CN117795277A - 罐干燥和水分控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于与罐干燥器或烘箱一起使用的加热系统，其包含燃气燃烧器、电加热元件、被构造成使用由所述燃气燃烧器和/或所述电加热元件加热的空气加热罐的加热室、被构造成使空气从所述燃气燃烧器和电加热元件移动至所述加热室的循环系统、以及控制系统，所述控制系统被构造成选择性地控制所述燃气燃烧器和电加热元件以在第一模式与第二模式之间切换，在所述第一模式中，所述燃气燃烧器和所述电加热元件启动并且两者都加热提供至所述加热室的空气，在所述第二模式中，所述燃气燃烧器不启动并且所述电加热元件启动。

Description

罐干燥和水分控制系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年8月16日提交的名称为“Can Drying and Moisture ControlSystem”的美国专利申请第63/233355号的优先权。
技术领域
所公开的概念总体上涉及罐制造，并且更特别地涉及用于罐干燥器或烘箱的加热系统和方法。
技术背景
金属的饮料和食品容器(例如，罐)是使用成形器和模具的系统机械成形的。为了防止损坏产品，在成形过程期间使用油来润滑表面。在成形过程之后，经由多个洗涤阶段将油和其它污染物从表面洗掉。金属表面需要被彻底清洁和干燥，然后被喷涂漆料并用油墨装饰，最后被填充以食品和饮料产品。
在典型的多级洗涤器之后对罐的干燥将被用作示例。典型的干燥系统的示意图在图1中示出。该过程是非常耗能的，并且该干燥器15在容器制造过程中工作负荷最大。
罐离开洗涤过程，并且被送至连续输送机5上，所述输送机5将罐运送通过干燥过程。进入干燥器15的罐具有需要被移除的残留水膜。
干燥过程被设计成使用高温热空气在罐离开干燥器之前使水膜蒸发至零。
热空气经由装配有喷嘴的充气室1、再循环离心风扇2以及管道被吹送至罐上。天然气12和助燃空气(combustion air)13被供给至直接燃烧式燃气燃烧器3中，所述燃烧器在燃烧室4中燃烧天然气12。所释放的能量将燃烧室4周围流动的空气加热至所需的运行温度。
热空气中的能量被用来提升将要进入的容器的温度，并且蒸发掉金属表面的水。当空气将其热能释放至加热和汽化过程时，空气冷却。被冷却的空气被抽吸通过输送机5并且被管道输送经过燃烧室4，在所述燃烧室中被重新加热至所需的温度。重新加热的空气然后被供给至再循环离心风扇2的吸入侧，从而完成再循环周期。
再循环的热空气吸收已经从金属容器的表面汽化和蒸发的水。被吸收至空气中的水蒸气与气体燃烧的产物混合。
一部分再循环的热空气经由风门(damper)6和排气离心风扇7被抽出，所述排气离心风扇将空气吹送至排气烟道中并且将其排放至建筑物外部的大气8中。
来自建筑物内部或外部的新鲜的冷空气14经由风门9被抽吸至再循环的空气流中，以平衡干燥器15内部的压力。重要的是产生平衡的压力，以防止不受控制的空气通过罐入口端口10和罐出口端口11渗透进入干燥器腔中，这导致不稳定性。更重要的是，对压力进行平衡防止了逸散的热空气以及包含的燃烧烟雾从干燥器腔逸出并进入技术人员将工作的操作区域中。
典型的干燥过程是能量密集的和浪费的。罐干燥系统还有改进的余地。
发明内容
根据所公开的概念的一个方面，一种用于与罐干燥器或烘箱一起使用的加热系统包括：燃气燃烧器；电加热元件；加热室，所述加热室被构造成使用由所述燃气燃烧器和/或所述电加热元件加热的空气来加热罐；循环系统，所述循环系统被构造成使空气从所述燃气燃烧器和电加热元件移动至所述加热室；以及控制系统，所述控制系统被构造成选择性地控制所述燃气燃烧器和电加热元件以在第一模式与第二模式之间切换，在所述第一模式中，所述燃气燃烧器和电加热元件启动并且两者都加热提供至所述加热室的空气，在所述第二模式中，所述燃气燃烧器不启动并且所述电加热元件启动。
根据所公开的概念的另一个方面，一种在罐干燥器或烘箱中加热罐的方法包括：提供燃气燃烧器、电加热元件、被构造成使用由所述燃气燃烧器和/或所述电加热元件加热的空气来加热罐的加热室、以及被构造成使空气从所述燃气燃烧器和所述电加热元件移动至所述加热室的循环系统；以及选择性地控制所述燃气燃烧器和所述电加热元件以在第一模式与第二模式之间切换，在所述第一模式中，所述燃气燃烧器和电加热元件启动并且两者都加热提供至所述加热室的空气，在所述第二模式中，所述燃气燃烧器不启动并且所述电加热元件启动。
附图说明
当结合附图阅读时，可以从下面对优选实施例的描述获得对本发明的全面理解，其中：
图1为典型的干燥系统的示意图；以及
图2为根据所公开的概念的示例实施例的干燥系统的示意图。
具体实施方式
应当理解的是，在本文中的附图中所示例说明的以及在以下说明书中所描述的具体元件仅仅是所公开的概念的示例性实施例，其仅仅出于示例说明的目的而被作为非限制性示例提供。因此，与本文中所公开的实施例相关的具体尺寸、取向、组件、所使用的部件的数量、实施例构造以及其它物理特征不应当被认为是对所公开的概念的范围的限制。
本文中所使用的方向短语，例如顺时针、逆时针、左、右、顶部、底部、向上、向下以及其派生词，涉及附图中所示的元件的取向，并且不限制权利要求，除非其中明确陈述。
如本文中所使用的，单数形式的“一”、“一个”以及“所述”包含复数引用，除非上下文另外明确指示。
任何产品的快速干燥的主要成本是所使用的能量的可持续来源和成本。
电力正迅速被认为是一种可持续能源，并且越来越多地使用波浪、风力、太阳能、水力和核能的主来源所生成。为了确保资源的最优化，所公开的概念的示例实施例创建一种混合加热系统，所述混合加热系统使用天然气和电作为能量来源来将空气加热至用来干燥金属饮料罐的温度。
在一些示例实施例中，采用在线水分和温度测量系统。所生成的电信号被用来控制干燥过程中的水分含量，并且可以测量和控制所需的能量的量。当能量的量得到很好的控制时，能量的主来源可以被优化以减少这种能量密集型操作的碳足迹。
在常规干燥器中，直接燃烧式燃气燃烧器的使用需要将一定量的新鲜空气输入至燃烧室中，以确保化学计量条件，从而确保最佳燃烧。在燃烧过程期间，会产生对人体有害的其它气体。为了确保人员的安全，经由烟道将有害气体排放至建筑结构外部的大气中，比如图1的干燥系统中所示。燃烧天然气所产生的有害气体对环境也是有害的，并且人们强烈认为这些气体在高层大气中的积累正在导致全球变暖。
图2为根据所公开的概念的示例实施例的干燥系统的示意图。干燥系统使用燃气燃烧器21和电加热元件22，它们可以一起工作以提供混合加热系统。燃气燃烧器21被供给助燃空气31和天然气32。电加热元件22被供给电力33。燃气燃烧器21和电加热元件22这两个单元都可以用来在所需的短的时间内将干燥系统的温度升高至所需的操作点。当干燥系统处于期望的运行温度时，燃气燃烧器21将被关闭，并且加热将仅通过电加热元件22来维持。如果需要，可以在短时间(short burst)内使用燃气燃烧器21来分摊电加热元件22无法适应的任何外部变化。控制系统38可以控制燃气燃烧器21和电加热元件22以在第一模式与第二模式之间切换，在所述第一模式中，燃气燃烧器21和电加热元件22启动并且两者都加热被提供至充气室24(也被称为加热室)的空气，在所述第二模式中，燃气燃烧器21不启动并且电加热元件22启动。
干燥系统被设计成在罐离开干燥器50之前使用高温热空气来使水膜蒸发至零。罐在入口端口40处进入干燥器50，并且经由输送机25被承载通过干燥器50到达出口端口41。热空气经由离心再循环风扇23被吹送至罐上，所述离心再循环风扇23经由一系列管道将热空气吹送至装配有喷嘴的充气室24中。促进空气从燃气燃烧器21和电加热元件22移动至充气室24的元件可以被称为循环系统(例如，离心再循环风扇23、管道等)。热空气提供能量以升高罐的温度并且将水蒸发成蒸汽，所述蒸汽被吸收至空气流中。当空气由于加热和汽化过程而损失能量时，空气被冷却。被冷却的空气被抽吸通过输送机25并且被管道输送经过电加热元件22和燃气燃烧器21，在所述电加热元件和燃气燃烧器处，根据所述电加热元件和燃气燃烧器中的各者的当前操作状态，被冷却的空气被电加热元件22和燃气燃烧器21中的一者或两者重新加热。空气然后被拉入离心风扇23的吸入侧，以完成干燥空气循环。
经过容器的再循环的热空气将吸收从正在被干燥的容器的表面蒸发的水。水蒸气被吸收至热空气中。由离心排气风扇26经由控制风门27从再循环空气系统抽吸一部分湿热空气。
从再循环的干燥空气流移除的空气将经由一组管道系统通过冷凝式热交换器28到达分流器风门(diverter damper)36。分流器风门36的位置将由计算机信号确定，所述计算机信号将识别燃气燃烧器21是否正在被使用。如果燃气燃烧器21正在被使用，则分流器风门36将燃气经管道输送至建筑物外部的排气烟道并到达大气35。如果控制系统38识别出燃气燃烧器21没有正在被使用，则分流器风门36将经由一组管道将湿热流经管道输送至预加热器充气室30(也被称为次级加热室)。
湿度传感器29可以装配至排气风扇26与冷凝式热交换器28之间的互连管道中，以测量从再循环空气系统移除的空气的温度和湿度。来自湿度传感器29的信号将由控制系统38进行分析，并且所生成的信号将被用来控制从再循环的干燥空气流所移除的热空气的量以及添加的新鲜的冷空气(其可以被称为补充空气)34的量，以保持干燥器腔中的压力平衡。补充空气流将由控制系统38与风门27、37控制。
将加热源结合至使用燃气和电两者的混合干燥器中意味着可以减小燃气燃烧器21的尺寸，但是干燥器的预热时间不会受到影响。干燥器系统的预热将使用两个加热源来提供热量，当干燥器达到运行温度时，燃气燃烧器21将关闭，留下更高效的电加热元件22来为干燥器供能。应当注意的是，使用较小的燃气燃烧器21意味着它在大火状态下将以最佳效率运作。大型燃气燃烧器通常被指定为覆盖所有可能发生的情况，然后当它们在预热期之后运行时，它们会调低成以设计容量的50％至60％运行，这不是高效的。
所公开的概念的优点在于，当燃气燃烧器21关闭时，所生成的燃烧产物消失。使用电加热元件22被认为是清洁加热，并且因此不需要保护操作者免受有害烟雾的影响。在冷/干燥的补充空气进入干燥循环之前，冷凝式空气-空气热交换器28使用从干燥循环移除的热/湿空气对冷/干燥的补充空气进行预热。从罐蒸发的水作为蒸汽被吸收至干燥循环空气中。随着被移除的空气的温度在热交换器28中冷却，蒸汽冷凝成水39。因为液态水被认为是纯净的，所以水可以在洗涤过程中被再次使用以减少总的水消耗，从而使得所述过程在使用有价值的原材料方面更有效。
通过安装湿度控制系统进一步改善干燥器的操作，所述湿度控制系统测量被加热的空气所吸收的水量，亦即相对湿度。干燥概念容许干燥器系统中的空气的湿度在容器停止被干燥之前增加至可能的最高水平。通过减少所移除的空气的量并且由此减少所添加的新鲜的空气的量，这优化了系统并且确保排放更高比例的热/湿空气，而不是干热空气。
湿度控制通过减少从干燥循环移除的空气的量而减少添加至干燥循环的新鲜的冷空气的量。这减少较冷的补充空气的量，并且因此与将更多的较冷的补充空气引入至循环相比需要更少的加热。当使用燃气直燃式加热时，从干燥循环移除的空气通常被排放至建筑物外部的大气中。为了确保干燥器内部的各种压力保持平衡，调节所移除的热空气的量和所添加的新鲜的冷空气的量，以防止罐被吹翻并且以确保逸散的有害排放物不会从罐进料开口和罐出料开口逸出。在空气被用来升高罐的温度以及使水从罐的表面蒸发之前，热量被添加至干燥循环以将新鲜的冷空气的温度升高至所需的运行温度。
所公开的概念通过使用离开冷凝式热交换器28的暖湿空气来经由预加热器充气室30预加热将要进入的湿罐从而包含对电热能的额外优化，因为空气流中的少量的残留水将不会影响干燥器的运行。当仅使用电加热时，任何逸出的逸散空气将被认为是低热量并且将不包含有害的燃烧产物。
额外的特征是，由热交换器28从再循环热空气系统移除的湿空气中的水分将冷凝成不包含有害化学物质的液态水39，所述液态水将被用来补充供应至洗涤过程的水。
在所公开的概念的一些示例实施例中，混合加热，亦即电加热和燃气燃烧器加热，可以用于任何合适类型的罐干燥器或烘箱系统，比如洗涤器干燥器、链条炉(pin oven)、内部烤炉或外部烤炉。例如，当洗涤器干燥器仅被用来移除水时，链条炉、内部烤炉以及外部烤炉可以移除溶剂、水、挥发性有机化合物、或它们的混合物，以在罐上留下涂料或油墨的各种固体元素。一旦固体沉积至罐上，它们在高温下固化并且融合在一起，这接着将固体元素密封至罐表面上以提供均匀的覆盖。应当理解的是，所公开的概念的混合加热系统可以与任何这些类型的干燥器或烘箱一起使用。还应当理解的是，在一些应用中，在不脱离所公开的概念的范围的情况下，可以省略或修改某些元件，比如热回收元件。
虽然已经详细描述了本发明的具体实施例，但是本领域技术人员将理解的是，根据本公开的总体教导，可以对这些细节进行各种修改和替换。因此，所公开的特定布置仅仅是示例说明性的，而不是对所公开的概念的范围的限制，所公开的概念的范围由所附权利要求以及其任何和所有等同物的全部范围给出。

Claims (19)

1.一种用于与罐干燥器或烘箱一起使用的加热系统，所述系统包括：
燃气燃烧器(21)；
电加热元件(22)；
加热室(24)，所述加热室(24)被构造成使用由所述燃气燃烧器(21)和/或所述电加热元件(22)加热的空气来加热罐；
循环系统，所述循环系统被构造成使空气从所述燃气燃烧器(21)和电加热元件(22)移动至所述加热室(24)；以及
控制系统(38)，所述控制系统(38)被构造成选择性地控制所述燃气燃烧器(21)和电加热元件(22)以在第一模式与第二模式之间切换，在所述第一模式中，所述燃气燃烧器(21)和电加热元件(22)启动并且两者都加热提供至所述加热室(24)的空气，在所述第二模式中，所述燃气燃烧器(21)不启动并且所述电加热元件(22)启动。
2.根据权利要求1所述的加热系统，还包括：
湿度传感器(29)，所述湿度传感器被构造成监测所述循环系统中的空气的湿度，
其中所述控制系统(38)被构造成当所监测的湿度达到预定水平时控制所述循环系统将新的外部空气引入所述循环系统。
3.根据权利要求2所述的加热系统，还包括：
热交换器(28)，所述热交换器被构造成使用来自所述加热室的空气来加热所述新的外部空气。
4.根据权利要求3所述的加热系统，还包括：
设置于所述加热室(24)与所述热交换器(28)之间的第一风门(27)；以及
设置于所述热交换器(28)与所述燃气燃烧器(21)或所述电加热元件(22)之间的第二风门(37)，
其中所述控制系统(38)被构造成经由所述第一风门(27)和第二风门(37)控制在所述循环系统中再循环的空气的量和添加至所述循环系统的所述新的外部空气的量。
5.根据权利要求3所述的加热系统，其中，所述湿度传感器(29)设置于所述加热室(24)与所述热交换器(28)之间。
6.根据权利要求3所述的加热系统，其中，所述热交换器(28)被构造成从接收自所述加热室(24)的空气中移除水分，并且将所移除的空气冷凝成水。
7.根据权利要求1所述的加热系统，还包括：
次级加热室(30)，所述次级加热室被构造成对进入所述加热室(24)的罐进行预加热。
8.根据权利要求7所述的加热系统，其中，所述控制系统(38)被构造成基于所述燃气燃烧器(21)是否启动而选择性地排出来自所述加热室(24)的空气的一部分或者将来自所述加热室(24)的空气的一部分引导至所述次级加热室(30)。
9.根据权利要求8所述的加热系统，还包括：
设置于所述加热室(24)与所述次级加热室(30)之间的分流风门(36)，
其中所述控制系统(38)被构造成基于所述燃气燃烧器(21)是否启动而控制所述分流风门(36)以选择性地排出来自所述加热室(24)的空气的一部分或者将来自所述加热室(24)的空气的一部分引导至所述次级加热室(30)。
10.根据权利要求1所述的加热系统，其中，所述控制系统(38)被构造成当所述循环系统中的空气低于预定温度时以所述第一模式控制所述燃气燃烧器(21)和电加热元件(22)，并且当所述循环系统中的空气高于所述预定温度时以所述第二模式控制所述燃气燃烧器(21)和电加热元件(22)。
11.根据权利要求1所述的加热系统，其中，所述燃气燃烧器(21)由天然气(32)供能。
12.根据权利要求1所述的加热系统，其中，所述电加热元件(22)由电力(33)供能。
13.根据权利要求1所述的加热系统，还包括：
输送机(25)，所述输送机被构造成使罐移动通过所述加热室。
14.一种在罐干燥器或烘箱中加热罐的方法，所述方法包括：
提供燃气燃烧器(21)、电加热元件(22)、被构造成使用由所述燃气燃烧器(21)和/或所述电加热元件(22)加热的空气来加热罐的加热室(24)、以及被构造成使空气从所述燃气燃烧器(21)和电加热元件(22)移动至所述加热室(24)的循环系统；以及
选择性地控制所述燃气燃烧器(21)和电加热元件(22)以在第一模式与第二模式之间切换，在所述第一模式中，所述燃气燃烧器(21)和电加热元件(22)启动并且两者都加热提供至所述加热室(24)的空气，在所述第二模式中，所述燃气燃烧器(21)不启动并且所述电加热元件(22)启动。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
提供湿度传感器(29)，所述湿度传感器被构造成监测所述循环系统中的空气湿度；以及
当所监测的湿度达到预定水平时，控制所述循环系统将新的外部空气引入所述循环系统。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：
提供热交换器(28)，所述热交换器被构造成使用来自所述加热室(24)的空气来加热所述新的外部空气；以及
控制添加至所述循环系统的所述新的外部空气的量。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
利用所述热交换器(28)从接收自所述加热室(24)的空气中移除水分；以及
利用所述热交换器(28)将所移除的空气冷凝成水。
18.根据权利要求14所述的方法，还包括：
提供次级加热室(30)，所述次级加热室被构造成对进入所述加热室(24)的罐进行预加热；以及
基于所述燃气燃烧器(21)是否启动而选择性地排出来自所述加热室(24)的空气的一部分或者将来自所述加热室(24)的空气的一部分引导至所述次级加热室(30)。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，选择性地控制所述燃气燃烧器(21)和电加热元件(22)以在其中所述燃气燃烧器(21)和电加热元件(22)启动并且两者都加热提供至所述加热室(24)的空气的第一模式与其中所述燃气燃烧器(21)不启动并且所述电加热元件(22)启动的第二模式之间切换包括在所述循环系统中的空气低于预定温度时以所述第一模式控制所述燃气燃烧器(21)和电加热元件(22)，以及在所述循环系统中的空气高于所述预定温度时以所述第二模式控制所述燃气燃烧器(21)和电加热元件(22)。
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