt
schematisch mehrere Hauptstellen (I, II, III, IV und V) der Aufprallbereiche
in dem gesamten Papierherstellungsverfahren. Es sollte klar sein,
daß die
gezeigten Stellen nicht exklusiv sein sollen, sondern gedacht sind,
einfach einige der möglichen
Anordnungen der Trocknungsvorrichtung 10 in Verbindung mit
einem bestimmten Stadium des gesamten Papierherstellungsverfahrens
darzustellen. Während 8 ein Luftdurchgangstrocknungsverfahren
zeigt, sollte auch klar sein, daß die Vorrichtung 10 der
vorliegenden Erfindung ebenso auf andere Papierherstellungsverfahren,
wie etwa herkömmliche
Verfahren (nicht gezeigt), anwendbar ist. Wie ein Fachmann erkennen
wird, umfassen die in 8 gezeigten
mehreren Papierherstellungsstadien: Formbildung (Stelle 1), Naßübertragung
(Stelle II), Vortrocknen (Stelle III), Trocknungszylinder-Trocknung
(Stelle IV) und Nachtrocknen (Stelle V). Wie weiter oben hingewiesen
wurde, sind die wesentlichen Eigenschaften des Verfahrens der vorliegenden
Erfindung, einschließlich
der wesentlichen physikalischen Eigenschaften der Prallgase, durch
viele Faktoren, einschließlich
dem Feuchtigkeitsgehalt der Stoffbahn 60 in einem bestimmten
Stadium des Papierherstellungsverfahrens, bestimmt.
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Ein bevorzugte Stelle für den Aufprallbereich
ist, wie in 7, 7A und 8 (Stelle IV) gezeigt, eine Fläche, die
zwischen einem Trocknungszylinder 80 und einer Trockenhaube 81 gebildet
wird, welche dem Trocknungszylinder 80 gegenübergestellt
ist. Das Feld des Prallgases mit oszillierender Stromumkehr verbessert sowohl
die konvektive Wärmeübertragung
als auch die konvektive Massenübertragung
des in der Trockenhaube 81 verwendeten Gases. Dies kann
im Vergleich zu herkömmlichen
Stationärfluß-Aufprallhauben
zu er höhten
Wasserentfernungsraten führen
und höhere
Papiermaschinengeschwindigkeiten erlauben. Wie in 8 gezeigt (Stelle IV), kann die Aufprallhaube
auf dem „nassen" Ende des Zylindertrockners
angeordnet sein. Die Trocknungsverweildauer kann durch die Kombination
des Haubenmantels um den Trocknungszylinder und die Laufgeschwindigkeit
gesteuert werden. Das Verfahren ist, wie hier weiter unten detaillierter
beschrieben wird, insbesondere nützlich
bei der Beseitigung von Feuchtigkeitsgradienten, die in von dem
aktuellen Bevollmächtigten
hergestellten Papier mit unterschiedlicher Dichtestruktur vorhanden
ist.
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Typischerweise verwenden Luftdurchgangstrocknungsverfahren
nach bisherigem Stand der Technik fluiddurchlässige Stoffbahnträger 70,
die endlose Papierherstellungsgurte in industriellen Anwendungen
großen
Maßstabs
aufweisen. 16–19 zeigen schematisch zwei
beispielhafte Ausführungsformen
des fluiddurchlässigen
Stoffbahnträgers,
der einen endlosen Papierherstellungsgurt aufweist, der durch den
gegenwärtigen
Anmelder in Durchluf-Trocknungsverfahren verwendet wird. Der in 16–19 gezeigte
Stoffbahnträger 70 hat
eine die Stoffbahn berührende
Oberfläche 71 und
eine rückseitige
Oberfläche 72,
die zu der die Stoffbahn berührenden
Oberfläche 71 entgegengesetzt
ist. Der Stoffbahnträger 70 weist
ferner ein Gerüst 73,
das mit einer Verstärkungsstruktur 74 verbunden
ist, und mehrere fluiddurchlässige
Ablenkleitungsrohre 75 auf, die sich zwischen der die Stoffbahn
berührenden
Oberfläche 71 und
der rückseitigen
Oberfläche 72 erstrecken. Das
Gerüst 73 kann,
wie am besten in 17 gezeigt,
eine im wesentlichen zusammenhängende
Struktur aufweisen. In diesem Fall weist die die Stoffbahn berührende Oberfläche 71 ein
im wesentlichen zusammenhängendes
Netz auf. Alternativ oder zusätzlich
kann das Gerüst 73,
wie in 18 und 19 gezeigt, mehrere diskrete
Erhebungen aufweisen. Bevorzugt weist das Gerüst 73 ein gehärtetes lichtempfindliches
Polymerkunstharz auf. Die die Stoffbahn berührende Oberfläche 71 berührt die
darauf beförderte
Stoffbahn 70. Bevorzugt definiert das Gerüst 73 ein
vorbe stimmtes Muster auf der die Stoffbahn berührenden Oberfläche 71.
Während der
Papierherstellung prägt
die die Stoffbahn berührende
Oberfläche 71 bevorzugt
das Muster in die Stoffbahn 60. Wenn das bevorzugte im
wesentlichen zusammenhängende
Netzmuster (17) für das Gerüst 73 ausgewählt wird,
sind diskrete Ablenkleitungsrohre 75 über das Gerüst 73 verteilt und
werden von diesem umschlossen. Wenn das Netzmuster, das die diskreten
Erhebungen aufweist, ausgewählt
wird (19), weisen die
mehreren Ablenkleitungsrohre ein im wesentlichen zusammenhängendes
Leitungsrohr 75 auf, das die einzelnen Erhebungen 73 umschließt. Eine
Ausführungsform
ist möglich,
in der die einzelnen diskreten Erhebungen 73, wie in 18 und 19 gezeigt, diskrete Leitungsrohre 75a darin
hat. Die Verstärkungsstruktur 74 ist
in erster Linie zwischen den zueinander entgegengesetzten Oberflächen 71 und 72 angeordnet
und kann eine Oberfläche
haben, die mit der rückseitigen
Oberfläche 72 des
Stoffbahnträgers 70 zusammenfällt. Die
Verstärkungsstruktur 74 liefert
Halt für
das Gerüst 73.
Die Verstärkungsstruktur 74 ist
typischerweise Gewebe, und die mit den Ablenkleitungsrohren 75 paßgenauen
Teile der Verstärkungsstruktur 74 verhindern,
daß papierbildende
Fasern vollständig
durch die Ablenkleitungsrohre 75 gehen. Wenn man für die Verstärkungsstruktur 74 keinen
Gewebestoff verwenden möchte,
kann ein Vlieselement, wie etwa ein Sieb, Netz oder eine Platte
mit mehreren Löchern
hindurch die passende Festigkeit und den Halt für das Gerüst 73 bereitstellen.
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Der fluiddurchlässige Stoffbahnträger 70 für die Verwendung
in der vorliegenden Erfindung kann gemäß einem der gemeinsam übertragenen
US-Patente hergestellt werden: US-A-4 514 345 (Johnson et al., 30. April
1985); US-A-4 528
239 (Trokhan, 9. Juli 1985); US-A-5 098 522 (Smurkoski et al., 24.
März 1992);
US-A-5 260 171 (Smurkoski et al., 9. November 1993); US-A-5 275
700 (Trokhan, 4. Januar 1994); US-A-5 328 565 (Rasch et al., 12.
Juli 1994); US-A-5 334 289 (Trokhan et al., 2. August 1994); US-A-5
431 786 (Rasch et al., 11. Juli 1995); US-A-5 496 624 (Stelljes,
Jr. et al., 5. März
1996); US-A-5 500 277 (Trokhan et al., 19. März 1996); US-A-5 514 523 (Trokhan
et al., 7. Mai 1996); US-A-5
554 467 (Trokhan et al., 10. September 1996); US-A-5 566 724 (Trokhan
et al., 22. Oktober 1996); US-A-5 624 790 (Trokhan et al., 29. April
1997); US-A-5 628 876 (Ayers et al., 13. Mai 1997); US-A-5 679 222
(Rasch et al., 21. Oktober 1997); und US-A-5 714 041 (Ayers et al.,
3. Februar 1998), deren Offenbarungen hier per Referenz aufgenommen
sind. Der Stoffbahnträger 70 kann
auch einen Durchtrocknungsstoff gemäß US-A-5 672 248 (Wendt et
al. Kimberly-Clark Worldwide, Inc., Neenah, Wisconsin, 13. September
1997) oder US-A-5 429 686 (Chiu et al., Lindsey Wire, Inc. of Florence,
Mississippi, 4. Juli 1995) aufweisen.
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Die von dem vorliegenden Anmelder
hergestellten strukturierten Stoffbahnen, wobei die weiter oben beschriebenen
fluiddurchlässigen
Stoffbahnträger
verwendet werden, weisen Bereich mit unterschiedlicher Dichte auf.
Bezug nehmend auf 16 und 18 hat eine derartige Stoffbahn 60 während der
Papierherstellung zwei Hauptteile. Ein erster Teil 61,
welcher dem Gerüst 73 entspricht
und dieses berührt,
weist sogenannte „Schlaufen" auf; und ein zweiter
Teil 62, der durch die Fasern gebildet wird, die in die
Ablenkleitungsrohre 74 abgelenkt werden, weist sogenannte „Kissen" auf. Während der
Papierherstellung wird der erste Teil, dessen Geometrie im allgemeinen
dem Muster des Gerüsts 73 entspricht,
gegen das Gerüst 73 des
Stoffbahnträgers 70 geprägt. In dem
Stoffbahnendprodukt ist das bevorzugte im wesentlichen zusammenhängende Netz
des ersten Bereichs (das aus den „Schlaufen" des ersten Teils 61 gebildet
ist) aus dem im wesentlichen zusammenhängenden Gerüst 73 des Stoffbahnträgers 70 gefertigt.
In diesem Fall weisen die Endprodukte des zweiten Bereichs (die
aus den „Kissen" des zweiten Bereichs 62 gebildet
sind) mehrere über
das geprägte
Netz des ersten Bereichs verstreute und sich daraus erstreckende
Kuppeln auf. Die Kuppeln des Stoffbahnendprodukts sind aus den Kissen
gebildet und entsprechen als solche im allgemeinen in der Geometrie
und während der
Papierherstellung in der Lage den Ablenkleitungsrohren 75 des
Stoffbahnträgers 70.
Die Stoffbahn 60 kann gemäß jedem der auf den Anmelder übertragenen
US-Patente US-A-4 529 480 (Trokhan, 16. Juli 1985); US-A-4 637 859
(Trokhan, 20. Januar 1987); US-A-5
364 504 (Smurkoski et al., 15. November 1994); US-A-5 529 664 (Trokhan
et al., 25. Juni 1996) und US-A-5 679 222 (Rasch et al., 21. Oktober
1997) hergestellt werden, wobei deren Offenbarungen hier per Referenz
aufgenommen sind.
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Der Anmelder glaubt, ohne durch die
Theorie gebunden zu sein, daß aufgrund
der Tatsache, daß die die
Kissen bildenden Fasern in die Leitungsrohre 75 abgelenkt
werden, die Dichte des zweiten Teils 62 (d. h. der Kissen)
niedriger als die Dichte des ersten Teils 61 (d. h. der
Schlaufen) ist. Außerdem
kann der erste Bereich 61 später zum Beispiel gegen einen
Trocknungszylinder (wie etwa eine Trocknungstrommel) geprägt werden.
Ein derartiges Prägen
erhöht
die Dichte des ersten Teils 61 relativ zu der des zweiten
Teils 62 der Stoffbahn 60 weiter.
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Luftdurchgangstrocknungsverfahren
nach bisherigem Stand der Technik sind nicht fähig, beide Teile 61 und 62 zu
entwässern,
indem einfach Luft durch den Stoffbahnträger 70 auf die Stoffbahn
angewendet wird. Typischerweise kann in dem Schritt der Anwendung
des Luftstroms auf die Stoffbahn nur der zweite Teil 62 durch
das Anlegen von Vakuumdruck entwässert
werden, während
der erste Teil 61 naß bleibt.
Gewöhnlich wird
der erste Teil 61 getrocknet, indem er an einen Trocknungszylinder,
wie etwa eine Trocknungstrommel, gehaftet und von diesem erwärmt wird.
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Nun wird angenommen, daß man durch
die Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung 10 der vorliegenden
Erfindung einschließlich
dem Anlegen eines Vakuumdrucks, ob in Kombination mit der Luftdurchgangstrocknung
oder nicht, gleichzeitig Feuchtigkeit sowohl aus dem ersten Teil 61 als
auch aus dem zweiten Teil 62 der Stoffbahn 60 entfernen
kann. Somit wird angenommen, daß das
Verfahren der vorliegenden Erfindung, entweder allein oder in Kombination
mit dem Luftdurchgangstrocknen, die Anwendung des Trocknungszy linders
als einen Schritt in dem Papierherstellungsverfahren beseitigen
kann. Eine der bevorzugten Anwendungen des Verfahrens der vorliegenden
Erfindung ist jedoch in Kombination mit dem Luftdurchgangstrocknen.
Es wurde herausgefunden, daß die
Vorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung vorteilhaft in
Kombination mit einer Vakuumvorrichtung 43 (8, Stelle III) verwendet
werden kann, wobei in diesem Fall der Stoffbahnträger 70 bevorzugt
fluiddurchlässig
und noch besser von der in 16–19 gezeigten und hier weiter
oben beschriebenen Art ist. Wie er hier verwendet wird, ist der
Begriff „Vakuumvorrichtung" generisch und bezieht sich
auf einen Vakuumabnahmeschuh oder einen Vakuumschlitz oder auf beide,
die auf dem Fachgebiet wohlbekannt sind. Es wird angenommen, daß das von
dem Impulsgenerator 20 erzeugte Gas mit oszillierender Stromumkehr
und der von der Vakuumvorrichtung 43 erzeugte Vakuumdruck
vorteilhaft zusammenwirken können,
wodurch der Wirkungsgrad des kombinierten Entwässerungsverfahrens relativ
zu jedem dieser einzelnen Verfahren erheblich verbessert wird. Einige
der Daten, die die Kombination aus der Entwässerung des Aufprallens mit
Stromumkehr und der Luftdurchgangstrocknung betreffen, sind in den
Tabellen 2– 5
weiter unten dargestellt.
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Außerdem wurde herausgefunden,
daß die
wesentlichen Entwässerungseigenschaften
des Verfahrens mit oszillierender Stromumkehr im Vergleich zu herkömmlichen
Verfahren nach bisherigem Stand der Technik, die einen Trocknungszylinder
oder Luftdurchgangstrocknungsverfahren verwenden, wenn überhaupt, in
einem erheblich geringeren Maß von
den Dichteunterschieden der entwässerten
Stoffbahn abhängen.
Daher entkoppelt das Verfahren der vorliegenden Erfindung wirkungsvoll
die wesentlichen Wasserentfernungseigenschaften des Entwässerungsverfahrens – am wichtigsten
die Wasserentfernungsraten – von
den Unterschieden in den relativen Dichten der verschiedenen Teile
der Stoffbahn, die entwässert
wird. Dies führt
zu einer erhöhten
Ausrüstungskapazität und ihrerseits
erhöhten
maschinellen Herstellungsraten der Verfahren für Stoffbahnen mit unterschiedlicher
Dichte.
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7A zeigt
teilweise die Vorrichtung 10, die einen gekrümmten Stoffbahnträger 70' (zum Beispiel den
Trocknungszylinder 80) und das Gasverteilungssystem 30 mit
mehreren der Auslässe 39 aufweist.
Die Stoffbahn 60 ist auf dem Trocknungszylinder 80 angeordnet
und wird darauf in der Laufrichtung MD befördert. Wenn die Stoffbahn 60 von
dem Stoffbahnträger 70 von
der in 16–19 gezeigten Art auf den
Trocknungszylinder 80 übertragen
wird, weist die Stoffbahn 60, wie weiter oben erklärt wurde,
die Schlingen 61 und die Kissen 62 auf. Die Schlingen 61 sind
in direkter Berührung
mit (und haften bevorzugt an) dem Trocknungszylinder 80,
während
die Kissen 62 sich aufgrund der in 16–19 schematisch gezeigten
Geometrie des Stoffbahnträgers 70 nach
außen
erstrecken. Als ein Ergebnis werden zwischen den Kissen 62 und
der Oberfläche des
Trocknungszylinders 80 Luftspalte 63 gebildet.
Diese Luftspalte 63 beschränken eine Wärmeübertragung von dem Trocknungszylinder 80 an
die Kissen 62 erheblich und verhindern dadurch eine wirksame
Trocknung der Kissen 62. Die Vorrichtung und das Verfahren
der vorliegenden Erfindung beseitigen dieses Problem dadurch, daß sie fähig sind,
das heiße
oszillierende Gas direkt auf die Stoffbahn 70, einschließlich der
Kissenteile 62, prallen zu lassen. Auf diese Weise erzeugen
die Vorrichtung 10 und das Verfahren der vorliegenden Erfindung
Bedingungen zum Beseitigen des Luftdurchgangstrocknungsschritts
des Kissentrocknens aus dem gesamten Herstellungsverfahren, wodurch
möglicherweise
Ausrüstungskosten
verringert und Energieeinsparungen vergrößert werden.
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7B zeigt
die zwischen dem Trocknungszylinder 80' und dem Stoffbahnträger 70 eingeprägte Stoffbahn 70,
die den fluiddurchlässigen
Papierherstellungsgurt, wie etwa den in 16–19 gezeigten aufweist. Der
in 7B gezeigte Trocknungszylinder 80' ist bevorzugt
porös.
Noch besser ist der Zylinder 80' mit einem Mikroporenmedium 80 bedeckt.
Diese Art des Trocknungszylinders 80' ist in erster Linie in den gemeinsam übertragenen
US-Patenten US-A-5 274 930 (4. Januar 1994); US-A-5 437 107 (1.
August 1995); US-A- 5
539 996 (30. Juli 1996); US-A-5 581 906 (10. Dezember 1996); US-A-5
584 126 (17. Dezember 1996); US-A-5 584 128 (17. Dezember 1996)
offenbart, wobei alle die vorangehenden Patente an Ensign et al.
erteilt wurden und hier per Referenz aufgenommen sind. Es wird angenommen,
daß die
Kombination des oszillierenden Aufpralls mit Stromumkehr und der
in den vorangehenden Patenten beschriebenen Verfahren vorteilhaft
verwendet werden kann, um die Wasserentfernungsraten aus der Faserstoffbahn 60 zu
erhöhen.
In beiden 7A und 7B zeigen als „Vc" bezeichnete Richtungspfeile
die Bewegung des Gases mit oszillierender Stromumkehr schematisch
an.
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Es wird angenommen, daß die überlegenen
Wasserentfernungsraten des Verfahrens der vorliegenden Erfindung
dem oszillierenden stromumkehrenden Wesen des Prallgases zuzuschreiben
sind. Normalerweise bildet das aus der Stoffbahn verdampfende Wasser
während
den Wasserentfernungsverfahren nach bisherigem Stand der Technik
eine Grenzschicht in einem Bereich benachbart zu der freiliegenden
Oberfläche der
Stoffbahn. Es wird angenommen, daß diese Grenzschicht dazu neigt,
dem Eindringen des Prallgases in die Stoffbahn zu widerstehen. Das
stromumkehrende Wesen des oszillierenden Prallgases oder der Luft
der vorliegenden Erfindung erzeugt einen aufwirbelnden „Schrubbeffekt" auf die Grenzschicht
aus verdampfendem Wasser, was zu einem Dünnerwerden (oder „Verdünnung") der Grenzschicht
führt.
Es wird angenommen, daß dieses
Dünnerwerden
der Grenzschicht den Widerstand der Grenzschicht gegen die oszillierende
Luft oder das Gas verringert und somit folgenden Zyklen der oszillierenden
Luft oder des Gases erlaubt, tief in die Bahn einzudringen. Dies
führt,
ungeachtet verschiedener Dichten der Stoffbahn, zu einer gleichmäßigeren Aufheizung
der Stoffbahn.
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Außerdem führt das von dem Helmholtz-Impulsgenerator 20 erzeugte
Feld aus dem Gas mit oszillierender Stromumkehr aufgrund der hohen
konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten
der wesentlichen Stromumkehreigenschaften des oszillierenden Gases
zu einem hohen Wärmefluß. Es wurde
herausge funden, daß das
Feld mit oszillierender Stromumkehr nicht nur zu hohen Entwässerungsraten
führt,
sondern ziemlich überraschend
auch verglichen zu dem stationär
fließenden
Aufprall nach bisherigem Stand der Technik unter ähnlichen
Bedingungen zu relativ niedrigen Temperaturen der Stoffbahnoberfläche führt. Nicht
durch die Theorie gebunden glaubt der Anmelder, daß das oszillierende
Stromumkehr-Wesen des Prallgases aufgrund der Mischung von umgebender
Volumenluft auf der trocknenden Oberfläche der Stoffbahn 60 einen
sehr hohen Verdampfungskühleffekt
erzeugt. Dies kühlt
die Oberfläche
der Stoffbahn 60 sofort und erleichtert die Entfernung
der Grenzschicht aus dem verdampften Wasser. Die Kombination aus
der zyklischen Anwendung von Wärme
abwechselnd mit zyklischer Oberflächenkühlung und „Schrubben" der Grenzschicht verbessert die Wasserentfernungsraten
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung relativ zu dem stationär fließenden Aufprall
nach bisherigem Stand der Technik unter vergleichbaren Bedingungen
drastisch. Aufgrund dieser Neigung der Stoffbahn 60, die
niedrige Stoffbahn-Oberflächentemperatur
relativ zu der Temperatur des Gases mit oszillierender Stormumkehr,
das auf die Oberfläche
der Stoffbahn wirkt, aufrecht zu erhalten, kann die Temperatur des
Gases mit oszillierender Stromumkehr erheblich erhöht werden,
ohne eine nachteilige Wirkung auf die Stoffbahn 60 zu erzeugen.
Derartig hohe Temperaturen erhöhen
die Wasserentfernungsraten im Vergleich zu dem Aufprall mit stationärem Fluß des bisherigen
Stands der Technik erheblich. Zum Beispiel werden maximale stationär fließende Aufpralltemperaturen
von etwa 1000 –1200°F typischerweise
in kommerziellen Hochgeschwindigkeits-Zylindertrocknerhauben verwendet.
Das Gas mit oszillierender Stromumkehr gemäß der vorliegenden Erfindung
ermöglicht
es einem, Aufpralltemperaturen über
2000°F zu
verwenden, ohne die Stoffbahn 60 zu beschädigen.
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Die folgende Tabelle 1 und Tabelle
2 zeigen einige der wesentlichen Eigenschaften des beispielhaften Verfahrens
und der Vorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung. In Tabelle
1 werden die Parameter der Vorrichtung 10 vorgestellt.
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Ein prinzipiell in 4 gezeigter Propan-befeuerter Impulsbrenner 21,
der die folgenden Abmessungen und Betriebseigenschaften hat, wurde
verwendet, um die Papiertrocknungsraten entsprechend der vorliegenden
Erfindung auszuwerten.
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Es wurden Experimente durchgeführt entsprechend
einem Artikel „An
Apparatus for Evaluation of Web-Heating Technologies – Development,
Capabilities, Preliminary Results, and Potential Uses", Timothy Patterson
et al., veröffentlicht
in TAPPI JOURNAL, Bd. 79, Nr. 3, März 1996. Im wesentlichen wird
eine einzelne Schicht bei typischen industriellen Papiermaschinengeschwindigkeiten,
wie hier beschrieben, unter einem Feld aus erhitztem Gas mit oszillierender
Stromumkehr angetrieben. Dies setzt die Schicht etwa den gleichen thermodynamischen
und aerodynamischen Bedingungen aus, die die Stoffbahn in einem
industriellen Papierherstellungsverfahren erfahren würde. Die
Wasserentfernungsraten werden auf der Basis einer Gewichtsdifferenz
der Schicht bevor und nachdem sie dem erhitzten oszillierenden Fluß für eine kontrollierte
Verweildauer ausgesetzt wurde, gemessen. Die Verweildauer wird,
wie in der Referenz von Patterson et al. beschrieben, durch zwei
Photoaugen auf dem Schlitten gemessen. Der Schwankungskoeffizient
der experimentellen Verweildauer ist etwa 5%.
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Eine nasse Stoffbahnprobe hat Abmessungen
von acht (8) Inch mal acht (8) Inch. Die Schichtprobe wird von einer
7,5 × 7,5
Inch-Trägerplatte
gehalten, die entweder auf der Oberseite eines Glimmer- oder eines Siebträgers angeordnet
ist. Die gesamte Anordnung ist an einem Halter auf dem motorisierten
Schlitten befestigt und für
Temperaturmessungen ausgerüstet.
Thermoelemente, die auf die Ober- oder Unterseite der Schicht montiert
sind, werden von einem digitalen Datensammelsystem, das ausgelöst wird,
wenn der Probenhalter in eine Trocknungszone eintritt (d. h ein
Bereich, in dem die Probe einer Wasserentfernung gemäß der vorliegenden
Erfindung unterzogen wird), mit 1000 Hz/Kanal abgetastet.
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Der Schalldruck P und die Frequenz
F werden von einem Schalldruck-Meßfühler gemessen, wobei ein Dual
Mode Amplifier, Modell 5004 von der Kistler Instrument Company und
ein Tektronix-Oszilloskop, Modell 453A, verwendet werden. Der Schalldruck
P wird verwendet, um die zyklische Geschwindigkeit Vc als Vc = P·Gc/dt·C zu berechnen,
wobei Gc die Gravitationskonstante, dt die Gasdichte und C die Schallgeschwindigkeit
ist, die alle bei der Temperatur am Ausgang aus den Ausströmauslässen ausgewertet
werden.
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Die mittlere Geschwindigkeit V wird
aus dem gemessenen Brennstoffverbrauch durch den Impulsbrenner berechnet,
wobei keine überschüssige Luft
und vollständige
Verbrennung angenommen werden. Tatsächliche Brennstoffanzeigewerte,
die in Standardeinheiten von Kubikfuß pro Stunde umgewandelt werden,
werden verwendet, um den gesamten Massenfluß der Verbrennungsprodukte
zu berechnen. Die mittlere Geschwindigkeit V wird dann berechnet,
indem der Massenfluß der
Verbrennungsprodukte durch die Querschnittfläche des Endrohrs geteilt wird
und bezüglich
der Austrittsstrahltemperatur korrigiert wird. Der in dem Impulsbrenner 20 verwendete
Brennstoff reichte von etwa 165 bis etwa 180 SCFH (Standard kubikfuß pro Stunde). Für den Schalldruck
P in der Verbrennungskammer 13 wurde in allen Experimenten
gemessen, daß er
etwa 175 RMS (Boot Mean Sauare = Quadratmittel) dB erreicht.
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Tabelle 2 faßt Ergebnisse der mehreren
gemäß der vorliegenden
Erfindung durchgeführten
Tests zusammen. Die Vorrichtung 10 hat das Gasverteilungssystem 30,
das den in 14 schematisch
gezeigten und hier weiter oben beschriebenen trapezförmigen Blaskasten 36 aufweist.
Die konkave perforierte Bodenplatte 37 hat eine Abmessung
von 12 × 12
Inch und eine Dicke von 1/8 Inch und weist 144 darin nicht
zufällig
in einem versetzten Anordnungsmuster verteilte Ausströmauslässe 39 auf,
wobei jeder Auslaß den
Durchmesser D von 1/4 Inch hat. Die Ausströmauslässe liefern die gewinkelte
Anwendung der Ströme
des Gases mit oszillierender Stromumkehr aufgrund der konvexen Form
der Bodenplatte 37. Die Winkel λ reichen von 90 Grad
(der Auslässe 39 benachbart
zu der Mittelachse des Blaskastens 36) bis 42 Grad
(der äußeren Auslässe 39).
Der Aufprallabstand Z (Spalte 4) wurde entsprechend den
Lehren der vorliegenden Erfindung konstruiert und berechnet. Der
in Tabelle 2 als „Platte" bezeichnete Stoffbahnträger (Spalte 3)
weist eine massive Glimmerplatte auf, welche die nasse Probenbahn
hält. Das „Sieb" ist ein 20-mesh-Sieb
(mit 0,0328 Inch freier Öffnung)
gemäß dem Tyler-Standard-Siebmaßstab. Die
Anfangsfaserkonsistenz (Spalte 5) und das Basisgewicht
(Spalte 6) werden unter Verwendung von Verfahren nach Industriestandard
gemessen. Anfangs" faserkonsistenz
bedeutet die Faserkonsistenz, die gerade gemessen wird, bevor die
Wasserentfernungstests gemäß der vorliegenden
Erfindung durchgeführt
werden. Die zyklische Geschwindigkeit Vc (Spalte 7) und
die mittlere Geschwindigkeit V (Spalte 8) werden gemäß den vorher
beschriebenen Verfahren berechnet. Die Gastemperatur (Spalte 9)
wird mit einem Thermoelement mit schneller Reaktionszeit am Ausgang
aus den Ausströmauslässen 39 gemessen.
Die Verweildauer (Spalte 10) wird wie hier weiter oben
beschrieben gemessen.
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Anpassungen werden vorgenommen, um
Verluste zu handhaben. Ein Kontrolltest wird für jede experimentelle Be dingung
ohne oszillierenden Flußaufprall
durchgeführt,
um die experimentellen Wasserverluste aufgrund der Probenhandhabung
und dem Antreiben der Probe auf dem motorisierten Schlitten zu bestimmen. Die
Wasserentfernungsraten (Spalte 11) werden, wie ein Fachmann
verstehen wird, berechnet, indem die Gewichtsänderung im Kontrolldurchlauf
von der experimentellen Gewichtsänderung
subtrahiert wird und das Ergebnis dann durch die Fläche der
Stoffbahn und die Verweildauer geteilt wird. Der Schwankungskoeffizient
der experimentellen Wasserentfernungsraten ist etwa 15%. Für jedes
Beispiel (Spalte 1) werden mehrere Versuche (Spalte 2)
durchgeführt,
und die Ergebnisse werden entsprechend üblichen auf dem Fachgebiet
bekannten Verfahren Bemittelt.
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Tabelle 3 (die ähnlich angeordnet ist wie Tabelle
2) zeigt Daten, die das Gasverteilungssystem 30, das den
in 12 schematisch gezeigten
Blaskasten 36 mit der konvexen Bodenplatte 37 aufweist,
betreffen. Wie Tabelle 2 und Tabelle 3 zeigen, sind die Entwässerungsraten
(Spalten 11), die mit dem Blaskasten 36 mit der konvexen
Bodenplatte 37 erzielt werden, erheblich höher als
die, die mit dem Blaskasten 36 mit der ebenen Bodenplatte 37 erzielt
werden, und das obwohl die für
den Blaskasten 36 mit ebenem Boden relevante Verweildauer
im allgemeinen größer als
die für
den Blaskasten 36 mit konvexer Bodenplatte relevante ist.
Zum Beispiel zeigt der Vergleich des Beispiels 2 in Tabelle
2 mit den Beispielen 8 und 11 in Tabelle 3, daß die Trock nungsrate
in Tabelle 3 etwa zweimal so hoch ist wie die in Tabelle 2, und
das obwohl der Aufprallabstand Z und die Verweildauer die Entwässerungsrate
in Tabelle 2 zu begünstigen
scheinen, während
die Gastemperatur und die mittlere Geschwindigkeit V die Entwässerungsraten
in Tabelle 3 zu begünstigen
scheinen. Ziemlich überraschend
zeigten die getrockneten/entwässerten
Papierstoffbahnbeispiele unter den in Tabelle 2 und in Tabelle 3
gezeigten Bedingungen keinen Beweis für Versengungen oder Verfärbungen.
Dies war bei der gegebenen hohen Temperatur des in der vorliegenden
Erfindung verwendeten oszillierenden Prallgases und den Beschränkungen
des bisherigen Stands der Technik für das Luftdurchgangstrocknen
und die Temperatur des stationär
fließenden
Gases unerwartet.
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Zum Vergleich zeigt Tabelle 5 Ergebnisse
der Experimente, die unter Verwendung der Vorrichtung 10 durchgeführt wurden,
welche das Gasverteilungssystem 30 mit einem einzigen Endrohr 15 aufweist,
das in vierundsechzig einzelne sich daraus erstreckende Röhren geteilt
ist, wobei jede den Ausströmauslaß 39 aufweist.
Diese vierundsechzig Röhren
sind gleichmäßig in zwei
Mengen von Ausströmauslässen 39 unterteilt, um
zwei getrennte aufeinanderfolgende Aufprallflächen bereitzustellen, von denen
jede die Abmessung 5 × 12 Inch
hat. Jede der Mengen der Ausströmauslässe 39 weist
eine nicht zu fällige
versetzte Anordnung auf. Drei Ausströmbereiche wechseln mit den
Aufprallflächen
ab. Die Gesamtfläche
der Ausströmbereiche
ist 14 × 12 Inch.
Jeder Auslaß 39 hat
den Durchmesser D von 0,375 Inch. Sowohl das Endrohr 15 als
auch die einzelnen Röhren
sind luftgekühlt,
um die Temperatur des Gases beim Austritt aus den Ausströmauslässen 39 zu
verringern. Weitere Details der experimentellen Vorrichtung sind
in Tabelle 4 angegeben.
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Wie weiter oben erklärt wurde,
nimmt man an, daß die
Gase mit oszillierender Stromumkehr bei den positiven Perioden auf
die Stoffbahn 60 prallen und bei den negativen von der
Stoffbahn 60 weggezogen werden und dadurch in der Stoffbahn 60 enthaltene
Feuchtigkeit weg befördern.
Die aus der Stoffbahn 60 weg gezogene Feuchtigkeit häuft sich
typischerweise in der zur Oberfläche
der Stoffbahn 60 benachbarten Grenzschicht an. Daher kann
es wünschenswert
sein, den Aufbau von Feuchtigkeit in der Grenzschicht und in der dazu
benachbarten Fläche
zu verringern oder sogar zu verhindern. Gemäß der vorliegenden Erfindung
kann die Vorrichtung 10 daher eine Hilfseinrichtung 40 haben,
um Feuchtigkeit aus dem Aufprallbereich einschließlich der
Grenzschicht, und einer den Aufprallbereich umgebenden Fläche zu entfernen.
In 1 ist eine derartige
Hilfseinrichtung 40 als Schlitze 42 in Fluidverbindung
mit einem Außenbereich
mit Atmosphärendruck aufweisend
gezeigt. Alternativ oder zusätzlich
kann die Hilfseinrichtung 40 eine Vakuumquelle 41 aufweisen. In
dem letzteren Fall können
die Vakuumschlitze 42 sich von dem Aufprallbereich und/oder
einer zum Aufprallbereich benachbarten Fläche zu der Vakuumquelle 41 erstrecken,
wodurch eine Fluidverbindung dazwischen bereitgestellt wird.
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Das Verfahren der vorliegenden Verbindung
kann in Kombination mit der Anwendung von Ultraschallenergie verwendet
werden. Diese Anwendung der Ultraschallenergie ist in einer dem
Anmelder übertragenen US-Patentanmeldung
mit der Seriennummer 09/065 655, eingereicht am 23.4.98 im Namen
von Trokhan und Senepati, beschrieben, wobei die Anmeldung hier
per Referenz aufgenommen ist.