DE69910578T2

DE69910578T2 - Verfahren zur entfernung von wasser aus faserstoffbahnen mit oszillierender prällstromflussumkehr

Info

Publication number: DE69910578T2
Application number: DE69910578T
Authority: DE
Inventors: Keith Gordon STIPP
Original assignee: Institute of Paper Science and Technology Inc
Current assignee: Institute of Paper Science and Technology Inc
Priority date: 1998-07-01
Filing date: 1999-06-29
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2019-06-30
Also published as: PL344996A1; JP2002519539A; CN1306591A; NO20006710D0; BR9911791A; AU4963299A; CZ20004714A3; US6393719B1; CN1495317A; EP1092060A1; NO20006710L; ID26795A; TR200003765T2; IL139417A0; HUP0102804A2; WO2000001883A1; US6470597B1; CN1143025C; CA2331708C; CA2331708A1

Description

Fachgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung fester, weicher, absorbierender Faserstoffbahnen bzw. Vliesbahnen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Entwässerung von Faserstoffbahnen.
Hintergrund der Erfindung
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Zusammenfassung der Erfindung
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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".
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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.
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.
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.
4 ist eine schematische und vereinfachte Seitenrißansicht eines Impulsbrenners, der in der Vorrichtung und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
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.
4B ist eine weitere Ausführungsform des Ausströmauslasses des Impulsbrenners mit einer rechteckigen Form.
5 ist ein Diagramm, das die gegenseitige Abhängigkeit zwischen dem Schalldruck P und der positiven Geschwindigkeit Vc in dem Impulsbrenner zeigt.
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.
7 ist eine schematische Teilansicht der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, die eine Trocknungshaube eines Trocknungszylinders aufweist, wobei die Stoffbahn von dem Trocknungszylinder gehalten wird.
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.
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.
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.
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.
9A ist eine schematische Draufsicht der Ausströmauslässe, die in einem nicht zufälligen Muster verteilte im wesentlichen rechteckige Öffnungen aufweisen.
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.
11 ist eine entlang der Linie 11-11 von 10 genommene schematische Draufsicht, die mehrere aufeinanderfolgende in der Laufrichtung beabstandete Blaskästen zeigt.
12 ist eine schematische Querschnittansicht einer Ausführungsform des Blaskastens mit einem gekrümmten konvexen Boden.
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.
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.
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.
14 ist eine schematische Querschnittansicht einer Ausführungsform des Blaskastens mit einem konkav gekrümmten Boden.
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.
15 ist eine schematische Seitenrißansicht einer Ausführungsform des Verfahrens, die mehrere in der Querlaufrichtung voneinander beabstandete Impulsgeneratoren zeigt.
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.
17 ist eine schematische Teildraufsicht des in 16 gezeigten Stoffbahnträgers (die Faserstoffbahn ist zur Deutlichkeit nicht gezeigt).
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.
19 ist eine schematische Teildraufsicht des in 18 gezeigten Stoffbahnträgers (die Faserstoffbahn ist zur Deutlichkeit nicht gezeigt).
20 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Impulsgenerators der in der vorliegenden Erfindung nützlich ist, der eine Infraschallvorrichtung aufweist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Tabelle 1
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%.
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.
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.
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.
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.
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.
Tabelle 2
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.
Tabelle 3
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.
Tabelle 4
Tabelle 5
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.
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.

Claims

Verfahren zur Entfernung von Wasser aus einer Faserstoffbahn, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Bereitstellen einer Faserstoffbahn mit einem Feuchtigkeitsgehalt von etwa 10% bis etwa 90%; (b) Bereitstellen eines Gases mit oszillierender Stromumkehr mit einer vorbestimmten Frequenz; (c) Bereitstellen eines Gasverteilungssystems, das so konstruiert ist, daß es das Gas mit oszillierender Stromumkehr auf einen vorbestimmten Teil der Stoffbahn liefert, welcher eine Aufprallfläche der Stoffbahn definiert, wobei das Gasverteilungssystem mehrere Ausströmauslässe aufweist, die bevorzugt in einer nicht zufälligen und gegeneinander versetzten Anordnung verteilt sind; und (d) Aufprallen des Gases mit oszillierender Stromumkehr durch die mehrere Ausströmauslässe auf die Stoffbahn.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gas derart auf die Stoffbahn aufprallt, daß jeder der mehreren Ausströmauslässe einen Strom des Prallgases mit oszillierender Stromumkehr ausströmt, wobei die Oszillationsfolge von positiven Perioden und negativen Perioden bevorzugt eine Frequenz von etwa 15 Hz bis etwa 1500 Hz hat, die Temperatur bevorzugt von etwa 500°F bis etwa 2500°F ist, und eine zyklische Geschwindigkeit bevorzugt von etwa 1000 Fuß/Min bis etwa 50000 Fuß/Min ist, wobei die positiven Perioden eine positive Amplitude und die negativen Perioden eine negative Amplitude haben, welche niedriger als die positive Amplitude ist, wobei die zyklische Geschwindigkeit während den positiven Perioden eine positive Geschwindigkeit aufweist, die in eine positive Richtung auf die Stoffbahn zu gerichtet ist, und während den negativen Perioden eine negative Geschwindigkeit aufweist, die in eine zur positiven Richtung entgegengesetzte negative Richtung gerichtet ist, wobei die positive Geschwindigkeit größer als die negative Geschwindigkeit ist, wobei das Gas mit oszillierender Stromumkehr während den positiven Perioden zumindest teilweise in die Stoffbahn eindringt und während den negativen Perioden das Wasser aus der Stoffbahn und einem dazu benachbarten Bereich zieht, wodurch Feuchtigkeit aus der Stoffbahn entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gas mit oszillierender Stromumkehr derart auf die Stoffbahn aufprallt, daß eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung des Gases mit oszillierender Stromumkehr über die Aufprallfläche der Stoffbahn geliefert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gas mit oszillierender Stromumkehr derart auf die Stoffbahn aufprallt, daß eine ungleichmäßige Verteilung des Gases mit oszillierender Stromumkehr über die Aufprallfläche der Stoffbahn geliefert wird, wodurch ermöglicht wird, Feuchtigkeitsprofile der Stoffbahn zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, wobei die positive Richtung zumindest einiger der Ströme des Prallgases und eine Oberfläche der Aufprallfläche der Stoffbahn einen spitzen Winkel zwischen sich bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Faserstoffbahn von einem Stoffbahnträger mit einer Laufrichtung und einer zur Laufrichtung senkrechten Querlaufrichtung gehalten wird und der Stoffbahnträger ferner eine die Stoffbahn berührende Oberfläche, die mit der Faserstoffbahn in Verbindung gebracht wird, und eine rückseitige Oberfläche hat, die zu der die Bahn berührenden Oberfläche entgegengesetzt ist; wobei Einrichtungen vorgesehen sind, um den Stoffbahnträger mit der Stoffbahn darauf in die Laufrichtung zu bewegen; wobei ein Impulsgenerator konstruiert ist, um das Gas mit oszillierender Stromumkehr mit einer Frequenz von etwa 15 Hz bis etwa 1500 Hz zu erzeugen und auszuströmen; wobei das Gasverteilungssystem mit einer Fluidverbindung mit dem Impulsgenerator versehen ist und mit den mehreren Ausströmauslässen endet, wobei jeder der Ausströmauslässe einen äquivalenten Durchmesser D und eine offene Fläche hat, durch die das Gas mit oszillierender Stromumkehr ausgelassen wird, wobei die mehreren Ausströmauslässe eine resultierende offene Fläche haben; wobei der Stoffbahnträger mit der Stoffbahn darauf in einem vorbestimmten Aufprallabstand Z von den mehreren Ausströmauslässen angeordnet ist, wodurch, ein Aufprallbereich zwischen den Ausströmauslässen und dem Stoffbahnträger definiert wird, wobei ein Muster der Ausströmauslässe ferner eine dazu entsprechende Aufprallfläche der Stoffbahn definieren, wobei die resultierende offene Fläche der mehreren Ausströmauslässe etwa 0,5% bis etwa 20% der Aufprallfläche ausmacht und das Verhältnis Z/D von 1 bis 10 reicht; wobei der Stoffbahnträger mit einer Stoffbahn darauf mit einer Geschwindigkeit von etwa 30,5 m pro Minute (100 Fuß pro Minute) bis etwa 3050 m pro Minute (10000 Fuß pro Minute) in die Laufrichtung bewegt wird; und der Impulsgenerator betrieben wird und das Gas mit oszillierender Stromumkehr durch die Ausströmauslässe auf die Stoffbahn prallt, wodurch Feuchtigkeit daraus entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Stoffbahnträger einen fluiddurchlässigen endlosen Gurt oder ein Band aufweist und der Stoffbahnträger bevorzugt ein Gerüst und mehrere fluiddurchlässige Leitungsrohre aufweist, die sich zwischen der Oberfläche, die die Stoffbahn berührt, und der rückseitigen Oberfläche des Stoffbahnträgers erstrecken, wobei das Gerüst bevorzugt ferner eine im wesentlichen zusammenhängende Struktur aufweist, die die mehreren Leitungsrohre umfaßt und ein im wesentlichen zusammenhängendes Netz bildet, welches die Oberfläche des Stoffbahnträgers bildet, die die Stoffbahn berührt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Stoffbahnträger eine Oberfläche eines Trocknungszylinders aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, 7 und 8 , das ferner einen Schritt zum Bereitstellen einer Hilfseinrichtung zum Entfernen der Feuchtigkeit aus dem Aufprallbereich zwischen den Ausströmauslässen und dem Stoffbahnträger aufweist, wobei die Hilfseinrichtung bevorzugt eine Vakuumquelle und mindestens einen Vakuumschlitz aufweist, der sich von der Vakuumquelle zu dem Aufprallbereich erstreckt, wodurch eine Fluidverbindung dazwischen bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, 7, 8 und 9, das ferner die Schritte zum Bereitstellen einer Einrichtung zum Erzeugen eines nichtoszillierenden und im wesentlichen stationär fließenden Prallgases und Aufprallen des nichtoszillierenden Gases auf die Stoffbahn aufweist, wobei das Gas mit oszillierender Stromumkehr und das nichtoszillierende Gas bevorzugt nacheinander auf die Stoffbahn aufprallen.
Verfahren nach Anspruch 6, 7, 8, 9 und 10, das ferner die Schritte des Bereitstellens einer Vakuumvorrichtung, des Nebeneinanderstellens der Vakuumvorrichtung und der rückseitigen Oberfläche des Stoffbahnträgers und des Betreibens der Vakuumvorrichtung aufweist, wobei die Feuchtigkeit durch den fluiddurchlässigen Stoffbahnträger aus der Stoffbahn entfernt wird.
Vorrichtung zur Entfernung von Wasser für ein Papierherstellungsverfahren, wobei die Vorrichtung eine Laufrichtung und eine zur Laufrichtung senkrechte Querlaufrichtung hat und die Vorrichtung aufweist: einen Stoffbahnträger, der konstruiert ist, um eine Faserstoffbahn darauf aufzunehmen und die Faserstoffbahn in der Laufrichtung zu befördern; mindestens einen Impulsgenerator, der konstruiert ist, Luft oder Gas mit oszillierender Stromumkehr mit einer vorbestimmten. Frequenz im Bereich von 15 Hz bis 1500 Hz zu erzeugen und auszuströmen; und mindestens ein Gasverteilungssystem in Fluidverbindung mit dem mindestens einen Impulsgenerator, um die Luft oder das Gas mit oszillierender Stromumkehr an einen vorbestimmten Teil der Stoffbahn zu liefern, wobei das Gasverteilungssystem mit mehreren Ausströmauslässen endet, die derart dem Stoffbahnträger gegenübergestellt sind, daß der Stoffbahnträger und die Ausströmauslässe einen Aufprallbereich dazwischen bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Aufprallbereich durch einen Aufprallabstand bevorzugt zwischen etwa 0,625 cm (0,25 Inch) und etwa 15 cm (6,00 Inch) definiert ist, die mehreren Ausströmauslässe ein vorbestimmtes Muster aufweist, das eine dementsprechende Aufprallfläche der Stoffbahn definiert; wobei jeder der mehreren Ausströmauslässe einen äquivalenten Durchmesser und eine offene Fläche hat, durch die ein Strom von oszillierendem Prallgas ausströmt, wobei ein Verhältnis des Aufprallabstands zu dem äquivalenten Durchmesser bevorzugt zwischen 1 und 10 liegt, wobei die mehreren Ausströmauslässe des Gasverteilungssystems eine resultierende offene Fläche hat, die aus den einzelnen offenen Flächen der Ausströmauslässe zusammen gebildet wird, wobei die resultierende offene Fläche bevorzugt etwa 0,5% bis etwa 20% der Aufprallfläche der Stoffbahn ausmacht.
Vorrichtung nach Anspruch 13, die ferner eine Einrichtung zum Steuern des Aufprallabstands aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 13 und 14, wobei das Muster der mehreren Ausströmauslässe eine nicht zufällige Anordnung aufweist, die konstruiert ist, um in der Laufrichtung und/oder der Querlaufrichtung eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung der Temperatur der Prallgase über die Aufprallfläche der Stoffbahn zu liefern.
Vorrichtung nach Anspruch 13, 14 und 15, wobei der mindestens eine Impulsgenerator einen Impulsbrenner aufweist, der ein Gas mit oszillierender Stromumkehr mit einer Frequenz von etwa 75 Hz bis etwa 250 Hz erzeugt, und wobei jeder der mehreren Ausströmauslässe einen Strom des Gases mit oszillierender Stromumkehr ausströmt, der beim Verlassen der Ausströmauslässe vorzugsweise eine Temperatur von etwa 500°F bis etwa 2500°F und eine zyklische Geschwindigkeit von etwa 305 m/Min (1000 Fuß/Min) bis etwa 15250 m/Min (50000 Fuß/Min) hat.
Vorrichtung nach Anspruch 13, 14, 15 und 16, wobei der mindestens eine Impulsgenerator eine Infraschallvorrichtung aufweist, die Luft mit oszillierender Stromumkehr mit einer Frequenz von etwa 15 Hz bis etwa 100 Hz erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, 14, 15, 16 und 17, wobei der Stoffbahnträger eine Oberfläche eines Trocknungszylinders aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, 14, 15, 16, 17 und 18, die ferner eine Hilfseinrichtung zum Entfernen der Feuchtigkeit aus dem Aufprallbereich aufweist, der zwischen den Ausströmauslässen und dem Stoffbahnträger gebildet wird, wobei die Hilfseinrichtung bevorzugt eine Vakuumquelle und mindestens einen Vakuumschlitz aufweist, der sich von der Vakuumquelle zu dem Aufprallbereich erstreckt, wodurch eine Fluidverbindung zwischen dem Aufprallbereich und der Vakuumquelle bereitgestellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 13, 14, 15, 16, 17, 18 und 19, die ferner eine Einrichtung zum Erzeugen und Aufprallen eines nichtoszillierenden und im wesentlichen stationär fließenden Gases auf eine Stoffbahn aufweist, wobei der oszillierende Stromumkehr-Gasstrom und der nichtoszillierende und im wesentlichen stationär fließende Gasstrom bevorzugt in abwechselnder Reihenfolge nacheinander auf die Stoffbahn prallen.
Vorrichtung nach Anspruch 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 und 20, die ferner eine der rückseitigen Oberfläche des Stoffbahnträgers gegenübergestellte Vakuumvorrichtung aufweist, um durch den fluiddurchlässigen Stoffbahnträger Feuchtigkeit aus der Stoffbahn zu entfernen.
Vorrichtung zur Entfernung von Wasser nach Anspruch 13, wobei der Stoffbahnträger fluiddurchlässig ist; die oszillierende Luft oder das Gas eine Frequenz von etwa 15 Hz bis etwa 250 Hz hat; der Stoffbahnträger und die Ausströmauslässe einen Aufprallabstand Z dazwischen bilden, die mehreren Ausströmauslässe ein im wesentlichen gleichmäßiges Feld eines Gases mit oszillierender Stromumkehr zwischen der Aufprallfläche und den Ausströmauslässen bereitstellen; und Einrichtungen vorgesehen sind, um ein nichtoszillierendes und im wesentlichen stationär fließendes Gas zu erzeugen und das nichtoszillierende Gas auf die Aufprallfläche der Stoffbahn aufprallen zu lassen.