ES2669216T3 - Horno para tratamiento térmico de fibras - Google Patents

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ES2669216T3 ES12863184.3T ES12863184T ES2669216T3 ES 2669216 T3 ES2669216 T3 ES 2669216T3 ES 12863184 T ES12863184 T ES 12863184T ES 2669216 T3 ES2669216 T3 ES 2669216T3
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Abstract

Un horno (1) que comprende: un transportador configurado y dispuesto para mover un producto (11) a procesar a través de un horno (1); un sistema de suministro de aire primario (45) que tiene un ventilador primario (3) y un calentador primario (4) y configurado y dispuesto para proporcionar un flujo de aire primario calentado (47); un sistema de suministro de aire secundario (46) que tiene un ventilador secundario (12) y un calentador secundario (13) y configurado y dispuesto para proporcionar un flujo de aire secundario calentado (48); un cerramiento de procesamiento (21) configurado y dispuesto para recibir y contener dicho producto y dicho flujo de aire primario; un cerramiento aislado (2) configurado y dispuesto para recibir dicho flujo de aire secundario calentado; dicho cerramiento de procesamiento configurado y dispuesto para extenderse a través de dicho cerramiento aislado y dicho flujo de aire secundario calentado y para separar dicho flujo de aire primario de dicho flujo de aire secundario.

Description

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DESCRIPCION
Horno para tratamiento térmico de fibras Campo técnico
La presente invención se refiere en general al campo de hornos y secadoras, y más en particular a un horno mejorado para procesamiento de fardos o estopa de fibras.
Antecedentes
Los hornos de convección y secadoras que procesan series continuas de productos son de un amplio uso. En muchos hornos el producto se mueve horizontalmente en uno o más niveles, bien transportado en transportadores de movimiento paralelo o en el caso de fibras textiles o bandas, suspendido bajo tensión entre accionadores externos. Un flujo de aire caliente circulante se lleva en contacto con el producto para calentar o secar. Una clase técnicamente importante de hornos trata precursores de fibra de carbono orgánicos o poliméricos en el aire para proporcionar propiedades termoplásticas antes de la carbonización.
Los hornos para proporcionar un tratamiento térmico oxidante a los materiales precursores de fibra de carbono tales como poliacrilonitrilo (PAN) se conocen en la industria. La Patente de Estados Unidos n.° 6.776.611 describe un horno en el que el flujo de calor de calentamiento circula alrededor del PAN en el formato de estopa y contacta con la fibra en una dirección perpendicular a la dirección del recorrido de la estopa. La Patente de Estados Unidos n.° 4.515.561 divulga un horno en el que el flujo de aire de calentamiento circula alrededor del PAN en un formato de estopa y contacta con la fibra en una dirección paralela a la dirección del recorrido de estopa.
El documento US 3.110.169, que se ve como la técnica anterior más cercana, divulga un aparato de tratamiento textil. El aparato del documento US 3.110.169 tiene un sistema de tubo de serpentina a través del que un hilo o tejido a procesar se mueve a través de un armario de vapor. Una pluralidad de entradas se proporcionan para inyectar aire, vapor o metal fundido en el sistema de tubos de serpentina, por lo que el aire, vapor o metal fundido transporta el hilo o tejido a través del sistema de tubos de serpentina. Una entrada se proporciona para introducir vapor en el armario de vapor. El sistema de tubo de serpentina recibe y contiene el hilo o tejido, y también el aire, vapor o metal fundido que se inyecta en el sistema de tubo de serpentina. El sistema de tubo de serpentina se extiende a través del armario de vapor y a través del vapor en el armario de vapor. El sistema de tubo de serpentina separa el aire, vapor o metal fundido inyectado en el sistema de tubo de serpentina del vapor en el armario de vapor.
Breve sumario de la invención
Con referencia entre paréntesis a las partes, porciones o superficies correspondientes de la realización divulgada, únicamente con los fines de ilustración y no limitación, la presente invención proporciona un horno de acuerdo con la reivindicación 1.
El transportador puede configurarse para mover el producto a través del cerramiento de procesamiento en una primera dirección (49), con pasadas individuales que se mueven bien hacia adelante o hacia atrás, el cerramiento de procesamiento puede tener un eje de cerramiento longitudinal (50) sustancialmente paralelo a la primera dirección, el primer flujo de aire (47) en el cerramiento de procesamiento puede ser sustancialmente paralelo a la primera dirección y el flujo de aire secundario (48) en el cerramiento aislado proximal al cerramiento de procesamiento puede ser sustancialmente perpendicular a la primera dirección.
El sistema de suministro de aire primario puede comprender una cámara de entrada (10) configurada y dispuesta para recibir el flujo de aire primario y el producto transportado y la salida del flujo de aire primario y el producto transportado al cerramiento de procesamiento. El transportador puede configurarse y disponerse para mover el producto a través del cerramiento de procesamiento en una primera dirección y la cámara puede enviar el flujo de aire primario calentado y el producto transportado al cerramiento de procesamiento en la primera dirección. La cámara de entrada puede comprender una abertura de entrada de aire (38), una abertura de entrada de producto (39) diferente de la abertura de entrada de aire, una abertura de salida (43) al cerramiento de procesamiento en oposición a la abertura de entrada de producto, y un direccional de flujo de aire (37) configurado y dispuesto para dirigir el flujo de aire desde la abertura de entrada de aire a la abertura de salida. La abertura de entrada de aire puede orientarse sustancialmente perpendicular a la abertura de salida y el direccional de flujo de aire puede configurarse y disponerse para girar el flujo de aire desde una dirección sustancialmente perpendicular a la primera dirección a una dirección sustancialmente paralela a la primera dirección. La abertura de salida puede ser mayor en tamaño que la abertura de entrada de producto. La cámara puede comprender además un mecanismo de ajuste de tamaño de la abertura de entrada de producto, y el mecanismo de ajuste de tamaño de abertura puede comprender una primera placa (29) y una segunda placa (30), la primera y segunda placas siendo ajustables en relación entre sí para proporcionar un hueco variable (39) entre medias. Un mecanismo de bloqueo puede configurarse y disponerse para bloquear de manera ajustable las placas en una posición relativa a la cámara para variar el tamaño de la abertura de producto, y el mecanismo de bloqueo puede comprender tornillos de bloqueo (31).
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El horno puede comprender además una cámara de salida (18) configurada y dispuesta para recibir el producto y el flujo de aire primario desde el cerramiento y para dejar salir el flujo de aire primario y descargar el producto. La cámara de salida puede comprender una abertura de entrada (44) del cerramiento de procesamiento, una abertura de descarga de producto (41) opuesta a la abertura de entrada y una abertura de escape de aire (42) diferente de la abertura de descarga de producto. La abertura de escape de aire puede orientarse sustancialmente perpendicular a la abertura de entrada. La cámara de salida puede comprender además un mecanismo de ajuste de tamaño de abertura de entrada de producto, y el mecanismo de ajuste de tamaño de apertura puede comprender una primera placa y una segunda placa, la primera y segunda placas siendo ajustables en relación entre sí para proporcionar un hueco variable (41) entre medias. Un mecanismo de bloqueo puede configurarse y disponerse para bloquear de manera ajustable las placas en una posición relativa a la cámara para variar el tamaño de la abertura de descarga de producto, y el mecanismo de bloqueo puede comprender tornillos de bloqueo.
El sistema de suministro de aire primario comprende un ventilador (3) y un calentador (4) y puede comprender uno o más dispositivos seleccionados de un grupo que consiste en un termómetro (6), un colector (7), una válvula (8), un caudalímetro (9) y una tubería (5). El sistema de suministro de aire primario puede comprender un único ventilador regenerativo, un calentador único en línea, un termómetro, un único colector configurado y dispuesto para dividir el flujo de aire en una pluralidad de trayectorias corriente abajo, cada una de las trayectorias comprendiendo una válvula y un caudalímetro, en el que el flujo de aire primario se genera y circula a través del calentador, el colector y la válvula no más de una vez antes de entrar en contacto con el producto. El sistema de suministro de aire primario puede comprender un único ventilador regenerativo, un colector configurado y dispuesto para dividir el flujo de aire en una pluralidad de trayectorias corriente abajo, cada una de las trayectorias comprendiendo una válvula, un caudalímetro, un calentador en línea y un termómetro, antes de llevarse en contacto con el producto. El sistema de suministro de aire primario puede no recircular, en totalidad o en parte, el flujo de aire primario que sale del cerramiento de procesamiento.
El sistema de suministro de aire secundario (46) comprende un ventilador (12) y un calentador (13) y puede comprender un termómetro (35), una entrada de recirculación (26) para recibir aire usado desde el cerramiento aislado, una salida de escape de aire (16) que tiene una válvula de control de flujo (17) para dejar salir aire del cerramiento aislado, y una entrada de aire de compensación (14) que tiene una válvula de control de flujo (15) para recibir aire de compensación, en el que el flujo de aire secundario puede comprender una mezcla del aire usado y el aire de compensación. El flujo de aire de compensación y el flujo de aire de escape pueden controlarse por las válvulas (15, 17) para variar la cantidad del aire de compensación y el aire usado en el flujo de aire secundario. El sistema de suministro de aire secundario (46) puede comprender un ventilador de clavija (12) con un eje perpendicular al eje de cerramiento de procesamiento (50), ubicado en una pared de cerramiento de aislamiento aproximadamente a medio camino a lo largo de una dimensión de recorrido de producto del horno, teniendo el ventilador un cono de entrada corriente arriba (26) para recibir aire y un pleno de descarga (32) que dirige el flujo hacia abajo, un calentador (13) colocado corriente abajo y cerca del puerto de descarga del ventilador, un termómetro (35) colocado corriente abajo y cerca del calentador, un conjunto de veletas de dirección (28) colocadas cerca del calentador y cerca de un suelo del cerramiento aislado que giran el flujo 90 grados para fluir adyacente al suelo del cerramiento aislado, un segundo conjunto de veletas (23) para dividir el flujo aproximadamente a la mitad y girar una primera media porción del flujo 90 grados a alinearse con la primera dirección y girar la segunda media porción del flujo 90 grados en oposición a la primera dirección, un tercer conjunto de veletas (24a) que giran la primera porción del flujo 90 grados para fluir hacia arriba en una dirección perpendicular al eje del cerramiento, un cuarto conjunto de veletas (24b) que giran la segunda porción del flujo 90 grados para fluir hacia arriba en una dirección perpendicular al eje del cerramiento, un dispositivo de acondicionamiento de flujo (22) que abarca una longitud del horno y es más amplio que una dimensión más amplia del cerramiento de procesamiento y a través de la que el flujo de aire hacia arriba pasa antes de contactar con el cerramiento de procesamiento, una placa perforada superior (27) sobre el cerramiento de procesamiento, y un pleno de recogida de aire (36) que separa el aire que fluye a través de la placa perforada superior y dentro del cono de entrada del ventilador del aire que se descarga desde el ventilador y fluye a través del calentador, veletas de giro, acondicionador de flujo y sobre el cerramiento de procesamiento. El dispositivo de acondicionamiento de flujo puede comprender dos placas perforadas con estructuras celulares ubicadas entre medias, y la estructura celular puede ser una estructura de panal.
El sistema de suministro de aire primario (45) y el sistema de suministro de aire secundario (46) pueden configurarse y disponerse para suministrar el flujo de aire primario al interior del cerramiento de procesamiento y para suministrar el flujo de aire secundario al exterior del cerramiento de procesamiento a un intervalo de temperatura que es aproximadamente igual.
El cerramiento de procesamiento puede tener una longitud y una dimensión característica de sección transversal y la longitud puede ser al menos aproximadamente cincuenta veces la dimensión característica de sección transversal. El cerramiento de procesamiento puede tener una forma de sección transversal que es circular, cuadrada, rectangular, oval o elíptica.
El horno puede comprender múltiples cerramientos de procesamiento configurados y dispuestos para recibir y contener el producto y el flujo de aire primario y extenderse a través del cerramiento aislado. El horno puede
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comprender además múltiples cámaras de entrada y cámaras de salida que se comunican con los respectivos cerramientos de procesamiento múltiples.
Breve descripción de los dibujos
La FIGURA 1 es una vista en perspectiva de un horno de acuerdo con una realización de la presente invención. La FIGURA 2 es una vista en detalle ampliado de la realización mostrada en la FIGURA 1, tomada junto con el área indicada A de la FIGURA 1, con el metal laminado superior de la cámara terminal retirado para más claridad.
La FIGURA 3 es una vista en perspectiva trasera de la realización mostrada en la FIGURA 1, con una pared del cerramiento de aislamiento retirada por claridad.
La FIGURA 4 es una vista en sección transversal vertical de la realización mostrada en la FIGURA 1, tomada generalmente en la línea B-B de la FIGURA 1.
La FIGURA 5 es una vista en sección transversal de una segunda realización del horno mostrado en la FIGURA 4.
Descripción de las realizaciones preferentes
En el inicio, debería entenderse claramente que los números de referencia similares pretenden identificar los mismos elementos, porciones o superficies estructurales consistentemente a través de las varias figuras de los dibujos, ya que tales elementos, porciones o superficies pueden describirse adicionalmente o explicarse por la completa memoria descriptiva escrita, de la que esta descripción detallada es una parte integrante. A menos que se indique lo contrario, los dibujos deben leerse (por ejemplo sombreado transversal, disposición de partes, proporción, grado, etc.) junto con la memoria descriptiva, y deben considerarse una porción de toda la descripción escrita de esta invención. Como se usa en la siguiente descripción, los términos “horizontal”, “vertical”, “izquierda”, “derecha”, “arriba” y “abajo” así como los derivados adjetivales y adverbiales de los mismos (por ejemplo “horizontalmente”, “hacia la derecha” “hacia arriba”, etc.) simplemente se referirán a la orientación de la estructura ilustrada cuando la figura de dibujo particular se orienta hacia el lector. De manera similar, los términos “hacia dentro” y “hacia fuera” generalmente se refieren a la orientación de una superficie con relación a su eje de alargamiento, o eje de rotación, como sea apropiado.
En referencia a los dibujos, y más en particular a la FIGURA 1 de los mismos, está invención proporciona un horno mejorado para el tratamiento térmico de fibras, del que una primera realización se indica generalmente en 1. Aunque esta invención tiene muchas aplicaciones para proporcionar un tratamiento térmico de fibras de alta calidad y eficaz, se describe en esta realización con vistas a su aplicación en un horno de estabilización oxidativo para precursor de fibra de carbono.
Como se muestra en la FIGURA 1, el horno 1 incluye un cerramiento de aislamiento rectangular 2, que es de construcción convencional usando aislamiento estructural y de acero laminado y mineral o de vidrio. Las capas de producto 11 se disponen y se mueven en planos horizontales paralelos a través del horno 1. En el caso de precursores de fibra de carbono en formato de estopa, unas capas de producto 11 son estopas dispuestas lado a lado en una capa horizontal y unos rodillos u otros dispositivos de devolución se usan para crear una trayectoria de serpentina continua a través de todo el horno.
El aire de contacto de producto, o aire de proceso, se presuriza en el ventilador 3 y pasa a través del calentador en línea 4. El ventilador 3 puede ser cualquier ventilador convencional capaz de tener la caída de presión y flujo requeridos, y es preferentemente del tipo regenerativo. Es preferible que el ventilador 3 extraiga aire desde una fuente filtrada o que el aire fresco se extraiga desde el exterior del entorno de la fábrica. El calentador en línea 4 puede ser eléctrico o accionado con un combustible fósil, y debería ser capaz de elevar el aire a la temperatura de proceso deseada en una única pasada de aire. Los intervalos de temperatura del aire de proceso están preferentemente entre aproximadamente 100 y 600 grados C, más preferentemente entre 200 y 400 grados C. La temperatura del calentador de salida de aire 4 se controla mediante un termómetro 6 que usa un bucle de realimentación electrónica convencional para medir la temperatura y un tiristor o válvula de control de flujo de gas para modular la potencia del calentador 4.
El aire calentado entra en el colector 7 y se divide en una pluralidad de trayectorias antes de entrar en el horno 1. Cada una de tales trayectorias de gas a través de la canalización de entrada 5 incluye una válvula 8 y un caudalímetro 9, que mide y controla el caudal del aire calentado. Las válvulas 8 pueden ser cualquier válvula de control convencional diseñada para el intervalo de temperatura deseado. Aunque no se muestra en la figura, el calentador 4, la canalización corriente abajo y el colector 7 se aíslan térmicamente, preferentemente con fibra de vidrio o lana mineral de aproximadamente 50 mm o más de espesor. Unas configuraciones alternativas para el tren de entrada de aire de proceso pueden usarse. Por ejemplo, un calentador separado podría instalarse en cada trayectoria de entrada de gas 5 corriente abajo de la válvula de control de flujo 8.
En referencia ahora a la FIGURA 2, en esta realización la pluralidad de entradas de gas de proceso se dirigen por medio de la canalización 5 a través de la abertura 38 en la pared lateral de la cámara terminal 10, donde el gas se
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dirige entonces por el deflector 37 a los cerramientos tubulares 21, que se conectan a través de la abertura 43 a la pared trasera de la cámara 10 y pasan por orificios en el cerramiento de aislamiento 2 y dentro del horno 1. El deflector 37 gira el flujo 90 grados desde una dirección lateral a una dirección normal a la dirección de recorrido del producto 11. Se evita que el aire fluya fuera de la entrada de producto 39 de la cámara 10 teniendo la entrada de producto 39 de un área reducida. La abertura de producto 39 se define por una placa de ranura de producto superior 29 y una placa de ranura de producto inferior 30. El tamaño de la ranura de producto o abertura 39 puede ajustarse deslizando las placas de ranura 29 y 30 verticalmente, con las placas 29 y 30 bloqueadas en su lugar o permitiendo el recorrido mediante tornillos de bloqueo 31. En los hornos de oxidación PAN, el espesor de la capa de producto 11 varía pero generalmente tiene aproximadamente 3 mm o menos. El hueco 39 entre las placas 29 y 30 durante el funcionamiento es preferentemente de aproximadamente 2 y 20 mm, y más preferentemente entre aproximadamente 6 y 10 mm. El hueco ajustado máximo entre las placas 29 y 30, para limpieza u otro mantenimiento, es como mínimo aproximadamente igual a la dimensión de altura de los cerramientos de producto 21. Otros medios para fijar la posición de las placas 29 y 30 pueden usarse. Por ejemplo, unos pernos cargados por resorte pueden emplearse.
Los cerramientos de aire de proceso 21 tienen una sección transversal relativamente pequeña comparada con las dimensiones del horno, y son preferentemente tubos con un diámetro entre aproximadamente 0,01 y 0,40 metros, más preferentemente entre 0,02 y 0,10 metros. La velocidad del flujo de aire de producto dentro de los cerramientos 21 está preferentemente entre aproximadamente 0,1 y 10 m/s, y más preferentemente entre aproximadamente 1 y 6 m/s. La relación de la dimensión característica en sección transversal (diámetro en el caso de un tubo cilíndrico) con la longitud de los cerramientos 21 es preferentemente mayor de 10 y más preferentemente mayor de 50. La alta relación de la dimensión característica en sección transversal con la longitud asegura que el flujo de aire ocurre a lo largo de la dirección de recorrido de las capas de producto 11. Aunque los cerramientos 21 en la realización mostrada son tubos redondos, otras formas de tubos de sección transversal, tales como cuadrada, rectangular, elíptica u oval, podrían usarse como alternativa. Debería entenderse por parte de los expertos en la materia que, dependiendo del momento en sección transversal de inercia y longitud de los cerramientos 21, estos pueden requerir un soporte mecánico a lo largo de la longitud del horno para evitar la inclinación o deslizamiento descendente. Estos soportes pueden colocarse bajo cerramientos 21 a intervalos regulares a lo largo de la longitud del horno y soldarse o empernarse a la superficie interior del cerramiento de aislamiento 2.
En referencia ahora a la FIGURA 3, la pluralidad de cerramientos de proceso 21 y capas de producto 11 atraviesan el horno y pasan por el cerramiento de aislamiento 2 y dentro de la cámara terminal de salida 18 a través de la abertura 44 en la cámara 18. El producto 11 sale de la cámara terminal 18 de la abertura de la ranura 41 entre un conjunto de placas de ranura ajustables similares a las placas 29 y 30 descritas con la cámara terminal de entrada 10. El aire de proceso fluye dentro de los cerramientos 21 como se muestra por las flechas 47 y sale en la dirección transversal a través de la abertura 42 en la cámara 18 y una pluralidad de canalizaciones de escape 40 que incluye la válvula 19. El aire expulsado se recoge entonces en el colector de escape 20, que se conecta a un sistema de descarga de aire apropiado.
En referencia de nuevo a la FIGURA 1, el aire de proceso viaja una vez a través del sistema de horno. Entonces entra en el ventilador 3, y se calienta y ajusta a un flujo de control con el calentador 4, la válvula 8 y el caudalímetro 9. La cámara terminal de entrada 10 dirige tanto el producto 11 como casi todo el aire de proceso en los cerramientos de proceso 21, donde el aire transfiere calor y masa con capas de producto 11. El aire y el producto 11 salen del horno a través de la cámara terminal de salida 18, donde el aire de proceso de escape se dirige a través de las válvulas de control 19 y dentro del colector de escape 20. La presión dentro de los cerramientos de proceso 21 es preferentemente muy cercana a la presión ambiental, y más preferentemente dentro de aproximadamente 0,1 kPa (1 mbar) e incluso más preferentemente dentro de aproximadamente 0,01 kPa (0,1 mbares). Las válvulas 8 y 19 y la altura de las aberturas de ranura 39 y 41 en las cámaras terminales 10 y 18, respectivamente, son los medios para ajustar esta presión. La presión casi ambiental asegura que muy poco aire exista en realidad o entre en los cerramientos de proceso 21 a través de las ranuras de producto, lo que significa que casi todo el aire de proceso, normalmente aproximadamente el 98 % o más, contacta con las capas de producto 11. El grado de control puede incrementarse además si el colector de escape 20 se conecta a un sistema de manipulación de escape con presión igualada o negativa. En este caso, el horno puede operarse de manera que los cerramientos 21 tengan una presión ligera negativa, eliminando prácticamente el escape de gas de proceso en las ranuras de producto.
El sistema de aire de proceso descrito tiene el beneficio de que el gas que contacta con el producto entra en los cerramientos de producto 21 libre de contaminantes y recoge contaminantes de proceso solo durante una pasada de aire única. Por ejemplo, un horno como el que se muestra en la FIGURA 1, con un tratamiento de calor de 24000 filamentos de 1,0 dTex PAN que se mueve a 0,25 m/min, generará aproximadamente 1,1 gr/h de gas de hidrógeno- cianuro (HCN). Con seis cerramientos de horno 21, cada uno con un diámetro de 50 mm, y una velocidad de aire de 4,0 m/s y temperatura de 250 grados C, la concentración máxima calculada de HCN en la corriente de aire es aproximadamente 8 ppm. Esto se compara favorablemente con concentraciones de HCN vistas dentro de hornos industriales típicos que están entre aproximadamente 40 y 80 ppm.
En referencia de nuevo a la FIGURA 1, un flujo de aire secundario se proporciona también en los cerramientos 21. El flujo de aire secundario se presuriza por el ventilador 12 y se calienta por el calentador 13. El ventilador 12 puede
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ser cualquier ventilador convencional capaz de tener el flujo, temperatura y caída de presión requeridas, y es preferentemente de una configuración de tipo de clavija. El calentador 13 puede ser eléctrico o alimentado por combustible fósil, y debería ser capaz de calentar una corriente circulante de aire a la temperatura de proceso deseada. La temperatura del aire secundario se controla mediante un termómetro 35 que usa un bucle de realimentación electrónica convencional para medir la temperatura y un tiristor o válvula de control de flujo de gas para modular la potencia del calentador 13. El fin del bucle de aire secundario es evitar la pérdida de calor o ganancia en el aire de proceso o capas de producto a medida que atraviesan el horno, por lo que la temperatura del aire secundario se ajusta y controla a una temperatura sustancialmente igual que el ajuste de la temperatura del aire de proceso.
En referencia a las FIGURAS 2, 3 y 4, el aire secundario fluye verticalmente hacia abajo desde la rueda de ventilador 32 a través del calentador 13. Gira 90 grados para fluir horizontalmente y transversalmente hacia la parte trasera del horno 1 mediante un conjunto de veletas de giro 28. El flujo de aire secundario se divide entonces a la mitad y se redirige horizontalmente y longitudinalmente, bien hacia el extremo de entrada o salida del horno 1 mediante veletas de giro 23. El flujo de aire secundario se dirige entonces hacia arriba verticalmente mediante las veletas de giro 24a y 24b y entra en el acondicionador de flujo 25. El acondicionador de flujo 25 se diseña para enderezar el flujo y hacer que la velocidad del aire sea uniforme, y es preferentemente un dispositivo que contiene una placa de acero perforada y unas estructuras de panal celular como se describe en la Solicitud de Patente de Estados Unidos con n.° 13/180.215, titulada “Airflow Distribution System”. El acondicionador de flujo 25 incluye una segunda placa perforada 22 en la parte superior, a través de la que el aire fluye a una velocidad uniforme y una dirección vertical uniforme. El flujo de aire justo por encima de la placa 22 tiene características de velocidad de manera que la relación de la desviación típica con la media es menos de aproximadamente el 10 % y más preferentemente menos de aproximadamente el 3 %. La dirección de flujo justo por encima de la placa 22 está preferentemente dentro de aproximadamente 10 grados de la vertical y más preferentemente dentro de aproximadamente 3 grados de la vertical. La velocidad media del flujo vertical está preferentemente entre aproximadamente 1 y 10 m/s, y más preferentemente entre aproximadamente 3 y 6 m/s.
En referencia de nuevo a las FIGURAS 2, 3 y 4, el aire secundario fluye hacia arriba sobre y alrededor de los cerramientos de aire de proceso 21 y después continúa hacia arriba a través de la placa perforada 27. El aire entra entonces en el volumen de pleno de recogida 36. El pleno 36 se separa de la corriente de aire que fluye hacia arriba sobre los tubos de proceso 21 mediante la pared vertical 33 y se separa del flujo que viaja a lo largo del suelo del horno mediante la pared horizontal 34. La trayectoria del flujo de aire secundario recirculante se muestra con las flechas 48 en las FIGURAS 3, 4 y 5. La mayoría de la corriente de aire secundaria recircula a través del ventilador
12 entrando en el cono de entrada de ventilador 26. Una porción del aire secundario se escapa en la abertura de escape de aire de horno secundaria 16 y este flujo se regula mediante la válvula de escape de aire secundaria 17. Un flujo de aire de compensación para la corriente de aire secundaria entra en el horno en la entrada de aire secundaria 14 y se regula mediante la válvula de aire de compensación 15. Ya que la corriente de aire secundaria no contacta con el producto, permanece esencialmente limpia y por tanto en condiciones estacionarias, se necesita muy poco aire de compensación o escape. Cuando se desea descender la temperatura del horno, sin embargo, el flujo de aire de compensación es útil para introducir aire ambiental frío en el horno.
La corriente de aire secundaria mantiene la temperatura del aire de proceso uniforme a medida que fluye a lo largo de la longitud interior de los cerramientos de aire de proceso 21. Por ejemplo, si no existe un flujo de aire secundario, la temperatura del aire de proceso, dependiendo de la velocidad, caería entre aproximadamente 20 a 50 grados C entre la entrada y la salida del horno, con las caídas de temperatura más grandes correspondientes a las velocidades de aire más pequeñas. Con un flujo de aire secundario de aproximadamente 3 m/s o mayor, el cambio de temperatura de aire de proceso sobre la longitud del horno es menor de aproximadamente 2 grados C.
El tiempo de respuesta a un cambio en la temperatura de operación deseada del horno, o consigna, se determina en la práctica mediante el tiempo de respuesta de la corriente de aire secundaria. Esto es porque el aire de proceso consiste en un flujo de aire de un paso a través que contacta solo con capas de producto 11 y los cerramientos de aire 21 relativamente pequeños, y por esto tiene una inercia térmica mucho menor que el sistema de aire secundario. El aire secundario contacta con el interior del cerramiento de aislamiento 2 relativamente grande así como la rueda de ventilador de clavija 32 y todos los otros componentes metálicos dentro del horno. Por ejemplo, un horno similar a la realización mostrada en las FIGURAS 1-4 con un cerramiento de aislamiento de dimensiones de 5,0 m de largo x 2,5 m de alto x 1,0 m de ancho tiene una inercia térmica de aproximadamente 800 000 Julios por grado C. Si el horno se opera a una temperatura de aproximadamente 300 grados C, existirán pérdidas de calor a través del cerramiento y los extremos de aproximadamente 10 kW. En este ejemplo, el elemento de calentamiento
13 con 30 kW de capacidad de potencia tendrá 20 kW de potencia disponible para elevar la temperatura del horno, lo que tendrá como resultado un tiempo de aproximadamente 10 minutos para elevar la temperatura del horno aproximadamente 15 grados C. En este ejemplo se asume que las válvulas 15 y 17 están cerradas para evitar que el aire de compensación extraiga potencia. Otro ejemplo, que usa los mismos parámetros de horno antes descritos, sería un descenso de la consigna del horno aproximadamente 15 grados C. En este caso, las válvulas 15 y 17 se abren y el calentador 13 se cierra. En este ejemplo, un flujo de aire de compensación de aproximadamente 170 NmA3/h (100 scfm) tiene como resultado aproximadamente 15 grados C de caída que ocurre en aproximadamente 7 minutos.
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Un cálculo de la elevación de temperatura máxima en el cerramiento de producto 21 durante una ejecución exotérmica de precursor PAN ilustrará que la presente invención no necesita sistemas de templado de agua. Las condiciones asumidas son estopas de filamento de 4 x 12 000 de 1,0 dTex a 1 m/min (índice de masa de 0,288 kg/h) en un cerramiento 21 redondo de diámetro de 51 mm único, y una velocidad de aire de 1,0 m/s a 250 grados C (índice de masa de 6,2 kg/h). Asumiendo que el calor PAN de reacción es igual a 2425 Julios por gramo, y que toda la energía de reacción se absorbe por el aire de flujo, la elevación de la temperatura del aire calculada es aproximadamente 110 grados C. Así, incluso con el flujo de aire cerca de la parte inferior del intervalo típico, el cerramiento 21 no debería experimentar una temperatura superior a aproximadamente 360 grados C.
Aunque en principio los cerramientos 21 pueden realizarse de muchos materiales diferentes, los materiales preferidos son aceros inoxidables austeníticos tal como 304 que mantienen la resistencia mecánica hasta por encima de aproximadamente 500 grados C y pueden por tanto soportar fácilmente este grado de ejecución exotérmica. El flujo de aire de paso a través único de la presente invención promueve la retirada de las cenizas u otros residuos que permanecen después de una ejecución exotérmica ya que el propio flujo de aire tiende a transportar los materiales más ligeros y se sustituye constantemente por aire fresco. Ya que el vapor de aire de proceso puede enfriarse rápidamente, por ejemplo aproximadamente 100 grados C en menos de 5 minutos, las cámaras terminales 10 y 18 pueden abrirse dentro de un periodo corto después del evento exotérmico para facilitar la inserción de varillas de empuje o similares para retirar cualquier residuo restante.
La FIGURA 5 muestra una sección transversal de otra realización de la presente invención. En esta realización, los tubos de cerramiento 21 de aire de proceso que contienen capas de producto 11 se disponen en múltiples filas verticales y columnas donde la separación horizontal se marca por la X y la separación vertical se marca por la Y. Es preferente que la relación de la separación vertical y horizontal, Y/X, de los cerramientos 21 siga los principios usados para los lotes de tubo convencionales en los intercambiadores de calor. En el procesamiento de fibra PAN, la separación vertical Y se establece desde consideraciones de transporte de estopa fuera del horno, con una separación de capa de producto típica preferentemente entre aproximadamente 0,1 y 0,4 metros, y más preferentemente entre aproximadamente 0,15 y 0,20 metros.
Las mejoras descritas proporcionan un número de beneficios. El horno proporciona una velocidad de aire uniforme y un ángulo de contacto consistente entre el aire y el producto de fibra a través de la longitud calentada sobre un amplio intervalo de velocidades de aire. Además, la temperatura del aire es uniforme para toda la longitud de calentamiento, independiente de la velocidad. Además, una temperatura uniforme estacionaria puede lograrse rápidamente, un beneficio ya que el retraso en el establecimiento de la temperatura gasta tanto tiempo como material de proceso. Además, el aire de contacto de proceso se introduce libre de humedad, fibras, partículas, y químicos de gas retirado del proceso que pueden degradar la calidad del producto. Además, la capacidad de controlar la presión del proceso evita el escape de gases retirados del proceso. En particular, los precursores de fibra de carbono basados en PAN se conoce que proporcionan un cianuro de hidrógeno tóxico (HCN) lo que supone un peligro de inhalación si se puede concentrar fuera del horno.
Además, para los precursores de fibra de carbono, el horno hace posible manejar alteraciones de proceso de manera eficaz. Un tipo de alteración de proceso ocurre cuando las estopas de precursor se rompen dentro del horno. Los extremos de estopa rotos pueden mezclarse con otras estopas, y otras pasadas de estopa en diferentes elevaciones, ya sea justo después de la rotura o después cuando la estopa rota se saca del horno, hasta que todo el proceso debe detenerse y el horno enfriarse a una temperatura ambiental para permitir el acceso interno. Con el diseño del horno 1 una rotura de estopa se contiene dentro de un cerramiento 21 de área de sección transversal mínima. La estopa no puede caer muy lejos de su trayectoria normal debido al cerramiento, y por tanto es poco probable que se enganche en partes del horno u otras estopas. El horno 1 también facilita la retirada de la estopa rota fuera del horno ya que la trayectoria de retirada es esencialmente una línea recta y el punto de retirada de estopa es desde los extremos fuera del horno y por ello no se necesita entrar en el horno o enfriar el horno a temperatura ambiental.
Otro tipo de alteración de proceso ocurre cuando el precursor de fibra de carbono experimenta una reacción de ejecución exotérmica que acaba resultando en fuego. El horno evita que los incendios se extiendan a través de todo el volumen del horno. En el caso de una ejecución de proceso exotérmico, el calor generado se limita de esta manera. El vapor de aire de proceso de único paso a través transporta productos de combustión y calor generado fuera del horno y así no es necesario emplear sistemas de agua de inundación. Después de un caso exotérmico o incendio, no existe la necesidad de detener el flujo de aire secundario, ni la necesidad de enfriar el horno a temperatura ambiente, ni la necesidad de entrar en el horno. Además, el horno evita que los incendios se extiendan sin recurrir a los sistemas de agua de inundación que son caros de instalar y mantener, y que cuando se activan, requieren una limpieza extensiva dentro de un horno a temperatura ambiente antes de que el proceso pueda reiniciarse. Esto significa que una alteración del proceso general debido a una ejecución exotérmica o incendio puede ser cuestión de minutos, en comparación con horas con los hornos de precursor de fibra de carbono convencionales.
El diseño del horno 1 proporciona una velocidad de aire uniforme y un ángulo de contacto consistente, uniformidad de temperatura, tiempo de respuesta de temperatura corto, gas de proceso limpio, reduce o elimina la necesidad de
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tratamientos de proceso posteriores del gas retirado, y hace posible un manejo eficaz de las alteraciones de proceso. La fibra pasa a través del horno dentro del cerramiento 21 que es esencialmente el área de sección transversal posible mínima considerando la catenaria de fibra y las vibraciones naturales. Esta pequeña sección transversal significa que la relación de la longitud del cerramiento de proceso respecto a su dimensión característica en sección transversal es muy grande, creando condiciones de límite que aseguran que el flujo de aire es casi exactamente paralelo a la fibra. El área en sección transversal pequeña tiene la ventaja adicional de que, para una velocidad de aire determinada, la cantidad requerida de aire de proceso se mantiene en un mínimo, necesitando por tanto una energía mínima para la presurización y calentamiento.
El aire que pasa a través de este cerramiento de producto se filtra, presuriza, calienta a la temperatura de proceso deseada, y el flujo modulado corriente arriba, fluye paralelo a la fibra a través del cerramiento, y sale al sistema de escape. El aire solo toca cada elemento del sistema una vez. Esto significa que el aire de proceso no acumula humedad, fibras, partículas u otros químicos del gas retirado del proceso que pueden degradar la calidad del producto. Ya que no existe concentración de volátiles del proceso, el aire de proceso que ha escapado del precursor de fibra de carbono PAN no necesita necesariamente una incineración cara u otro medio de postratamiento para destruir el HCN.
El proceso de calentamiento de paso único a través es muy rápido térmicamente y de esta manera la temperatura del aire de proceso puede cambiar rápidamente, por ejemplo 100 grados C en menos de 5 minutos. Esto reduce sustancialmente el tiempo perdido y facilita la seguridad del operario durante la retirada de estopa. La retirada de estopa puede realizarse sin cambiar el flujo a temperatura de aire secundario, por lo que una vez que la estopa rota se retira, el flujo de aire de proceso y la temperatura puedan restablecerse rápidamente. Esto significa que la alteración de proceso general debido a una rotura de estopa puede ser cuestión de minutos, en comparación con horas con los hornos de precursor de fibra de carbono convencionales. Un beneficio del flujo de aire secundario fuera de los cerramientos de proceso, y de esta manera no en contacto con la fibra, es que mantiene un alto grado de uniformidad de temperatura dentro del horno 1. Este flujo de aire recirculado se presuriza y se calienta a la temperatura de proceso deseada con un ventilador dedicado y un calentador ubicado integral con la funda del horno. Este aire fluye sobre y alrededor de los cerramientos de aire de proceso, manteniendo la superficie exterior a la temperatura de proceso deseada, y evitando así las pérdidas de calor del aire de proceso que fluye en paralelo a la fibra. Este efecto proporciona una uniformidad de temperatura del aire de contacto del proceso incluso a velocidades de aire de proceso muy bajas, lo que es inherentemente difícil ya que en ese caso una pequeña pérdida térmica o ganancia tenderá a producir unas grandes diferencias de temperatura. El flujo de aire secundario está provisto de un suministro modulado de aire fresco frío. La temperatura del aire secundario puede elevarse con una potencia de calentamiento incrementada o descender por el incremento de la entrada de aire fresco frío. Esto significa que la temperatura del aire secundario puede llevarse a un equilibrio rápidamente si el cambio de temperatura es un incremento o disminución.
Aunque la forma actualmente preferida del horno para el tratamiento térmico de fibras se ha mostrado y descrito, y varias modificaciones y alternativas han sido analizadas, el experto en la materia apreciará fácilmente que algunos cambios y modificaciones adicionales pueden realizarse sin apartarse del alcance de la invención, como se define y diferencia por las siguientes reivindicaciones.

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    REIVINDICACIONES
    1. Un horno (1) que comprende:
    un transportador configurado y dispuesto para mover un producto (11) a procesar a través de un horno (1); un sistema de suministro de aire primario (45) que tiene un ventilador primario (3) y un calentador primario (4) y configurado y dispuesto para proporcionar un flujo de aire primario calentado (47);
    un sistema de suministro de aire secundario (46) que tiene un ventilador secundario (12) y un calentador secundario (13) y configurado y dispuesto para proporcionar un flujo de aire secundario calentado (48); un cerramiento de procesamiento (21) configurado y dispuesto para recibir y contener dicho producto y dicho flujo de aire primario;
    un cerramiento aislado (2) configurado y dispuesto para recibir dicho flujo de aire secundario calentado; dicho cerramiento de procesamiento configurado y dispuesto para extenderse a través de dicho cerramiento aislado y dicho flujo de aire secundario calentado y para separar dicho flujo de aire primario de dicho flujo de aire secundario.
  2. 2. El horno expuesto en la reivindicación 1, en el que:
    dicho transportador se configura para mover dicho producto a través de dicho cerramiento de procesamiento en una primera dirección (49);
    dicho cerramiento de procesamiento tiene un eje de cerramiento longitudinal (50) sustancialmente paralelo a dicha primera dirección;
    dicho flujo de aire primario en dicho cerramiento de procesamiento es sustancialmente paralelo a dicha primera dirección; y
    dicho flujo de aire secundario en dicho cerramiento aislado proximal a dicho cerramiento de procesamiento es sustancialmente perpendicular a dicha primera dirección.
  3. 3. El horno expuesto en la reivindicación 1, en el que dicho sistema de suministro de aire primario comprende una cámara de entrada (10) configurada y dispuesta para recibir dicho flujo de aire primario y dicho producto transportado y para enviar dicho flujo de aire primario y dicho producto transportado a dicho cerramiento de procesamiento.
  4. 4. El horno expuesto en la reivindicación 3, en el que dicha cámara de entrada comprende:
    una abertura de entrada de aire (38);
    una abertura de entrada de producto (39) diferente de dicha abertura de entrada de aire;
    una abertura de salida (43) a dicho cerramiento de procesamiento en oposición a dicha abertura de entrada de producto; y
    un direccional de flujo de aire (37) configurado y dispuesto para dirigir el flujo de aire desde dicha abertura de entrada de aire a dicha abertura de salida.
  5. 5. El horno expuesto en la reivindicación 4, en el que dicha cámara comprende además un mecanismo de ajuste de tamaño de abertura de entrada de producto que comprende una primera placa (29) y una segunda placa (30), dicha primera y segunda placa siendo ajustables entre sí para proporcionar un hueco variable (39) entre medias, y un mecanismo de bloqueo (31) configurado y dispuesto para bloquear de manera ajustable dichas placas en una posición relativa a dicha cámara para variar dicho tamaño de dicha abertura de producto.
  6. 6. El horno expuesto en la reivindicación 1, que comprende además una cámara de salida (18) configurada y dispuesta para recibir dicho producto y dicho flujo de aire primario desde dicho cerramiento y para expulsar dicho flujo de aire primario y descargar dicho producto desde dicho horno.
  7. 7. El horno expuesto en la reivindicación 6, en el que dicha cámara de salida comprende:
    una abertura de entrada (44) desde dicho cerramiento de procesamiento;
    una abertura de descarga de producto (41) opuesta a dicha abertura de entrada; y
    una abertura de escape de aire (42) diferente de dicha abertura de descarga de producto.
  8. 8. El horno expuesto en la reivindicación 7, en el que dicha cámara de salida comprende además un mecanismo de ajuste de tamaño de abertura de entrada de producto que comprende una primera placa y una segunda placa, dicha primera y segunda placa siendo ajustables entre sí para proporcionar un hueco variable (41) entre medias, y un mecanismo de bloqueo configurado y dispuesto para bloquear de manera ajustable dichas placas en una posición relativa a dicha cámara para variar dicho tamaño de dicha abertura de descarga de producto.
  9. 9. El horno expuesto en la reivindicación 1, en el que dicho sistema de suministro de aire primario comprende:
    un termómetro (6);
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    un único colector (7) configurado y dispuesto para dividir el flujo de aire en una pluralidad de trayectorias
    corriente abajo, cada una de dichas trayectorias comprendiendo una válvula (8) y un caudalímetro (9);
    en el que dicho flujo de aire primario se genera y circula a través de dicho calentador primario, dicho colector y
    dicha válvula no más de una vez antes de ponerse en contacto con dicho producto;
    en el que dicho ventilador primario es un único ventilador regenerativo; y
    dicho calentador primario es un único calentador en línea.
  10. 10. El horno expuesto en la reivindicación 1, en el que dicho sistema de suministro de aire primario comprende:
    un colector configurado y dispuesto para dividir el flujo de aire en una pluralidad de trayectorias corriente abajo, cada una de dichas trayectorias comprendiendo una válvula, un caudalímetro, un calentador en línea y un termómetro, antes de ponerse en contacto con dicho producto; y en el que dicho ventilador primario es un único ventilador regenerativo.
  11. 11. El horno expuesto en la reivindicación 1, en el que dicho sistema de suministro de aire primario no recircula, en su totalidad o en parte, el flujo de aire primario que sale de dicho cerramiento de procesamiento.
  12. 12. El horno expuesto en la reivindicación 1, en el que dicho sistema de suministro de aire secundario (46) comprende:
    un termómetro (35);
    una entrada de recirculación (26) para recibir aire usado desde dicho cerramiento aislado;
    una salida de escape de aire (16) que tiene una válvula de control de flujo (17) para expulsar aire desde dicho
    cerramiento aislado;
    una entrada de aire de compensación (14) que tiene una válvula de control de flujo (15) para recibir aire de compensación;
    en el que dicho flujo de aire secundario puede comprender una mezcla de dicho aire usado y dicho aire de compensación; y
    en el que el flujo de aire de compensación y el flujo de aire de escape pueden controlarse mediante dichas válvulas para variar dicha cantidad de dicho aire de compensación y dicho aire usado en dicho flujo de aire secundario.
  13. 13. El horno expuesto en la reivindicación 2, en el que dicho sistema de suministro de aire secundario (46) comprende:
    dicho ventilador secundario que tiene un ventilador de clavija (12) con un eje perpendicular a dicho eje de cerramiento de procesamiento (50), ubicado en una pared de cerramiento de aislamiento aproximadamente a medio camino a lo largo de una dimensión de recorrido de producto de dicho horno,
    dicho ventilador secundario teniendo un cono de entrada corriente arriba (26) para recibir aire y un pleno de descarga (32) que dirige el flujo hacia abajo;
    dicho calentador secundario colocado corriente abajo y cerca de dicho puerto de descarga de ventilador; un termómetro (35) colocado corriente abajo y cerca de dicho calentador secundario;
    un conjunto de veletas de dirección (28) colocadas cerca de dicho calentador secundario y cerca de un suelo de dicho cerramiento aislado que giran dicho flujo 90 grados para fluir adyacente a dicho suelo de dicho cerramiento aislado;
    un segundo conjunto de veletas (23) que dividen dicho flujo aproximadamente a la mitad y giran una primera media porción de dicho flujo 90 grados para alinearse con dicha primera dirección y giran dicha segunda media porción de dicho flujo 90 grados para oponerse a dicha primera dirección;
    un tercer conjunto de veletas (24a) que giran dicha primera porción de dicho flujo 90 grados para fluir hacia arriba en una dirección perpendicular a dicho eje de cerramiento;
    un cuarto conjunto de veletas (24b) que giran dicha segunda porción de dicho flujo 90 grados para fluir hacia arriba en una dirección perpendicular a dicho eje de cerramiento;
    un dispositivo de acondicionamiento de flujo (22) que abarca una longitud de dicho horno y es más ancho que una dimensión más ancha del cerramiento de procesamiento y a través del que dicho flujo de aire ascendente pasa antes de contactar con dicho cerramiento de procesamiento; una placa perforada superior (27) sobre dicho cerramiento de procesamiento; y
    un pleno de recogida de aire (36) que separa aire que fluye a través de dicha placa perforada superior y en dicho cono de entrada de ventilador secundario del aire que se descarga desde dicho ventilador secundario y fluye a través de dicho calentador, veletas de giro, acondicionador de flujo y sobre dicho cerramiento de procesamiento.
  14. 14. El horno expuesto en la reivindicación 13, en el que dicho dispositivo de acondicionamiento de flujo comprende dos placas perforadas con estructuras celulares ubicadas entre medias y en el que dicha estructura celular es una estructura de panal.
  15. 15. El horno expuesto en la reivindicación 1, en el que dicho sistema de suministro de aire primario (45) y dicho sistema de suministro de aire secundario (46) se configuran y disponen para suministrar dicho flujo de aire primario
    dentro de dicho cerramiento de procesamiento y para suministrar dicho flujo de aire secundario fuera de dicho cerramiento de procesamiento en un intervalo de temperatura que es aproximadamente igual.
  16. 16. El horno expuesto en la reivindicación 1, en el que dicho cerramiento de procesamiento tiene una longitud y una 5 dimensión característica en sección transversal y dicha longitud es al menos aproximadamente cincuenta veces
    dicha dimensión característica en sección transversal.
  17. 17. El horno expuesto en la reivindicación 1, y que comprende múltiples cerramientos de procesamiento configurados y dispuestos para recibir y contener dicho producto y dicho flujo de aire primario y que se extienden a
    10 través de dicho cerramiento aislado y que comprenden múltiples cámaras de entrada y múltiples cámaras de salida que se comunican con dichos múltiples respetivos cerramientos de procesamiento.
  18. 18. El horno expuesto en la reivindicación 3, en el que dicha cámara de entrada comprende:
    15 una abertura de entrada de aire;
    una abertura de entrada de producto diferente de dicha abertura de entrada de aire y que tiene un tamaño de abertura de producto;
    una abertura de salida a dicho cerramiento de procesamiento que tiene un tamaño de abertura de salida; en el que dicho tamaño de abertura de salida es mayor que dicho tamaño de abertura de producto.
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