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La présente invention concerne le chauffage par combustion de gaz et vise spécialement un procédé pour chauffer rapidement des substances dans une enve- loppe protectrice grâce à la combustion de gaz.
Dans la production en grande quantité d'ar- ticles dont une surface doit être soumise à la chaleur, il existe habituellement à l'époque actuelle un "goulot" de production du fait de l'absence d'une tech- nique de chauffage sûre et suffisamment rapide pour faire face à la production des équipements productifs "Procédé de chauffage,"
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adjacents. Comme exemple de ceci on peut citer la fer-. meture de paquets revêtus de pellicules scellées à la chaleur.
Dans une situation dont on a eu connaissance, des paquets comportant un revêtement fait d'une pelli- cule de polyéthylène peuvent être scellés avec l'équi- pement actuel à la cadence d'environ 40 paquets à la minute seulement du fait qu'il faut environ 1 seconde et demie pour "activer" ou amollir convenablement par la chaleur le revêtement de pellicule plastique sur les rabats de chaque paquet lorsque le paquet passe devant un dispositif de chauffage. Les producteurs de ces paquets ont fait diverses tentatives pour aug- menter cette production mais avec peu de succès.
Non seulement les méthodes.classiques sont relativement lentes, mais il y a en outre une perte importante et continuelle de pellicule de revêtement du fait de l'oxydation et de l'évaporation pendant la durée de chauffage. En outre, quand on accélère les procédés classiques pour obtenir une production de
40 cartons à la minute, la structure de support (par exemple en carton) subit souvent des dégâts superfi- ciels. Il est pour cette raison de pratique courante dans le domaine de l'emballage, par exemple, de re- vêtir les cartons avec une épaisseur de 0,025 mm de . polyéthylène ou d'une autre matière plastique, afin qu'à la fin de l'opération on ait, après le scellement à la chaleur une épaisseur de seulement 0,013 mm de matériau activé.
Avec un équipement de production à grande vitesse cette perte représente des sommes
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considérables, En outre, avec les techniques de chauf- fage classiques, le taux de rebut dû aux bottes abîmées et à des fermetures médiocres est très impor- tant. De plus, l'équipement de fermeture sous pres- s3,on qui vient après les dispositifs de chauffage n'est normalement employé qu'à une fraction de sa capacité normale du fait de l'existence du "goulot" dans le stade précédent de chauffage de la pellicule.
Les brûleurs classiques provoquent souvent une surchauffe de l'équipement qui est placé près d'eux dans le dispositif de production. Ceci est principalement dû au rayonnement de chaleur provenant de la surface chaude du brûleur. En fait, ces brûleurs classiques ne peuvent pas réaliser un chauffage local intense sans rayonner de la chaleur tout autour.
Autant qu'on le sache, on trouve les mêmes limitations dans d'autres domaines que celui de l'em- ballage, par exemple dans la liaison de feuilles de plastiques, dans l'imprégnation de feuilles de tissus avec du plastique fondu, dans le durcissement par cé- mentation de métaux, dans la soudure à l'argent, dans le préchauffage de soudure, dans des procédés de sécha- ge et dans de nombreux autres domaines.
La. présente invention se propose en consé- quence de fournir : un procédé de chauffage qui puisse multi- plier par un nombre très grand la.vitesse de chauffage de surface que l'on obtient avec les procédés actuel- lement en usage, et augmenter ainsi le taux de ferme- ture à la chaleur et de pénétration par la chaleur.
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Ce procédé nouveau permet le ramollisement par la chaleur ou "activation" d'une pellicule superficielle d'un matériau telle qu'une matière plastique ou une cire en environ 1/10 de seconde ou moins, durée qui est à comparer avec la durée d'au moins 1 seconde et demie ou plus correspondant aux techniques antérieures ; un procédé de chauffage permettant d'amener la surface à la température désirée rapidement et dans une atmosphère protectrice créée par le procédé de chauffage. Aucune oxydation importante ou autre perte de substance chauffée ne se produit ainsi. En outre, la chaleur produite est si uniforme et réglable avec une telle précision que les dégâts superficiels pro- voqués sur le matériau de support par une distribu- tion inégale de chaleur ou par oxydation excessive sont pratiquement éliminés, par exemple dans les pro- cessus d'emballage.
Quand on emploie ce procédé, le revêtement de pellicule, par exemple de polyéthylène sur un carton, peut être fait dès le début à l'épais- seur que l'on désire obtenir à la fin du procédé. En d'autres termes un paquet comportant un revêtement de matériau non activé d'une épaisseur de 0,013 mm sera à la fin de l'opération recouvert de matériau activé ayant sensiblement une épaisseur de 0,013 mm. Les économies résultantes dues à l'augmentation considé- rable du taux de production, à l'élimination de la mise au rebut par dégât de surface et par fermeture médiocre, et à la diminution sensible des dépenses d'un matériau de revêtement coûteux, ont une importance extrême.
On peut réaliser des économies analogues dans d'autres
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processus qui nécessitent l'emploi de chauffage ; un procédé de chauffage où la température à-laquelle doit être chauffé le matériau peut être réglée avec précision tout en protégeant le matériau de l'oxydation par contact avec l'air ; un procédé de chauffage permettant de ne pas utiliser de flamme ouverte d'épaisseur notable et de ne pas exposer le matériau à une chaleur de rayon- nement infra-rouge, si on le désire, tout en réalisant un procédé rapide sans exposition à l'air.
Ces buts de la présente invention ainsi que d'autres apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, faite avec références'aux dessins an- nexés, sur lesquels :
La figure 1 est une vue en perspective d'une forme de brûleur pouvant être employée avec le procé- dé nouveau de la présente invention ;
La figure 2 est une vue en-coupe de l'appareil représenté sur la figure 1 ;
La figure 3 est une vue en coupe montrant une légère modification du brûleur de la figure 1 et du chauffage d'un matériau;
La figure 4 est une vue en élévation latérale d'un stade d'emploi typique du procédé nouveau de la présente invention ; et,
La figure 5 est une vue explosée en perspec- tive du brûleur représenté sur les figures 1 et 2.
L'invention consiste fondamentalement à for- mer une enveloppe continue de gaz de combustion à tem- pérature élevée dans une région en faisant passer les
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gaz dans une couche poreuse pour qu'il y ait combus- tion dans la région, puis à faire pénétrer dans l'en- veloppe le matériau à chauffer.
L'invention comprend spécialement un prooé- dé de chauffage rapide d'un matériau, telle qu'une substance fusible comme une matière plastique ou cire, et comprend les stades consistant à réaliser un mé- lange de gaz combustibles sous pression, à faire pas- ser les gaz sous forme finement dispersée à travers une matière réfractaire uniformément poreuse, et de préférence fibreuse, sous une pression suffisante pour que les gaz sortent uniformément à la surface de ladite matière avec une vitesse importante, à faire brûler les gaz à la surface ou près de la surface et à former une enveloppe continue de gaz de combustion, sans flamme, à température'élevée, ayant une épaisseur importante sur la surface de la matière réfractaire,
et à faire passer dans les limites de ladite enveloppe continue un matériau à chauffer de façon à chauffer rapidement le matériau sans'qu'il soit exposé à l'oxy- gène contenu dans l'air. Il est souhaitable dans de nombreux cas, non seulement de réaliser l'enveloppe de gaz sans flamme, mais également d'éliminer la cha- leur infra-rouge en comprimant légèrement la couche fibreuse de réfractaire jusqu'à ce que la chaleur in- fra-rouge disparaisse.
En se reportant maintenant aux dessins, on emploie un brûleur 10 pour mettre en pratique le pro- cédé nouveau de l'invention. Le brûleur comprend un carter 12 et une conduite 14 d'alimentation en mélange combustible gazeux comportant une vanne appropriée 18
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pour faire pénétrer dans le carter un gaz combustible tel qu'un gaz hydrocarbure et un gaz contenant de l'oxygène, par exemple de l'air comprimé. Les gaz préalablement mélangés sont fournis sous pression à une chambre de pression 20 située dans la partie basse du carter 12. Ils passent d'une manière uniformément dispersée à travers une couche massive 24 de matière réfractaire fibreuse 24.
Cette matière est de préférence formée de fibres d'alumine et de silice, bien plus fines qu'un cheveu humain de préférence d'environ 3,5 microns de diamètre et a une texture et une porosité uniforme.
Les fibres sont liées avec une petite quantité d'un matériau liant de façon suffisante pour assurer la stabilité des fibres et pour donner à la couche une consistance lui permettant de se supporter d'elle-même, L'agent liant peut être organique ou céramique, pourvu qu'il ne s'écoule pas quand il est chauffé de façon à colmater les interstices minuscules existant dans la couche. Un matériau liant typique est composé d'ime quantité s'élevant jusqu'à 3 % d'une résine phénolique, par exemple une résine de phénol-formaldéhyde. Cette couche peut avoir à volonté une épaisseur variant d'sn- viron 1,6 mm à environ 50 mm ou davantage, selon l'emploi particulier visé, tant que la porosité, la densité et l'épaisseur sont uniformes dans toute l'é- tendue de la couche.
On peut former les fibres à l'aide d'un jet de vapeur à partir d'alumine et de silice fondues, Elles sont dispersées au hasard dans une couche, de préférence en proportion 50/50 et elles sont garnies
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d'un liant. On comprime alors la couche à l'épaisseur et à la densité désirées. On la cuit pour faire mûrir le liant. Une densité typique pour une pression gazeuse comprise entre 12,7 et 254 mm d'eau et pour une épais.. seur d'environ 12,7 mm est d'à peu près 48 kg/m3. On peut faire varier cette densité dans de larges limites selon l'emploi du procédé de chauffage, et selon l'é- paisseur de l'enveloppe de gaz de fumée désirée.
Une matière que l'on a reconnu être particulièrement inté- ressante est celle qui est vendue par la société dite Johns Manville Company., de Manville, Etat de Ne-Jersey, Etats-Unis d'Amérique, sous la marque déposée "CERAFELT".
On peut construire de la manière suivante le brûleur représenté sur les figures 1,2, et 4, com- prenant une forme qui peut permettre de réaliser le procédé de chauffage. Le carter 12 comporte un fond ouvert et une ouverture sur le dessus entourée par une collerette p4riphérique de maintien 26. La couche fibreuse 24 est de préférence co-extensive à l'ouver- ture. Avant d'insérer la couche fibreuse dans la co- quille du carter 12, on commence par sceller complète- ment la couche à l'intérieur d'une paroi périphérique 11 à l'aide d'une couche d'adhésif formant scellement 13. Cet adhésif peut être n'importe quel adhésif appro- prié pour les hautes températures, mais consiste de préférence en une substance ayant pour base le même matériau que la couche fibreuse.
On a ainsi reconnu que des fibres de silice et d'alumine broyées en sus- pension dans un véhicule approprié, habituellement
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inorganique, et auquel on a donné des qualités d'ad- hérence et de scellement, donne satisfaction. Un tel matériau est vendu sous la marque déposée "CERA KOTE" par la Société dite Johns Manville, de Manville, New-Jersey, Etats-Unis d'Amérique, On s'arrange pour que la couche fibreuse fasse légèrement saillie vers le haut en dehors de la coquille, comme il est repré- senté sur la figure 5 d'une manière exagérée.
La paroi enveloppante 11 a un diamètre plus petit que les parois de la coquille 12, habituellement, étant donné qu'elle est juste un peu plus grande que l'ouverture du dessus, C'est pourquoi il y a un jeu de cales d'espacement, par exemple 15 et 22, qui sont fixés par exemple par soudage aux quatre c8tés de la bordure périphérique 11 afin de fixer son emplacement dans la coquille 12. Ces cales d'espacement agissent également pour comprimer la couche fibreuse d'une façon qu'on expliquera plus loin.
Te tamis 30 a un diamètre qui déborde net- tement en dehors de l'ouverture supérieure et qui s'étend habituellement jusqu'aux parois du carter, Ce tamis sert à comprimer la couche fibreuse étant donné que le bord supérieur de la paroi 11 est pressé en contact avec le tamis et la collerette 26 quand elle est insérée dans le carter, Le fond 21 du carter est fixé par soudage sur la coquille afin de maintenir le matériau comprimé par contact avec le bas des cales d espacement, par exemple 22.
Pour obtenir un écoulement de gaz uniforme sans fuite sur les bords, il convient d'appliquer un
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matériau d'étanchéité 23 tout autour de la périphérie de l'ouverture supérieure (fig. 2) afin d'effectuer une fermeture hermétique entre la paroi 11 et la col- lerette 26. Ce matériau d'étanchéité doit être un ma- tériau pour hautes températures tel qu'un matériau d'étanchéité métallique classique. On a reoonnu qu'une suspension de cuivre colloïdale convient bien à cet effet étant donné qu'elle réalise une fermeture her- métique et qu'elle résiste à des températures très élevées.
Un tel matériau est vendu sous la marque déposée "FEL-PRO CSA" par la Société dite "Felt Products
Manufacturing Company", de Skokie, Etat d'Illinois, Etats-Unis d'Amérique,
On a représenté sur la figure 3 une variante constituée par une structure dans laquelle la couche fibreuse 124, en un seul bloc, déborde de l'ouverture supérieure dans le carter. 112 de façon à s'ajuster d'une manière serrée contre la collerette périphérique
123. Une cale d'espacement annulaire 122 maintient en position la couche. La couche est scellée sur sa bordure périphérique et le long de son bord supérieur par une couche 129 de produit de scellement tel que le "CERA KOTE" décrit ci-dessus.
On a reconnu qu'avec ce type de brûleur et de procédé,on peut, en faisant varier la compression de la couche réfractaire fibreuse telle qu'elle est installée dans le carter, régler la quantité du rayon- nement infra-rouge sur la surface du brûleur pendant le fonctionnement entre un maximum et un état dans lequel on élimine la totalité du rayonnement infra-rouge,
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En fait le brûleur, quand on le fait fonctionner à une température allant jusqu'à 109 C apparaît effec- tivement sombre sur sa surface chaude.
Ce n'est qu'en regardant la surface dans le sens transversal qu'on peut détecter une couche extrêmement mince de flamme bleue,
Conformément au procédé de la présente in- vention, une fois que les fibres d'alumine et de si- lice ont été assemblées pour former un bloc et ont été comprimées pour prendre la forme d'un feutre avec liant possédant l'épaisseur, la dimension, la densité et la forme désirées, ce feutre est placé dans un brûleur pour définir en-dessous de lui une chambre de pression.
Pendant le fonctionnement, quelles que soient les dimensions du brûleur ou sa forme, on a reconnu que le matériau uniformément poreux, avec ses myriades d'orifices de surface comprenant des in- terstices entre les fibres, possède une résistance suffisante à l'écoulement de gaz pour que les gaz in- troduits dans la chambre 20 soient distribués uni- formément sur la surface du feutre sans qu'il y ait besoin de déflecteurs et qu'on peut les faire passer ainsi d'une manière uniforme sous forme de myriades de petits jets minuscules voisins. La vitesse des gaz sortants est importante. On a reconnu qu'une pression gazeuse supérieure à 12,7 mm d'eau est satis- faisante pour un feutre ayant une épaisseur de 12,7 mm, et une densité d'environ 48 kg/m3, pour obtenir une combustion uniforme,.
On peut-faire varier considérable- ment cette pression,par exemple l'élever jusqu'à en-
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viron 254 mm d'eau ou davantage selon ce que l'on désire comme production de chaleur, température, et épaisseur de l'enveloppe de gaz de combustion (que l'on décrira plus loin). Cette pression, ainsi que la poro- sité et l'épaisseur de la couche déterminent la vitesse des gaz sortant de la surface extérieure du brûleur.
La combustion des gaz, avec le feutre réfractaire po- reux et fibreux, se produit juste avant la sortie de la couche ou sur la surface extérieure de la couche selon la compression à laquelle est soumise la couche extérieure de fibres. Quand la combustion a lieu avant la sortie, il y a une émission intense de chaleur sous forme d'infra-rouge. Si les fibres extérieures sont comprimées, le résultat en est une flamme extrêmement mince et presque sans couleur sur la surface, la flamme infra-rouge étant partiellement ou totalement éliminée, selon l'importance de la compression de la couche.
On doit noter qu'on doit soigneusement bou- cher toute piqûre d'aiguille ou trou minuscule d'un diamètre supérieur à l'ordre du micron, étant donné qu'un tel "trou d'aiguille" provoque la sortie de petites flammes qui peuvent s'étendre à une distance importante, de la surface, empêchant ainsi un échauf- fement uniforme et qu'on doit également ne pas laisser placer une substance combustible à moins d'un centi- mètre du brûleur, comme on le décrit ci-après.
Les gaz de combustion sortent avec une vitesse suffisante et d'une manière débordante de façon à créer sur toute la surface l'enveloppe 34 de gaz de combustion à haute température, l'enveloppe étant continue et ne contenant
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pas d'air. Cette enveloppe est dépourvue d'air exté- rieur et d'une manière générale est à une température qui varie selon son épaisseur, comme il est repré- senté sur la figure 2. On peut régler,l'épaisseur de cette enveloppe par la pression des gaz, l'épaisseur de la couche 24 et la porosité de la couche de façon à obtenir une enveloppe ayant une épaisseur quelconque variant de 3 à 25 mm environ.
Dans le procédé nouveau de 1,/invention on emploie cette enveloppe à haute température, épaisse, continue e t protectrice pour chauffer rapidement un matériau.
Par exemple, comme il est représenté sur la figure 3, on peut utiliser l'enveloppe 130 pour en- tourer une feuille laminée 150 d'un support (par exemple du carton dur ou du carton ondulé) comportant une couche fusible 152 telle qu'une couche de cire ou de matière plastique (par exemple du polyéthylène) que l'on doit "activer" ou ramollir, La distance du matériau à la surface extérieure 125 de la couche '-fibreuse 124 détermine la température à laquelle il est soumis. Il n'y a pas de flamme pour attaquer le papier ou le plastique et il est entièrement protégé de l'oxydation par l'enveloppe continue.
On a trouvé par des expériences répétées qu'on peut "activer" des revêtements tels que du polyéthylène placé sur des emballages en carton dans des intervalles de temps variant d'un dixième de seconde et moins de façon à permettre de les sceller à la chaleur convenablement par des techniques de pression. Par exemple, sur la figure 4, on scelle ensemble par pression appropriée deux feuilles 150' et 150". On a démontré à diverses
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reprises qu'avec des machines à fermer les emballages appliquant le procédé nouveau, on peut sceller les emballages au rythme de 180 par minute et davantage sans qu'il y ait de dommages extérieurs, avec une fermeture à la chaleur convenable et sans qu'il y ait apparemment de perte de matériau de revêtement du fait de l'oxydation etc...
Ceci est un contraste net avec les procédés antérieurs où l'on considérait . qu'une cadence de 40 emballages par minute était excellente, même lorsqu'on perdait la moitié de la couche de revêtement et qu'on sacrifiait un pourcen- tage considérable des cartons du fait de dommages de surface et de fermetures médiocres.
On doit noter qu'étant donné qu'il n'y a pas de flamme appréciable à la surface et que l'enve- loppe s'étend jusqu'à environ 25 mm de la surface, on peut placer directement les matériaux de carton ou d'autres matériaux combustibles à l'intérieur de l'enveloppe avec beaucoup moins de danger d'incendie.
En outre, si on le désire, on a constaté qu'on peut éliminer tout rayonnement infra-rouge de la surface de la couche fibreuse réfractaire en le comprimant d'une manière appropriée pour diminuer lentement le rayonnement infra-rouge jusqu'à ce qu'il disparaisse finalement, même si la température des gaz reste com- prise entre 316 et 982 C. L'importance de la com- pression nécessaire à cet effet varie avec l'épaisseur du matériau fibreux, la pression des gaz, le type de gaz brûlé, la densité, la porosité-du matériau fibreux, et le diamètre des fibres. Un technicien expérimenté
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pourra parfaitement déterminer comment comprimer graduellement le matériau de la façon désirée, par exemple entre des tamis appropriés, pour obtenir les résultats cherchés.
On doit noter que le matériau réfractaire employé pour former la couche massive de feutre doit être capable de résister à des tempé- ratures de plusieurs centaines de.degrés et de pré- férence s'élevant jusqu'à 1000 C. Ce doit être en outre un excellent matériau isolant de façon à isoler contre toute conduction de chaleur en sens inverse à travers la couche.
La chaleur résultante est très intense en raison de la combustion complète de l'absence de perte par énergie, lumineuse, de l'absence de perte ,appréciable par conduction, et des limites étroite- ment réglées de la zone de chauffage. Ceci permet de placer des pièces de machine très près de la ré- gion chauffée sans qu'il s'y produise des élévations importantes de température. En outre, les parties d'un article à traiter susceptibles d'être endom- magées par la chaleur peuvent s'approcher de très près de la région chaude sans qu'il y ait une éléva- tion de température importante.
On peut employer ce procédé pour de nombreux types de matériau et de traitements. Par exemple on peut conformer la région chaude de façon qu'elle s'adapte à des surfaces inhabituelles telles que celles de moules en coquilles pour y traiter et mûrir le liant résineux, on peut l'employer pour préchauf- fer une surface d'article métallique à souder, pour
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sécher des revêtements tels que des peintures ou pour de nombreux autres buts, comme il est évident.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode opératoire et aux exemples décrits et repré- sentés et peut recevoir diverses variantes entrant dans l'esprit et le cadre de l'invention.
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The present invention relates to gas combustion heating and is particularly directed to a method for rapidly heating substances in a protective enclosure by gas combustion.
In the production of large quantities of articles with a surface to be subjected to heat, there is usually in the present day a production "bottleneck" due to the lack of a safe heating technique. and fast enough to cope with the production of productive equipment "Heating process,"
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adjacent. As an example of this we can cite fer-. meture of heat-sealed film-coated packages.
In a known situation, packages having a coating made of a polyethylene film can be sealed with the present equipment at the rate of about 40 packages per minute only because of the fact that there are no more than 40 packages per minute. It takes about 1.5 seconds to properly "activate" or heat-soften the plastic wrap coating on the flaps of each pack as the pack passes a heater. The producers of these packages have made various attempts to increase this production, but with little success.
Not only are conventional methods relatively slow, there is also a large and continual loss of coating film due to oxidation and evaporation during the heating time. In addition, when accelerating conventional processes to obtain production of
40 boxes per minute, the supporting structure (eg cardboard) often suffers superficial damage. It is therefore common practice in the field of packaging, for example, to cover cartons with a thickness of 0.025 mm. polyethylene or another plastic material, so that at the end of the operation there is, after heat sealing, a thickness of only 0.013 mm of activated material.
With high-speed production equipment this loss represents sums
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Furthermore, with conventional heating techniques, the scrap rate due to damaged boots and poor closures is very great. In addition, the pressurized closing equipment, which comes after the heaters, is normally only used at a fraction of its normal capacity due to the existence of the "neck" in the previous stage of. heating of the film.
Conventional burners often cause overheating of equipment that is placed near them in the production device. This is mainly due to the heat radiation coming from the hot surface of the burner. In fact, these conventional burners cannot achieve intense local heating without radiating heat all around.
As far as is known, the same limitations are found in fields other than that of packaging, for example in the bonding of plastic sheets, in the impregnation of fabric sheets with molten plastic, in cementation hardening of metals, in silver soldering, in solder preheating, in drying processes and in many other fields.
The present invention therefore sets out to provide: a heating method which can multiply by a very large number the rate of surface heating obtained with the methods presently in use, and increase the rate of surface heating obtained with the methods presently in use. thus the rate of heat closure and heat penetration.
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This new process allows the heat-softening or "activation" of a surface film of a material such as plastic or wax in about 1/10 of a second or less, which is to be compared with the duration of at least 1.5 seconds or more corresponding to prior techniques; a heating process for bringing the surface to the desired temperature quickly and in a protective atmosphere created by the heating process. No significant oxidation or other loss of heated material occurs in this way. Furthermore, the heat produced is so uniform and adjustable with such precision that surface damage to the support material caused by uneven heat distribution or excessive oxidation is practically eliminated, for example in industrial processes. packing.
When this process is employed, the coating of film, eg, polyethylene, on cardboard can be done from the start at the desired thickness at the end of the process. In other words, a package comprising a coating of non-activated material with a thickness of 0.013 mm will at the end of the operation be covered with activated material having a thickness of substantially 0.013 mm. The resulting savings due to the drastic increase in production rate, the elimination of surface damage and poor seal disposal, and the substantial decrease in the expense of expensive coating material, have of extreme importance.
Similar savings can be made in other
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processes which require the use of heating; a heating process where the temperature to which the material is to be heated can be precisely controlled while protecting the material from oxidation by contact with air; a heating process which avoids the use of an open flame of appreciable thickness and does not expose the material to infrared radiant heat, if desired, while achieving a rapid process without exposure to air.
These objects of the present invention and others will become apparent on reading the description which follows, given with reference to the accompanying drawings, in which:
Figure 1 is a perspective view of one form of burner which may be employed with the novel process of the present invention;
Figure 2 is a sectional view of the apparatus shown in Figure 1;
Figure 3 is a sectional view showing a slight modification of the burner of Figure 1 and the heating of a material;
Figure 4 is a side elevational view of a typical stage of use of the novel process of the present invention; and,
Figure 5 is an exploded perspective view of the burner shown in Figures 1 and 2.
The invention basically consists of forming a continuous envelope of high temperature combustion gases in a region by passing the
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gas in a porous layer so that there is combustion in the region, and then to penetrate into the envelope the material to be heated.
The invention especially comprises a process for rapidly heating a material, such as a meltable substance such as plastic or wax, and includes the steps of making a mixture of combustible gases under pressure, not - ser the gases in finely dispersed form through a uniformly porous refractory material, and preferably fibrous, under a pressure sufficient for the gases to exit uniformly at the surface of said material with a high speed, to burn the gases at the surface or near the surface and forming a continuous envelope of flameless, elevated temperature combustion gas having substantial thickness over the surface of the refractory material,
and passing through said continuous envelope material to be heated so as to rapidly heat the material without being exposed to oxygen in the air. It is desirable in many cases not only to make the gas envelope flameless, but also to remove the infrared heat by slightly compressing the fibrous layer of refractory until the heat infra. -red disappears.
Referring now to the drawings, a burner 10 is employed to practice the novel process of the invention. The burner comprises a casing 12 and a pipe 14 for supplying the gaseous fuel mixture comprising a suitable valve 18
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for making a combustible gas such as a hydrocarbon gas and a gas containing oxygen, for example compressed air, enter the crankcase. The pre-mixed gases are supplied under pressure to a pressure chamber 20 located in the lower part of the casing 12. They pass in a uniformly dispersed manner through a massive layer 24 of fibrous refractory material 24.
This material is preferably formed of alumina and silica fibers, much thinner than a human hair, preferably about 3.5 microns in diameter, and has a uniform texture and porosity.
The fibers are bonded with a small amount of a binding material sufficient to ensure the stability of the fibers and to give the layer a consistency that allows it to support itself. The binding agent can be organic or ceramic , provided that it does not flow when heated so as to plug the tiny interstices existing in the layer. A typical binder material is comprised of up to 3% of a phenolic resin, for example a phenol-formaldehyde resin. This layer may have a thickness varying from about 1.6 mm to about 50 mm or more as desired, depending on the particular use intended, as long as the porosity, density and thickness are uniform throughout the entire surface. - stretched layer.
The fibers can be formed using a steam jet from molten alumina and silica.They are dispersed at random in a layer, preferably in a 50/50 ratio and they are filled
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of a binder. The layer is then compressed to the desired thickness and density. It is cooked to ripen the binder. A typical density for a gas pressure between 12.7 and 254 mm of water and for a thickness of about 12.7 mm is about 48 kg / m 3. This density can be varied within wide limits depending on the use of the heating process, and the thickness of the flue gas jacket desired.
One material which has been recognized to be particularly interesting is that which is sold by the so-called Johns Manville Company., Of Manville, State of Ne-Jersey, United States of America, under the registered trademark "CERAFELT" .
The burner shown in Figures 1, 2 and 4 can be constructed as follows, including a form which can allow the heating process to be carried out. The housing 12 has an open bottom and an opening on the top surrounded by a peripheral retaining flange 26. The fibrous layer 24 is preferably co-extensive with the opening. Before inserting the fibrous layer into the shell of the casing 12, the first step is to completely seal the layer inside a peripheral wall 11 using a layer of adhesive forming a seal 13. This adhesive can be any suitable adhesive for high temperatures, but preferably consists of a substance having as a base the same material as the fibrous layer.
It has thus been recognized that fibers of silica and alumina ground in suspension in a suitable vehicle, usually
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inorganic, and to which adhesion and sealing qualities have been given, gives satisfaction. Such a material is sold under the trademark "CERA KOTE" by the so-called Johns Manville Company, of Manville, New Jersey, United States of America. Arrangements are made for the fibrous layer to protrude slightly upward. outside the shell, as shown in Figure 5 in an exaggerated manner.
The enveloping wall 11 has a smaller diameter than the walls of the shell 12, usually since it is just a little larger than the top opening, which is why there is a set of wedges. spacers, for example 15 and 22, which are fixed for example by welding to the four sides of the peripheral edge 11 in order to fix its location in the shell 12. These spacers also act to compress the fibrous layer in a way that 'we will explain later.
The screen 30 has a diameter which protrudes sharply outside the upper opening and usually extends to the walls of the housing. This screen serves to compress the fibrous layer since the top edge of the wall 11 is pressed into contact with the screen and the flange 26 when it is inserted into the housing, The bottom 21 of the housing is fixed by welding to the shell in order to maintain the material compressed by contact with the bottom of the spacers, for example 22.
To obtain a uniform gas flow without leakage at the edges, a
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sealing material 23 all around the periphery of the upper opening (fig. 2) in order to effect a hermetic seal between the wall 11 and the collar 26. This sealing material must be a material for high temperatures such as conventional metallic sealant. It has been found that a colloidal copper slurry is well suited for this purpose since it provides a hermetic seal and resists very high temperatures.
Such a material is sold under the registered trademark "FEL-PRO CSA" by the company known as "Felt Products.
Manufacturing Company ", of Skokie, State of Illinois, United States of America,
There is shown in Figure 3 a variant consisting of a structure in which the fibrous layer 124, in a single block, protrudes from the upper opening in the housing. 112 so as to fit snugly against the peripheral flange
123. An annular spacer 122 holds the diaper in position. The layer is sealed on its peripheral edge and along its upper edge by a layer 129 of sealant such as "CERA KOTE" described above.
It has been recognized that with this type of burner and process, it is possible, by varying the compression of the fibrous refractory layer as installed in the casing, to adjust the amount of infrared radiation on the surface. of the burner during operation between a maximum and a state in which all the infra-red radiation is eliminated,
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In fact the burner, when operated at a temperature of up to 109 C, does appear dark on its hot surface.
Only by looking at the surface in the transverse direction can one detect an extremely thin layer of blue flame,
In accordance with the process of the present invention, after the alumina and silica fibers have been joined to form a block and have been compressed into the form of a felt with a binder having the thickness, the thickness. dimension, density and shape desired, this felt is placed in a burner to define below it a pressure chamber.
During operation, regardless of the size of the burner or its shape, it has been recognized that the uniformly porous material, with its myriad surface openings comprising interstices between the fibers, has sufficient resistance to the flow of water. gases so that the gases introduced into chamber 20 are distributed evenly over the surface of the felt without the need for baffles and can thus be passed uniformly in the form of myriads of little neighboring tiny jets. The speed of the outgoing gases is important. It has been recognized that a gas pressure greater than 12.7 mm of water is satisfactory for a felt having a thickness of 12.7 mm, and a density of about 48 kg / m3, to obtain uniform combustion, .
This pressure can be varied considerably, for example, raising it up to
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approximately 254 mm of water or more depending on what is desired as heat output, temperature, and thickness of the combustion gas jacket (which will be described later). This pressure, together with the porosity and thickness of the layer, determine the speed of the gases exiting the outer surface of the burner.
The combustion of the gases, with the porous and fibrous refractory felt, occurs just before the exit of the layer or on the outer surface of the layer depending on the compression to which the outer layer of fibers is subjected. When the combustion takes place before the exit, there is an intense emission of heat in the form of infrared. If the outer fibers are compressed, the result is an extremely thin and almost colorless flame on the surface, with the infrared flame being partially or totally eliminated, depending on the amount of compression of the layer.
It should be noted that any needle sticks or tiny holes larger than the order of a micron in diameter should be carefully plugged, since such a "needle hole" causes small flames to escape which will result in small flames. can extend a considerable distance from the surface, thus preventing uniform heating and that a combustible substance should also not be allowed to stand within one centimeter of the burner, as described above. after.
The combustion gases exit with a sufficient speed and in an overflowing manner so as to create over the entire surface the envelope 34 of combustion gases at high temperature, the envelope being continuous and not containing
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no air. This envelope is devoid of external air and in general is at a temperature which varies according to its thickness, as shown in FIG. 2. The thickness of this envelope can be adjusted by pressure. gases, the thickness of the layer 24 and the porosity of the layer so as to obtain an envelope having any thickness varying from about 3 to 25 mm.
In the novel process of the invention this thick, continuous and protective high temperature jacket is employed to rapidly heat a material.
For example, as shown in Figure 3, wrap 130 can be used to surround a laminated sheet 150 with a backing (eg, hardboard or corrugated board) having a fusible layer 152 such as. a layer of wax or plastic material (eg polyethylene) which is to be "activated" or softened. The distance of the material from the outer surface 125 of the fiber layer 124 determines the temperature to which it is subjected. There is no flame to attack the paper or plastic and it is fully protected from oxidation by the continuous wrap.
It has been found by repeated experiments that coatings such as polyethylene placed on cardboard packages can be "activated" in time intervals varying from one-tenth of a second and less so as to allow them to be heat sealed. suitably by pressure techniques. For example, in Figure 4 two sheets 150 'and 150 "are sealed together by suitable pressure.
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With re-sealing machines using the new process, it is possible to seal the packages at the rate of 180 per minute and more without any external damage, with suitable heat sealing and without there is apparently loss of coating material due to oxidation etc.
This is a stark contrast to the earlier processes where one considered. that a rate of 40 packages per minute was excellent, even when half the coating layer was lost and a considerable percentage of cartons was sacrificed due to surface damage and poor closures.
It should be noted that since there is no appreciable flame on the surface and the envelope extends to about 25 mm from the surface, the cardboard materials can be placed directly or other combustible materials inside the casing with much less fire danger.
Further, if desired, it has been found that any infrared radiation can be removed from the surface of the refractory fibrous layer by compressing it in an appropriate manner to slowly decrease the infrared radiation until it stops. 'it eventually disappears, even if the temperature of the gases remains between 316 and 982 C. The amount of compression required for this purpose varies with the thickness of the fibrous material, the pressure of the gases, the type of gas. burnt gas, density, porosity of the fibrous material, and diameter of the fibers. An experienced technician
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will be able to determine how to gradually compress the material as desired, for example between suitable screens, to obtain the desired results.
It should be noted that the refractory material employed to form the solid layer of felt should be able to withstand temperatures of several hundred degrees and preferably up to 1000 C. It should furthermore be an excellent insulating material so as to insulate against any reverse heat conduction through the layer.
The resulting heat is very intense due to the complete combustion of the absence of energy, luminous loss, of the absence of appreciable conduction loss, and the tightly regulated limits of the heating zone. This allows machine parts to be placed very close to the heated area without significant temperature rises occurring there. In addition, parts of an article to be treated susceptible to heat damage can come very close to the hot region without a significant temperature rise.
This process can be used for many types of materials and treatments. For example, the hot region can be shaped so that it adapts to unusual surfaces such as those of shell mussels to treat and cure the resinous binder therein, it can be used to preheat an article surface. metal welding, for
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drying coatings such as paints or for many other purposes, as is evident.
Of course, the invention is not limited to the operating mode and to the examples described and shown and can receive various variants coming within the spirit and the scope of the invention.