FI69622B - Foerfarande och apparat foer framstaellning av glaspaerlor - Google Patents

Description

69622

Menetelmä ja laite lasihelmien valmistamiseksi Tämä keksintö kohdistuu menetelmään ja laitteeseen lasihelmien valmistamiseksi .

Lasihelmiä, erityisesti esim. liikennekaistojen merkintämaaleis-sa tai heijastavissa tiemerkeissä käytettäviä helmiä, valmistetaan monenlaisissa uuneissa.

Tähän asti käytettyihin uuneihin on kuulunut kattoveto- ja pohjavetouuneja, joissa on ollut joko heikko liekki tai voimakas liekki ja joihin murska eli murskattu lasi on syötetty a) uunin alapäässä, minkä jälkeen palavat kaasut kuljettavat lasin ylös, tai b) uunin yläpäässä, minkä jälkeen lasin annetaan pudota alaspäin painovoiman vaikutuksesta.

Kummassakin tapauksessa lasimurska joutuu ensin uunin kuu-mennusvaikutusten alaiseksi ja sen jälkeen karkaisuvyöhyk-keen jäähdytysvaikutusten alaiseksi, jolloin i. murskattujen lasihiukkasten lämpötila kohoaa riittävän korkealle riittävän ajan kuluessa, niin että hiukkaset joutuvat siirtymätilaan, ii. siirtymätilassa olevat hiukkaset saavat helmien muodon pintajännitysilmiön vaikutuksesta, ts. hiukkaset muodostuvat palloiksi, ja iii. näin muodostuneet helmet jäähdytetään alle siirtymälämpö-tilansa, jotta helpotetaan niiden kokoamista ja estetään niiden yhteensulautuminen muiden helmien kanssa tai kertyminen uunin seinille.

Aika, joka hiukkasilta/helmiltä kuluu uunissa, on tunnettu "viipymäaikana".

Lasihelmien valmistukseen käytettävien uunien käyttöparamet- 2 69622 reihin, joita on valvottava tarkasti, kuuluvat näiden uunien hyötysuhteet. Viime aikoina on käynyt erittäin tärkeäksi pienentää käytettyjä polttoainemääriä.

Valmistettujen helmien koko ja helmien standardit, mm. niiden taitekertoimet, määräytyvät helmien loppukäyttöjen mukaan. Esillä oleva keksintö kohdistuu kuitenkin pääasiassa, joskaan ei yksinomaan, sellaisten helmien valmistukseen, joiden taitekertoimet ovat n. 1,4-2,1 ja halkaisijat 100-1500 ^u.

Uunin hyötysuhde lasihelmiä valmistettaessa on (a) murskattujen lasihiukkasten uunissa viipymäajan funktio suhteessa uuniin tuona aikana syötettyyn energiaan, (b) hiuk-kastiheyden ja (c) tällaisten hiukkasten lukumäärän ja koon funktio uunin tilavuusyksikköä kohti. Hiukkasen tulee viipymäajan kuluessa saavuttaa siirtymätilansa, muodostua helmeksi ja jäähtyä tilaan, jossa vältytään yhteensulautumiselta ja kertymiseltä.

Tunnetaan lukuisia lasihelmien valmistukseen käytettäviä uuneja·.! Niinpä GB-patenttijulkaisu!ssa n:ot 740145, 875292 ja 984655 sekä US-patenttijulkaisuissa n:ot 2947115, 3151965 ja 3190737 kuvataan useita kattovetouunisovitelmia ja yhtä pöhjavetouunisovitelmaa sekä yhtä sovitelmaa, ks.julkaisua 984655, jota voidaan ainoastaan kuvata kahden tyypin yhdistelmäksi .

Useimmissa tunneutuissa sovitelmissa on ilmeistä, että hiukkasen viipymäajasta pidetään huolta valitsemalla pitkä tai korkea oleellisen suoraviivainen kulkurata hiukkaselle ja varustamalla uuni pitkällä tai korkealla liekillä syötetyllä kuumennusvyöhykkeellä, joka johtaa sopivaan jäähdytys-vyöhykkeeseen .

Julkaisun 984655 laitteessa kulkuradat, joita pitkin hiukkaset pakotetaan liikkumaan, ovat lähteen muodossa, ts. hiukkaset ohjataan ylöspäin, minkä jälkeen ne kulkevat alas- 3 69622 päin painovoiman vaikutuksesta niiden rajojen puitteissa, joita laite asettaa palaneiden kaasujen virtaukselle, ja näin muodostuneet helmet putoavat kokoomakouruun tai kulkevat ulospäin säteittäisellä sinimuotoisella radalla kokoomakaukaloihin.

GB-patenttijulkaisussa n:o 740145 esitetään pystysuoraan sovitettu putkimainen pylväs, johon murskattuja lasihiuk-kasia suihkutetaan palavien kaasujen mukana, jolloin kuumat kaasut vievät mukanaan hiukkasia ylöspäin.

Pieni voimakas liekki muodostetaan suunnattavassa kohoavassa ilmavirrassa, ja kohoavat kaasut yhdessä hiukkasten/hel-mien kanssa kulkevat voimakkuudeltaan lisääntyvien jäähdy-tysvyöhykkeiden läpi. Ylöspäin pylväässä, jonka läpi lasi-hiukkaset/helmet pakotetaan kulkemaan, esiintyy siis lämpö-tilagradientti.

Lisäilmaa syötetään tangentiaalisten tuloaukkojen kautta pylvään yläosassa, mutta tämän tarkoituksena on vain nopeuttaa niitä hiukkasia, jotka voivat menettää jonkin verran nopeuttaan.

Kertyminen vältetään tärytyslaitteella, joka on asennettu pylvään seinään.

Hiukkasten/heImien viipymäaikaa julkaisun 740145 uunissa säädetään ahtaiden rajojen puitteissa säätämällä nopeutta, jolla hiukkaset suihkutetaan liekkiin pylvään pohjassa.

GB-patenttijulkaisussa n:o 875292 esitetään laite, ks. kuvioita 1-3, jossa on pystysuoraan sijoitettu uuni, johon syötetään palavaa kaasuilmaseosta yhdessä murskattujen lasihiukkas-ten kanssa. Tästä muodostuvat helmet kulkevat karkaisu-vyöhykkeen läpi alempaan kokoomasäiliöön tai karkaisuvyö-hykkeen yläosassa olevan kaasuhormin kautta syklonierotti-meen. Lämpötilagradientti esiintyy karkaisuvyöhykkeen yli aivan ylöspäin uunista, jossa kuumat kaasut joutuvat jääh- 4 dytysilmaan. 6-^622

Lisäksi hiukkasten/helmien kulkurata mainitussa laitteessa karkaisuvyöhykkeen läpi on helmimassan/painovoiman funktion ja/tai helmimassan/palaneen kaasun nopeuden funktio.

Toisessa laitteessa, joka on esitetty GB-julkaisun 875292 kuvioissa 6 ja 8, on polttimia 51, joita säädetään, niin että ne antavat palaneille kaasuille uunin alueella kie-rukkavaikutuksen, joka pyrkii tasoittamaan lämpötilan koko uunissa. Välittömästi uunin yläpuolella on karkaisu-vyöhyke. Ilmaa annetaan virrata laitteeseen uunin alapuolella olevista tuloaukoista 76, ks. kuviota 6, jolloin ilman tarkoituksena on osaksi auttaa palamista ja osaksi estää hiukkasten/helmien kertyminen uunin seinille.

Tässä laitteessa muodostuneet helmet kootaan ylähormin ja syklonierottimen avulla.

Toisen laitteen lämpötilagradientti sijaitsee taas laitteen korkeussuunnassa, ts. oleellisen samaviivaisesti hiukkasten/helmien kulkuradan kanssa. Molemmissa laitteissa on ilmeinen lämpötilagradientti uunien yli keskisten palaneiden kaasujen ja uunien seinillä olevan viileämmän ilman takia; kaasujen ja hiukkasten/helmien päävirtaus tapahtuu kuitenkin ylöspäin .

US-patenttijulkaisussa n:o 3190737 esitetty uuni on periaatteessa kattovetouuni ja käsittää toisiinsa yhdistettyjen, lieriömäisten kammioiden avoimen teleskooppimuodostelman, jonka läpi syötetään palavaa ilma-kaasuseosta ja hiukka-sia/helmiä yhdessä kohoavan ilmavirran kanssa kammioiden kehällä. Ilma syötetään tangentiaalisten aukkojen kautta teleskooppikairmioiden yhtymäkohdissa, ja se pyörteilee kammioiden seiniä vasten yhteensulautumisen ja kertymisen estämiseksi. Palavista kaasuista tuleva liekki on tarkoitettu saamaan aikaan kuumennuksen uunin koko pituudelta, ja 5 69622 hiukkaset/helmet pakotetaan pysymään pääasiassa uunin keskialueella ja itse asiassa harhailevat hiukkaset/helmet työnnetään takaisin keskustaan pyörteilevän ilmatyynyn vaikutuksesta .

Kaikissa yllä mainituissa sovitelmissa viipymäaika on pitkä, ja hiukkasten/helmien pitkät viipymäajat johtavat ei-toivot-tuun, suureen tehon kulutukseen.

Esillä oleva keksintö koskee menetelmää lasihelmien valmistamiseksi, joka käsittää vaiheet, joissa a) ensimmäistä palavaa kaasua tai kaasujen seosta syötetään pääasiassa lieriömäiseen kammioon, b) ensimmäinen kaasu sytytetään liekin muodostamiseksi, jolla on riittävä koko ja lämpötila siihen johdettujen lasihiukkasten sulattamiseksi, c) luonteeltaan hapettavan toisen kaasun tai kaasujen seoksen virta syötetään kammioon pääasiassa tangentiaali-sesti kammion seinän suhteen, ja d) lasihiukkasia tai lasia muodostavia aineita syötetään liekkiin.

Menetelmälle on tunnusomaista se, että toisen kaasun tai kaasujen seoksen virta saa liekin pyörteilemään pyörteen tavoin ja saa aikaan liekkiä ympäröivän kaasukarkaisuvyö-hykkeen, ja että lasihiukkasia tai lasia muodostavia aineita syötetään pyörteilevään liekkiin siten, että hiukkaset joutuvat liekkiin sen keskiosassa tai sitä kohti ja seuraavat kierukkarataa liekin läpi riittävän kauan aikaa, niin että muodostuu helmi, joka sen jälkeen joutuu karkai-suvyöhykkeeseen, jossa se kovettuu, ennen kuin se saavuttaa kammion seinän, jolloin helmen muodostamiseksi tarvittava viipymäaika lyhenee, minkä jälkeen näin muodostuneet helmet kootaan.

69622 6

Keksintö koskee myös laitetta lasihelmien valmistamiseksi, johon kuuluu lieriömäinen kammio, useita suuttimia, jotka on sovitettu pääasiassa ympyrän muotoon kammion akselin ympärille ensimmäisen kaasun syöttämiseksi kammioon, sytytys-laite, poistokaasujen poistoaukko, laite lasista tai lasia muodostavista aineista tehtyjen hiukkasten syöttämiseksi kammioon ja ainakin yksi poistoaukko, joka on muodostettu kammion seinään lasihelmien kokoamiseksi. Laitteelle on tunnusomaista, että siinä on ainakin yksi tuloaukko, joka on tangentiaalisesti järjestetty kammion kehäseinässä toisen kaasun syöttämiseksi paineen alaisena kammioon ja että laite hiukkasten suihkuttamiseksi avautuu kammioon samalla puolen kammiota kuin suuttimet kammion akselin suuntaisesti ja sen vieressä tai lähellä sitä.

Edullisesti kammio on sovitettu siten, että sen akseli on pääasiassa pystysuora, lasihiukkaset suihkutetaan ylöspäin kammion alapäästä ja helmet otetaan talteen siten, että ne putoavat mainittuun alapäähän, jossa ne kootaan.

Edullista on myös, että lämpötilagradientti kammion yli on pääasiassa korkean hatun muotoinen, niin että saadaan kuu-mennusvyöhyke, jolla on riittävä lämpötila lasihelmien muodostamiseksi, ja karkaisuvyöhyke, jolla on hyvin paljon alempi lämpötila. Eräässä esimerkissä, jossa ensimmäinen kaasu oli propaa- 7 69622 ni-ilmaseos, kuumennusvyöhykkeen lämpötila oli yli 1000°C ja karkaisuvyöhykkeen lämpötila oli alle 300°C ja edullisesti alle 150°C.

Toisessa esimerkissä, jossa ensiökaasuna käytetään propaa-ni-ilma-happiseosta, vastaavat lämpötilat olivat yli 1500°C ja alle 500°C, edullisesti alle 200°C.

Keksintö tarjoaa myös laitteen lasihelmien valmistamiseksi yllä kuvatulla menetelmällä, joka laite käsittää pääasiassa lieriömäisen kammion, ainakin yhden suuttimen mainitun ensimmäisen kaasun syöttämiseksi kammioon, sytytyslaitteen, ainakin yhden tuloaukon mainitun toisen kaasun syöttämiseksi paineen alaisena kammioon, poistokaasujen poistoaukon ja laitteen lasihiukkasten tai lasia muodostavien aineiden suih-kuttamiseksi kammioon.

Edullisesti kammio on sovitettu siten, että sen akseli on pääasiassa pystysuora, mainittu ainakin yksi suutin sijaitsee kammion akselin vieressä sen alapäässä, kaasun poistoauk-ko on sama-akselinen kammion kanssa sen yläpäässä ja mainittu ainakin yksi tuloaukko sijaitsee kammion kehäseinässä.

Keksintö tarjoaa edelleen yllä kuvatulla menetelmällä ja laitteella valmistettuja helmiä sekä tällaisia helmiä sisältäviä teiden merkintäaineita.

Seuraavassa selitetään esimerkin vuoksi lasihelmien valmistukseen keksinnön mukaisella menetelmällä sopivan pyörreuunilait-teen edullista suoritusmuotoa viitaten oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 on kaaviollinen sivupystykuva pyörreuunilaitteesta, kuvio 2 on suurennettu leikkaus kuvion 1 laitteen poltinyksi-kön läpi, kuvio 3 on suurennettu leikkaus kuvion 1 laitteen aineen suih-kutussuuttimen läpi, kuvio 4 on kaaviollinen tasokuva kuvion 1 laitteen uunikammi- 8 69622 osta ja esittää hiukkasen kulkurataa kammiossa, kuvio 5 on kaaviollinen kuviota 4 vastaava sivukuva, ja kuvio 6 on diagrammi, joka esittää uunikammion lämpötilapro-fiilia kahden erilaisen käyttöolosuhdesarjän aikana.

Piirustukset esittävät pyörreuunilaitetta, jota käytetään erityisesti lasihelmien valmistukseen. Laitteen pääkomponentit ovat uuni 1, poltinyksikkö ja kaasuvarasto, jota on yleisesti merkitty numerolla 2, sekä raaka-aineen syöttölaite, jota on yleisesti merkitty numerolla 3.

Uuni 1 on oleellisen lieriömäinen kammio 10, jonka alemmassa päätyseinässä 12 on keskireikä, jossa poltinyksikkö 13 sijaitsee. Kammion kehäseinään 14 on kiinnitetty neljä tangentiaa-lisesti sijoitettua ilman tuloaukkoa 16, jotka on sovitettu kahdeksi diametraalisesti vastakkaiseksi pariksi, toinen kammion 10 yläpuoliskoon ja toinen alapuoliskoon. Tuloaukot 16 suippenevat taaksepäin putkiksi 17, jotka on yhdistetty kokoo-maputkella (ei esitetty) toisioilman lähteeseen 18. Lähde 18 voi olla tunnetuntyyppinen pumppu, jossa on sopivat säädöt ilmavirran nopeutta varten tuloaukkoihin 16.

Tarkastusaukko 20 sijaitsee kammion seinässä 14 samoinkuin aukko 21, johon voidaan sijoittaa lämpöpari kammion 10 lämpötilan mittausta varten. Lasihelmien poistoaukko 22 sijaitsee ala-päätyseinän 12 kehällä ja lisäpoistoaukkoja 22' on sovitettu kammion kehän ympäri.

Kammion yläpäätyseinään 23 kuuluu keskeisesti sijoitettu hormi 24, jonka halkaisija on laskettu seuraavassa selitettävällä tavalla. Hormissa 24 on pysäytyslaatta 25 rengasmaisen poisto-aukon 26 muodostamiseksi kammiosta poistuville kaasuille, ja poistoyksikkö 27 on sijoitettu hormin yläpuolelle. Kammio 10 on asennettu jalkojen 28 varaan. Kammio on valmistettu pehmeästä teräksestä, ja sen halkaisija ja korkeus ovat suunnilleen yhtä suuret.

Poltinyksikössä 13 (jota selitetään yksityiskohtaisemmin seuraa- 9 69622 vassa) on tulokohta poltettavaa kaasu-ilmaseosta varten.

Kaasu ja ilma sekoitetaan sekoitussuppiloputkessa 31, johon ilmaa (ensiöilmaa) syöttää pumppu 32 tai jokin muu sopiva laite. Palamiskaasua, tavallisesti propaania, syötetään sup-piloputkeen 31 johdon 34 kautta, johon kuuluu tunnetuntyyppi-set virtauksensäätö- ja -mittausventtiilit ja -laitteet. Johdossa 34 on myös sulkuventtiili 36, joka automaattisesti sulkee ja katkaisee kaasun syötön, mikäli järjestelmän joissakin osissa esiintyy toimintahäiriö. Tämä estää palamattoman kaasun kertymisen kammioon. Venttiili 36 sulkeutuu a) ensiöilman syötön häiriintyessä, b) toisioilman syötön häiriintyessä ja c) liekin häiriintyessä (jonka ilmaisee ultraviolettiherkkä valokenno 38 kammion kehäseinässä).

Kuviossa 2 esitetty poltinyksikkö 13 käsittää kaksi samankeskistä putkea 41, 42, joiden yläpäihin on hitsattu rengaslai-pat 43, 44. Laippaan 43 kuuluu pyöreä pystysuora seinäosa 45, jonka avulla poltinyksikkö on kiinnitetty kammion alapäätysei-nään 12. Yläpäästään avoin putki 42 ulottuu laipan 43 yläpuolelle, niin että kahden laipan väliin putken 42 ympärille muodostuu rengaskammio 46. Laipasta 44 alaspäin ulottuva ja laippaan 43 rajoittuva lieriömäinen seinäosa 47 sulkee kammion ja sisältää useita kaasun poistosuuttimia 48.

Seinäosan 47 ympärillä voi olla noin 30 keskinäisin välein ... 1-0 sijaitsevaa suutmta, jotka avautuvat seinän läpi n. 45 :n kulmassa putkien 41, 42 akselin suhteen, kuten kuviossa 2 esitetään. Putki 41 on suljettu alapäästään putken 42 ympärille, niin että muodostuu rengaskanava 49, jonka läpi tulokohtaan 30 tuleva kaasu-ilmaseos kulkee. Putken 42 alapää on yhdistetty raaka-ainevarastoon, kuten seuraavassa selitetään.

Esittämättä jätetty kipinälaite on kiinnitetty poltinyksik-köön kaasu-ilmaseoksen sytyttämiseksi, ja kipinälaitetta samoinkuin ensiöilma- ja kaasuvirtaa säädetään kaukosäädöllä oh-jaustaulusta 50 käsin.

10 69622

Lasimurskaa tai uunissa käsiteltävää raaka-ainetta syötetään raaka-aineen syöttölaitteesta 3. Laite 3 käsittää syöttösuppilon 51, joka syöttää lasimurskaa jatkuvasti tärysyötinvirtaussäätimeen 52. Tärysyötin 52 mittaa murs-kavirran pyörivään venttiiliin 53, (jota käyttää moottori 55), joka purkaa murskan venturilaatikkoon 54. Laatikossa murska kuljetetaan johdosta 56 syötetyssä paineilmavirras-sa ja johdon 57 kautta putkeen 42.

Raaka-aineen virtausnopeuden ollessa suuri venturilaatikko voi toimia positiivisella manometripaineella, jolloin pyörivä venttiili toimii säädettynä vuotolaitteena. Venturilaatikkoon voidaan sovittaa toinen ilman syöttö, joka päättyy leijuttimeen raaka-ainevirran edistämiseksi.

Pyörivä venttiili, venturilaatikko ja putkisto on suunniteltu toimimaan aina 300°C:n lämpötilassa. Tämä mahdollistaa jauhetun lasin esilämmityksen.

Syötetyn ilman paineen ja virtausnopeuden määräävät putken halkaisija ja toivottu lasin syöttönopeus. "Lasilähteen" korkeuden säätöön tarvitaan erillistä järjestelmää, joka on esitetty kuviossa 3. Putken 42 yläpää on hieman levitetty, ja ohjauskartio 58 on sijoitettu (kärki alaspäin) putken avoimen pään viereen. Jotta putkea 42 ylös kulkeva murska ei pääsisi sijoittumaan putken yhdelle alueelle, on paineen alaisen ilman lähde 59 yhdistetty putken 42 aukkoon 60.

Tämä toisioilma tulee putkeen sopivassa kulmassa, niin että ilma putkessa 42 pyörteilee, mikä takaa, että murska poistuu putkesta 42 putken koko kehää pitkin ja hajaantuu tasaisesti laajennukseen.

Pyörreuunin toiminta on seuraava. Ilmapyörteen kehittää tangentiaalinen ilmavirta, joka tulee lieriömäiseen kammioon 10 kahden diametriaalisesti vastakkaisen ilman tulo-aukkoparin 16 läpi.

Liekin alun sijaitessa kammion pohjassa kehittyy keskinen,

II

11 69622 hyvin kuuma ja selvästi rajattu, lieriömäinen pyörreliekki A, joka muodostaa laitteen keskikuumennusvyöhykkeen. Sisään tuleva toisioilmavirta kehittää viileän ilman ulkoalueen, joka muodostaa jäähdytysvyöhykkeen. Tämä ympäröi kokonaan pyörteen kuumaa keskialuetta. Lasihiukkasia suihkutetaan kammioon laitteen pohjan keskiosasta, ja niiden annetaan joutua mukaan pyör-revirtaan. Hiukkasten liikemäärä ja hiukkaisiin vaikuttavat keskipakoisvoimat saattavat ne seuraamaan kierukkarataa C ylöspäin ja ulospäin laitteen pohjasta (kuviot 4 ja 5). Seuratessaan tätä kierukkarataa kammion läpi hiukkaset kulkevat ensin keskikuumennusvyöhykkeen läpi, jossa ne saavuttavat n. 1000°C:n lämpötilan, jolloin ne sulavat ja pyöristyvät pintajännityksen vaikutuksesta. Hiukkaset kulkevat suoraan ympäröivään jäähdytysvyöhykkeeseen, jossa ne jähmettyvät kiinteiksi lasipalloiksi, ennenkuin ne osuvat laitteen seinään ja joko putoavat laitteen pohjaan tai poistuvat kammiosta aukkojen 22' kautta. Koko prosessin aikana lasihiukkaset pysyvät erillisinä eivätkä törmää toisiinsa tai laitteen mihinkään osaan ennen jäähtymistään ja jähmettymistään, jolloin ne putoavat pohjaan aukon 22 kautta. Kammiossa 10 voi olla ohjaimia, jotka ohjaavat käsitellyt helmet poistoaukkoa 22 kohti. Liekki kehitetään poltinyksiköstä, joka sijaitsee kammion pohjan keskellä. Kaasuvirtaa säätää tavanomainen virranmittauslaite. Propaanin, luonnonkaasun tai jonkin muun sopivan palavan kaasun ja ilman seosta käytetään. Kaasu-ilmavirran säätö mahdollistaa kaasu-ilmasuhteen muutoksen tarpeen mukaan.

Havaitaan, että ensiöilma esisekoitetaan kaasun kanssa palamista varten, kun taas tangentiaalisiin ilman tuloaukkoihin syötetty toisioilma kehittää pyörrevirran ja täydentää hapen tarvetta palamista varten.

Kammiossa 10 voidaan kehittää kaksi erillistä liekkitilaa, joista käytetään nimityksiä vapaa ja kiinteä pyörretila. Molemmat liekkityypit kehitetään samoista tai samanlaisista poltinyksi-köistä ja samanlaisissa aerodynaamisissa olosuhteissa kammiossa. Kriittiset tekijät, jotka määräävät kumpi näistä kehite- 12 tään, ovat: 6 9 6 2 2 i) kaasun virtausnopeus ii) hormin ja polttimen rakenne sekä mitat.

Pyörrekammiossa on kaksi erillistä aluetta, jotka ovat vapaa ja kiinteä pyörretila. Kammion 10 keskialue, jonka halkaisijan määrää hormin 24 halkaisija, on kiinteä pyörretila. Tätä aluetta ympäröivä ja kammioon ulottuva rengasmainen tila on vapaa pyörretila.

Seuraavassa esitetään yhteenvetona kummankin liekkitilan ominaisuuksia ja vaatimuksia.

Vapaan pyörretilan vaatimukset eivät ole kovin nimenomaisia. Tälle tilalle on ominaista rajoitetumpi, erittäin pyörteile-vä ja voimakas liekki, jolla on suuret 1ämmönkehitysnopeudet.

Se saadaan suurella kaasuvirtausnopeusalueella, ja sillä on suurempi pyörintänopeus. Liekin halkaisijan määrää polttimen kaasun poistoaukkojen 48 halkaisija. Vapaata pyörteen kehitystä varten tämän on oltava suurempi kuin kammion hormin halkaisija. Liekin kehitys tapahtuu kammion ulommassa vapaassa pyörretilassa. Tämän tyyppinen liekki voidaan kehittää polt-tokaasuun esisekoitetulla ensiöilmalla tai ilman sitä, ja se kehittää aksiaalisesti pienikokoisen kuumennusvyöhykkeen, jolla on suuri pyörimisnopeus, joka on vähemmän sopiva lasihelmien tuotantoon.

Kiinteän pyörretilan vaatimukset ovat selvempiä. Tälle on ominaista hyvin laaja, vähemmän pyörteilevä, mutta hyvin kuuma liekki, jolla on pienemmät lämmönkehitvsnopeudet. Liekin halkaisijan määräävät hormin mitat, ja se on normaalisti noin 90 % hormin halkaisijasta. Liekin halkaisija on hyvin herkkä hormin mitoille; kapea hormi antaa tulokseksi kapean, kiinteän pyörre-liekin jopa suurilla kaasun virtausnopeuksilla.

Käytettäessä laajaa hormin aukkoa, joka on esimerkiksi 80 % kammion halkaisijasta, ja riittävää kaasun virtausnopeutta, saadaan laaja kiinteä pyörreliekki. Liekki voi olla 70 % kam- 13 69622 mion halkaisijasta. Liekin halkaisijan herkkyyttä kuvaa se seikka, että jos laajaa liekin halkaisijaa peittää kapea pois-toyksikkö 27, joka sijaitsee liian lähellä pyörrek aniini on yläosaa, liekin halkaisijan määrää poistoaukon halkaisija eikä kammion hormin halkaisija.

Pysyvä palaminen saadaan aikaan kammiossa käyttämällä tulpal-lista tai rengasmaista hormia. Savuhormin pohjan keskellä sijaitseva pyöreä laatta 25 saa aikaan rengasmaisen hormin 26, jonka on todettu stabiloivan pysyvää pyörretilaa. Tyypillisesti laatan halkaisija on n. 80 % hormin aukon halkaisijasta.

Tällainen pyörreliekki saadaan helpommin syöttämällä ensiö-ilmaa, joka antaa tulokseksi kaasu-ilmaseoksen palamista varten. Liekin halkaisijan määrää hormin geometria eivätkä polt-timen mitat.

Kiinteä tila saa aikaan lasihelmien muodostukselle ihanteelliset kuumennus- ja jäähdytysolosuhteet. Kuviossa 6 on viitteellä P esiettty tyypillinen, kammion kiinteälle liekkitilalle saatu lämpötilaprofiili.

Keksinnön mukaista lasihelmien valmistusmenetelmää toteutettaessa suoritetaan seuraavat vaiheet: a) palavan kaasun säädetty virta syötetään kammioon 10 kaasun syöttölaitteen 2 kautta, b) kaasu sytytetään, niin että kammion 10 alaosaan muodostuu keskitetty liekkilieriö, c) kammioon 10 syötetään tangentiaalisten aukkojen 16 kautta säädetty ilmavirta, joka osaltaan vaikuttaa liekin muodostukseen ja muotoon saattamalla sen pyörteilemään pyörteen tavoin ja joka myös tuottaa karkaisuvyöhykkeen, jossa pyörteilevä kaasu ympäröi mainittua liekkiä ja jonka lämpötila on lähellä ympäristön lämpötilaa, d) säädetty lasimurskamäärä syötetään ennalta määrätyllä suih-kutusnopeudella pyörteilevän liekkilieriön keskustaan tai sitä kohti suihkutusputkella 42 siten, että hiukkaset joutuvat mukaan pyörteeseen ja pakotetaan seuraamaan kierukkarataa C, κ 69622 joka ulottuu ylöspäin ja ulospäin kammiossa sen kehäseinää kohti, jolloin hiukkaset jäävät pyörteilevään liekkiin riittävän pitkäksi ajaksi, niin että ne saavat pallomaisen muodon muodostaen helmen, joka sen jälkeen joutuu jäähdytysvyö-hykkeeseen, jossa helmeen kohdistuu jäähdytysvaikutuksia, jotka kovettavat helmen ulkokuoren, jollain vältytään helmien yhteensulautumiselta samoinkuin helmien kertymiseltä uunikam-mion seinään, ja e) helmet otetaan talteen joko kammion 10 aukoista 22', johon ne ensin kertyvät osuttuaan kammion seinään, tai kammion pohjasta, jonne ne putoavat muodostuttuaan palloiksi ja jähmetyt-tyään.

Havaitaan, että pienemmät murskahiukkaset pyrkivät seuraamaan alempia, lyhyempiä ratoja kammiossa 10 ja viipyvät kammiossa lyhyemmän ajan kuin suuremmat hiukkaset.

Yllä kuvatussa uunissa juuri kuvatulla menetelmällä valmistetut helmet ovat parempia verrattuina tunnetuista kaupallisista valmistusmenetelmistä saatuihin helmiin. Lisäetuna on myös, että helmet valmistetaan sellaisella energiamäärällä helmien tuotan-totilavuusyksikköä kohti, joka on huomattavasti pienempi kuin polttoaineen kulutus tunnetuissa tuotantomenetelmissä. Itse asiassa kuvatulla menetelmällä voidaan odottaa saavutettavan yli 50-75 % polttoainesäästöjä riippuen valmistettavasta helmestä verrattuna tunnettuihin lasihelmien valmistusmenetelmiin.

Polttoainetta voidaan edelleen säästää esikuumentamalla lasi-murska n. 200-300°C:n lämpötilaan. Murska voidaan kuumentaa täten käyttämällä kuumia savukaasuja ja sopivaa lämmönvaihdin-järjestelmää.

Eräässä esimerkkikammiossa, jonka halkaisija oli 1 m ja korkeus 1 m ja johon syötettiin propaani-ilmaseosta, käytön muuttujat olivat seuraavilla alueilla: kaasun virtausnopeus 1400-14000 1/min ensiöilman virtausnopeus 280- 7000 1/min toisioilman virtausnopeus 5600-56000 1/rain (1400-14000 1/min/tuloaukko) liekin lämpötila kuten kuvion 6 viiva P osoittaa liekin leveys 10-90 cm lasihelmien tuotantonopeus aina 20 kg/min asti 15 69622 Tämän kammion käytön eräässä esimerkissä 2,04 kg lasimurskaa käsiteltiin kammion läpi polttamalla 85 1 propaania. Tuotettiin 2,00 kg lasihelmiä, joista 95 % oli palloja ja 5 % oli liekin kiillottamia hiukkasia ja murskahiukkasia, jotka eivät olleet muuttuneet helmiksi. Energian kulutus oli suunnilleen 3,6 MJ/kg helmiä.

Kuvion 6 viivan P kuvaama lämpötilaprofiili on erityisen sopiva valmistettaessa lasihelmiä murskasta, mutta kammiossa 10 voidaan helposti saavuttaa korkeampia lämpötiloja. Tämä voidaan saada aikaan joko esikuumentamalla syötetty ensiö- tai toisioilma tai suurentamalla ensiöilman happipitoisuutta lisäämällä puhdasta happea palamiskaasuihin ennen palamista.

Käyttämällä pyörreliekin happirikastusta voidaan kehittää suunnilleen 2000°C:n lämpötiloja. Tyypillinen, tämäntyyppisestä liekistä saatu lämpötilaprofiili on esitetty kuviossa 6 viitteellä T merkittynä. Aerodynaamiset olosuhteet kammiossa ovat samat kuin yllä kuvatut. Lukuunottamatta paljon suurempaa lämpötilan nousua liekin raja-alueen yli liekin ominaisuudet ovat oleellisesti samat kuin pysyvän pyörreliekin kohdalla on kuvattu.

Korkeat palamislämpötilat nopeuttavat huomattavasti lämmönsiirtoa mukana tulleeseen raaka-aineeseen, ja paljon suurempia kuu-mennusnopeuksia saavutetaan. Vaikka 1000°C saattaa olla vähimmäislämpötila prosessin onnistuneen toiminnan kannalta, optimaalinen hyötysuhde voidaan hyvin saavuttaa korkeammilla käyttölämpötiloilla, esim. 1400°C:lla. On osoitettu, että pyörteen lämpötilaa voidaan säätää säätämällä kaasu-ilmaesiseoksen happipitoisuutta. Happipitoisuutta lisäämällä voidaan pyörteen lämpötilaa säätää, niin että saadaan esim. 1400°C:n, 1600 C:n tai 1800°C:n lämpötilat. Noin 2000-2500°C:n enimmäislämpötilat ovat odotettavissa stökiometrisella hapen tarpeella käytettä- 16 69622 essä propaania käyttävää ensiöilman esikuumennusta.

Korkeampien pyörrelämpötilojen käytön lisäetuina ovat suuremmat tuotantonopeudet ja/tai käsittelykammion mittojen pienen-nysmahdollisuus.

Korkeampia lämpötiloja voidaan myös käyttää muodostamaan helmiä lasia muodostavista aineista eikä lasimurskasta.

Useilla oksideilla, sekä metallisilla että ei-metallisilla, on lasia muodostavia ominaisuuksia. Yleisin ja kaupallisesti eniten käytetty on piidioksidi, SiC^, jota käytetään lasia muodostavana perusoksidina useimmissa kaupallisissa laseissa.

Eräässä lasin valmistusmenetelmässä oksidi kuumennetaan sen suiamislämpötilan yläpuolella oleviin lämpötiloihin, kunnes se on täysin sulanut, minkä jälkeen se jäähdytetään nopeasti. Joitakin oksideja käytettäessä saadaan lasia, mikäli jäähdytys on riittävän nopea. Käytettäessä lasia muodostamattomia oksideja oksidi saadaan kiteisessä muodossa. Oksidisulatteiden hitaampi jäähdytys johtaa aina kiteytymiseen. Jäähdytysnopeus on sen tähden kriittinen muodostettaessa laseja oksidisulat-teista. Laseja kuvataan joko lasimaisiksi, amorfisiksi tai ei-kiteisiksi. Tärkeä ominaisuus on kiteisyyden puuttuminen niiden rakenteesta. Lasit ja kiteiset aineet voidaan helposti erottaa toisistaan tutkimalla niiden fysikaalisia ominaisuuksia, erityisesti niiden optisia ja diffraktio-ominaisuuksia. Kaikki lasit ovat termodynaamisesti metastabiileja ja palautuvat aina ajan mukana tai lämpökäsittelyn myötä pysyvämpiin kiteisiin muotoihinsa; esimerkiksi piidioksidin stabiili kiteinen muoto on kvartsi.

Kaikista puhtaista oksidilaseista piilasi on helpoimmin muodostettavissa ja devitrifioituu eli kiteytyy huonoimmin. Sinänsä voidaan verraten suuria oksidimääriä lisätä piidioksidiin säilyttämällä lasia muodostavat ominaisuudet. Kaupallinen lasi sisältää n. 30 paino-% sekä natriumkarbonaattia (Na20) että kalkkia (CaO) - tämä on ns. natronkalkkilasi eli tavallinen il 17 69622 lasi.

Muita oksideja voidaan lisätä, niin että saadaan ominaisuuksiltaan erilaisia laseja:, titaanioksidia (TiC^Hai lyijyoksidia (PbO) voidaan lisätä taitekertoimen ja tiheyden lisäämiseksi, a lumin iumoksi di a (A^O^) kohottamaan pehmenemislämpötilaa ja sitkeyttä, rautaoksideja (Fe20^) väriä antamaan jne.

Yllä kuvattu menetelmä, jossa kuitenkin käytetään lämpötila-profiilia T, sopii valmistamaan helmiä laseista, joilla on jokin yllä mainittu koostumus.

Käytettäessä korkean lämpötilan menetelmää lasihelmet voitaisiin valmistaa murskatusta kvartsista tai suoraan kvartsista tai runsaasti kvartsia sisältävästä hiekasta, jolla on sopiva hiuk-kaskoko ja laatu.

Kvartsin sulamispiste (1632°C) on sen lämpötila-alueen puitteissa, joka voidaan saavuttaa joko käyttämällä happirikastusta tai ilman esikuumennusta.

Verraten puhtaasta kvartsista valmistetut helmet olisivat puhdasta piilasia, ja sellaisinaan niillä olisi hyvä kemiallinen ja fysikaalinen kestävyys.

Toteutettaessa helmien valmistusmenetelmää uunia käyttämällä uskotaan, että helmet tuotetaan hyötysuhteilla, jotka ovat ylivoimaisesti paremmat kuin tunnetuissa uuneissa saavutettavat hyötysuhteet. Tämä johtuu seuraavasta olosuhteiden yhdistelmästä, johon kuuluu: a) entistä parempi kaasuseoksen palaminen kammiossa. Itse asiassa katsotaan, että olosuhteet ovat lähellä olosuhteita, joita pidetään ihanteellisina kaasujen palamisen kannalta, b) uunin pyörteilevien tilojen lämmönsiirto-ominaisuudet, jotka mahdollistavat nopean ja tehokkaan lämmönsiirron uunin kaasukehästä lasihiukkasiin, c) helmien kulkuradan aerodynaaminen säätö kammiossa, nimittäin: 18 69622 i. pienillä helmillä on matalat ja lyhyet kulkuradat ja ii. suurilla helmillä on korkeat ja pitkät kulkuradat, d) helmien tiheyttä uunissa voidaan merkittävästi suurentaa, ts. helmet voivat sijaita paljon lähempänä toisiaan, koska helmien kulkuradat ovat näin säädettävissä ja tähän päästään ilman, että hiukkasten ja helmien välinen yhteentörmäysvaara suurenee, jolloin vältytään hiukkasten ja helmien yhteensulautumiselta, e) kammion kehäseinän viereisen ilmaverhon ylivoimaisesti paremmat jäähdytysominaisuudet, jolloin i. saadaan aikaan helmien nopeampi jäähtyminen, ja ii. vältytään helmien kertymiseltä uunin seinälle, ja f) "silinteri"-lämpötilagradientin aikaansaaminen diametraali-sesti uunin yli sen ollessa käytössä.

Claims (16)

19 69622

1. Menetelmä lasihelmien valmistamiseksi, joka käsittää vaiheet, joissa a) ensimmäistä palavaa kaasua tai kaasujen seosta syötetään pääasiassa lieriömäiseen kammioon, b) ensimmäinen kaasu sytytetään liekin muodostamiseksi, jolla on riittävä koko ja lämpötila siihen johdettujen lasihiukkas-ten sulattamiseksi, c) luonteeltaan hapettavan toisen kaasun tai kaasujen seoksen virta syötetään kammioon pääasiassa tangentiaalisesti kammion seinän suhteen, ja d) lasihiukkasia tai lasiamuodostavia aineita syötetään liekkiin, tunnettu siitä, että toisen kaasun tai kaasujen seoksen virta saa liekin pyörteilemään pyörteen tavoin ja saa aikaan liekkiä ympäröivän kaasukarkaisuvyöhykkeen, ja että lasihiukkasia tai lasia muodostavia aineita syötetään pyör-teilevään liekkiin siten, että hiukkaset joutuvat liekkiin sen keskiosassa tai sitä kohti ja seuraavat kierukkarataa liekin läpi riittävän kauan aikaa, niin että muodostuu helmi, joka sen jälkeen joutuu karkaisuvyöhykkeeseen, jossa se kovettuu, ennenkuin se saavuttaa kammion seinän, jolloin helmen muodostamiseksi tarvittava viipymäaika lyhenee, minkä jälkeen näin muodostuneet helmet kootaan.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kammio on sovitettu siten, että sen akseli on pääasiassa pystysuora, lasihiukkaset suihkutetaan ylöspäin kammion alapäästä ja helmet otetaan talteen siten, että ne putoavat mainittuun alapäähän, josssa ne kootaan.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ensimmäinen kaasu on palavan kaasun ja ilman seos ja toinen kaasu on ilma.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että palava kaasu on propaani.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, lämpötilagradientti kammion yli on pääsiassa silinteri- 69622 mainen muodoltaan, niin että muodostuu kuumennusvyöhyke, jonka lämpötila on yli 1000°C, niin että hiukkaset muodostavat lasihelmiä, ja karkaisuvyöhyke, jonka lämpötila on alle 500°C.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kuumennusvyöhykkeen lämpötila on yli 1000°C, ja karkaisuvyöhykkeen lämpötila on alle 300°C.

7. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kuumennusvyöhykkeen lämpötila on yli 1500°C ja karkaisuvyöhykkeen lämpötila on alle 500°C.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu Siitä, että ensimmäinen kaasu on propaanin, ilman ja hapen seos.

9. Laite lasihelmien valmistamiseksi patenttivaatimuksen 1 mukaisella menetelmällä, johon laitteeseen kuuluu pääasiassa lieriömäinen kammio (10), useita suuttimia (48), jotka on sovitettu pääasiassa ympyrän muotoon kammion (10) akselin ympärille ensimmäisen kaasun syöttämiseksi kammioon, sytytys-laite, poistokaasujen poistoaukko (26), laite (3) lasista tai lasia muodostavista aineista tehtyjen hiukkasten syöttämiseksi kammioon ja ainakin yksi poistoaukko (22), joka on muodostettu kammion seinään lasihelmien kokoamiseksi, tunnettu siitä, että siinä on ainakin yksi tuloaukko (16), joka on tangentiaalisesti järjestetty kammion kehäseinässä (14) toisen kaasun syöttämiseksi paineen alaisena kammioon ja että laite (3) hiukkasten suihkuttamiseksi avautuu kammioon samalla puolen kammiota kuin suuttimet (48) kammion akselin suuntaisesti ja sen vieressä tai lähellä sitä.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen laite, tunnettu siitä, että kammio (10) on sovitettu siten, että sen akseli on pääasiassa pystysuora, suuttimet (48) sijaitsevat kammion alapään vieressä ja kaasun poistoaukko (26) on sama-akselinen kammion kanssa sen yläpäässä. 69622

11. Patenttivaatimuksen 9 tai 10 mukainen laite, tunnettu siitä, että lasihiukkasten suihkutuslaitteeseen (3) kuuluu putki (42), joka avautuu kammion (10) akselin suunnassa suuttimien (48) keskiosassa.

12. Patenttivaatimuksen 9 tai 10 mukainen laite, tunnettu siitä, että siinä on neljä toisiokaasun tulo-aukkoa (16), jotka on sovitettu kahdeksi diametriaalisesti vastakkaiseksi pariksi.

13. Patenttiviraston 10 mukainen laite, tunnettu siitä, että kaasun poistoaukon (26) halkaisija on ainakin 50 % kammion halkaisijasta.

14. Patenttivaatimuksen 9 mukainen laite, tunnettu siitä, että se käsittää välineen (2) ensimmäisen kaasun syöttöä varten, johon välineeseen kuuluu virtauksensäätö-venttiili (35).

15. Patenttivaatimuksen 9 mukainen laite, tunnettu siitä, että suihkuttimeen kuuluu putki (57), jonka läpi puhalletaan paineilmaa ja johon hiukkaset syötetään.

16. Patenttivaatimuksen 15 mukainen laite, tunnettu siitä, että suihkutuslaitteeseen kuuluu lisäksi pyörivä venttiili (53) hiukkasten syötön mittaamiseksi. 69622