FI61739C - Torkningsfoerfarande och anordning - Google Patents

Description

I«,rtl -’ll Γο, KUULUTUSJULKAISU

[B] (11) UTLÄGGNINGSSKRIFT 61739 •S® C <45> WtenlSt 2y3netty 10 09 1932

FxiteirL meddeiat, * (51) Kv.ik./int.ci.J D 21 P 5/00, F 26 B 15/26 (21) P«*nttlhtk*mu* — Pittntin«6knlng 802106 (22) Htkemlipllvl — AntSknlngidag 01.07.80 ^ (23) AlkupUvl—GlMghettdtg 01.07.80 (41) Tullut julklMkil — Bllvlt offantllg 02.01.82

Patentti· je reki.terih.llltu, NU,t«vik».p«on |. kuul.|ulk.l.un pvm—

Patent· och registerstyrelaen Antdkan utiajd och uti.skrift*n publkerad 31.05.82 (32)(33)(31) Pyydetty etuolkeui—Begird prlorltet (71) Valmet Oy, Punanotkonkatu 2, 00130 Helsinki 13» Suomi-Finland(FI) (72) Markku Lampinen, Turku, Suomi-Finland(FI) (7*0 Forssen & Salomaa Oy (5^ ) Kuivausmenetelmä ja laite - Torkningsförfarande och anordning

Keksinnön kohteena on menetelmä rainamaisen kuten paperi, jauhemaisen kuten turve, kiinteän kuten puu, huokoisen aineen kuivattamiseksi.

Lisäksi keksinnön kohteena on menetelmän toteuttamiseen tarkoitettu laite.

Ennestään tunnetusti kuivataan huokoisia aineita esim. paperirainaa paperikoneessa aluksi poistamalla vettä kudoksen kuten viiran päällä tai kahden kudoksen välissä kosteuteen (g^O/g kuiva-aine) uv = 5,7...2,3 saakka paperilaadusta riippuen. Tämän jälkeen veden poisto rainasta tapahtuu paperikoneen puristinosassa puristamalla rainaa telanipeissä, joissa yleensä käytetään vedenpoistoon myös huokoista huopaa. Paperikoneen puristinosissa kuivatus tapahtuu kosteuteen u^ = 1,6...1,2 saakka. Puristinosan jälkeen paperirainan kuivatus tapahtuu haihduttamalla esim. monisylinterikuivattimia käyttäen, joissa kuivattava raina saatetaan kontaktiin höyryllä kuumennettujen sileäpintaisten kuivatussylinterien kanssa. Paperin loppu- kosteus on välillä u = 0,05...0,1.

v

Haihduttamalla tapahtuva kuivatus kuluttaa huomattavasti energiaa (veden höyrys-tymisenergia on n. 2500 kJ/kg).

2 61739

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on aikaansaada sellainen kuivatusmenetelmä ja menetelmää soveltava laite, joka on energiataloudellisesti huomattavasti edullisempi kuin ennestään tunnettu terminen haihdutuskuivatus.

On korostettava tässä yhteydessä sitä, että keksinnön mukainen menetelmä ja laite soveltuu ja on tarkoitettu muidenkin aineiden kuin paperin kuivatukseen, vaikka seuraavassa selostuksessa keskitytäänkin pääasiallisesti paperin kuivatukseen ja annetaan esimerkki myös puutavaran ja turpeen kuivatuksesta. Keksinnön mukaisen kuivatusmenetelmän ja laitteiden sovellutuskohteista mainittakoon ei rajoittavina esimerkkeinä erilaiset tekstiilirainat, nahka, erilaiset levytuotteet, mitä erilaisimmat rainamaiset tuotteet, raemaiset ja jauhemaiset tuotteet kuten kemian teollisuuden tuotteet, rehut, turve ja vastaavat. Edelleen on syytä korostaa, että keksinnön mukaisella menetelmällä kuivatettava neste voi olla veden ohella aivan jokin muukin. Koska vesi on kuitenkin tärkein sovellutuskohde, niin selitysosassa tarkastelemme konkreettisuuden vuoksi lähinnä veden poistoa.

Edellä mainittuihin ja myöhemmin selviäviin päämääriin pääsemiseksi keksinnön menetelmälle on pääasiallisesti tunnusomaista se, että kuivattava kohde saatetaan hienohuokoisen nesteellä kyllästetyn imupinnan välityksellä hydrauliseen yhteyteen kuivattavaan kohteeseen nähden alipaineeseen asetetun nesteen kanssa.

Käsitteellä nesteellä kyllästetty imupinta tarkoitetaan tämän keksinnön puitteissa sitä, että ilma (tai kaasu yleensä) ei läpäise imupintaa kuivausmenetelmässä käytetyillä ilman ja nesteen välisillä paine-eroilla. Tämä muodostaa ratkaisevan eron nyt esillä olevan keksinnön mukaisen kuivausmenetelmän ja tunnettujen imukuivaus-menetelmien välille. Tunnetuissa imukuivausmenetelmissä (esim. imutelat paperikoneella) kulkeutuu imupinnan lävitse nesteen lisäksi myös ilmaa. Tämä merkitsee sitä, että ilma kulkeutuu myös kuivattavan kohteen lävitse ja kuivaus perustuu itse asiassa nesteen ja ilman väliseen kitkaan. Jotta kitka olisi mahdollisimman suuri, mikä näkyy ilman paine-erona kuivattavan kohteen ylitse, tulee ilmavirran olla suuri. Tämä puolestaan merkitsee suuria energiakustannuksia ja kaikesta tästäkin huolimatta ei näillä keinoin saada hyviä kuivaustuloksia (esim. paperikoneella on päästy vain kosteuteen u^ = 2,3 asti).

Keksinnön mukaiselle laitteelle on puolestaan pääasiallisesti tunnusomaista se, että laite käsittää hienohuokoisen neste-imupinnan, jonka hienohuokosten säteet ovat pääasiallisesti alueella 0,05...2 pm ja että mainitun hienohuokoisen neste-imupinnan yhteydessä on laitteet, jotka rajoittavat yhteyteensä nestetilan ja että mainittu nestetila on yhteydessä alipaineen aikaansaaviin laitteisiin.

3 61739

Seuraavassa keksintöä selostetaan viittaamalla oheisten kuvioiden piirustuksissa esitettyihin keksinnön eräisiin esimerkkeihin. Lisäksi oheisissa kuvioissa esitetään eräitä keksinnön taustaa havainnollistavia kaavioita.

Kuvio 1 esittää ns. elohopeamenetelmällä määritettyä veden painetta sanomalehtipaperissa.

Kuvio 2 esittää kaaviollisesti keksinnön mukaisen vesi-imukuivatusjärjestelmän tutkimuslaitetta.

Kuvio 3 esittää eräällä huokoisella levyllä saatuja keksintöä koskevia koetuloksia.

Kuvio 4a ja 4b esittävät kahdessa toisiinsa nähden kohtisuorissa kuvannoissa keksintöä toteuttavasta sylinterityyppisestä vesi-imukuivatuslaitteesta.

Kuvio 5 esittää vesipinnan ja paperin välistä kontaktia.

Kuvio 6a esittää vesmolekyylien ryhmittymistä vapaassa tilassa.

Kuvio 6b esittää vesmolekyylien ryhmittymistä selluloosan läheisyydessä.

Kuvio 7a esittää pyökkipuuhun sitoutuneen veden ja vapaan veden Helmholtzin energioiden erotusta.

Kuvio 7b esittää kuivan pyökkipuun pinnan ja pinnan takana olevan puuaineksen Helmholtzin energioiden erotusta.

Kuvio 8 esittää selluloosamolekyyliä.

Kuviossa 9 on esitetty tislatun veden ja sanomalehtipaperin läpäisevyys infra-punasäteilylle.

Kuvio 10 esittää kolmivaiheista vesi-imukuivatukseen perustuvaa paperikoneen tai vastaavan kuivausosaa.

Kuvio 11 esittää ylipaineen vaikutusta kuivatustulokseen käytettäessä erästä nylonkaIvoa.

Kuvio 12 esittää periaatteellisesti erästä toista kolmivaiheista vesi-imukuiva-, - -] t-uslaitetta, esim. paperikoneen kuivatusosaa.

4 61739

Kuvio 13 esittää periaatekuvana paineilmatehosteista vesi-imukuivatusta.

Kuvio 14 esittää periaatekuvana puutavaran kuivatuslaitetta, jossa sovelletaan keksinnön mukaista vesi-imukuivatusta.

Kuvio 15 esittää periaatekuvana turpeen kuivausta vesi-imukuivaustelalla.

Vesi on märässä paperiarkissa arkin pinnalla, kuitujen välisissä huokosissa ja kuiduissa. Kun kosteus on niin suuri, että vettä on myös arkin pinnalla, on veden paine sama kuin ympäröivän ilman paine. Veden määrän paperissa vähetessä pienenee samalla myös veden paine. Erittäin pienillä kosteuksilla voi veden paine olla jopa negatiivinen mikä merkitsee, että vesi on tällöin kokonaisuudessaan vetojänni-tystilassa. Kuviossa 1 on esitetty veden paine sanomalehtipaperissa. Veden paine on määritelty ns. elohopeamenetelmän avulla sanomalehtipaperissa, kun T = 20°C ja ympäristön ilman paine on 1 bar. (Laadittu Keskuslaboratorio Oy:Itä saadun aineiston pohjalta).

Seuraavassa selostetaan keksinnön kuivausmenetelmän pääperiaatetta kuviossa 2 esitettyyn koejärjestelyyn viitaten.

Erittäin tiivis sintterilevy 12 on kyllästetty vedellä ja sen alapuolella on vettä, joka on joko lappo- tai pumppusysteemillä (kuviossa 2 elohopeapatsaan toista päätä laskemalla) saatettu huomattavaan alipaineeseen. Sintterilevyssä 12 olevat mikro-kapillaarit eivät kuitenkaan tyhjene alipaineesta huolimatta, koska veden ja sintterilevyn väliset pintavoimat estävät sen. Jos sintterilevyn 12 suurimman huokosen säde on R, voidaan sintterilevyn 12 vedenpidätyskyky, s.o. suurin alipaine Δρ joka vedelle voidaan asettaa, jolloin levy pysyy vielä vesikylläisenä, laskea kaavasta Δρ - 2 £ .COS 8 (I)

R

missä = veden pintajännitys ja Θ = vesipinnan ja sintteripinnan välinen koske-tuskulma. Kaavan (1) avulla todetaan, että jos huokosen säde on 1,2 pm jm ja koske-tuskulma 30° niin maksimi alipaine 20°C:lle vedelle on 1 bar ( * 70 · 10 ^ N/m).

Kun sintterilevyn 12 päälle asetetaan märkä paperi 10 tai muu vastaava huokoinen kuivauskohde, muodostavat sintterilevyssä 12 ja paperissa 10 oleva vesi yhtenäisen vesikerroksen ja koska sintterilevyssä 12 ja sen alla olevan veden paine on alhainen, alkaa vettä virrata paperista 10 sintterilevyn 12 lävitse. Vesivirta lakkaa, kun paperi 10 on tullut niin kuivaksi, että siinä olevan veden paine on sama kuin sintterilevyn 12 alla olevan veden paine. Kuviossa 2 on 13 vesicila, 14 on elohopeapatsaita ja 15 on kumiletku.

5 61739

Mitä hienorakenteisempi sintterilevy 12 tai muu vastaava huokoinen levyosa on, sitä suurempiin alipaineisiin voidaan mennä ilman pelkoa siitä, että levyn 12 huokoset tyhjenisivät ja sitä kuivemmaksi myös paperi 10 saadaan. Mikäli levyn 12 alle voidaan asettaa vesi 0,9 barin alipaineeseen niin tällöin on teoreettisesti mahdollista päästä arvoon = 0,3, kuten kuviosta 1 voidaan todeta.

Periaatteessa keksinnön mukaisella menetelmällä voidaan paperi tai muu vastaava kuivauskohde kuivata kokonaan ilman termistä kuivausta. Kuvio 1 nimittäin ilmaisee itse asiassa veden ja ilman paineen välisen erotuksen ja jos ilman paineeksi asetetaankin 2 bar yhden barin asemasta niin todetaan, että veden absoluuttisen paineen ollessa 0,1 bar, voidaan teoreettisesti päästä arvoon u^ = 0,08. Tällainen järjestely edellyttää sitä, että sintterilevy on niin hienohuokoinen, että sen vedenpidätyskyky on Δρ > 1,9 bar, ts. R < 0,6 ym jos Θ = 30°. 20°C:n kylläisen veden paine on 0,023 bar, tämän pienempää painetta ei voida vedelle asettaa, koska vesi alkaa tällöin kiehua.

ESIMERKKI 1

Kuvion 2 mittauslaitteistolla on suoritettu eräitä kokeita, joiden tuloksia seuraa-vassa selostetaan.

Laskemalla elohopeaputken toista päätä 16 statiivissa 17 saadaan vesitilaan 13 haluttu alipaine. Kuviossa 3 on esitetty mittaustulokset, jotka on saatu käyttämällä "Diapor"-merkkistä (tavaramerkki) keramiikkalevyä levynä 12. Keramiikka levyn suurimmat huokoset ovat 1-2 pm (huokosen halkaisija), keskimääräinen huokoskoko on 0,8-1,5 ym ja levyn huokoisuus (kaasun tilavuusosa kuivassa levyssä) on 0,42-0,53. Huomattakoon erikoisesti, että huokoisuus ilmaisee samalla sintteri-levyn 12 otsapinta-alan rei'itysosuuden, t.s. sen osan pinta-alasta, joka on vedellä kyllästetty kuivaustilanteessa. On siis selvää, että sintterilevyn 12 huokoisuuden tulisi olla mahdollisimman suuri, jotta imu tapahtuisi mahdollisimman suurelta pinta-alalta.

Kuviossa 3 on esitetty "Diapor"-levyllä saavutetut koetulokset. Paras tulos tällä levyllä (u^ = 0,64) on saavutettu siten, että paperia on puristettu sintterilevyä vasten vettä imemättömällä 4 mm paksuisella pehmeällä kumilla noin 1 barin paineella.

"Diapor"-keramiikkalevy on valmistettu maasilikaateista. Levyä valmistaa Schumacher (Bietigheim, Saksan Liittotasavalta).

6 61739 ESIMERKKI 2

Toinen kokeiltu kalvo vesipinnan rakentamiseksi on nailonkalvo (Nylon-66,

Polyamidi, Pali, Englanti), jonka vedenpidätyskyky on vielä suurempi kuin edellä esitetyllä keramiikkalevyllä ja jonka huokoisuus on varsin korkea, noin 80 %.

Koska kalvo on hyvin ohut (vain 0,1 mm) on sen virtausvastus hyvin pieni, mikä on merkittävä asia ajatellen esimerkiksi paperikonesovellutusta, jossa kuivausaika on erittäin lyhyt (kts. esimerkki 3). Kuviosta 11 selviävät tällä kalvolla saadut koetulokset kahdella eri ilman paineella p^ = 1,2 bar ja p^ = 3,0 bar (paineet absoluuttisina arvoina).

ESIMERKKI 3

Paperikoneen nopeus on 1000 m/min ja keksinnön menetelmää toteuttavan vesi- imusylinterin halkaisija 1,8 m ja peittokulma 270°. Jos sanomalehtipaperi 2 (45 g/m ) kuivuu kosteudesta u^ = 1,5 arvoon u^ = 0,64, lasketaan näiden arvojen perusteella veden virtausnopeus vesi-imusylinterin päällyskalvon (ESIMERKKI 2) lävitse. Kuivausaika on tällöin

At = ——ι'οόθ*/60^^^'^'= 0,25 s ja veden virtausnopeus (keskimääräinen)

0,045 · (1,5-0,64) , „ 1C

v = — -1-!—- m/s = 0,15 mm/s 1000 · 0,25

Voidaan siis todeta, että esimerkin 2 nailonkalvo on läpäisevyydeltään aivan riittävä - suoritettujen kokeiden mukaan jo 0,03 barin paine-erolla saavutetaan nopeus 0,15 mm/s. Kyseinen nailonkalvo vaatii alleen huokoisen materiaalin (huokoisuus mieluimmin vähintään sama 80 %), joka antaa kalvolle riittävän mekaanisen tuen.

ESIMERKKI 4

Kuvassa 2 esitetyllä koejärjestelmällä on suoritettu myös kokeita turpeelle. Turvenäytteenä on ollut Loimaan Keinusuolta (Vapo) hankittu pahkaturve, joka on tunnetusti vaikeammin kuivuva kuin soraturve. Turvenäyte siirrettiin suoraan suosta märkänä muovipussiin. Pansion Tehtaan laboratoriossa näyte jauhettiin märkänä kahden tiiliskiven välissä ja asetettiin tämän jälkeen vesi-itnukuivaimeen. Huokoisena pintana käytettiin voipaperia, jota vasten turve puristettiin kumilla n. 10 barin paineella. Veden paineeksi asetettiin 0,21 bar. Tulokseksi saatiin 7 61739 u = 0,82. Kun puristuspaine oli luokkaa 1-2 bar saatiin tulos u = 1,13. v v

Kummassakin kokeessa oli ilman paine 1 bar ja kuivausaika 30 sekuntia. Mainittakoon, että arvo u^ = 0,82 edustaa 45 % kosteutta, kun kosteuspitoisuus lasketaan märästä painosta, ja tämä on jo niin korkea arvo, että turve kelpaa jo tällöin suoraan poltettavaksi.

Seuraavassa selostetaan keskipakoisvoiman merkitystä keksinnön menetelmän toteutuksessa .

Tarkastetaan pyörivää vesisysteemiä, jonka nopeus ulkokehällä säteellä on v. Tällöin ulkokehällä vallitseva veden paine on Δρ:η verran suurempi kuin sisä-säteellä vallitseva paine ja tämä voidaan laskea seuraavasta kaavasta e 2 R1 o Δρ = ) (2)

Olkoon v = 16,7 m/s, R£ = 0,9 m ja sallittu paine-ero Δρ = 0,05 bar. Tällöin kaavasta (2) seuraa, että R^ = 0,884 m ja siis suurin sallittu vesikerroksen paksuus on 16 mm. Tämä merkitsee samalla sitä, että veden imua pyörivästä sylinteristä ei voida järjestää sylinterin keskiöön paitsi, jos keskiö pysyy paikallaan, vaan se tulee sijoittaa sylinterin kehälle.

Kuviossa 4a ja 4b on esitetty keksinnön mukaisen vesi-imukuivauksen periaatteellinen ratkaisu sylinteritoteutuksena.

Kuvioissa 4a ja 4b on esitetty sylinterityyppinen vesi-imukuivatuslaite, johon paperiraina W^n tulee johtotelan 21 ohjaamana. Raina W kulkee sylinterin 20 pinnalla ja poistuu (W^^) johtotelan 21 ohjaamana kierrettyään sylinterin 20 vesi-imupintaa 22 kulmassa, joka on sopivimmin suurempi kuin 180°. Sylinterin pintana on vesi-imupinta 22, edellä selostetun kaltainen hienohuokoinen sylinteripinta, joka on välittömästi yhteydessä vesitilaan 23. Vesitila 23 kiertää sylinteriä 20 ja ulottuu sen koko leveydelle. Vesitilaan 23 on yhdistetty kaksi sylinterin mu-kanan pyörivää vesipumppua 24a ja 24b, jotka on kiinnitetty sylinterin toiseen päätyyn 28 toisen päädyn 28 ollessa suljettu. Sylinteri 20 pyörii, akseli, tappionsa ja laakeriensa 29 varassa. Imupumpuissa 24a ja 24b on poistoputket 25a ja 25b, jotka ovat yhteydessä kiinteään poistoyhteeseen 26, josta vesi poistuu putken 27 kautta. Sähkövirta pumpuille 24 tuodaan sylinterin akselille sijoitettujen hiili-renkaiden avulla.

8 61739

Mainittakoon, että jos veden ilmanopeus on edellä mainittu 0,15 mm/s ja vesitilan 23 korkeus 15 mm sekä sylinterin 20 leveys 8 m, on veden virtausnopeus vesitilan 23 päätyaukossa yksipuolisella vedenpoistolla varustetussa järjestelmässä 0,08 m/s, joten vesi-imun tasaisuuden järjestäminen sylinterin 20 leveyssuunnassa ei tuottane vaikeuksia.

Suuren vedenpidätyskyvyn aikaansaamiseksi tulee huokoisen vastinpinnan 12;22 huokosten olla hyvin pieniä, alle 1 um:n suuruisia. Näin pienien huokosten lävitse eivät enää edes bakteerit pääse kulkemaan. Voidaan siis todeta, että mitkään kiinteät partikkelit kuten nollakuidut eivät täten pysty tunkeutumaan keksinnössä käytetyn huokoisen pinnan 12;22 sisään, vaan ne jäävät sen pintaan. Näin ollen riittää, että huokoisen pinnan 12;22 puhdistus suoritetaan ulkopuolisella huuhtelulla, esimerkiksi vesisuihkulla 30, jotka on sijoitettu johtotelojen 21 väliin (kuvio 4) sylinteri 20 alapinnalle.

Koska paperi valmistetaan kuiduista, jotka ovat muodoltaan lähinnä sylinterimäi-siä (halkaisija n. 30 pm ja pituus 1-3 mm), on selvää, että paperin pinta on kaukana matemaattisesta tasopinnasta. Tästä seuraa, että vain muutamat kohdat paperista ovat välittömässä kontaktissa vesi-imupinnan kanssa. Kuvio 5 havainnollistaa tätä tilannetta. Pintaprofiilin muotoa on mitattu hakijan toimesta Turun Teknillisessä Oppilaitoksessa joulukuussa 1979. Profiilikäyrä on radan etenemis-suuntaa vastaan kohtisuorassa suunnassa.

Kuviossa 5 on vesi-imupinnan 32 ja paperin 31 välinen kontakti.

Koska keksinnön mukainen vesi-imu voi kohdistua vain niihin pisteisiin, jotka ovat mekaanisesti kosketuksissa vesi-imupinnan kanssa, seuraa tästä, että olennainen osa poistettavaa vettä joutuu virtaamaan paperin tason suunnassa kontak-tikohtien välisistä kohdista kontaktipisteitä kohti. Näin ollen voitaisiin päätellä, että paksumpi paperi olisi tämän johdosta paremmin kuivattavissa kuin ohuet paperit. Tämän päätelmän ovat jo suoritetut kokeet osoittaneet oikeaksi, joskin erot hieno- ja sanomalehtipaperin kuivumisten välillä ovat olleet erittäin vähäiset.

Tasaisen imuvaikutuksen aikaansaamiseksi on siten edullista, että keksinnössä sovellettava vesi-imupinta 12;22;32 on joustava, paperin tai vastaavan pintaa myötäilevä. Paitsi, että paperi saadaan tällöin kuivemmaksi, tapahtuu kuivuminen tällöin myös huomattavasti nopeammin. Veden virtaus paperin tason suunnassa jo yhdenkin millimetrin matkan vie verraten pitkän ajan ja tämä saattaa muodostua koko keksinnön kuivausmenetelmän nopeutta rajoittavaksi tekijäksi. Mikäli sovelle- 9 61739 taan nailonkalvotyyppistä ratkaisua (esimerkki 2), nailonkalvon alle asetetaan edullisesti joustava huokoinen ainekerros, joka puolestaan asetetaan rei'itetyn teräsvaipan päälle. Mainitun ainekerroksen pehmeydessä ei tule kuitenkaan liioitella, koska joustomatka on hyvin pieni kuten kuviosta 5 ilmenee, ja koska vesi-imupinnan 12;22;32 huokoset saattavat kokoonpuristuessaan mennä tällöin tukkoon. Voidaan myös ajatella, että käyttämällä sopivan paksua nailonkalvoa saadaan pinta näin myös riittävän joustavaksi.

Joissain tapauksissa voi olla edullista toteuttaa vesi-imumenetelmä myös siten, että hienohuokoinen vesi-imupinta muodostuu kuivattavasta kohteesta itsestään. Mikäli kuivattava materiaali tai jokin sen pinta on riittävän hienohuokoinen, niin erillistä hienohuokoista vesi-imupintaa ei tarvita. Tällöin veteen voidaan saattaa alipaine vasta, kun kuivattava kohde on asetettu vesitilan päälle.

Puristamalla paperia tai muuta vastaavaa kuivauskohdetta voimakkaasti vesi-imupintaa vasten saadaan useampia kohtia paperista kontaktiin imupintaa vasten ja paperi saadaan näin kuivemmaksi. Tämä on jo myös kokeellisesti todettu.

Puristamisen ohella on myös ensiarvoisen tärkeätä, että paperista tai vastaavasta poistuneen veden tilalle pääsee virtaamaan ilmaa. Tämä seikka on tullut suoritetuissa kokeissa ilmi siten, että puristettaessa paperia kumilla, joka ei läpäissyt ensinkään ilmaa, jäi paperi merkittävästi kosteammaksi kuin käytettäessä ilmaa läpäisevää kumia. Ilmiö voidaan ymmärtää hyvin, kun ajatellaan paperin koostuvan pienistä putkimaisista onteloista, jotka tyhjenevät toisesta päästään ja toiseen päähän virtaa tilalle ilmaa. Jos ilmaa ei pääse virtaamaan putkeen, syntyy sinne alipaine, joka estää veden poisvirtaamisen.

Kuten kuvasta 11 ilmenee, saadaan paperi kuivemmaksi, kun paperia ympäröivä ilman paine (pu) on korkea. Ylipaineistuksella (pu) saavutetaan lisäksi se etu, että veden virtaus saadaan näin nopeutetuksi. Asian havainnollistamiseksi todetaan esimerkkinä, että putkimainen onkalo, jonka vesitäytteinen pää on asetettu vesi-imupintaa vasten ja tyhjentyneeseen päähän johdetaan paineilmaa tyhjenee nopeasti, koska toisesta päästä "vedetään" ja toisesta päästä "työnnetään".

Paperia tai vastaavaa kuivauskohdetta on täten edullista puristaa voimakkaasti huokoisella aineella, esimerkiksi huokoisella kumilla, jonka lävitse johdetaan samanaikaisesti paineenalaista ilmaa. Tämä voidaan käytännössä toteuttaa usealla vaihtoehtoisella tavalla.

Keksinnön kuivausmenetelmän fysikaalisten raja-arvojen selvittämiseksi selostetaan 10 61 739 seuraavassa veden olotilaa paperissa tai muussa vastaavassa huokoisessa materiaalissa.

Vesimolekyylillä on sähköstaattinen dipooli, jonka takia molekyylin positiivinen pää (vedynpuoleinen pää) kääntyy kohti naapurimolekyylin negatiivista päätä.

Näin kahden vesimolekyylin välille syntyy heikko sidos. Koska tämä ilmiö on havaittavissa vain vetyä sisältävissä aineissa, sidosta sanotaan vetysidokseksi. Vetysidokset haittaavat vesmolekyylien liikkumista. Ellei vetysidoksia olisi, vesi kiehuisi -100°C:n lämpötilassa, ja huoneen lämpötilassa se siis olisi kaasu. Vetysidosten takia vesimolekyylit muodostavat ketjuja ja siksi veden kiehumispiste onkin pari sataa astetta korkeampi kuin se olisi ilman vetysidoksia. Edellä sanottu koskee ns. vapaata vettä, joka on voinut muotoutua ilman häiritseviä ulkoisia tekijöitä, jollainen on esimerkiksi selluloosa. Kuvio 6a esittää vesimole-kyylien ryhmittymistä vapaassa tilassa ja kuvio 6b selluloosan läheisyydessä.

Selluloosan läheisyyteen syntyy siis lujempia vetysidoksia vesimolekyylien välille kuin mitä vesimolekyylien välillä on etäämpänä selluloosasta, vapaassa vedessä. Keksinnön mukaisen vesi-imukuivauksen yhteydessä tämä merkitsee sitä, että imettäessä vettä selluloosasta poispäin vesi katkeaa heikoimmasta sidoksesta ja näin selluloosan pintaan sitoutunut vesi jää paperiin. "Valikoimaton" lämpötilan nosto ei olennaisesti asiaa paranna. Sidokset selluloosaan tosin lämpötilan nousun myötä heikkenevät, mutta samoin heikkenevät vapaiden vesimolekyylien väliset vety-sidokset ja näin vesi myös katkeaa entistä helpommin. Keksintöön liittyneiden laboratoriokokeiden perusteella on voitu todeta, että kuivattavan paperinäytteen lämmittämisellä lämpimässä vesihauteessa ennen vesi-imukuivausta ei ole ollut mainittavaa vaikutusta kuivumiseen.

Suuruusluokkakäsityksen saamiseksi esitettäköön pyökkipuulle lasketuista pinta-energioista kuviot 7a ja 7b. (Lähde: Markku J. Lampinen: Mechanics and Thermodynamics of Drying - A Summary, Second International Symposium on Drying, McGill University, Montreal, 6.7.-9.7.1980.)

Kuvio 7a esittää pyökkipuuhun sitoutuneen veden ja vapaan veden Helmholtzin ener- s (2) gioiden erotusta, a

Kuvio 7b esittää kuivan pyökkipuun pinnan ja pinnan takana olevan puuaineksen s (1)

Helmholtzin energioiden erotusta, a s (2)

Olkoon esimerkin vuoksi a = -50 kJ/kg tietyssä kosteudessa ja tietyssä lämpötilassa. Lasketaan tämän perusteella yhden vesimolekyylin selluloosamolekyylin 11 61739 vaikutusalueelta irrottamiseen tarvittavan työn suuruus. Kilomoolimäärän irrottamiseen tarvittavan työn suuruus on W * 18 · 50 = 900 kJ/kmol = 900 J/mol ja siis yhden vesmolekyylin irrottamiseen vaaditaan työ

W = 900 J/6,02 · 1023 = 1,5 * 10_21J

Jos paperi halutaan kuivata lopulliseen kuivuuteensa saakka keksinnön mukaisella vesi-imukuivauksella, vaaditaan siis tietty ulkoinen työ selluloosan vaikutusalueella olevien vesmolekyylien irrottamiseen. Tämä työ on tietysti aivan toista suuruusluokkaa kuin veden höyrystäminen (vrt. 50 kJ/kg vastaan veden höyrystä-misenergia 2500 kJ/kg). Edellä on jo mainittu eräs tällainen keino ulkoisen työn suorittamiseksi (vesi-imutyön lisäksi), nimittäin paineilman käyttö veden "työntämiseen" vesi-imua kohden.

Eräs varteenotettava keksinnön kuivatusmenetelmän tehostamiskeino paineilman lisäksi on infrapunasäteilyn käyttö, kun säteily on tehokasta joko hiilen ja 0-H sidoksen taipuma- ja/tai värähtelytaajuuden alueella tai 0-H ja vesimolekyylin välisen sidoksen venymävärähtelytaajuuden alueella. Kuvassa 9 on esitetty tislatun veden ja sanomalehtipaperin läpäisevyys infrapunasäteilylle. Selluloosan 0H-ryhmiin sitoutuneiden vesimolekyylien poistaminen on välttämätöntä (ainakin osa niistä), kun kuivataan paperia kosteuteen uv = 0,1 asti. Tämä käy ilmi kuviosta 7b (tosin se koskee pyökkipuuta), koska kuivan pinnan Helmholtzin energialla on nollasta suurempi arvo. Tämä voidaan todeta myös molekyylitarkasteluilla.

Selluloosamolekyylin kemiallinen kaava on (C^ 0^)^ (missä n * 2,5...10x10^) esitetty kuviossa 8. Oletetaan, että selluloosamolekyylissä kukin OH-ryhmä sitoo yhden vesimolekyylin. Tällöin yhtä selluloosamolekyyliä kohti voi sitoutua kolme vesimolekyyliä. Olkoon selluloosamolekyylejä yhden glukoosiyksikön verran. Tämä määrä painaa 162 g ja siihen on siis sitoutunut vettä 3 * 18 g = 54 g. Kosteus on tällöin uv * 54/162 = 0,33. Näin siis molekyylitason tarkasteluilla voidaan myös vakuuttautua siitä, että täysin kuivaa selluloosapintaa on paperissa jo merkittävästi kosteudessa u =0,1.

v

Suurtaajuusvärähtelijöiden käyttö kuivaukseen on jo sinänsä tunnettua ja kokeiltua tekniikkaa. Ratkaiseva ero seuraavassa esitettävässä esillä olevan keksinnön toteutusmuodossa ja ennestään tunnetuissa kuivaimissa on se, että keksinnössä sähkökentällä tuodaan vain se energia, joka vaaditaan selluloosan ja veden välisten sidosten heikentämiseen siinä määrin, että vesi voidaan mekaanisesti, ts.

12 61 7 39 keksinnön mukaisella vesi-imulla poistaa. Kuten sanottu tämä energia on vain murto-osa höyrystymisen vaatimasta energiasta ja näin ollen laitteiston koko ja teho tulevat myös olemaan vain murto-osa käytössä oleviin suurtaajuuskuivaimiin verrattuna, joissa veden poisto tapahtuu höyrystymällä. Toinen merkittävä ero on taajuuden valinta. Tunnetuissa korkeataajuuskuivaimissa on tavoitteena saada vesmolekyyli pyörimään, kun taas esitettävässä ajatuksessa pyritään vaikuttamaan lähinnä selluloosan ja veden väliseen sidokseen. Kun kiinteän aineen lämpötila nousee, pienenee veden ja selluloosan välinen sidosvoima, kuten kuviosta 7a ilmenee. Suoritetut kokeet ovat osoittaneet infrapunasäteilyn merkityksen kiistattomasti. Kokeissa asetettiin märkä paperinäyte keraamisen sintterilevyn päälle, jota vasten paperi puristettiin lasilevyn avulla. Kun veden paineeksi asetettiin 0,08 bar, saatiin paperi kuivumaan kosteuteen u^ = 0,16. Allaolevan vesi-kylläisen keramiikkalevyn ja yllä olevan ikkunalasin johdosta ei vettä päässyt paperista höyrystymään pois. Tämä varmistettiin myös erillisellä kokeella.

Alustavat keksintöön liittyvät laboratoriokokeet ovat osoittaneet, että vesi-imukuivausta ei tarvitse suorittaa yhdessä vaiheessa. Toisin sanoen, vaikka paperi otetaan välillä vesi-imupinnan päältä pois, voidaan imukuivausta haluttaessa jatkaa ilman, että kuivaustehokkuus olisi tästä kärsinyt. Tämän perusteella on suunniteltu kuviossa 10 esitetty monisylinterikuivatin, jossa on kolmenlaisia vesi-imusylintereitä.

Ensimmäinen sylinteri 41 poistaa suuret vesimäärät kosteuteen u^ * 0,8...1,0 saakka. Sylinteri 41 olisi varsin yksinkertainen; se sisältää vain pelkistetyn keksinnön mukaisen vesi-imujärjestelmän ilman lisälaitteita. Toinen sylinteri 42 on varustettu paineilmatehostimella 44, jolloin kuivattaisiin alue u^ = 1,0...0,8 - 0,3...0,5. Mittauksissa on saatu tulos u^ * 0,30 paineilman avulla, kun p^ = 21 bar ja veden paine vesi-imupinnan alla 0,34 bar. Kolmannen sylinterin 43 yhteyteen on rakennettu edellä selostetulla periaatteella suur-taajuuskenttä sidosten ravistelemiseksi. Tällöin voidaan olettaa päästävän kosteuteen u^ = 0,1. (Tällä hetkellä on saavutettu arvo 0,16).

Kuviossa 12 on esitetty kuvion 10 mukaisen laitteen eräs muunnos. Kuvion 12 mukaisesti laitteeseen kuuluu rainan W tulopuolella ilman tehostuslaitteita oleva vesi-imusylinteri 51, jonka jälkeen raina W siirtyy paineilmalla tehostetulle vesi-imusylinterille 52. Sylinterin 52 yhteydessä on ylipainekammio 54, jossa vallitsevalla ylipaineella p^ vedenpoistoa tehostetaan edellä selostetulla tavalla. Sylinterin 52 yhteydessä rainaa W puristetaan ulkoapäin huokoista kumia tai muuta vastaavaa olevalla, paineilmaa läpäisevällä kudoksella 56, jonka ansiosta raina W painautuu tiivisti sylinterin 52 vesi-imupintaa esim. edellä selostettua 13 61 739 hienohuokoista nylonkalvoa vasten.

Sylinteriltä 52 raina W siirtyy vesi-imusylinterille 53, jossa vesi-imua on tehostettu infrapunasäteilyllä, jota kohdistetaan rainan W ulkopintaa vasten laitteilla 55, jotka on vain kaaviollisesti esitetty. Sylinterillä 53 käytetään puristamiseen nauhaa 56, joka läpäisee hyvin infrapunasäteilyä. Sylinteriltä 53 raina W poistuu (W j.) johtotelan 57 ohjaamana.

Kuvio 13 esittää periaatekuvaa paineilmatehosteisesta vesi-imukuivauksesta. Paineilmatila 61 rajoittuu huokoiseen kuminauhaan 62, jonka lävitse paineilma pääsee vaikuttamaan paperiin 63. Kuminauha 62 toimii samalla puristimena ja kuminauhan 62 ansiosta paperiraina 63 painatuu tiiviisti vesi-imupintaa 64, esim. edellä selostettua nailonkalvoa, vasten. Kalvon 64 huokoskoko on sopivimmin alle 0,2 pm. Laitteeseen kuuluu suuren huokoisuuden omaava aluspinta 65 (huopa tai sintterimetalli), joka on verraten kova, jotta puristusvaikutuksesta eivät huokoset menisi tukkoon. Pinnan 65 alla on rei'itetty teräslevy 66, sen jälkeen vesitila 67 ja teräslevy 68.

Kuvio 14 esittää puutavaran kuivauksen periaatetta keksinnön vesi-imukuivauksen avulla. Puristuslaitteen 71 avulla yläpuolinen vesi-imupinta puristetaan voimakkaasti laudan 74 pintaa vasten. Laitteessa on yläpuolinen vesitila 72, yläpuolinen vesi-imupinta 73, alapuolinen vesi-imupinta 75, alapuolinen vesi-imutila 76, paineilmalatku 77 ja labyrinttitiiviste 78, jonka ansiosta paineinen tila säilyy laudan 74 ympäröivässä tilassa ilman, että tapahtuu merkittävää vuotoa.

Kuviossa 14 esitetty laite toimii seuraavasti: Laudat 74 asetetaan vesi-imupinnan 75 päälle tasavälein. Tämän jälkeen hydraulisesti toimivat liikkuvat yläpuoliset vesi-imupinnat 73 puristuvat lautoja 74 vasten. Kun liikkuvat vesi-imupinnat ovat saavuttaneet ala-asentonsa, lautojen ympärillä olevat suljetut tilat tiivistyvät jonka jälkeen paineilma kytketään vaikuttamaan. Vesi-imu on kaiken aikaa päällä sekä ylä- että alapuolisessa vesi-imupinnassa 73,75. Lautojen 74 asettamisen jälkeen tapahtuu täten alavesipinnan 75 kautta vähäistä kuivumista ja varsinkin sen jälkeen kun yläpuolinen vesi-imupinta 73 on puristunut lautaa 74 vasten. Lopullinen kuivaus tapahtuu sen jälkeen, kun paineilma on kytketty päälle. Kuivauksen kesto määräytyy laudan 74 paksuuden ja laadun perusteella. Kuivausta voidaan tehostaa myös infrapunasäteilijällä, joka sopivasti sijoitetaan paineistettuun tilaan.

Kuvio 15 esittää turpeen kuivausta vesi-imukuivaimella. Kuviossa 15 on 81 = turvekerros, 82 = vesi-imupinta, 83 = vesitila, 84 = puristinhuopa, 85 = teräsvaippa, 86 = vesipumppu ja 87 = turpeen syöttö jauhimelta. Vesi-imutelan 82,83,85 ala-

Claims (18)

14 61 739 kautta kiertää huopa 84, jonka päällä kuivatettava turve 81 kulkee telan ja huovan 84 väliin. Huopa 84 puristaa ohuen, muutaman millimetrin vahvuisen turve-kerroksen hienohuokoista vesi-imupintaa 82 vasten, jonka lävitse vesi virtaa vesitilassa 83 vallitsevan alipaineen johdosta. Vesitilasta 83 vesi imetään kehällä pyörivän vesipumpun 86 avulla pois. Vesipumpun 86 painepuoli on liitetty liikkuvalla saumalla sylinterin keskiöön, jolloin turpeesta pois imetty vesi voidaan johtaa kiinteätä putkilinjaa myöten haluttuun paikkaan. Mikäli huovalla 84 tai vastaavalla hihnalla halutaan käyttää suurempia puristuspaineita, tulee sen alle sijoittaa joko puristusrullat tai vaihtoehtoisesti paineistettu tila. Seuraavassa esitetään patenttivaatimukset, joiden määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa keksinnön eri yksityiskohdat voivat vaihdella. Patent t ivaat imukset

1. Menetelmä rainamaisen kuten paperi, jauhemaisen kuten turve, kiinteän kuten puu, huokoisen aineen kuivattamiseksi, tunnettu siitä, että kuivattava kohde (10;W;74) saatetaan hienohuokoisen nesteellä kyllästetyn imupinnan (12;22; 32;73,75) välityksellä hydrauliseen yhteyteen kuivattavaan kohteeseen nähden alipaineeseen asetetun nesteen kanssa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä käytetään erityistä hienohuokoista imupintaa (12;22;37;73;75;82), jonka kanssa kuivattava kohde saatetaan välittömään yhteyteen.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hieno-huokoinen imupinta muodostuu kuivattavasta kohteesta itsestään.

4. Patenttivaatimuksen 1,2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että alipaineeseen asetetun nesteen imu- ja kuivatusvaikutusta tehostetaan kuivattavan kohteeseen vaikuttavalla ylipaineella (Pu)·

5. Patenttivaatimuksen 1,2,3 tai 4 mukainen kuivatusmenetelmä, tunnettu siitä, että alipaineeseen asetetun nesteen kuivatusvaikutusta tehostetaan kohdistamalla kuivattavaan kohteeseen säteilyä, joka absorboituu merkittävästi kuivattavaan kiintoaineeseen. 617 3 9

6. Patenttivaatimuksen 1,2.3,4 tai 5 mukaisen menetelmän toteuttamiseen tarkoitettu laite, tunnettu siitä, että laite käsittää hienohuokoisen neste-imu-pinnan (12;22;32;73,75;82), jonka hienohuokosten säteet (R) ovat pääasiallisesti alueella 0,05...2 pm, ja että mainitun hienohuokoisen neste-imupinnan yhteydessä on laitteet, jotka rajoittavat yhteyteensä nestetilan (13;23;72,76;83) , ja että mainittu nestetila on yhteydessä alipaineen aikaansaaviin laitteisiin (15,16;24a,24b; 86).

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laite, tunnettu siitä, että kuivattavaan kohteeseen (W) nähden neste-imupinnan vastakkaisella puolella on laitteet (44;54), joilla aikaansaadaan ylipaine (pu) mainitulle kuivatuskohteen (W) puolelle.

8. Patenttivaatimuksen 6 tai 7 mukainen laite, tunnettu siitä, että kuivatuskohteen yhteydessä on säteilylaitteet (45;55), joilla kohdistetaan kuivattavan kohteen kiintoaineeseen säteilyä, jonka intensiteetti on suuri sillä aallonpituusalueella, jota kuivattava kiintoaine absorboi.

9. Patenttivaatimuksen 7,8 tai 9 mukainen laite, tunnettu siitä, että laitteeseen kuuluu huokoinen läpäisevä elin esim. joustava kuminauha (62) tai vastaava, joka toimii puristimena, jolla kuivattavaa kohdetta (W) painetaan tiiviisti neste-imupintaa vasten.

10. Patenttivaatimuksen 6,7,8 tai 9 mukainen laite, tunnettu siitä, että hienohuokoinen neste-imupinta muodostuu sintterikalvosta, mikrohuokoisesta nylon-kalvosta tai vastaavasta, jonka kalvon paksuus on pienempi kuin n. 1 mm.

11. Patenttivaatimuksen 6,7,8,9 tai 10 mukainen liikkuvan paperirainan (W) ja/tai jauhemaisen ainekerroksen, kuten turvekerroksen (81) tai vastaavan kuivatuslaite, tunnettu siitä, että laite käsittää sylinterin (20;85), jonka ulkopinta on varustettu hienohuokoisella vesi-imupinnalla (22;82), jonka sisäpuolelle rajoittuu nestetila (23;83), ja että mainittu nesteillä (23;83) on pumppulaitteilla (24a,24b;86) ja yhteillä (25a,25b,26) yhdistetty vedenpoistokanavaan (27).

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen paperirainan (W) ja/tai jauhemaisen ainekerroksen (81) kuivatuslaite, tunnettu siitä, että laite käsittää yhden tai useampia määritellyn kaltaisia vesi-imusylinterejä (41,42,42;51,52,53;85), joista ainakin yhden yhteydessä on läpäisevä kudo^ tai nauha (46;56;84) , jolla rainaa (W) tai ainekerrosta (81) painetaan hienohuokoista vesi-imupintaa vasten. i6 61 7 3 9

13. Patenttivaatimuksen 11 tai 12 mukainen kuivatus laite, tunnettu siitä, että yhden tai useamman vesi-imusylinterin (42;52) sillä sektorilla, jolla kuivattava raina (W) sivuaa sylinterin pintaa on ylipainekammio (44;54), jonka kautta rainaan (W) kohdistetaan ulkoapäin ylipainevaikutus (pu) vesi-imun kuivatus-vaikutuksen tehostamiseksi.

14. Patenttivaatimuksen 11,12 tai 13 mukainen kuivatuslaite, tunnettu siitä, että sylinterin (20) sillä sektorilla, jota raina (W) ei sivua, on vesisuih-kulaitteet (30), joilla vesi-imupintaa (22) puhdistetaan (kuviot 4a ja 4b).

13. Patenttivaatimuksen 11,12,13 tai 14 mukainen laite, tunnettu siitä, että laite käsittää ainakin kolme peräkkäistä vesi-imusylinteriä (41,42,43; 51,52,53), joista ensimmäinen sylinteri (41;51) on ilman tehostusta oleva vesi-imusylinteri ja toinen sylinteri (42;52) paineilmalla tehostettu vesi-imusylinteri ja kolmas imusylinteri (43;53) infrapunasäteilyllä tehostettu vesi-imusylinteri.

16. Patenttivaatimuksen 15 mukainen laite, tunnettu siitä, että toisella ja/tai kolmannella vesi-imusylinterillä (42,43;52,53) käytetään huokoista kudosta tai nauhaa (46;56), jolla rainaa (W) painetaan vesi-imusylinterin hienohuo-koista pintaa vasten.

17. Patenttivaatimuksen 6,7,8,9 tai 10 mukainen laite puutavaran tai muun vastaavan levymäisen materiaalin kuivattamiseen, tunnettu siitä, että laite käsittää yhden tai kaksi vastakkaista vesi-imupintaa (73,75), joiden väliin kuivattava kohde (74) puristetaan,ja että laite edelleen käsittää tiiviste-elimet (78), joilla rajoitetaan ylipaineinen tila kuivatuskohteen (74) ympärille (kuvio 14). 17 61 7 39