СПОСОБ НАГРЕВА ВРАЩАЮЩИХСЯ СУШИЛЬНЫХ ТОНКОСТЕННЫХ ЦИЛИНДРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ ИЗНУТРИ
PROCEDURE FOR HEATING ROTATING DRYING THIN-WALL CYLINDERS WITH ELECTRO-MAGNETIC RADIATION FROM INSIDE

Предлагаемое изобретение относится к технологии барабанной сушки длинномерных материалов в производстве текстильной промышленности; бумаги и картона в бумажно-картонном производстве; для нагрева транспортерных, кардных и кордных лент при их вулканизации в резинотехническом производстве и для нагрева, в процессе производства, пленочных полимерных (термопластичных) материалов. Например, искусственных и синтетических кож. Тех материалов, которые в процессе нагрева и (или сушки) касаются и (или) охватывают нагретые вращающиеся цилиндрические поверхности сушильных цилиндров (далее по тексту - СЦ, электромагнитное излучение - ЭМИ, инфракрасное излучение - ИКИ, направленное инфракрасное излучение - НИКИ, инфракрасный нагреватель - ИКН).
1. Уровень техники
Известны способы нагрева СЦ изнутри путем непрерывной подачи в их внутреннюю полость перегретого пара с одновременным сливом конденсата [1, 2, 3, 4]. Главным их недостатком является высокая энергоемкость из-за малого коэффициента теплопередачи между паром и внутренней поверхностью СЦ при конвективном теплообмене.
Известны способы нагрева СЦ путем подачи в их внутреннюю полость продуктов сгорания жидкого или газообразного топлива, в том числе, сжигая газовые смеси внутри СЦ [5, 6, 7, 8, 9, 10]. Основные недостатки: высокая энергоемкость из-за малого коэффициента теплопередачи между газом и внутренней поверхностью СЦ при конвективном теплообмене; большая сложность в реализации из-за необходимости установки и обслуживания дымоотводов.
Известен способ нагрева СЦ встроенным внутрь и вращающимся трансформатором [11]. Недостатками данного способа являются низкая энергоемкость из-за больших трансформаторных потерь электроэнергии и сложность реализации.
Известны способы нагрева СЦ изнутри токами высокой частоты [12, 13, 14, 15]. Основными недостатками являются чрезмерная энергоемкость, сложность реализации и ограниченные функциональные возможности.
Известны способы контактного электрического нагрева цилиндрической стенки СЦ [16, 17]. Основные недостатки: сложность реализации (изготовления, монтажа и замены электрического нагревателя) и высокая энергоемкость.
Известны способы нагрева СЦ изнутри посредством направленного электромагнитного излучения (ЭМИ) инфракрасного спектра (далее по тексту - ИКИ (инфракрасное излучение) линейными излучателями ограниченной длины [18, 19, 20, 21]. Основными недостатками является сложность реализации из-за необходимости изготовления, монтажа и настройки отдельных отражателей на каждый отдельный излучатель, для создания ИКИ направленного на внутреннюю поверхность СЦ.
Известен способ нагрева СЦ изнутри точечными, по сравнению с размерами самого барабана, источниками направленного ИКИ (НИКИ) [22]. Этими излучателями являются электрические, зеркальные, инфракрасные лампы накаливания, которые выпускаются отечественной и зарубежной промышленностью. Внутренняя поверхность колбы такой лампы снабжена зеркальным отражателем, направляющим всю энергию ИКИ спирали вдоль оси лампы, в направлении, противоположном ее цоколю. В данном способе, эти лампы посредством термостойких керамических патронов неподвижно закрепляют на плоских гранях неподвижного короба, а короб устанавливают неподвижно внутри СЦ, коаксиально внутренней цилиндрической поверхности СЦ. Причем так, что НИКИ каждого точечного источника направлено радиально к внутренней поверхности СЦ, которую делают черной. Данный способ позволяет устранить большинство недостатков конвективного нагрева, трансформаторного нагрева и нагрева посредством НИКИ от линейных излучателей ограниченной длины.
Недостатками данного способа является высокая конструктивная и технологическая сложность реализации, недостаточная надежность и долговечность работы электрической системы (электропроводка, патроны и большое число электрических контактов) внутри СЦ, а так же избыточная энергоемкость. Кроме того, выполнение внутренней поверхности СЦ черного цвета не увеличивает поглощения энергии ИКИ за счет цвета. Известно, что поглощение энергии (для ИКИ) не зависит от цвета поверхности, а зависит только от свойств материала. Известно также, что поверхность черного цвета хорошо поглощает энергию ЭМИ в диапазоне частот видимого света, который обладает существенно меньшей энергией («ультрафиолетовый парадокс»), чем ИКИ. К числу существенных недостатков способа относится и большая неравномерность прогрева цилиндрической стенки СЦ из-за больших и неодинаковых расстояний между излучателями. К числу недостатков относится и невозможность превратить неподвижный корпус инфракрасного нагревателя (ИКН) внутри СЦ в дополнительный излучатель ЭМИ на внутреннюю цилиндрическую поверхность СЦ (СБ).
12
14
Из научной, научно-технической, справочной литературы и Интернета известно также, что спектр ИКИ имеет диапазон частот 10-10 Гц [24, т.2, с.344], мощность ЭМИ пропорциональна квадрату его частоты [25, с.183].
Мощность ЭМИ, излучаемого прямоугольной пластиной, подключенной в цепь переменного электрического тока (к источнику переменного напряжения), пропорциональна квадрату напряжения, пропорциональна длине и кубу ее ширины [24, т.2, с.359, задача 29 «б» с ответом на с.602].
14
Спектр ИКИ инфракрасных ламп мод. ИК3-250 охватывает диапазон длин волн от 600 до 1800 нм или полосу частоты 10 Гц [26 и Приложение 1] согласно ТУ производителя.
Интенсивность поглощения энергии ИКИ (интенсивность нагрева) не зависит от цвета поверхности, а определяется свойствами вещества (материала) [27,с.405, 408].
Из чистых веществ лучше всего поглощают ИКИ кремний и углерод. Известны термостойкие (до 600°C) кремний органические (на основе кремния и углерода) краски отечественного производства [28].
Из чистых металлов лучше всего поглощают (нагреваются при этом) хром (до 60%), никель (до 50%) и железо (до 40%).
Лучше всего отражает ИКИ полированный алюминий (до 95%) [25, с.206; 27, с.410, табл.29.1].
Известно также, что отражающие свойства хорошего проводника возрастают при прохождении сквозь него переменного тока [24, т.2, с.364-370].
Известно, что зеркальные инфракрасные лампы накаливания преобразуют в энергию направленного ИКИ до 90% электрической энергии их питания [29], а 10% энергии излучают в диапазоне частот видимого света, который хорошо нагревает поверхности, окрашенные в черный цвет.
2. Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемому является способ нагрева СЦ изнутри посредством НИКИ, точечными по сравнению с размерами СЦ излучателями, в которых они размещены равномерными рядами на выдвижных (возможно подвижных) диэлектрических планках [23].
В этом способе излучатели (инфракрасные, зеркальные, электрические лампы накаливания) устанавливают в патроны, которые неподвижно закрепляют на диэлектрических планках и обеспечивают электрическое соединение между патронами и фазным электропитанием посредством электрических проводов с термостойкой изоляцией. На каждой планке, излучатели размещают равномерным рядом с минимально допустимым зазором между излучателями. Плоские грани неподвижного трехгранного короба (неподвижной оси внутри СЦ), установленного коаксиально СЦ, снабжены неподвижными направляющими, по одной паре на каждой грани, в которых размещают планки с излучателями так, что ИКИ каждого излучателя направлено радиально к внутренней цилиндрической поверхности СЦ. На трех плоских гранях неподвижной оси, в направляющих, размещают три ряда излучателей, а в трех ребрах короба неподвижно закрепляют державки трех отражателей, отражающие поверхности которых (между излучателями) обращены к внутренней цилиндрической поверхности СЦ. Электрические провода из внутренней полости СЦ выведены наружу через сквозное осевое отверстие в цапфе днища СЦ и через трехфазный регулятор напряжения электрически соединены с промышленной электросетью. Три ряда излучателей подключены к электросети «звездой» с общим нулевым проводом (с общей нейтралью (нулевым проводом)), с параллельным электрическим соединением излучателей в каждом ряду.
Существенными преимуществами прототипа по сравнению с аналогами являются:
1. Снижение энергоемкости нагрева, за счет отражения ИКИ отраженного от внутренней поверхности СЦ, дополнительными отражателями, размещенными между рядами излучателей, на эту поверхность.
2. Существенное упрощение обслуживания ИКН за счет возможности выдвигать (задвигать) диэлектрические планки с излучателями через сквозные окна в днище СЦ. В данном техническом решении, для замены перегоревшей лампы (излучателя НИКИ), достаточно выдвинуть (через окно в днище) планку, заменить перегоревшую лампу и вновь задвинуть планку внутрь СЦ.
В цели предлагаемого изобретения (по сравнению с прототипом) входит получение следующих технических результатов.
2.1. Конструктивно-технологическое упрощение инфракрасного нагревателя (ИКН) и процесса непрерывного нагрева СЦ.
2.2. Повышение надежности и долговечности работы ИКН при нагреве.
2.3. Снижение энергоемкости нагрева.
3. Причины, препятствующие получению технических результатов.
Основными причинами, препятствующими эффективному использованию известного способа (прототипа) являются большая конструктивно-технологическая сложность, недостаточная надежность и долговечность работы электрической системы внутри СЦ, избыточная энергоемкость и неудобство обслуживания излучателей при их перегорании (при выходе из строя).
3.1. Высокая (чрезмерная) конструктивно-технологическая сложность обусловлена наличием дополнительных отражателей между рядами излучателей. Тепловое излучение внутренней цилиндрической поверхности СЦ незначительно из-за сравнительно малой ее температуры (рабочие температуры не превышают 200°C). При вращении СЦ поток воздуха (так же вращающийся), вблизи этой поверхности полностью поглощает это излучение и нагревается, за счет этого, до той же температуры. Обтекая отражатели, этот поток конвективным способом их нагревает, отдавая свое тепло. Таким образом, энергия ИКИ излучателей тратится не только на нагрев цилиндрической стенки СЦ, но и на нагрев отражателей, что увеличивает затраты энергии на нагрев самой цилиндрической стенки. Кроме того, зазоры между излучателями и отражателями не позволяют обеспечить направление, отраженного от внутренней цилиндрической поверхности ИКИ излучателей, вновь на эту поверхность. Это отраженное ИКИ проходит, как раз, в зазоре и падает на плоскую грань неподвижного корпуса ИКН (короба), нагревая ее. Нагрев короба (неподвижной оси) недопустим из-за наличия внутри электрических проводов и контактов.
Конструктивная и технологическая сложность обуславливает, кроме изложенного, сложность монтажа и настройки для реализации способа нагрева.
3.2. Недостаточная надежность и долговечность обусловлена большим числом электрических контактов во внутренних полостях и СЦ и короба, работающих в условиях высоких температур и вибраций при вращении СЦ (СБ). Это контакты между элементами электрическими проводами, между проводами и патронами, между патронами и цоколями электроламп (излучателей).
Поскольку, в прототипе, для крепления излучателей на диэлектрических планках используются термостойкие, керамические патроны происходит перегрев цоколей ламп в этих патронах и разрушение соединения стеклянной колбы с металлическим цоколем. Аккумуляция тепла внутри патронов происходит из-за их малой теплопроводности при постоянном их нагреве отраженным (от внутренней поверхности) ИКИ излучателей. Кроме этого, наличие патронов создает дополнительное усложнение конструкции и технологии сборки.
3.3. Избыточная энергоемкость обусловлена невозможностью обеспечить (в прототипе) максимальное поглощение энергии ИКИ излучателей цилиндрической стенкой СЦ. Как отмечалось выше, известный прием - выполнение внутренней цилиндрической поверхности СЦ черного цвета увеличивает поглощение энергии ЭМИ только в диапазоне частот видимого света. Поглощение энергии ИКИ определяется не цветом, а составом материала этой поверхности. В обычных условиях, при неизвестности сорта (состава) материала цилиндрической стенки СЦ, ЭМИ инфракрасного спектра излучателей падает радиально на нее, при этом часть ИКИ отражается от нее по периметру колбы излучателей, в направлении зазора между колбой и цилиндрической внутренней поверхностью, проникает в этот зазор по прямым линиям. Отраженное ИКИ проникает, далее, сквозь зазоры между излучателями и отражателями и попадает на плоские грани короба (неподвижной оси), где поглощается, нагревая его (ее). Поэтому, часть энергии ИКИ излучателей (отраженная) расходуется на нагрев неподвижной оси не нагревая цилиндрическую стенку, что уменьшает КПД использования электрической энергии питания излучателей.
Кроме выше изложенного, известный способ, при наличии большого числа электрических проводов и электрического напряжения промышленной частоты, не позволяет создать дополнительно рассеянное ЭМИ в направлении от короба (от неподвижной оси) на внутреннюю цилиндрическую поверхность СЦ, с частотой промышленной электрической сети, например 50 Гц.
В прототипе не обеспечивается вторичное отражение от плоских граней короба (неподвижной оси) ИКИ, отраженного внутренней цилиндрической поверхностью от излучателей, на цилиндрическую поверхность - обратно.
3.4. Неудобство обслуживания заключается в необходимости разборки и съема днища СЦ, со стороны электропитания, для того чтобы вытащить планки с излучателями, при необходимости замены последних. Кроме того, в прототипе невозможно визуально наблюдать за исправностью излучателей, поскольку весь ИК нагреватель с коробом и излучателями закрыт сплошным днищем. В то же время, фиксация короба (неподвижной оси), по прототипу, допускает ослабление фиксации и возможность ограниченных поворотов короба (неподвижной оси с излучателями) вручную.
4. Признаки прототипа, совпадающие с заявляемым предлагаемым изобретением.
Инфракрасное излучение от излучателей направляют радиально к внутренней цилиндрической поверхности цилиндра (барабана) от его оси, размещая излучатели неподвижно равномерными рядами на выдвижных (сменных) планках и устанавливая последние неподвижно, вдоль плоских граней неподвижной оси, которую устанавливают с возможностью ограниченных поворотов с последующей фиксацией, в ее неподвижных направляющих, а также подключая излучатели электропроводкой внутри цилиндра (барабана) к внешней электросети через регулятор напряжения.
Электрическое питание излучателей осуществляют от трехфазной электрической сети, напряжение которой подают на силовой вход трехфазного авторегулятора «напряжение-температура» (АРНТ). К управляющему входу АРНТ подключают датчик температуры наружной поверхности СЦ, а силовой выход подключают в цепь питания излучателей.
Кроме того, излучатели на планках соединяют между собой равномерными рядами электрически параллельно, а ряды подключают к выходу АРНТ электрически «звездой» с общей нейтралью.
5. Задачами предлагаемого изобретения являются следующие технические результаты.
5.1. Конструктивно-технологическое упрощение реализации способа нагрева цилиндра СЦ направленным инфракрасным излучением НИКИ изнутри, упрощение процесса непрерывного нагрева сушильного цилиндра СЦ.
5.2. Повышение надежности и долговечности осуществления всех основных операций способа, участвующих в реализации заявляемого способа.
5.3. Снижение энергоемкости нагрева сушильного цилиндра (барабана), уменьшение расхода электрической энергии на поддержание заданных температур.
5.4. Повышение удобства обслуживания сушильного цилиндра (барабана) в процессе его работы при нагреве заявляемым способом.
6. Эти технические результаты в заявляемом способе нагрева сушильного цилиндра изнутри точечными по сравнению с размерами самого цилиндра источниками направленного инфракрасного излучения, аналогичными электролампам ИК3-250 (ИК3-500), в котором это излучение направляют радиально к внутренней цилиндрической поверхности цилиндра от его оси, размещая излучатели неподвижно равномерными рядами на выдвижных (сменных) планках и устанавливая последние неподвижно вдоль плоских граней, по их середине, неподвижной оси, которую устанавливают с возможностью ограниченных поворотов с последующей фиксацией, в ее неподвижных направляющих, а также подключая излучатели электропроводкой внутри цилиндра (барабана) к внешней электросети через регулятор напряжения, достигаются тем, что неподвижную ось трансформируют в источник дополнительного электромагнитного излучения с промышленной частотой напряжения электросети переменного тока, подключая эту ось в электрическую цепь питания излучателей в качестве проводника и электрически изолируя ее от корпуса цилиндра (барабана), при этом выдвижные (сменные) планки выполняют в виде пары параллельных электропроводных шин, одна из которых шире другой, прочно соединенных между собой диэлектрическими перегородками, число которых на единицу превышает число излучателей в ряду, а. в шинах между перегородками создают сквозные соосные отверстия, в узкой шине - резьбовое под цоколь электролампы, а в широкой - конические, для нижнего контакта цоколя, в которые плотно и неподвижно устанавливают (вворачивают) цоколи излучателей, при этом узкие шины электрически соединяют с фазными проводами, а широкие устанавливают (задвигают) в неподвижные направляющие на плоских гранях оси, которую, в свою очередь, электрически соединяют с нулевым проводом (с нейтралью) электрического питания излучателей, кроме того, цилиндрическую стенку цилиндра (барабана) выполняют из нержавеющей стали, содержащей кроме железа не менее 12% хрома, а на внутреннюю цилиндрическую поверхность наносят равномерный слой термостойкой кремний органической краски, помимо этого плоские грани неподвижной оси выполняют из алюминиевого сплава, полируя их наружные поверхности, а шины выдвижных (сменных) планок выполняют из дюралюминия, а далее в днищах цилиндра создают, по крайней мере, три сквозных отверстия, удобных по размерам для вставки и выема выдвижных (сменных) электрических шин с излучателями из цилиндра, которые перед началом работы и на время работы цилиндра закрывают съемными крышками.
7. Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где, на
фиг.1 - показана схема конструкции сушильного барабана с 3-рядным инфракрасным нагревателем в продольном разрезе;
фиг.2 - показана схема конструкции сушильного барабана с 3-рядным инфракрасным нагревателем в поперечном разрезе;
фиг.3 - показана схема конструкции корпуса инфракрасного нагревателя в поперечном разрезе;
фиг.4 - показана схема конструкции соединения электропроводных шин с корпусом инфракрасного нагревателя и подвода фазного электрического напряжения, в поперечном разрезе;
фиг.5 - показана схема расположения инфракрасных ламп (излучателей) в электропроводных шинах (вид со стороны колб ламп);
фиг.6 - показана схема протекания электрического тока в цепи питания инфракрасного нагревателя;
фиг.7 - показана схема соединения выдвижных (подвижных.) электропроводных шин;
фиг.8 - показана схема внутренней цилиндрической поверхности сушильного барабана покрытой кремнийорганической термостойкой краской черного цвета;
фиг.9 - показана схема реализации заявляемого способа;
фиг.10 - схематично показана крышка, которыми закрыты окна в днище, в процессе работы сушильного барабана.
7.1. Устройство для реализации заявляемого способа включает в себя следующие основные элементы конструкции.
1 - тонкостенный сушильный цилиндр (СЦ) с прочно присоединенными к нему, коаксиально, днищами 1А и 1Б с соответствующими им полыми цапфами 1В и 1Г корпуса СЦ. По краям СЦ, изнутри, прочно вварены опорные кольца 1Д, к которым посредством разъемных соединений (например, шпилька-шайба-гайка), не обозначенных на чертежах, присоединяют днища 1А и 1Б. Наружными посадочными поверхностями (на чертежах не обозначены) цапфы 1В и 1Г устанавливают в собственные подшипники СЦ (на чертежах не показаны), которые, в свою очередь, корпусами монтируют на станине сушильной машины (на чертежах не показаны) с возможностью вращения СЦ относительно станины. Цапфа 1В днища 1А снабжена шпоночным пазом (на чертеже, фиг.1, не обозначен). Посредством него и шпонки звездочки цепной передачи цапфа 1В СЦ соединена с приводом сушильной машины (шпонка, звездочка, кинематическая цепь и машина на чертежах не показаны). Элементы 1-1Д аналогичны прототипу. 1Е - сквозные окна в днище 1Б (фиг.1 и 2). Окна 1Е, в количестве трех - идентичны, размещены равномерно по поверхности днища 1Б, под углом 120° относительно друг друга в плоскости днища 1Б. СЦ 1 выполняют из нержавеющей стали, содержащей не менее 12% хрома, например, из наиболее доступной стали 12Х18Н10Т. Внутреннюю поверхность СЦ 1 покрывают равномерным слоем 5 (фиг.8) кремний органической термостойкой краски черного цвета. Окна 1Е в днище 1Б перед началом работы СЦ и в процессе работы закрыты крышками 6 (фиг.10), привернутыми к днищу 1Б, например парой винтов (на фиг.10 не обозначены).
2 - инфракрасный нагреватель (ИКН) СЦ (фиг.1-9). ИКН 2 выполняют в форме (например) трехгранного короба (в поперечном сечении - равносторонний треугольник) из прочно соединенных между собой плоских граней 2А, которые прочно соединяют между собой, например винтами (на фиг.2 не обозначены). Плоские грани 2А выполняют из алюминиевого сплава, например из дюралюминия Д16, а их наружные поверхности полируют до зеркального блеска. К коробу 2 ИКН из плоских граней 2А, по краям, изнутри, прочно присоединяют толстые (толщиной, например 40 мм) плоские треугольные стенки 2Б и 2В со срезанными вершинами углов равностороннего треугольника, например шурупами или саморезами (на фиг.3 не обозначены). Стенки 2Б и 2В выполнены из диэлектрического материала, например из фторопласта или текстолита. Стенки 2Б и 2В коаксиальны коробу 2 ИКН и снабжены сквозными центральными отверстиями, коаксиальными коробу 2 ИКН. Стенка 2В снабжена, также, тремя сквозными отверстиями 2К (фиг.1, 2, 3), размещенными с равномерным зазором относительно центрального отверстия. Через центральные отверстия стенок 2Б и 2В к стенкам прочно и коаксиально (например, винтовым соединением; фиг.3) присоединены собственные цапфы 2Г и 2Д ИКН 2, соосно ему. Цапфа 2Д снабжена сквозным осевым отверстием (на фиг.1, 2, 3 не обозначено). После соединения стенок 2Б и 2В с коробом 2 ИКН, в углах короба 2, между коробом 2 и стенками 2Б, 2В (из-за срезанных вершин углов стенок 2Б и 2В) образуются одинаковые треугольные зазоры 2Л (фиг.1, 2, 3). Наружные поверхности цапф 2Г и 2Д ИКН 2 размещены в подшипниках, например шариковых или роликовых (на фиг.1 не обозначены). К плоским граням 2А корпуса 2 ИКН, снаружи, попарно, симметрично друг другу относительно длинной оси плоской грани 2А прочно присоединяют (например, заклепками, на фиг.2, 3, 4, 5, 7 не обозначены) параллельно направляющие 3 из электропроводного материала.
Выдвижные планки ИКН выполняют в форме пары параллельных электропроводных шин 2Е и 23 каждая, разделенных и соединенных прочными диэлектрическими перегородками 2Ж (фиг.1-7). Шина 2Е уже, чем шина 23, но шире, чем наружный диаметр цоколя электрической лампы Е27 или Е40, например в 1,5 раза. В шинах 2Е и 23 выполнены с равномерным шагом сквозные соосные отверстия. 2Е-1 в узкой шине 2Е, с резьбой под цоколь лампы Е27 (Е40) и коническое 23-1 в широкой шине 23 под нижний контакт цоколя электрической лампы (фиг.4, 5, 6). Одинаковые перегородки 2Ж прочно присоединены к шинам 2Е и 23 между ними, посередине между отверстиями 2Е-1 (23-1), например саморезами, шурупами или винтами (на фиг.4-6 не обозначены). Количество парных отверстий 2Е-1 (23-1) определяется количеством ИК излучателей в одном ряду ИКН, т.е. количеством ИК ламп накаливания 2И с цоколем 2И-1 (фиг.1, 2, 4, 5, 6). Это могут быть лампы типа ИК3-250 с цоколем под патрон Е27 или типа ИК3-500 с цоколем под патрон Е40. Эти лампы 2И цоколем 2И-1 вворачиваются в отверстия 2Е-1 узкой шины 2Е до упора нижнего контакта цоколя 2И-1 в коническое отверстие 23-1 широкой шины 23, плотно. Число перегородок 2Ж на единицу больше излучателей 2И. Перегородки 2Ж выполняют из текстолита или фторопласта, а шины 2Е и 23 из алюминиевого сплава, например из дюралюминия Д16. Поперечный размер широкой шины 23 установлен так, что она, размещаясь в парных направляющих 3, может перемещаться в них и относительно них с сухим трением. В каждой узкой шине 2Е, между второй от края перегородкой 2Ж и первым от края отверстием 2Е-1, посередине расстояния между 2Ж и 2Е-1 (фиг.5), с краю шины 2Е выполнено сквозное отверстие 4-1.
Наружные кольца подшипников (на фиг.1 не обозначены) собственных цапф 2Г и 2Д ИКН 2 плотно установлены в диэлектрических втулках (на фиг.1 не обозначены). Этими втулками (с подшипниками) цапфы 2Г и 2Д ИКН 2 установлены в осевых отверстиях (на фиг.1 не обозначены) цапф 1В и 1Г СЦ 1, с возможностью вращения СЦ 1 относительно ИКН 2. Цапфа 2Д (также, как в прототипе) снабжена собственным фиксатором (на чертежах не показан), допускающим угловые перемещения ИКН 2 с последующей его фиксацией.
Трехфазная электрическая электропроводка (фазы a; b, c и нейтральный провод N, фиг.1, 3, 4 и 5) проложена к ИКН 2 через осевое отверстие (на чертежах не обозначено) неподвижной цапфы 2Д ИКН 2 (фиг.1). Из внутренней полости корпуса ИКН, вблизи его стенки 2В (фиг.1, 3), нейтральный провод N выведен через треугольный зазор 2Л и зазор между стенкой 2В и днищем 1Б на наружную поверхность корпуса 2 ИКИ и электрически надежно подключен к ней клеммой К (фиг.3), например винтовым зажимом. Фазные провода a, b, c, вблизи стенки 2В, выведены из внутренней полости корпуса 2, каждый через одно отверстие 2К в стенке 2В, через зазор между стенкой 2В и днищем 1Б, каждый на одну узкую шину 2Е и электрически надежно подключен к ней клеммой 4 (например, винтовой с отверстием 4-1 в шине 2Е, фиг.3, 4, 5). Шины 2Е и 23 задвинуты (установлены) в направляющих 3 так, что отверстие 4-1 с клеммами 4 расположены у днища 1Б с окнами 1Е. Противоположные концы трехфазной электрической электропроводки (фазы a, b, c и нейтральный провод N, фиг.1, 3, 4 и 5) подключены к силовому выходу трехфазного авторегулятора «напряжение-температура» (АРНТ, на чертежах не показан), управляющий вход которого подключен к выходу измерителя температуры (на чертежах не показан) наружной поверхности СЦ 1. Силовой вход АРНТ электрически подключен к трехфазной промышленной электрической сети (на чертежах не показано).
Указанные электрические соединения и конструктивные узлы показывают (доказывают), что излучатели ИКИ (инфракрасные электролампы типа ИК3-250, ИК3-500) 2И в шинах 2Е и 23 соединены электрически, как параллельные соединения (аналогично прототипу) без использования электрических проводов и электрических патронов (в отличие от прототипа и аналогов).
Надежный электрический контакт (возможность протекания электрического тока) между шиной 2Е и шиной 23 осуществляется только при наличии цоколя 2И-1 (излучателя-лампы 2И), плотно установленного контактами в отверстия 2Е-1 и 23-1 (фиг.6) между шинами, через спираль СПЛ инфракрасной лампы - излучателя 2И.
Надежный электрический контакт между трехгранным коробом 2 (корпусом ИКН) и нейтральным электрическим проводом N обеспечивается электрическим соединением (клемма К, фиг.3) провода N и короба 2.
Надежный электрический контакт (возможность протекания электрического тока) между коробом (корпусом) 2 и широкими шинами 23 обеспечивается надежным механическим контактом наружной поверхности короба 2 с поверхностями шин 23, а также дополнительными механическими контактами направляющих 3 с коробом 2 и шинами 23 одновременно (фиг.3, 4, 6 и 7).
Надежный электрический контакт (возможность протекания электрического тока) между фазными электрическими проводами a, b, c и узкими шинами 2Е обеспечивается электрическим подключением каждого фазного провода к каждой узкой шине 2Е посредством клемм 4 (фиг.3, 4).
Указанные электрические соединения и конструктивные узлы показывают (доказывают), что излучатели ИКИ, в равномерных рядах (в парных шинах 2Е и 23) соединены параллельно в каждой из трех фаз a, b, c, а фазы соединены электрически в форме «звезды» с общей нейтралью N, при этом нейтралью N внутри СЦ 1 является трехгранный короб 2 ИКН.
7.2. Заявляемый в качестве изобретения способ нагрева сушильного цилиндра реализуется следующим образом.
При подаче электрического напряжения одновременно в три фазы a, b, c (фиг.1, 3, 6) фазные токи i (a, b, c, фиг.6) протекают по электрической цепи, включающей в себя последовательно, фазный электрический a, (b, c), узкую (фазную) шину 2Е, корпус цоколя 2И-1 излучателя (электролампы) 2И, ввернутый в резьбовое отверстие Е27 (Е40) 2Е-1 шины 2Е, спираль СПЛ лампы 2И, нижний контакт (на чертежах не обозначен) цоколя 2И-1. Через плотный контакт нижнего контакта (на фиг.4, 6 не обозначен) с коническим отверстием 23-1 широкой шины 23 электрический ток протекает по шине 23. Через плотный контакт шины 23 с плоской гранью 2А корпуса 2 ИКН электрический ток протекает по этой грани 2А, а через электрический контакт К (фиг.3) корпуса 2 ИКН с нейтральным проводом N - протекает в этот электропровод N.
При протекании токов i (a, b, c, фиг.6) спирали СПЛ инфракрасных ламп раскаляются до температуры 2350°K излучая ИКИ. Зеркальные отражатели 2И-2 внутри излучателей (электроламп ИКЗ-250 или ИКЗ-500) 2И все ИКИ от СПЛ направляют вдоль оси ламп 2И в направлении прозрачной головки колбы ламп 2И (прозрачная часть колб-головок - на чертежах не обозначена). Зеркальные отражатели 2И-2 формируют НИКИ, т.е. ИКИ, направленное только вдоль оси излучателей (инфракрасных зеркальных ламп) 2И. Через прозрачную головку ламп 2И НИКИ излучается на внутреннюю поверхность цилиндра 1 СЦ (на фиг.9 - конус с образующей АБ) из стали с содержанием хрома не менее 12% и покрытую слоем 5 (фиг.8) кремний органической термостойкой краски черного цвета. Большая часть энергии НИКИ от излучателей 2И поглощается этим слоем 5 и сталью (например, 12Х18Н10Т) цилиндра 1 СЦ, нагревая цилиндр 1 СЦ. Меньшая часть энергии НИКИ отражается в зазоре между колбой лампы 2И и внутренней цилиндрической поверхностью цилиндра 1 СЦ по направлению БО (фиг.9), частично рассеиваясь. На фиг.9 линия ЕО является перпендикуляром в точке О к плоской полированной поверхности грани 2А трехгранного корпуса 2 ИКН. Поскольку для плоских поверхностей угол падения излучения равен углу отражения (грани 2А) НИКИ, отраженное от граней 2А, направляется вновь на внутреннюю поверхность цилиндра 1 СЦ по направлению ОД (фиг.9), дополнительно рассеиваясь, и окончательно поглощается покрытием 5 и материалом цилиндра 1 СЦ дополнительно нагревая цилиндр 1 СЦ.
14
Таким образом, над лампами 2И цилиндр 1 СЦ нагревается направленным инфракрасным излучением - НИКИ, а между рядами излучателей 2И он нагревается отраженным от плоских граней 2А направленно-рассеянным инфракрасным излучением (спектр частот ИКИ ламп типа ИКЗ-250 и 500 составляет 10 Гц).
Поскольку трехгранный корпус 2 ИКН с плоскими гранями 2А является электрическим сопротивлением в электрической трехфазной цепи протекающего переменного электрического тока, плоские грани 2А непрерывно излучают в направлении внутренней цилиндрической поверхности сетевое электромагнитное излучение СЭМИ (фиг.9). Это излучение СЭМИ обладает частотой напряжения электрической сети (50 Гц), а из-за больших площадей поверхностей граней 2А - излучение СЭМИ обладает большой мощностью. СЭМИ, поглощаясь внутренней цилиндрической поверхностью цилиндра 1 СЦ (покрытие 5+материал стенки цилиндра 1 СЦ) дополнительно нагревает цилиндр 1 СЦ без дополнительных затрат электроэнергии. При этом, корпус 2 ИКН электрически изолирован от всех деталей СЦ диэлектрическими стенками 2Б и 2В (фиг.1), а также изоляцией электрических проводов a, b, c и N (фиг.3).
7.3. Заявляемые в предлагаемом изобретении технические результаты достигаются следующим образом.
7.3.1. Упрощения. Достигаются тем, что в процессе нагрева СЦ посредством НИКИ изнутри, электроснабжение излучателей 2И не требует термостойких электрических патронов и большого числа (и большой длины) электропроводов (прототип), проложенных по выдвижным планкам от патронов до фазных проводов подвода электроэнергии к ИКН (прототип).
Наименьшими размерами из сушильного барабанного оборудования обладают сушильные цилиндры (СЦ) шлихтовальных машин ШБ-11/180 текстильного производства, которых на машине 11 штук. Каждый имеет длину 2 м, диаметр 0,57 м и толщину стенки СЦ - 3 мм. На внутренней рабочей длине 1,8 м инфракрасного нагревателя (ИКН), на выдвижных планках прототипа размещается 15 инфракрасных зеркальных ламп ИКЗ-250 (мощность каждой 250 Вт) в одном ряду (в одной фазе). В прототипе, для их крепления нужно 15 электрических термостойких патронов. На весь ИКН (три фазы) - 45 штук. Каждый требует собственного крепежа к планке. На машину (11 СЦ) нужно 495 патронов.
Средняя длина электропровода (2 шт. на 1 патрон) на длине 1,8 м составляет 0,9 м, а с двух сторон к одному патрону - 1,8 м. На 15 патронов (одна фаза) нужно 30 проводов общей длиной 27 м. Причем, провода - попарно неодинаковы по длине и требуется обеспечить 30 электрических контактов проводов с электропатронами только на одну фазу. На 1 ИКН (три фазы) требуется 81 м электропровода и 90 электрических контактов провода с патронами.
В заявляемом техническом решении электрические патроны - не требуются (не используются). Для подвода электроэнергии к ИКН нужно 4-е электропровода (a, b, c и N) по 0,5 м каждый. Этой длины достаточно, чтобы каждый фазный (a, b, c) подключить к фазным (узким) шинам 2Е (фиг.1, 3, 4) клеммами 4, а провод N к корпусу 2 (2А) ИКН клеммой К и далее вывести провода через осевое отверстие цапфы 2Д (фиг.1) корпуса 2 ИКН для присоединения к выходу авторегулятора «напряжение-температура» (на чертежах не показан). 4-е провода по 0,5 м имеют общую длину 2 м. Это в 40 раз меньше, чем в прототипе. Число электрических контактов (4 сравнить с 90) в 22,5 раза меньше, чем в прототипе.
Существенное упрощение (по сравнению с прототипом) обеспечивается отсутствием отражателей между рядами излучателей 2И в ИКН.
7.3.2. Повышение надежности и долговечности. При вращении СЦ относительно неподвижного ИКН вибрации через подшипники распространяются на корпус 2 (2А) ИКН и на все электрические соединения, осуществляющие передачу электрического тока в цепи питания ИКН. Вибрации снижают надежность контактов осуществляемых посредством винтовых зажимов (соединения патронов с электропроводами в прототипе).
С увеличением числа таких соединений вероятность нарушения одного из них от вибраций пропорциональна их числу. Как показано выше, 45 патронов в прототипе (лишь в одном СЦ) требуют 90 винтовых зажимов (соединений) электропроводов с патронами для одного СЦ с ИКН.
В заявляемом техническом решении их всего 4. Вследствие этого, надежность и долговечность при реализации заявляемого способа - не мене чем в 22,5 раза выше.
7.3.3. Уменьшение энергоемкости нагрева. В заявляемом способе достигается тем, что в дополнение к НИКИ, направленному от излучателей 2И на внутреннюю цилиндрическую поверхность цилиндра 1 СБ и к рассеянному ИКИ, отраженному гранями 2А на эту поверхность, на эту же поверхность направляют сетевое электромагнитное излучение (СЭМИ) корпуса 2 ИКН (граней 2А) с частотой промышленной электросети переменного тока, пропуская его через корпус 2 ИКН, не изменяя мощности электропитания (электрического напряжения питания ИКН).
Таким образом, общая (суммарная) мощность электромагнитного излучения, направленного на внутреннюю цилиндрическую поверхность цилиндра 1 СЦ, при разогреве СЦ возрастает на 1/3 без увеличения подводимой электрической мощности, и цилиндр 1 СЦ нагревается, по времени до заданной температуры, быстрее.
Кроме этого, сталь, содержащая 12% и более хрома поглощает на 20% больше энергии электромагнитного излучения (и НИКИ, и ИКИ, и СЭМИ), чем обычная сталь (железо), а кремний поглощает эту энергию на 20% больше, чем хром. Поглощение энергии электромагнитного излучения обуславливает нагрев. Поэтому, энергия излучений, поглощаемая внутренней цилиндрической поверхностью цилиндра 1 СЦ (слоем покрытия 5 и материалом цилиндра 1 СЦ) существенно ускоряет, по времени до заданной температуры (на 1/3), нагрев СЦ, без увеличения электрической мощности питания ИКН.
Расход электрической энергии на нагрев определяется мощностью затраченной за время нагрева. Поскольку номинальная мощность электропитания не меняется, а время разогрева СЦ до заданной температуры уменьшается на 1/3, то и расход электрической энергии на разогрев СЦ до заданной температуры уменьшается на 33%. 7.3.4. Удобство обслуживания. Обеспечивается уменьшением числа деталей, соединений и контактов, реализующих способ, как показано выше. Дополнительные удобства создают три одинаковых окна 1Е (фиг.1, 2) в днище 1Б СЦ, для выема и вставки внутрь СЦ шин с излучателями (сборочные узлы 2Е, 2Ж, 23). Эти окна, выполненные на одинаковом расстоянии друг от друга по окружности днища 1Б, не создают дисбаланса при вращении СЦ. Съемные крышки 6 (фиг.10), которыми закрыты окна 1Е перед началом работы и в процессе работы СЦ, препятствуют оттоку тепла из внутренней полости СЦ, чем дополнительно уменьшают время нагрева СЦ до заданных температур. Этим дополнительно снижается энергоемкость нагрева.
Источники информации.
1. Живетин В.В., Брут-Бруляко А.Б. Устройство и обслуживание шлихтовальных машин, Москва, Легпромбытиздат, 1988. // С.-240.
2. Патент RU №2037588, кл. D06B 21/00, опубл. 19.06.95.
3. Патент США №4944975, кл. F26B 13/16, 21.08.90.
4. Патент GB №1238757, кл. F26B 13/14.
5. А.с.СССР №1605085, кл. F26B 13/06, опубл. 1991.
6. А.с. №579689, кл. F26B 13/16, опубл. 1971.
7. Патент США №4683015, кл. F26B 3/24, 1987.
8. А.с. №118224, кл. F26B 13/14, 1972.
9. Патент RU №2027131, кл.F26B 13/14, опубл. 20.01.95.
10. Патент RU №2137996, кл. F26B 13/14.
11. А.с. №905517, кл. F26B 13/14, опубл. 1959.
12. А.с. №220744, кл. F26B 5/02, 1952.
13. Патент GB №2227823, кл. F26B 13/14.
14. А.с. №731234, кл. F26B 13/18, опубл. 30.04.80.
15. Патент RU №22177129, кл. F26B 13/18, опубл. 20.12.2001.
16. А.с.№514177, кл. F26B 13/18, опубл. 15.05.76.
17. Патент DM №1226287, НКИ 39az 7/14, 1966.
18. A.с. №596795, кл. F26B 13/18, опубл. 05.03.78.
19. Патент RU A1 №1781523, кл. F26B 13/14, опубл. 15.12.1992.
20. Патент RU №2263730, МПК D06B 15/00, F26B 13/00, 2005.
21. Патент RU №2300589, МПК D06B 15/00, F26B 13/00, 2007.
22. Патент RU №2269730, МПК F26B 13/18, 2006.
23. Патент RU №2302593, МПК F26B 13/18, 2007.
24. Орир Дж. Физика, т.2, М., Мир, 1981. // С.-624.
25. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике, М., Наука, 1976. // С.-256.
26. WWW.LISMA-GUPRM.RU.
27. Нащекин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача, М., Высшая школа, 1980. // С.-469.
28. Церта
29. WWW.GELIGHTING.COM.