SE463786B - Foerfarande och anordning foer att med hjaelp av laagfrekvent ljud forcera vaermetransmission mellan kroppar och gaser - Google Patents

Description

10 15 20 25 30 465 786 2 ytenhet från en kropp till omgivande gas. l stället för att öka värmetransmissionen genom att blåsa gasen över kroppens yta med hög hastighet, åstadkoms den forcerade värmetransmissionen med hjälp av att den omgivande gasen försätts i en lågfrekvent oscillation.

Till förtydligande av uppfinningen beskrivs en utföringsform där varm tråd från ett trådvalsverk kyls ner samt en utföringsform för kylning av cementklinker. Även andra utföringsformer kan naturligtvis rymmas inom ramen för uppfinningen.

När ståltråden lämnar valsverket har den en temperatur på ca 850° C och måste kylas nertill 300° C för att kunna hanteras. Flera olika förfaranden används idag för denna kylning. Enligt en metod läggs tråden ut i spiralformade bukter om ca 1 m diameter på en rullbana, där trådbukterna transporteras framåt med en hastighet på ca 0.5 m/s samtidigt som kylluft blåses på tråden med hjälp av ett flertal stora fläktar placerade under rullbanan. För att kyla ner till önskad temperatur erfordras en kylsträcka på ca 60 m. Till metodens nackdelar hör att installationen är dyr och platskrävande samt att ett stort luftflöde måste blåsas in i lokalen vilket är enormt effektkrävande och även medför miljömässiga nackdelar både med avseende på luftdrag, varierande lufttemperatur och uppvirvling av stoft i luften. Ytterligare nackdelar är att avkylningen ur metallurgisk synpunkt inte alltid går tillräckligt snabbt och är ojämn, samt att hela värmeeffekten hos den varma tråden går förlorad.

Uppfinningen kommer nu att beskrivas närmare i anslutning till ritningarna på vilka: Fig 1 visar en fast kropp i en ordinär luftström; Fig 2 visar en fast kropp i en luftström som utsätts för ett infraljudfält; Fig 3 visar en anläggning för kylning av metalltråd med hjälp av lågfrekvent ljud; i Fig 4 visar en anläggning för kylning av cementklinker med hjälp av lågfrekvent ljud.

Som nämnts ovan kan en forcerad värmetransmission uppnås mellan ytan av en 10 15 20 25 30 3 463 786 kropp och en omgivande gas om gasen påverkas att röra sig fram och tillbaka med hjälp av en i gasen genererad stående ljudvåg. Fig 1 visar en fast kropp med en temperatur To vilken utsätts för en Iuftström. En partikel i luftströmmen är markerad som en punkt och luftpartikelns läge vid olika tidpunkter är markerade med t1 - t7.

Luftströmmens temperatur är T1 innan den passerat kroppen och T2 efter att kroppen passerats. Fig 2 visar samma fasta kropp när den utsätts för samma Iuftström men under inverkan av infraljud. Även här är luftpartikelns läge vid olika tidpunkter markerade med t1 - t7. Som framgår kommer varje luftpartikel som passerar den fasta kroppen att, på grund av den pulserande Iuftström som infraljudet åstadkommer, inte bara att passera en gång utan flera gånger. Om kroppen har en högre temperatur än luftströmmen så kommer luftpartikeln att ta upp mer och mer värme för var gång den passerar den fasta kroppen och kroppens temperatur kommer att minska i motsvarande grad. En forcerad värmetransmission erhålls således.

I vissa delar av den stående ljudvågen är hastigheten hos gasens fram- och återgående rörelse, den s k partikelhastigheten, stor medan tryckvariationerna, det s k ljudtrycket, är små. I andra delar är tryckvariationerna stora medan den fram- och återgående rörelsens hastigheten är låg. I en viss punkt varierar alltså såväl partikelhastigheten som ljudtrycket med tiden och beskriver under ideala förhållanden en sinusvågliknande svängningsrörelse. Det högsta värdet hos partikelhastigheten respektive ljudtrycket anges av amplituden för respektive svängningsrörelse. Som regel intar partikelhastighetens amplitud ett maximivärde, dvs har en s k partikelhastighetsbuk, samtidigt som ljudtryckets amplitud intar ett minimivärde, dvs har en s k ljudtrycksnod.

Det är önskvärt, enligt ovan, att partikelhastigheten intar ett så högt värde som möjligt för att en maximal forcerad värmetransmission ska kunna erhållas. I en stående ljudvåg kan det finnas flera ställen där partikelhastighetens amplitud intar sitt maximivärde, len stående ljudvåg vars längd motsvarar en kvarts eller en halv våglängd har partikelhastighetens amplitud ett maximum endast på ett ställe. För att erhålla en så hög forcerad värmetransmission som möjligt bör därför den yta från 10 15 20 25 30 463 786 4 vilken värmetransmissionen ska ske placeras på ett ställe så nära partikelhastighetsbuken som möjligt.

Förfarandet enligt uppfinningen beståri att en forcerad värmetransmission mellan en kropp, fast eller flytande, och en gas, så som visas i tig 2, åstadkommes genom att en stående, lågfrekvent ljudvåg alstras i en eller flera ljudresonatorer. Med lågfrekvent ljud avses ljud med en frekvens på 50 Hz eller lägre. Anledningen till att frekvenser över 50 Hz är mindre intressanta är att en sluten halvvågsresonator får så små dimensioner vid högre frekvenser att apparaten blir ointressant ur kapacitetssynpunkt. Eftersom eventuella störande ljud avtar med lägre frekvens bör företrädesvis en frekvens på 30 Hz eller lägre användas. Vid denna frekvens får störningen anses vara mycket liten. Ljudresonatorn har företrädesvis en längd motsvarande en halv våglängd av det alstrade lågfrekventa ljudet, men även andra utformningar av ljudresonatorn är tänkbara. Ljudvågen underhålls genom att luftpulser alstras av en matningsenhetsdel, även kallad exigator, belägen vid en ljudtrycksbuk i resonatorn. Ordet matningsenhet används härför att ange den del av en generator för lågfrekvent ljud vilken del alstrar en partikelhastighet i en punkt i en resonator där man har ett högt ljudtryck, se exempelvis det svenska patentet 446 157 samt de svenska patentansökningarna 8306653-0, 8701461-9 och 8802452-6. Någonstans i resonatorn uppstår en partikelhastighetsbuk samtidigt med en ljudtrycksnod och där kan resonansröret vara öppet. Genom nämnda öppning törs den yta fram, från vilken sagda värmetransmission är avsedd att äga rum. Ytan befinner befinner sig då alltså i en partikelhastighetsbuk av sagda stående lågfrekventa ljudvåg.

Genom resonatorröret strömmar ett stationärt luftflöde vars ena del härrör från drivluften, vilken kommer från matningsenheten, och dess andra del från den luft som kommer in vid den öppning genom vilken värmetransmissionsytan förs fram.

När ytan passerar genom resonatorröret omspolas den dels av det stationära luftflödet och dels av det fram- och återgående luftflödet som genereras av den stående ljudvågen. Om amplituden hos ljudets partikelhastighet är väsentligt större än hastigheten hos det stationära luftflödet samt om ljudets rörelseamplitud är väsentligt större än ytans tjocklek, då kommer samma luftburna element att passera ._ 10 15 20 25 30 5 4623 786 förbi ytan flera gånger. Det innebär att luften uppvärms alternativt avkyls mycket mer än om endast det stationära luftflödet skulle ha omspolat ytan. Resultatet blir att en större värmetransmission sker mellan ytan och luften under en given tidsperiod än vad som sker vid ordinära förhållanden.

En av fördelarna med att använda den överlagrade Iuftrörelse som finns i ljudtrycksnoden av en stående ljudvåg, är att detta är ett förhållandevis enkelt sätt att åstadkomma den fram- och àtergående luftrörelse. En annan fördel med att använda en stående ljudvåg är att det endast är i den punkt där ytan befinner sig som en hög hastghet önskas på den fram- och återgående luftrörelsen. l resten av systemet medför den höga lufthastgheten endast friktionsförluster.

Anordning för genomförande av förfarandet skall nu närmare beskrivas i anslutning till den utförandeform som visas i fig 3, vilken visar en anläggning för kylning av ståltråd. lnfraljud alstras av en eller flera lågfrekvensljudgeneratorer bestående av en matningsenhetsdel och en resonatordel. lnuti resonatorröret uppkommer en stående ljudvåg vilken uppvisar ljudtrycksnoder där ljudtryoket har sitt minimum.

Där dessa noder är belägna har resonatorröret en öppning som är så utformad att tråden kan passera tvärs genom resonatorröret och därmed utsättas för infraljudpåverkad kylluft.

Meri detalj visar fig 3 en anläggning där ståltråd som ska kylas tillåts passera över ett kylbord (1) där den utsätts för lågfrekvent ljud. Anläggningen utgör ett akustiskt sett i det närmaste slutet system. Ståltråden ligger utlagd på en rullbana eller annat transportband enligt gängse bruk och förs fram med en jämn hastighet. Över bordet är anordnade två rörresonatorer (2), (3), vars öppna ändar mynnar över bordet.

Ftesonatorerna har företrädesvis en längd motsvarande en kvarts våglängd av det alstrade ljudet. I andra änden på respektive resonator finns en s k matningsenhet (4), (5). Denna matningsenhet kan vara av den typ som beskrivs i svensk patentansökan 8802452-6. Tillsammans med resonatorn (2, 3) bildar matningsenheten (4), (5) en reglerstyrd motordriven lågfrekvensljudgenerator. De 10 15 20 25 30 4 6 5 7 8 6 6 båda matningsenheterna (4), (5) drivs gemensamt av en motor (6) via en och samma drivande axel på så sätt att en fasförskjutning på 180° erhålls mellan matningsenheterna när dessa arbetar. Genom att matningsenheterna arbetar i motfas genereras en stående ljudvåg med samma frekvens i vardera resonatorn.

De två resonatorerna av kvartsvågs-typ bildar därmed tillsammans en resonator av halwågs-typ med samma resonansfrekvens som resonansfrekvensen hos de enskilda resonatorerna och en enda gemensam stående ljudvåg bildas.

Kylluft tillföres med hjälp av en kylluftfläkt som transporterar kylluften till kylbordet via två rör (7), (8) belägna mellan de båda resonatorerna. Vart och ett av dessa rör har en nedre mynning iden med respektive resonatorrör gemensamma väggen och denna mynning är belägen i respektive resonatorrörs nedre del. Mellan de båda resonatorrörens nedersta delar och huvudsakligen under kylluftrörens mynningari respektive resonatorrör finns en nosdel (9) som företrädesvis är formad som ett tvärsnitt av en kägla eller annan liknande form. Denna nosdel sträcker sig längs med och mellan resonatorrören som en valkliknande utbuktning. Toppen på den kägelformade nosdelen är infäst i den för de båda kylluftrören gemensamma väggen, och den svängda delen utgör en förlängning av denna vägg vilken därigenom uppdelas på två väggar. Med hjälp av nosdelen fås en gynnsam strömning av kylluft in i resonatorrörens nedersta del där luften utsätts för infraljudet. För att göra denna strömning ytterligare gynnsam samt för att minska risken för väsljud som skulle kunna åstadkommas av ljudets partikelhastíghet intill en skarp kant, kan även den vägg som är gemensam för respektive kylluftrör och resonatorrör på sin inuti kylluftröret belägna insida förses med en böjd plåt (10), (11). Nosdelen (9) har en huvudsakligen platt undersida vänd mot kylbordet vilket har den effekten att kylluften oscillerar fram och tillbaka längs med nosdelens undersida och därmed exponeras en större del av kylbordet och den därpå befintliga ståltråden för kylluft än som skulle vara fallet utan nosdelen. Tillika får det den gynnsamma effekten att ståltråden, vilken förs fram i liggande, spiralformade bukter, utsätts för kraftigare kylning vid bordets ytterkanter därtråden liggertätare och följaktligen kräver större kyleffekt för att tråden ska få en jämn kvalitet.

Den uppvärmda kylluften förs bort med hjälp av en fläkt som exempelvis kan vara 10 15 20 25 30 7 465 786 belägen under kylbordet och dess värmeeffektinnehåll kan utvinnas och användas för olika ändamål, t ex genom att den tillåtas passera genom en värmeväxlare.

För att ytterligare öka kylningseffekten kan vatten sprayas in i kylgasen i närheten av det aktuella kylomrädet.

Fig 4 visar en utföringsform för forcerad kylning av exempelvis varma oementklinker (20) vilka förs fram på ett transportband. Denna anläggning utgör ej ett akustiskt slutet system. För övrigt fungerar anläggningen på samma sätt som anläggningen för kylning av ståltråd med den skillnaden att här är de två resonatorerna (21), (22) med sina respektive matningsenheter (23), (24) och motorn (25) installerade under det transportband som för fram klinkerna. Samtidigt som den yta som ska utsättas för värmetransmission placeras i partikelhastighetsbuken utgör den ett hinder för den stående ljudvågen. I det här fallet utgör cementklinkerna ett betydligt större hinder än ståltråden i Fig 3. Om hindret blir alltför stort yttrar det sig i att resonatorns resonansskärpa blir sämre, vilket betyder att förhållandet mellan partikelhastighetens amplitud i buken respektive noden minskar. Man inser att vid ett förhållande med stora förlusterfinns det ingen anledning att generera den stående ljudvågen med hjälp av ett långt resonansrör. Genom att placera matningsenheten närmare partikelhastighetsbuken kan resonansröret avkortas.

När man har en öppen resonator som i de ovan beskrivna utföringsformerna innebär detta att partikelhastighetens amplitud minskar drastiskt när resonatorn vidgas, dvs vid dess öppning. Även om det i fallet med en kvartsvågs-resonator fortfarande existerar en partikelhastighetsbuk vid resonatorns öppna ände kan denna vara svår att identifiera. Ljudets volymhastighet påverkas däremot ej av resonatorns diameter utan behåller sin sinusvågform, vilken till sin periodicitet sammanfaller med partikelhastighetsamplituden. Det kan därför vara lämpligare och enklare att identifiera det område där störst värmetransmission kan erhållas som det område där volymhastigheten har en buk.

I de ovan beskrivna utföringsformerna har den forcerade värmetransmissionen endast illustrerats i form av kylningsprocesser, men uppfinningen kan naturligtvis 17963 786 8 även användas för andra typer av processer där en forcerad värmetransmission är önskvärd, t ex frysning, uppvärmning, torkning mm. Exempel på andra användningsområden är kylning av extruderad aluminium- eller plastprofil. '-3

Claims (20)

10 15 20 25 30 P" f:_'f\ b! \'l O? Û Patentkrav

1. Förfarande vid en, med hjälp av en lågfrekvent stående ljudvåg, forcerad värmetransmission mellan ytan av en kropp, fast eller flytande, och en omgivande gas där nämnda yta befinner sig i ett område av den stående ljudvågen vilket är beläget i eller i omedelbar närhet av en volymhastighetsbuk k ä n n e t e c k n at a v att nämnda ljudvåg har endast en volymhastighetsbuk och att minst två av dimensionerna hos nämnda kropp är avsevärt mindre än en fjärdedel av nämnda ljudvågs våglängd.

2. Förfarande enligt kravet 1 k ä n n e t e c k n at a v att samtliga dimensioner hos nämnda kropp är avsevärt mindre än en fjärdedel av nämnda ljudvågs våglängd samt att kroppen transporteras genom ljudvågen.

3. Förfarande enligt kravet 1 k ä n n e t e c k n at a v att nämnda yta utgörs av en delyta av kroppens totala yta och att en av kroppens dimensioner inte är avsevärt mindre än en fjärdedel av nämnda ljudvågs våglängd.

4. Förfarande enligt kravet 3 k ä n n e t e c k n at a v att nämnda kropp förs fram genom nämnda stående ljudvåg varvid kroppens olika delytor successivt exponeras för ljudvågen.

5. Förfarande enligt kravet 4 k ä n n e t e c k n at a v att nämnda kropp företrädesvis utgörs av en varmvalsad ståltråd, extruderad aluminium- eller plastprofil eller någon annan kropp som behöver kylas.

6. Förfarande enligt något av kraven 1 - 5 k ä n n e t e c k n at a v att i det fall värmetransmissionen är en kylprocess, gasens kylförmåga ökas genom evaporering av en till gasen tillförd vätska.

7. Förfarande enligt något av kraven 1-4 k ä n n e t e c k n at a v att värmetransmissionen utgörs av en torkprocess.

8. Anordning för genomförande av förfarandet enligt något av kraven 1-7 innefattande en generator för lågfrekvent ljud bestående av en matningsenhetsdel och 10 15 20 25 30 /0 IN O" \ OJ w CO CA en resonatordel k ä n n e t e c k n a d a v att resonatordelen är försedd med en öppning vilken befinner sig i ett område där den lågfrekventa ljudvågen har en volymhastighetsbuk och genom vilken öppning den kropp som ska utsättas för en f forcerad värmetransmission förs fram.

9. Anordning enligt kravet 8 k ä n n e t e c k n a d a v att resonatordelen består av två rörresonatorer (2, 3), (21, 22) med samma resonansfrekvens vilka bildar en gemensam resonator.

10. Anordning enligt kravet 9 k ä n n e t e c k n a d a v att de två rörresonatorerna (2, 3), (21, 22) är av kvartsvågstyp och att de tillsammans bildar en resonator av halwågstyp vilken har samma resonansfrekvens som resonansfrekvensen hos de enskilda resonatorerna.

11. Anordning enligt något av kraven 9 eller 10 k ä n n e t e c k n a d a v att de två rörresonatorerna (2, 3), (21, 22) har varsin matningsenhet (4, 5), (23, 24) och att dessa matningsenheter arbetar i motfas så att en gemensam stående Ijudvåg av lågfrekvent ljud alstras i de två rörresonatorerna.

12. Anordning enligt något av kraven 9 eller 10 k ä n n e t e c k n a d a v att matningsenheten är åtminstone delvis gemensam för de två rörresonatorerna (2, 3), (21, 22) och arbetar så att en gemensam stående ljudvåg av lågfrekvent ljud alstras i de två rörresonatorerna.

13. Anordning enligt något av kraven 11 eller 12 k ä n n e t e c k n a d a v att rörresonatorema (2, 3) är belägna intill varandra så att deras öppningar, vilka befinner sig vid deras respektive från matningsenhetsdelen vända ände, ståri förbindelse med varandra.

14. Anordning enligt kravet 13 k ä n n e t e c k n a d a v att mellan rörresonatorerna (2, 3) och vid deras öppningar är anordnad en nosdel (9). 10 15 20 /I

15. Anordning enligt kravet 14 k ä n n e t e c k n a d a v att nosdelen (9) är huvudsakligen kägelformad med en platt undersida utmed vilken kylluft som påverkas av det lågfrekventa ljudet strömmar.

16. Anordning enligt något av kraven 9 -15 k ä n n e t e c k n a d a v att kylluft tillföres genom en eller flera särskilda kylluftkanaler (7, 8).

17. Anordning enligt kravet 16 k ä n n e t e c k n a d a v att kylluftkanalerna (7, 8) är _ belägna mellan rörresonatorerna (2, 3) och att nosdelen (9) avlänkar kylluften in i rörresonatorerna (2,3) i närheten av dess öppningar där kylluften utsätts för påverkan av det lågfrekventa ljudet.

18. Anordning enligt kravet 16 eller 17 k ä n n e t e c k n a d a v att kylluftens strömning förbättras genom att varje kylluftrör (7, 8) på sin mot resonatorröret (2, 3) vända insida förses med en böjd plåt (10, 11).

19. Anordning enligt något av kraven 9 - 18 k ä n n e t e c k n a d a v att den kropp som ska kylas förs fram kontinuerligt på en rullbana, ett transportband eller liknande (1) vilket går genom rörresonatorernas öppning.

20. Anordning enligt något av kraven 9 - 19 k ä n n e t e c k n a d a v att resonatordelen är akustiskt sett i det närmaste sluten.