PL181074B1

PL181074B1 - Sposób i urządzenie do suszenia materiałów zawierających cząstki stałe

Info

Publication number: PL181074B1
Application number: PL96326607A
Authority: PL
Inventors: Momtaz N. Mansour; Ravi Chandran
Original assignee: Mfg & Tech Conversion Int Inc
Priority date: 1995-11-13
Filing date: 1996-11-12
Publication date: 2001-05-31
Also published as: AU1075597A; US5842289A; PL326607A1; RU2175100C2; JP2000500559A; NZ323739A; JP3629565B2; MX9803763A; DE69618613D1; US5638609A; BR9611713A; WO1997018426A1; DE69618613T2; AU705548B2; HK1017062A1; CZ288660B6; CN1144013C; ATE212118T1; SI0861408T1; CN1207805A

Abstract

1 . Sposób suszenia materialów zawiera- jacych czastki, w którym wytwarza sie pulsuja- cy przeplyw produktów spalania i fale cisnie- nia akustycznego, po czym kontaktuje sie pole pulsujacego przeplywu o wysokiej predkosci produktów spalania z ciecza zawierajaca czastki stale, znamienny tym, ze przed skontaktowa- niem produktów spalania z ciecza zawierajaca czastki stale przyspiesza sie pulsujacy prze- plyw produktów spalania do wytworzenia pola pulsujacego przeplywu o wysokiej predkosci, a nastepnie rozpyla sie ciecz z czastkami sta- lymi za pomoca pola pulsujacego przeplywu o wysokiej predkosci i miesza sie ja z produk- tami spalania przetrzymujac do przekazania ciepla produktów spalania rozpylonej cieczy i osuszenia zawartych w niej czastek stalych. PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do suszenia materiałów zawierających cząstki stałe. Wynalazek dotyczy zwłaszcza sposobu suszenia zawiesin poprzez dostarczanie ciepła do pulsacyjnego zespołu spalinowego do komory suszamiczej i wymiennika ciepła.

Urządzenia do pulsacyjnego suszenia materiałów są przydatne w szerokim zakresie zastosowań.

Sposoby suszenia materiałów oraz urządzenia do suszenia poprzez pulsacyjne spalanie są ujawnione w opisach patentowych US nr 5,059,404, US nr 5,211,704, US nr 5,255,634 oraz US nr 5,353,721. Znane urządzenia do pulsacyjnego suszenia materiałów zawierają komorę spalania dostosowaną do odbioru paliwa i powietrza. Paliwo i powietrze są mieszane w komorze spalania i okresowo zapalają się samoczynnie w celu wytworzenia wysokoenergetycznego przepływu pulsującego produktów spalania oraz fali ciśnienia akustycznego. Zwykle urządzenie do suszenia zawiera również co najmniej jedną wydłużoną rurę rezonansową związaną z komorą spalania w celu odbioru gorących gazów z tej komory w sposób okresowy. Pulsujący przepływ wytworzonych produktów spalania jest wykorzystany dla różnorodnych celów.

' ' Z opisu patentowego US nr 5,252,061 znane jest urządzenie do suszenia z zespołem pulsacyjnego spalania. W urządzeniu tym występuje zespół pulsacyjnego spalania i komora spalania, w wyniku czego wytwarzany jest pulsujący przepływ gorących gazów. Do wylotu komory spalania podłączona jest rura wylotowa, do wlotu tej rury podłączona jest komora doprowadzająca materiał, a do wylotu komory doprowadzającej materiał podłączona jest komora susząca. Urządzenie zawiera ponadto zespół chłodzący, służący do kontrolowania temperatury gorących gazów wypływających z rury wylotowej.

W opisie patentowym US nr 5,092,766 ujawniono sposób spalania pulsacyjnego i pulsacyjny zespół spalinowy. Pulsacyjny zespół spalinowy zawiera komorę, wlot powietrza z otwartym końcem, rurę rezonansową i przewód paliwowy oraz środki zapłonowe. Pulsacyjny zespół spalinowy ponadto zawiera środki doprowadzenia sprężonego gazu umieszczone w położeniu przeciwnym do otwartego końca wlotu powietrza, w wyniku czego strumień sprężonego gazu wyrzucany ze środków zasilających jest wdmuchiwany do komory spalania poprzez otwarty koniec wlotu¹ powietrza. Pulsacyjny zespół spalinowy jest otoczony przez termoizolacyjną pokrywę tworzącą między nimi pierścieniową przestrzeń, w którą wprowadzana jest część sprężonego gazu wyrzucanego ze środków doprowadzających sprężony gaz.

Pulsacyjny zespół spalinowy jest ujawniony w opisie patentowym US 4,992,043. Zespół ten służy do oddzielenia stałego materiału pozostającego w zawiesinie lub roztworze cieczy. W jednym przykładzie wykonania pulsacyjny zespół spalinowy jest podłączony do rury procesowej, która z kolei jest połączona z parą kolektorów cyklonowych. Materiał jest wprowadzany do wlotu rury procesowej, a uzyskany w rezultacie materiał poprocesowy jest odbierany ze strumienia spalania przez kolektory cyklonowe.

Podobne sposoby suszenia i urządzenia do suszenia są przedstawione w opisach patentowych US nr 5,136,793, US nr 4,701,126, US nr 4,695,248, US nr 4,637,794.

Sposób suszenia pulsacyjnego materiałów zawierających cząstki, według wynalazku polegający na tym, że wytwarza się pulsujący przepływ produktów spalania i falę ciśnienia akustycznego, po czym kontaktuje się pole pulsującego przepływu produktów spalania z cieczą zawierającą cząstki stałe, charakteryzuje się tym, że przed skontaktowaniem produktów spalania z cieczą zawierającą cząstki stałe przyśpiesza się pulsujący przepływ produktów

181 074 spalania do wytworzenia pola pulsującego przepływu o wysokiej prędkości, a następnie rozpyla się ciecz z cząstkami stałymi za pomocą pola pulsującego przepływu o wysokiej prędkości i miesza się ją z produktami spalania przetrzymując do przekazania ciepła produktów spalania rozpylonej cieczy i osuszenia zawartych w niej cząstek stałych.

Po osuszeniu oddziela się cząstki stałe od cieczy i produktów spalania. Pole pulsującego przepływu przyśpiesza się do prędkości wynoszącej minimum około 9 m/s.

Przyśpieszony przepływ produktów spalania i fali ciśnienia akustycznego doprowadza się do wymiennika ciepła i odprowadza się ciepło z przepływu w wymienniku ciepła, a co najmniej część produktów spalania opuszczających wymiennik ciepła zawraca się i miesza się zawrócony strumień z pulsującym przepływem produktów spalania tworząc czynnik wypływający podawany następnie do wymiennika ciepła, przy czym do zmieszania z pulsacyjnym przepływem produktów spalania automatycznie zasysa się zawrócone produkty opuszczające wymiennik ciepła poprzez wytwarzanie siły ssania za pomocą utrzymywania przed zmieszaniem różnicy ciśnienia pomiędzy pulsacyjnym przepływem produktów spalania i zawróconym strumieniem.

Pulsujący przepływ produktów spalania i falę ciśnienia akustycznego wytwarza się za pomocą pulsacyjnego zespołu spalinowego, w którym generuje się falę stojącą.

Według wynalazku, urządzenie pulsacyjne do suszenia materiałów zawierających cząstki, zawiera pulsacyjny zespół spalinowy wytwarzający pulsujący przepływ produktów spalania i falę ciśnienia akustycznego, który to pulsacyjny zespół spalinowy posiada komorę spalania i co najmniej jedną rurę rezonansową posiadającą wlot połączony z komorą spalania oraz wylot, przy czym przynajmniej część przynajmniej jednej rury rezonansowej jest otoczona komorą rezonansową.

Urządzenie według wynalazku charakteryzuje się tym, że komora rezonansowa jest połączona z rurą rezonansową i ma pierwszy zamknięty koniec i drugi otwarty koniec z co najmniej jedną dyszą, przy czym dysze są połączone przepływowo z wylotem rury rezonansowej i są usytuowane z odstępem za wylotem w kierunku przepływu, a drugi otwarty koniec z co najmniej jednądysząjest przewężony względem komory rezonansowej.

Z co najmniej jedną dysząjest połączona komora suszamicza, która ma wlot materiałów do suszenia usytuowany za co najmniej jedną dyszą i w pobliżu niej.

Komora suszamicza posiada rozszerzającą się stożkową pierwszą sekcję usytuowaną w sąsiedztwie co najmniej jednej dyszy, przy czym kształt pierwszej sekcji jest dostosowany do kształtu strumienia produktów spalania wylatujących z co najmniej jednej dyszy.

Z co najmniej jedną dysząjest połączone wejście pompy strumieniowej, przy czym wejście pompy strumieniowej jest połączone z przewodem recyrkulacyjnym odchodzącym od wylotu wymiennika ciepła.

Przewód recyrkulacyjny zawiera komorę recyrkulacyjną połączoną z pompą strumieniową, przy czym komora recyrkulacyjna otacza komorę rezonansową i tworzy między nimi kanał przepływu zawróconego strumienia produktów spalania wypływających z wymiennika ciepła.

Pompa strumieniowa jest zwężką Venturiego.

Pulsacyjny zespół spalinowy zastosowany w tym wynalazku może wytwarzać falę ciśnienia akustycznego o poziomie ciśnienia akustycznego w zakresie od około 161 dB do około 194 dB i częstotliwości w zakresie od około 50 Hz do około 500 Hz. Zastosowane tu pulsacyjne urządzenie spalinowe pozwala uzyskać wzrost szybkości wymiany ciepła i masy. Pulsacyjne urządzenie spalinowe w odróżnieniu od konwencjonalnych palników wytwarza stosunkowo czyste gazy spalinowe i wykazuje stosunkowo małe zużycie paliwa gdy pracuje jako urządzenie grzewcze.

W sposobie i urządzeniu według wynalazku pulsacyjny zespół spalinowy wytwarza pulsujący przepływ produktów spalania, które bezpośrednio stykają się z zawiesiną zawierającą cząstki stałe. Dzięki szczególnemu rozwiązaniu obecnego wynalazku zawiesina jest tu rozpylana przez produkty spalania, bez potrzeby stosowania konwencjonalnych rozpylaczy dyszowych o wysokich charakterystykach ścinających. Po rozpyleniu zawiesiny następuje odparowanie wody lub innych lotnych cieczy z cząstek stałych. Uzyskany w ten sposób strumień produktu jest podawany do zasobnika cząstek stałych w celu odzysku cząstek stałych.

181 074

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia urządzenie do suszenia materiału z cząstkami stałymi, w schematycznym przekroju; fig. 2 - urządzenie z fig. 1, w przekroju prostopadłym do przekroju z fig. 1; fig. 3 - inny przykład wykonania urządzenia do suszenia materiału, w przekroju; i fig. 4 przykład wykonania zespołu grzewczego urządzenia według wynalazku, w przekroju.

Na figurach 1 i 2 przedstawiono jeden z przykładów urządzenia 10 do suszenia. Urządzenie 10 zawiera pulsacyjny zespół spalinowy 12 połączony z komorą rezonansową 14, która jest połączona z komorą suszamiczą 16.

Jak dokładnie przedstawiono to na fig. 2 komora rezonansowa 12 zawiera komorę spalania 18 połączoną z rurą wylotową, czyli rurą rezonansową 20. Komora spalania 18 jest podłączona do jednej rury rezonansowej 20 jak przedstawiono na rysunkach, lub korzystnie do zestawu równoległych rur rezonansowych posiadających wloty oddzielnie połączone z komorą spalania. Paliwo i powietrze są doprowadzane do komory spalania 18 poprzez przewód paliwowy 22 i komorę powietrzną 24. Pulsacyjny zespół spalinowy 12 może spalać paliwo w postaci płynnej, stałej lub gazowej. Przy zastosowaniu do suszenia zawiesiny jest wykorzystane paliwo płynne lub gazowe, w wyniku czego produkty spalania opuszczające komorę spalania 18 nie zawierają cząstek stałych. Przykładowo, pulsacyjny zespół spalinowy 12 jest zasilany gazem ziemnym. W celu regulacji ilości paliwa i powietrza doprowadzanych do komory spalania 18 pulsacyjny zespół spalinowy zawiera co najmniej jeden zawór 26. Zawór 26 jest korzystnie zaworem aerodynamicznym, choć korzystnie jest również zastosowany zawór mechaniczny i tym podobne.

Podczas pracy pulsacyjnego zespołu spalinowego 12 poprzez zawór 26 przepływa odpowiednia mieszanka paliwa i powietrza do komory spalania i jest detonowana. Podczas rozruchu stosowany jest pomocniczy zespół zapłonowy, na przykład świeca zapłonowa lub palnik oszczędnościowy. Wybuch mieszanki paliwowej powoduje nagły wzrost objętości i wytworzenie się produktów spalania, które zwiększają ciśnienie w komorze spalania. Przy rozprężaniu się gorących gazów uzyskiwany jest korzystny przepływ w kierunku zaworu 26 o dużym pędzie. W rezultacie w komorze spalania 18 powstaje próżnia spowodowana bezwładnością gazów wewnątrz rury wylotowej. Do komory spalania 18 następnie zawraca tylko niewielka część gazów spalinowych, przy równowadze gazu występującej w rurze rezonansowej 20. Ponieważ w następstwie tego ciśnienie w komorze spalania 18 będzie nizsze od ciśnienia atmosferycznego, do komory spalania 18 wciągana jest kolejna porcja mieszanki paliwowo-powietrznej i następuje samoczynny zapłon. Ponownie zawór 26 ogranicza wsteczny przepływ i cykl rozpoczyna się od początku. Po zainicjowaniu pierwszego cyklu dalsze działanie jest podtrzymywane samoczynnie.

Jak wspomniano powyżej, choć w obecnym urządzeniu 10 przedstawiono zastosowanie zaworu mechanicznego, korzystny jest zawór aerodynamiczny bez ruchomych części. W zaworach aerodynamicznych podczas wydechu powstaje warstwa przyścienna i turbulencje wirowe dławią w znacznym stopniu wsteczny przepływ. Ponadto gazy spalinowe mają znacznie wyższą temperaturę od gazów wlotowych. Stosownie do tego lepkość tego gazu jest znacznie wyższa a wsteczne opory na średnicy wlotowej są z kolei znacznie większe niż opory dla przepływu w przód przez ten sam otwór. Tego rodzaju zjawisko wraz z wysoką bezwładnością gazów spalinowych w rurze rezonansowej 20 wspólnie przyczyniają się do wytwarzania korzystnego i uśrednionego przepływu od wlotu do wylotu. Tak więc korzystny zespół komory spalania 18 jest samozasysającym silnikiem spalinowym pobierającym własne powietrze i paliwo do komory spalania w następstwie samoczynnego zapłonu.

Pulsacyjny zespół spalinowy 12 jak opisano powyżej sam reguluje swą stechiometrię w zakresie własnych zapłonów mieszanki, bez potrzeby stosowania rozległych regulatorów do kontrolowania masowego przepływu powietrza spalania dla uzyskania stężenia mieszanki paliwowo-powietrznej. Przy zwiększeniu natężenia przepływu paliwa wzrasta moc pulsacji i ciśnienia w komorze spalania 18, co z kolei zwiększa ilość powietrza zasysanego przez zawór 26, korzystnie aerodynamiczny, co z kolei umożliwia automatyczne utrzymywanie zasadniczo stałej stechiometrii w zaprojektowanym zakresie zapłonu mieszanki. Wymuszona stechiometria jest zmieniona poprzez zmodyfikowanie diodowości strumieniowej.

181 074

Pulsacyjny zespół spalinowy 12 wytwarza pulsujący przepływ produktów spalania i falę ciśnienia akustycznego.

Pulsacyjny zespół spalinowy 12 wytwarza w urządzeniu 10 oscylacje bądź fluktuacje ciśnienia w zakresie od około 6,9 kPa do około 276 kPa, a zwłaszcza w zakresie 6,9 kPa i 172,5 kPa pomiędzy wartościami szczytowymi. Fluktuacje te mają zasadniczo przebieg sinusoidalny. Takie poziomy fluktuacji leżą w zakresie ciśnienia akustycznego od około 161 dB do około 194 dB, a zwłaszcza od około 161 dB do około 190 dB. Zakres częstotliwości pola akustycznego zależy głównie od konstrukcji zespołu komory spalania i jest ograniczony jedynie charakterystyką zapalności paliwa. Generalnie, pulsacyjny zespół spalinowy 12 zastosowany w urządzeniu 10 do suszenia ma częstotliwość fali ciśnienia akustycznego od około 50 do około 500 Hz, a zwłaszcza pomiędzy 100 Hz i 300 Hz.

W jednym przykładzie wykonania pulsacyjny zespół spalinowy 12 jest chłodzony zewnętrznie płaszczem powietrza chłodzącego, lub alternatywnie wodą chłodzącą z zastosowaniem płaszcza wodnego. Jak przedstawiono na fig. 1 urządzenie 10 zawiera wentylator 28 dostarczający powietrze do komory spalania 18 poprzez przewód powietrza spalania 30 oraz powietrze chłodzące do pulsacyjnego zespołu spalinowego 12 poprzez przewód powietrza chłodzącego 32. W alternatywnym przykładzie wykonania zamiast zastosowania cieczy chłodzącej pulsacyjny zespół spalinowy 12 korzystnie posiada okładzinę ogniotrwałą. Generalnie temperatura produktów spalania opuszczających rurę rezonansową 20 leży w zakresie od około 871°C do 1372°C.

Pulsacyjny zespół spalinowy 20 jest połączony z komorą rezonansową 14. Komora rezonansowa 14 jest zamknięta w jednym końcu w sąsiedztwie pulsacyjnego zespołu spalinowego 12 i jest otwarta w przeciwnym końcu, gdzie umieszczona jest co najmniej jedna dysza 34. Komora rezonansowa 14 jest zakrzywiona, jak pokazano na fig. 1 i 2, lub jest prosta. W zilustrowanym przykładzie komora rezonansowa 14 jest zakrzywiona ze względu na oszczędność miejsca. Krzywizna korzystnie będzie wynosić 180° lub 90°, zależnie od potrzeb.

Komora rezonansowa 14 jest połączona z rurą rezonansową 20 w celu odbioru pulsującego przepływu produktów spalania wychodzących z komory spalania 18. Komora rezonansowa 14 jest zaprojektowana dla zminimalizowania strat akustycznych i zmaksymalizowania fluktuacji ciśnienia produktów spalania na wejściu do dyszy 34. Integracja komory rezonansowej 14 z pulsacyjnym zespołem spalinowym 12 również przyczynia się do chłodzenia strumienia gazów spalinowych.

Kształt i wymiary komory rezonansowej 14 zależą od warunków procesowych. W celu zminimalizowania strat akustycznych komora rezonansowa 14 powinna być połączona z rurą rezonansową 20 w taki sposób, że w komorze rezonansowej 14 jest wytwarzana fala stojąca. Również ze względu na zmaksymalizowanie fluktuacji ciśnienia na wejściu do dyszy 34 komora rezonansowa 14 jest zaprojektowana dla wytworzenia strzałki fali stojącej na wejściu do dyszy 34. Przykładowo komora rezonansowa 14 korzystnie całkowicie zamyka rurę rezonansową 20, lub jedynie pokrywa część rury rezonansowej 20. Generalnie biorąc, im wyższa temperatura w otoczeniu rury rezonansowej 20 podczas pracy, tym większa część komory rezonansowej 14 powinna zamykać rurę rezonansową 20, co jest oparte na wpływie temperatury na przenoszenie fali akustycznej. Końce komory rezonansowej 14 pełnią rolę strzałek fali stojącej, a odcinek odpowiadający wejściu rury rezonansowej 20 działa jako strzałka szybkości fali stojącej/węzeł ciśnienia dla uzyskania dopasowanych warunków brzegowych, które minimalizują tłumienie dźwięku.

Dysza 34 umieszczona na wylocie komory rezonansowej 14 jest zaprojektowana do zamiany wysokości statycznej pulsującego przepływu produktów spalania na wysokość prędkości. Dysza 34 przyspiesza przepływ produktów spalania i wytwarza fluktuacje prędkości. Pole prędkości pulsującego przepływu pozwala uzyskać nie tylko wzrost szybkości wymiany masy i ciepła, lecz również jest wykorzystany do rozpylenia osuszanego strumienia cieczy. W podanym tu znaczeniu rozpylenie dotyczy procesu, w którym ciecz jest zamieniana w kropelki cieczy.

Temperatura produktów spalania opuszczających komorę rezonansową 14 jest zmieniana w zależności od wrażliwości cieplnej materiałów suszonych w układzie, właściwości

181 074 zawiesiny i ewentualnie innych uwarunkowań. Temperatura robocza pulsacyjnego urządzenia jest kontrolowana w drodze zmiany natężenia przepływu paliwa i powietrza spalania. W większości zastosowań temperatura produktów spalania opuszczających dyszę 34 leży w zakresie od około 426°C do około 1205°C, a zwłaszcza od około 648°C do około 982°C.

Dysza 34 łączy się przepływowo z komorą suszamiczą 16, w której występuje wlot płynu 36 lub wloty, rozstawione w kierunku wylotu komory suszamiczej 16 i pozostające w bezpośredniej bliskości dyszy 34. Zgodnie z wynalazkiem strumień materiałów lub zawiesina są wprowadzane do komory suszamiczej 16 poprzez wlot 36 materiału do suszenia, gdzie stykają się z pulsującym przepływem produktów spalania opuszczających dyszę 34. Gazy spalinowe, które posiadają charakterystykę z fluktuacją prędkości mieszają się z doprowadzanymi materiałami i rozpylają je. A zatem w obecnym wynalazku nie są wymagane zespoły rozpylające i dysze natryskowe dla wprowadzenia zawiesiny do urządzenia. Wystarcza jedynie rura, która wprowadza podawane materiały w pobliże dyszy 34.

Pulsującą prędkość produktów spalania opuszczających dyszę 34 dobiera się jako wystarczającą do rozpylenia strumienia doprowadzanego do komory suszamiczej 16. Charakterystyka tej prędkości zalezy od doprowadzanych materiałów, stałych cząstek przeznaczonych do suszenia, i innych warunków procesowych. Dla większości zastosowań średnia prędkość produktów spalania opuszczających dyszę 34 powinna wynosić od około 60 m/s do około 360 m/s. Podczas pulsacji minimalna prędkość produktów spalania powinna wynosić od około 9 m/s do około 180 m/s.

Po rozpyleniu doprowadzone materiały przepływają poprzez komorę suszamiczą 16. W komorze suszamiczej 16 cząstki stałe zawarte w podawanym materiale zostają osuszone poprzez odparowanie z nich wody lub innych lotnych cieczy. Komora suszamiczą 16 ma długość zapewniającą czas przetrzymania wystarczający dla osuszenia cząstek stałych do żądanego poziomu. Generalnie komora suszamiczą 16 pracuje nieco poniżej ciśnienia atmosferycznego dla zapobieżenia możliwości wydostawania się materiałów na zewnątrz.

W jednym przykładzie wykonania wynalazku jak przedstawiono na fig. 1 i 2 komora suszamicza 16 zawiera stożkową pierwszą sekcję 38 i drugą sekcję 40. Pierwsza sekcja 38 ma kształt dostosowany do kształtu strumienia produktów spalania opuszczających dyszę 34. Bardziej szczegółowo, kształt pierwszej sekcji 38 korzystnie jest nieco szerszy od maksymalnej szerokości strugi opuszczającej dyszę 34. W takim układzie zapobiega się kontaktowi rozpylonego strumienia ze ściankami komory suszamiczej 16 przy jednoczesnym utrzymaniu minimalnego wymiaru komory suszamiczej 16. Zminimalizowana jest również cyrkulacja suszonego materiału. Generalnie pożądane jest utrzymywanie możliwie jak najmniejszego kontaktu pomiędzy ściankami komory suszamiczej 16 i suszonym materiałem. Zapobiega to przywieraniu cząstek w doprowadzanym strumieniu do ścian oraz zwiększa styk i mieszanie pomiędzy doprowadzanym strumieniem i produktami spalania wytwarzanymi w pulsacyjnym urządzeniu spalinowym.

Strumień produktu opuszczający komorę suszamiczą 16, który zawiera odparowane ciecze, osuszone cząstki i produkty spalania z pulsacyjnego zespołu spalinowego 12 jest następnie doprowadzony do separatora 42 w celu wychwycenia osuszonego materiału w stałej postaci. Temperatura produktów spalania i cząstek wchodzących do separatora 42 leży w zakresie od 65°C do 149°C i jest wyższa od temperatury punktu rosy. Separator 42 korzystnie stanowi cyklon, stacja filtrów workowych, inne filtry o wysokiej wydajności, lub szereg różnych urządzeń zbierających. W przykładzie wykonania z fig. 1 zastosowana jest stacja filtrów workowych, w której cząstki stałe są zbierane w zasobniku 46. Dla utrzymania podciśnienia stacji oraz zapobieżenia wydostawaniu się materiału z układu zastosowany jest wentylator 44.

Po usunięciu cząstek stałych ze strumienia produktu opuszczającego komorę 16 strumień pozostałych gazów jest zawrócony do obiegu, wykorzystany w innych procesach lub odprowadzony do atmosfery. W jednym przykładzie wykonania strumień gazów po opuszczeniu separatora 42 jest podany do skraplacza, w celu odzysku ewentualnych rozpuszczalników lub cieczy zawartych w strumieniu gazowym. Zebrane ciecze są następnie wykorzystane i zawrócone do obiegu.

181 074

Sposób suszenia materiałów zawierających cząstki stałe jest następujący. Jak opisano powyżej, wytwarza się pulsujący przepływ produktów spalania za pomocą pulsacyjnego zespołu spalinowego 12 w wyniku spalania paliwa oraz falę ciśnienia akustycznego. Produkty spalania przeprowadza się przez rurę rezonansową 20 i wprowadza do komory suszamiczej 16, którą zaprojektowano z myślą o zminimalizowaniu strat akustycznych i wytworzeniu strzałki fali stojącej ciśnienia na wejściu do dyszy 34. Przyśpiesza się przepływ produktów spalania w dyszy 34 zamieniając wysokość oscylacyjnego ciśnienia na wysokość oscylacyjnej prędkości.

Doprowadzany strumień materiału do suszenia, jak na przykład zawiesinę, wprowadza się do komory suszamiczej 16, gdzie kontaktuje się go z produktami spalania opuszczającymi dyszę 34, wskutek czego rozpyla się doprowadzany strumień materiałów. Po rozpyleniu następuje wymiana ciepła pomiędzy produktami spalania i doprowadzanym strumieniem, potęgowana przez falę akustyczną wytwarzaną w pulsacyjnym zespole spalinowym 12. Cząstki stałe zawarte w doprowadzanym strumieniu są w ten sposób suszone w drodze odparowania cieczy stykających się z tymi cząstkami. Osuszone cząstki następnie oddziela się od strumienia gazowego i odzyskuje. Generalnie, osuszony materiał jest łatwo płynny i wysokojakościowy, co wynika z jednorodności suszenia.

Strumień suszonego materiału najpierw rozpyla się w urządzeniu 10 według obecnego wynalazku wykorzystując fluktuacje prędkości wytworzone przez dyszę 34 i następnie efektywnie osusza się cząstki stałe zawarte w doprowadzanym strumieniu, wykorzystując falę akustyczną wytwarzaną przez pulsacyjny zespół spalinowy. Bardziej szczegółowo, fala akustyczna wytwarzana w pulsacyjnym urządzeniu spalinowym potęguje szybkość wymiany ciepła i masy, przyczyniając się w ten sposób do szybszego i bardziej jednorodnego suszenia i przejawia się w lepszej jakości produktu. Poprawie ulega również wydajność suszenia, co zmniejsza zapotrzebowanie powietrza i paliwa, i z kolei koszty eksploatacji tego systemu.

Urządzenie 10 do suszenia przedstawione na fig. 1 i 2 jest wykorzystane nie tylko do suszenia i odzysku materiałów w postaci stałej, lecz również jest użyte do zmniejszenia objętości i ilości różnych odpadów przed ich wyrzuceniem. Poniżej podano szczegółowy wykaz materiałów, jakie są poddane suszeniu według obecnego wynalazku. Jest to jednakże wykaz tylko przykładowy i nie wyczerpuje wszystkich możliwości.

Chemikalia katalizatory, nawozy sztuczne, detergenty, żywice,

Minerały

Tworzywa sztuczne

Produkty spożywcze

Farmaceutyki

Odpady przemysłowe herbicydy, pestycydy, środki grzybobójcze, pigmenty itd. rudy, żel krzemionkowy, węgliki, tlenki, ferryty itd.

polimery, pcv itd.

białka, syrop zbożowy, gluten, przyprawy, skrobia, jajka, drożdże, cukier gronowy, mleko, serwatka itd.

celuloza, antybiotyki, krew, witaminy itd.

roztwory poprocesowe, rozpuszczalniki, zawiesiny, woda odpływowa itd.

Na figurze 3 zilustrowano alternatywny przykład wykonania urządzenia 50 do suszenia zgodnie z obecnym wynalazkiem. Dla uproszczenia podobnie ponumerowane elementy występujące na fig.l, 2 i 3 oznaczają podobne elementy. W odróżnieniu od przykładu zilustrowanego na fig. 1 i 2 urządzenie 50 służy nie tylko do suszenia cząstek stałych, lecz również do zbrylania przynajmniej części cząstek stałych. Cząstki te są zbrylane w celu spełnienia wymogów procesowych, lub ułatwienia i zwiększenia efektywności usuwania tych cząstek ze strumienia produktu gazowego.

Jak przedstawiono na fig. 3 urządzenie 50 do suszenia zawiera pulsacyjny zespół spalinowy 12 posiadający komorę spalania 18 i przynajmniej jedną rurę rezonansową 20. Pulsacyjny zespół spalinowy 12 jest połączony z komorą rezonansową 14, która posiada przynajmniej jedną dyszę 34 umieszczoną na końcu wylotowym. Dysza 34 wchodzi do komory suszamiczej 16, która posiada sekcję stożkową 38 dostosowaną do zewnętrznego zarysu strugi emitowanej przez dyszę 34.

W tym wariancie sposobu suszenia materiałów, ze względu na ułatwienie zbrylania zmniejsza się natężenie przepływu produktów spalania emitowanych z dyszy 34. Strumień

181 074 doprowadzany do komory suszamiczej 16 poprzez wlot 36 materiału do suszenia następnie rozpyla się przez strumień z dyszy 34 do postaci większych kropel. Większe krople zatem zawierają większe i więcej cząstek stałych. Dla większych kropel jest jednak wymagany dłuższy czas przetrzymywania do wyschnięcia. W związku z tym w urządzeniu 50 do suszenia występuje złoże fluidalne 52 połączone z komorą suszamiczą 16 w celu suszenia większych cząstek. Mniejsze cząstki wytwarzane w tym procesie wskutek posiadania mniejszego ciężaru omijają złoże fluidalne 52 i przechodzą do separatora 42 w celu ostatecznego zebrania według potrzeby.

Fluidyzowane medium doprowadzane do złoża fluidalnego 52 w tym przykładzie wykonania jest mieszaniną powietrza dostarczanego przez wentylator 28 poprzez przewód doprowadzający 56 oraz produktów spalania wychodzących z pulsacyjnego zespołu spalinowego 12 poprzez przewód łączący 54. Produkty spalania są wyciągane z komory rezonansowej 14, mieszane z powietrzem i podawane do złoża fluidalnego 52 poprzez przewód wlotowy 58. Temperatura mieszaniny gazowej wprowadzanej do złoża fluidalnego 52 leży w zakresie od 204°C do 538°C. W wyniku wyciągania produktów spalania z komory rezonansowej 14 ich ciepło jest dostarczane do złoża w celu suszenia większych cząstek, a ponadto następuje zmniejszenie natężenia przepływu cieczy poprzez dyszę 34.

Wymagane jest kontrolowanie objętościowego natężenia przepływu gazu podawanego do złoża fluidalnego 52 dla uzyskania wystarczającego suszenia w złożu fluidalnym 52 bez wymuszonego zawracania cząstek wchodzących do złoza z powrotem do komory suszamiczej 16. Ostatecznie cząstki wchodzące do złoża fluidalnego 52 są suszone i zbierane w rurze 60.

Proces suszenia i zbrylania występujący w urządzeniu 50 do suszenia rozpoczyna się po wytworzeniu przez pulsacyjny zespół spalinowy 12 pulsującego przepływu produktów spalania i fali ciśnienia akustycznego. Produkty spalania wchodzą do komory rezonansowej 14, gdzie część przedostaje się do przewodu łączącego 54 a pozostałe są emitowane z dyszy 34.

Doprowadzany strumień wchodzący do komory suszamiczej 16 poprzez wlot 36 styka się z produktami spalania emitowanymi z dyszy 34. Kolizja ta powoduje rozpylenie doprowadzanego strumienia na kropelki o różnej wielkości, gdzie krople większe zawierają odpowiednio więcej cząstek stałych. W miarę przepływu rozpylonego strumienia doprowadzonego poprzez komorę suszamiczą 16 krople te ulegają przynajmniej powierzchniowemu osuszeniu i są częściowo osuszone wewnętrznie.

Mniejsze cząstki wytworzone podczas tego procesu omijają złoże fluidalne 52 i wchodzą do separatora 42, gdzie są ostatecznie zbierane w zasobniku 46. Natomiast większe cząstki bądź zbrylenia wchodzą do złoża fluidalnego 52. W złożu fluidalnym 52 osusza się dalej te zbrylenia za pomocą strumieni fluidalnych zawierających mieszaninę powietrza i produktów spalania wyprowadzanych z komory rezonansowej 14. Po osuszeniu zbrylenia lub większe cząstki zbiera się w mrze 60.

Na figurze 4 zilustrowano jeden z przykładów wykonania urządzenia 70 do suszenia, które pracuje przy ciśnieniu atmosferycznym łub ciśnieniu podwyższonym. Ponownie, podobne elementy występujące na fig. 1 do 4 ponumerowano w podobny sposób.

Podobnie do urządzenia 10 przedstawionego na fig. 1 i 2 urządzenie 70 do suszenia zawiera pulsacyjny zespół spalinowy 12 posiadający komorę spalania 18 i rurę rezonansową 20. Komora spalania 18 jest zasilana paliwem gazowym, płynnym lub stałym poprzez przewód paliwowy 22 i powietrzem poprzez komorę powietrzną 24 i aerodynamiczny zawór 26. Powietrze jest dostarczane do zaworu 24 poprzez przewód powietrza spalania 30.

W tym przykładzie pulsacyjny zespół spalinowy 12 jest chłodzony przez powietrze dostarczane przewodem powietrza chłodzącego 32. Przewód powietrza chłodzącego 32 otacza komorę spalania 18 i rurę rezonansową 20.

Przynajmniej część pulsacyjnego zespołu spalinowego 12 jest zawarta wewnątrz komory rezonansowej 14. Komora rezonansowa 14 jest zaprojektowana w celu zmniejszenia strat akustycznych i zwiększenia fluktuacji ciśnienia na wejściu do dyszy 34. Dysza 34 przekształca wysokość statyczną wytwarzaną przez pulsacyjny zespół spalinowy 12 na wysokość prędkości.

181 074

Zgodnie z przykładem według fig. 4 komora rezonansowa 14 jest połączona z pompą strumieniową 72, która kieruje produkty spalania przepływające poprzez urządzenie 70 do grzejnika procesowego lub wymiennika ciepła 74. W wymienniku 74 następuje przekazanie ciepła pomiędzy strumieniem produktów spalania i materiałem lub materiałami, które są ogrzewane bezpośrednio lub pośrednio.

W celu zmaksymalizowania energii i sprawności wymiany ciepła urządzenie 70 zawraca co najmniej część produktów spalania opuszczających wymiennik 74. Mianowicie, przynajmniej część produktów opuszczających wymiennik 74 wchodzi do przewodu recyrkulacyjnego 76, który jest połączony z komorą pierścieniową 78, która w tym przykładzie otacza komorę rezonansową 14. Z komory pierścieniowej 78 następuje wylot do pompy strumieniowej 72, która miesza poprocesowy strumień produktów spalania z produktami wypływającymi z pulsacyjnego zespołu spalinowego 12.

Podczas pracy urządzenia 70 pulsacyjny zespół spalinowy 12 wytwarza pulsujący przepływ produktów spalania oraz falę ciśnienia akustycznego, które przechodzą do komory rezonansowej 14. Produkty wchodzą do dyszy 34 i są przyśpieszane, wytwarzając pulsującą wysokość prędkości.

Pulsacyjny zespół spalinowy 12 w tym przykładzie może pracować w szerokiej różnorodności zakresów i w zróżnicowanych warunkach. W jednym przykładzie pulsacyjny zespół spalinowy 12 wytwarza oscylacje ciśnienia w zakresie od około 6,9 kPa do około 276 kPa pomiędzy wartościami szczytowymi. Fluktuacje ciśnienia leżą w zakresie od około 161 dB do około 194 dB dla poziomu ciśnienia akustycznego. Zakres częstotliwości pola akustycznego może wynosić od około 50 do około 500 Hz. Temperatura produktów spalania opuszczających rurę rezonansową 20 jest również zmieniana w zależności od wymagań procesowych i może przykładowo leżeć w zakresie od około 537°C do około 1649°C.

Z dyszy 34 produkty spalania wchodzą do pompy strumieniowej 72, gdzie są mieszane z zawróconym strumieniem produktów spalania, które opuściły wymiennik 74. Dysza 34 dostarcza napędowy przepływ cieczy i pęd dla wywołania przepływu w połączeniu z pompą strumieniową 72. Pompa strumieniowa 72, która ma w tym przykładzie kształt zwężki Venturiego ułatwia mieszanie dwóch strumieni i służy do zwiększenia ciśnienia zawracanego strumienia. Mieszanina produktów gazowych jest następnie podawana do wymiennika 74 w celu żądanej wymiany ciepła.

Podczas pracy urządzenia 70 ciśnienie w połączeniu pulsacyjnego zespołu spalinowego 12 i komory rezonansowej 14 jest wyższe niż ciśnienie w wymienniku ciepła 74. Wypływ z dyszy 34 wytwarza ssanie na pompie strumieniowej 72 zabierające produkty spalania opuszczające wymiennik ciepła 74 do komory pierścieniowej 76. Wielkość siły ssania może określać ilość produktów spalania, które są zawracane i mieszane ze strumieniem gazów spalinowych opuszczających komorę rezonansową 14. Część strumienia gazowego, która nie została zawrócona, jak pokazano, jest odprowadzana poprzez przewód odprowadzający 80, w którym występuje zawór 82 dławiący strumień gazu do ciśnienia atmosferycznego.

Urządzenie 70 oferuje wiele zalet i korzyści w porównaniu z dotychczasowymi układami. Zwiększono wymianę ciepła przy jednoczesnym zmniejszeniu doprowadzenia ciepła do urządzenia. Mianowicie, w urządzeniu 70 występuje zawrócony strumień, zmniejszający wymagania cieplne. Zawrócony strumień jest podawany do urządzenia 70 bez stosowania środków mechanicznych. Pulsacyjny zespół spalinowy 12 dostarcza przepływ wysoce energetycznych produktów spalania oraz falę akustyczną. Fala akustyczna zwiększa wymianę ciepła w wymienniku ciepła 74, co zmniejsza konieczną powierzchnię wymiany ciepła i zwiększa wydajność strumienia procesowego.

Podobnie do urządzenia 10 do suszenia opisanego wcześniej, urządzenie 70 jest użyte w różnorodnych zastosowaniach. Przykładowo, urządzenie 70 może dostarczać ciepło do prażenia minerałów, do przerabianych cieplnie tworzyw sztucznych i szkła, i mechanicznej recyrkulacji spalin lub par oraz ogrzewania w procesach petrochemicznych, kotłowniach i piecach. Ciepło wytwarzane przez urządzenie 70 jest również stosowane do pieczenia, puszkowania, przy wytwarzaniu tkanin i tak dalej. Jest oczywistym, że powyższy wykaz jest jedynie przykładowy i nie pokrywa wszystkich zastosowań, w jakich urządzenie 70 jest używane.

181 074

Inne modyfikacje oraz zmiany obecnego wynalazku, zawarte w załączonych zastrzeżeniach, mogą być wprowadzone przez specjalistów bez odstępstwa od istoty i zakresu obecnego wynalazku. Ponadto należy rozumieć, że elementy różnych przykładów wykonania są zamienne w całości lub w części. Oprócz tego, dla specjalistów jest oczywiste, że powyższy opis jest jedynie opisem przykładowym i nie ogranicza tego wynalazku, co podano ponadto w załączonych zastrzeżeniach.

Obecny wynalazek dotyczy generalnie urządzenia zawierającego pulsacyjny zespół spalinowy, które jest wykorzystane jako część systemu suszamiczego, lub jako część systemu grzewczego. W układzie suszamiczym strumień materiałów styka się bezpośrednio z produktami spalania wypływającymi z zespołu pulsacyjnego spalania. Produkty spalania powodują odparowanie lotnych cieczy i wilgoci w celu odzysku produktu stałego zawartego w tym strumieniu materiału. Natomiast przy zastosowaniu w układzie grzewczym produkty spalania wypływające z zespołu pulsacyjnego spalania są podawane do wymiennika ciepła, gdzie następuje wymiana ciepła.

Należy rozumieć, że jest to opis jedynie przykładów wykonania bez intencji ograniczenia szerszych aspektów obecnego wynalazku, które są zawarte w przykładowej konstrukcji.

181 074

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz. Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób suszenia materiałów zawierających cząstki, w którym wytwarza się pulsujący przepływ produktów spalania i falę ciśnienia akustycznego, po czym kontaktuje się pole pulsującego przepływu o wysokiej prędkości produktów spalania z cieczą zawierającą cząstki stałe, znamienny tym, że przed skontaktowaniem produktów spalania z cieczą zawierającą cząstki stałe przyśpiesza się pulsujący przepływ produktów spalania do wytworzenia pola pulsującego przepływu o wysokiej prędkości, a następnie rozpyla się ciecz z cząstkami stałymi za pomocą pola pulsującego przepływu o wysokiej prędkości i miesza się ją z produktami spalania przetrzymując do przekazania ciepła produktów spalania rozpylonej cieczy i osuszenia zawartych w niej cząstek stałych.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że po osuszeniu oddziela się cząstki stałe od cieczy i produktów spalania.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że pole pulsującego przepływu przyśpiesza się do prędkości wynoszącej minimum około 18 m/s.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przyśpieszony przepływ produktów spalania i fali ciśnienia akustycznego doprowadza się do wymiennika ciepła (74) i odprowadza się ciepło z przepływu w wymienniku ciepła (74), a co najmniej część produktów spalania opuszczających wymiennik ciepła (74) zawraca się i miesza się zawrócony strumień z pulsującym przepływem produktów spalania tworząc czynnik wypływający podawany następnie do wymiennika ciepła (74), przy czym do zmieszania z pulsacyjnym przepływem produktów spalania automatycznie zasysa się zawrócone produkty opuszczające wymiennik ciepła (74) poprzez wytwarzanie siły ssania za pomocą utrzymywania przed zmieszaniem różnicy ciśnienia pomiędzy pulsacyjnym przepływem produktów spalania i zawróconym strumieniem.
5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że pulsujący przepływ produktów spalania i falę ciśnienia akustycznego wytwarza się za pomocą pulsacyjnego zespołu spalinowego (12), w którym generuje się falę stojącą.
6. Urządzenie pulsacyjne do suszenia materiałów zawierających cząstki, zawierające pulsacyjny zespół spalinowy wytwarzający pulsujący przepływ produktów spalania i falę ciśnienia akustycznego, który to pulsacyjny zespół spalinowy posiada komorę spalania i co najmniej jedną rurę rezonansową posiadającą wlot połączony z komorą spalania oraz wylot, przy czym przynajmniej część przynajmniej jednej rury rezonansowej jest otoczona komorą rezonansową znamienne tym, że komora rezonansowa (14) jest połączona z rurą rezonansową (20) i ma pierwszy zamknięty koniec i drugi otwarty koniec z co najmniej jedną dyszą (34), przy czym dysze (34) są połączone przepływowo z wylotem rury rezonansowej (20) i są usytuowane z odstępem za wylotem w kierunku przepływu, a drugi otwarty koniec z co najmniej jedną dyszą (34) jest przewężony względem komory rezonansowej (14).
7. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że z co najmniej jedną dyszą (34) jest połączona komora suszamicza (16), która ma wlot (36) materiałów do suszenia usytuowany za co najmniej jedną dyszą (34) i w pobliżu niej.
8. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że komora suszamicza (16) posiada rozszerzającą się stożkową pierwszą sekcję (38) usytuowaną w sąsiedztwie co najmniej jednej dyszy (34), przy czym kształt pierwszej sekcji (38) jest dostosowany do kształtu strumienia produktów spalania wylatujących z co najmniej jednej dyszy (34).
9. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że z co najmniej jedną dyszą (34) jest połączone wejście pompy strumieniowej (72), przy czym wejście pompy strumieniowej (72) jest połączone z przewodem recyrkulacyjnym (76) odchodzącym od wylotu wymiennika ciepła (74).

181 074
10. Urządzenie według zastrz. 9, znamienne tym, że przewód recyrkulacyjny (76) zawiera komorę recyrkulacyjną (78) połączoną z pompą strumieniową (72), przy czym komora recyrkulacyjna (78) otacza komorę rezonansową (14) i tworzy między nimi kanał przepływu zawróconego strumienia produktów spalania wypływających z wymiennika ciepła (74).
11. Urządzenie według zastrz. 10, znamienne tym, że pompa strumieniowa (72) jest zwężką Yenturiego.

* * *