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Vorrichtung zum strukturverändernden Bearbeiten einer in Partikel- oder Suspensionsform befindlichen Materialmasse
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum strukturverändernden Bearbeiten einer in Partikel- oder Suspensionsform befindlichen Materialmasse, bei welcher innerhalb eines Gehäuses mit Ein-und Auslass- öffnungen nebeneinander mindestens zwei auf Drehung gekuppelte Bearbeitungswerkzeuge angeordnet sind, die mit Spiel teilweise ineinander eingreifende Wendelflächen aufweisen. Bei bekannten, als Mischer oder Kneter dienenden Vorrichtungen dieser Art sitzen die Wendelflächen innen dicht auf den zugehörigen
Drehachsen auf oder sie werden unmittelbar durch in diese Achsen eingearbeitete Gewindegänge gebildet.
Das zu bearbeitende Material durchläuft die Vorrichtung in einer durch die Förderwirkung der ineinandergreifenden Wendelflächen vorgeschriebenen axialen Richtung und ist nur im Verlaufe dieser einseitig gerichteten Materialbewegung einer Bearbeitung unterworfen.
Die Erfindung befasst sich nun mit der Aufgabe, Vorrichtungen der einleitend angegebenen Art so zu verbessern, dass innerhalb der Vorrichtung ein Materialrückfluss ermöglicht wird, der zu einer erheblichen Steigerung des Misch-oder sonstigen Bearbeitungseffektes führt. Dies wird gemäss der Erfindung dadurch erreicht, dass die ineinandergreifenden Wendelflächen zumindest abschnittweise durch im wesentlichen radial gerichtete, ineinandergreifende wendelförmige Bänder gebildet sind, so dass innerhalb jeder Bandwendel ein axialer Durchgangsweg für das Material frei bleibt.
Es sei erwähnt, dass mit axialem Abstand auf rotierenden Achsen angeordnete Bandwendeln für Rührund Mischwerke an sich bekannt sind, nicht aber in solcher Anordnung, dass zwei Bandwendeln ineinander eingreifen und dadurch das behandelte Material verdichten und in die im Innern der Bandwendeln vorhandenen freien axialen Räume verdrängen, wie dies bei der Erfindung zur Erzielung eines Materialrückflusses der Fall ist.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann zum Mischen, Zerteilen, Zerkleinern, Mahlen, Defibrieren, Entwässern, Komprimieren u. dgl. von Materialien verwendet werden, u. zw. insbesondere in der Zellulose-and Papierindustrie, aber auch in der chemischen, keramischen und metallurgischen Industrie, in Mühlen, u. dgl. Die itteinandergre1fendenBandwendeln erzwingen auf der Bearbeitungsstrecke bei ihrer Ro- tation Druckimpttlse, die eine rhythmische Folge von sich imMaterial fortpflanzenden Drucksteigerungen und DmcIcabfXUen zur Folge haben, wodurch die gewünschten Effekte ausgelöst werden.
Bezüglich sus- pendierter oder flüssigkeitshaltiger fester Stoffe hat jeder Druckimpuls im wesentlichen hydraulischen Charakter. Dies bedeutet z. B. in bezug auf Fasermaterial, dass die erfindungsgemässe Vorrichtung eine Im wesentlichen durch hydraulische Druckwirkung verursachte Zerkleinerung oder Defibrierung bewirkt.
Alle diese Behandlungsarten werden erfindungsgemäss dadurch wesentlich verbessert, dass dem zu behan- deludes Material Gelegenheit gegeben wird, neben der eigentlichen Bearbeitungsstrecke in entgegengesetzter Richtung zu der allgemeinen Bewegungsrichtung des Materials in der Bearbeitungsstrecke zu Stellen zurückzuströmen, an denen es wieder in die Bearbeitungsstrecke eingeführt wird.
Die bei der erfindungsgemässen Vorrichtung verwendeten Bandwendeln können auch in Abschnitte unterteilt sein. Die Steigung der Bandwendeln kann in der Längsrichtung ihrer Achsen gleichförmig oder zur Erzielung besonderer Effekte ungleichförmig sein.
Wem eine überwiegend gleitende Bewegung des Materials durch die Bearbeitungsstrecke erwünscht
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en-chrone gegensinnige Drehung gekuppelt sind.
Wenn dagegen zur Erzielung einer kräftigen Zerkleinerung eine rollende Bewegung des Materlals durch die Bearbeltungsstrecke erwünscht ist, haben die Bandwendeln gleichen Windungssintt und ihre Ach- mu sind auf synchrone gleichsinnige Drehung gekuppelt.
Ausser den Bandwendeln können die Achsen in an sich bekannter Weise noch andere Bearbeitungsorga-
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Bestandteile und bzw. oder zum TranMaterials zu den Bandwendeln und bzw. oder Messern zum Zerkleinern fester Bestandteile und bzw. oder Transportschrauben zum Abführen des behandelten Materials.
Die Form und Anordnung der Bandwendein kann verschiedenartig variiert werden. Es ist auch mög- lich, Betriebsfaktoren, wie Umlaufgeschwindigkeit der Bandwendeln und Durchlauf geschwindigkeit des Materials, in weitem Umfang zu variieren.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen an Ausfi1brungsbelpielen näher erläutert.
Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Vertikal-bzw. einen Horizontalschnitt durch eine erfinduttgsgsmässe Vorrichtung und die Fig. 3,4 und 5 stellen Querschnitte längs der Linien A-A. B-B bzw. C-C in Fig. 1 dar.
Fig. 6 veranschaulicht im Horizontalschnitt eine besondere Ausführungsform der Bandwendeln sowie deren gegenseitigen Eingriff. Die Fig. 7 und 8 stellen besondere Ausführungen der Oberflächen der Bandwendeln
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Fig. 10 und 11 erläutern schliesslich die Anordnung von Rillen auf den Bandwendeln.
Die in den Fig. 1-5 gezeigte Vorrichtung umfasst ein Gehäuse l, in welches das zu bearbeitende Material durch einen Einlass 2 eingeführt wird. Nach beendigter Bearbeitung wird das Material durch den
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strecken sich zwischen dem Einlass 2 und dem Auslass 3 zwei parallele Achsen 4. Diese Achsen sind miteinander auf gegensinnige Drehung gekuppelt und tragen Bearbeitumgsorgane in Form von mit ihren Breitflächen im wesentlichen radial gerichteten Bändern 5, die wendelförmig um die Achsen 4 verlaufen. Die eine der Bandwendeln hat Linksgewinde und die andere Rechtsgewinde. Die Steigung der bei Ihrer gegensinnigen Drehung ineinandergreifenden Bandwendeln nimmt beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1-5
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sein, wenn dies im Hinblick auf das gewünschte Arbeitsresultat zweckmässig erscheint.
Die Steigung der beiden Bandwendeln 5 ist ausserdem so gewählt, dass überall zwischen den ineinandergreifenden Teilen der Wendeln ein gewisser Mindestabstand verbleibt.
Die Achsen 4 tragen ausserdem innerhalb des Gehäuses l In bekannter Weise noch mehrere propellerartige Bearbeitungsorgane 6, mit deren Hilfe gegebenenfalls in dem zu bearbeitenden Materi. 1l vorhande- ne unerwünschte Bestandteile in einen Sammelraum 7 im unteren Teil des Gehäuses abgeführt werden,
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peller ausgeführt sind, wirken sie gleichzeitig bei der Zuführung des Behandlungsgutes zu den Bandendeln 5 mit.
Auf der dem Auslass zugewandten Seite ist jede Achse 4 auch mit einer Transportschraube 9 versehen, die an der Bewegung der zugeordneten Bandwendeln 5 teilnimmt. Die beidenTransportschrauben 9 stehen ebenso wie die Bandwendeln 5 in gegenseitigem Eingriff. Mit Hilfe der Transportschrauben 9 wird dube- arbeitete Material durch den Auslass 3 aus der Vorrichtung entfernt.
Schliesslich tragen die Achsen 4 am Auslassende noch Messer 10, die zum Zerschneiden fester Bestand teile in dem bearbeiteten Material dienen.
Die Propeller 6, Transportschrauben 9 und Messer 10 bilden keine notwendigen Bestandteile der er-
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Hinblick auf das gewünschte Arbeitsresultat eine Abscheidewirkung, ei= einseitig gerichtete Transpott- wirkung und bzw. oder eine schneidende Mahlwirkung erwünscht ist.
Gemäss den Fig. 1 - 5 liegen die Aussenkanten der Bandwendeln 5 nahe, aber nicht unmittelbar an
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se 4, sondern verlaufen im Abstand um die Achse, wodurch im Innern jeder Bandwendel um die Achse ein im wesentlichen freier, durchgehender Raum gebildet wird. Die Bandwendeln sind mit den Achsen 4 fest verbunden oder auf den Achsen gelagert ; die in der Zeichnung nicht gezeigteti BefestLgungs-oder Lagerorgane sollen keine wesentliche Einschränkung des axial durchgehenden freien Raumes innerhalb der Innenkanten der Bandwendeln verursachen.
Die beschriebene Vorrichtung arbeitet in folgender Weise : Die durch den Einlass 2 zugeführte Mate-
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rialmasse wird durch die Propeller 6 zwecks Entfernung unerwünschter Bestandteile vorbehandelt und ge- gen die Bandwendeln 5 vorgeschoben. Am Einlassende wirkt jede Bandwendel zunächst wie eine gewöhnli- che Tramportschraube mit bestimmtem Füllgrad und Transportvermögen. Bei der beschriebenen Ausfüh- rUl1gsfonn, bei welcher eine rechtsgängige und eine linksgängig Wendel gegensinnig rotieren, wird das ZU behxxdelnde Material zwischen den beiden Bandwendeln in deren Eingriffsbereich eingefangen und es tritt eine Böschung des Materials iin Bereich zwischen den Wendeln auf.
Ein Austreten von Material nach aussen wird durch das die Wendeln umschliessende Gehäuse verhindert. Auf diese Weise wird der Füllgrad erhöht. Dieser Vorgang wird bei jeder Umdrehung wiederholt, wobei die Wendeln gleichzeitig das Material gegen den Auslass vorschieben. Infolge der abnehmenden Steigung der Wendeln wird das Material mehr und mehr zusammengedrängt und es tritt daher eine Verdichtung auf, die zunächst den Füllgrad erhöht und schliesslich bewirkt, dass der Raum zwischen den einzelnen Gängen der beiden Wendeln ganz mit Material gefüllt wird.
Beim gegenseitigen Eingriff der Bandwendeln wird jetzt eine dem Eingriffsvolumen der Wendeln entsprechende Materialmenge gegen das Zentrum jeder Wendel verdrängt, wodurch der Füllgrad und ebenso der Druck und die dadurch bedingte Reibung zwischen den rotierenden Oberflächen und dem Material vergrössert wird.
Durch geeignete Ausgestaltung der Bandwendeln kann für verschiedene Materialien und verschiedene Bearbeitungszwecke ein optimaler Wirkungsgrad sichergestellt werden. Wichtige Faktoren in dieser Hinsicht sind die Breite, Dicke, Steigung, das Profil und der kleinste gegenseitige Abstand der Bandwendeln, das Verhältnis zwischen der von den Bandwendeln bestrichenen Zone und der Rückströmzone innerhalb jeder Bandwendel usw. Statt dieser konstruktiven Modifikationen kann man sich zur Beeinflussung des Arbeitsresultates auch der Regelung von Betriebsfaktoren bedienen, wobei man beispielsweise die Drehge- schwindigkeit der Bandwendeln ändern oder durch Verengung des Auslasses mit Hilfe von nicht gezeigten Vorrichtungen eine Aufstauung und Komprimierung des Materials in der Vorrichtung erzielen kann.
Als Beispiel einer Modifikation der Konstruktion der Bandwendeln zeigt Fig. 6 eine Vorrichtung, die zwei mit gleichem Windungssinn ausgebildete Bandwendeln aufweist, welche auf im gleichen Drehsinn rotierenden Achsen angebracht sind. Jede der Bandspiralen weist eine vom Einlassende (in der Zeichnung links) zum Auslassende abnehmende Steigung auf, wogegen die radiale Bandbreite in der gleichen Richtung zunimmt. Da der Aussendurchmesser der Bandwendeln gleichmässig ist, verursacht die zunehmende Bandbreite e1tte Verengung des freien inneren Durchflussquerschnittes, wodurch ohne weitere Massnahmen ein fortschreitender Materialkreislauf erzielt wird, u. zw. durch die gegen den Auslass immer mehr zunehmende Kompression und die Verengung des inneren Hohlraumes um die Achse.
Die Bewegungsrichtung des Materials wird durch die Pfeile in Fig. 6 angedeutet.
Die Bandwendeln sind bei der Ausführungsform nach Fig. 6 auch bezüglich ihrer Querschnittsform abgeändert ; der Bandquerschnitt geht nämlich von einer rechteckigen Form am Einlass allmählich in eine nach aussen sich verjüngende Trapez-oder Keilform beim Auslass über.
Bei der Verwendung einer Vorrichtung nach den Fig. 1 - 5 bzw. Fig. 6 als Mühle für Papiermasse ist der kleinste Abstand zwischen den Bandwendeln im Eingriffsbereich mit der kleinsten Wendelsteigung bedeutend grösser als die durchschnittliche Teilchengrösse im Material, abgesehen von möglicherweise vorhandenen Ästen u. dgl., die ausnahmsweise grösseren Durchmesser haben können und die infolgedessen einer schneidenden Einwirkung zwischen zusammenwirkenden Bandwendelflächen unterworfen sein können.
Bezüglich der Hauptmasse des Fasermaterials, die bei der Einführung in die Vorrichtung aus Span-
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die Bearbeitungs-wirkung durch die Bandwendeln nicht in erster Linie in der direkten Reibungswirkung, sondern hauptsächlich in einer indirekten, hydraulischen pulsierenden Wirkung, die in der Eingriffszone zwischen den Bandwendeln auftritt und die durch eine Kombination von mechanischem Verdichtungsdruck und hydraulischem Druck auf im Material eingeschlossene oder kapillar festgehaltene Flüssigkeit zu einer wirkungvollen Defibrierung der Teilchen führt.
Die Vorrichtung zeigt sich hiebei insofern allen für den gleichen Zweck vorbekannten Vorrichtungen weit überlegen, als die eigentliche Defibrierung auf einen gewissen Endwert nur einen Bruchteil des bisher erforderlichen Leistungsverbrauches erfordert, wobei sich das Endprodukt durch eine bisher unerreichbare durchschnittliche Faserlänge auszeichnet. Die Überlegenheit der erfindungsgeml ! ssen Vorrichtung in bezug auf die erreichte Faserlänge kann ohne weiteres dadurch erklärt werden, dass eine schneidende oder brechende Mahlwirkung zwischen zusammenwirkenden Mahlorganen nicht auftritt und folglich auch kein Zerreissen oder Brechen der Fasern in der Längsrichtung erfolgt.
Es ist mit ändern Worten möglich, das Mahlen nach Bedarf beliebig weit zu treiben, ohne die Gefahr, gleichzeitig mit maximaler Defibrierung eine bedeutende Herabsetzung der Faserlänge in Kauf nehmen zu müssen.
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Wenn die Vorrichtung eine zerkleinernde oder verdichtende Arbeit ausführen soll, haben die Bandwendeln dagegen-zweckmässigerweise veränderliche Steigung (zu-oder abnehmend oder eine Kombination von Abschnitten mit zunehmender und abnehmender oder gleichbleibender Steigung). Bei einer Ausführungsform nach den Fig. 1-5 bzw. 6 mit zum Auslass abnehmender Steigung tritt infolge des grossen Ab-
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zum Auslass hin auf. Mit abnehmendem Abstand zwischen den Wendelwindungen erfolgt eine immer kräftigere Verdichtung des Materials. Im Eingriffsbereich der Bandwendeln wird eine dem Querschnitt der Wendelbänder und den Abständen zwischen den Bändern im Eingriffsbereich entsprechende Menge des Materials in den Hohlraum im Innern jeder Wendel verdrängt.
Hiedurch wird der Druck in dem Material im Vergleich mit dem am Einlassende herrschenden Druck vergrössert und die von den Bandwendeln aufgenommene Nachschubmenge auf jene Menge begrenzt, die tatsächlich durch den Auslass abgeht. Im Auslassbereich wird das Material zu einer mehr oder weniger homogenen Masse zusammengedrückt, die unter verhältnismässig hohem Druck aus der Vorrichtung austritt.
Bei Verwendung der Bandquerschnittsform nach Fig. 6 erhält man in der Nähe des Auslasses eine Art Keilwirkung zwischen den zusammenwirkenden Bandteile, wodurch eine weitere Erhöhung des Mahldruckes bzw. der Reibungsarbeit erzielt wird. Beim Mahlen von feuchtem, faserigen Material erhält man dabei eine Arbeitsweise, die eine gewisse Ähnlichkeit mit der Arbeitsweise einer Kollermühle aufweist, wobei jedoch der Wirkungsgrad der erfindungsgemässen Vorrichtung bedeutend grösser als der einer Kollermühle ist.
Der Hauptgrund hiefür dürfte in der leichteren Beweglichkeit des Materials in der erfindungsgemässen Vorrichtung zu suchen sein, in der bei der schnellen Drehung der Bandwendeln und der dadurch erzeugten Transport-, Verdichtungs-und Rückflusswirkung jede Teilmenge des Materials mit gegenüber der Kollermühle vervielfachter Frequenz der Bearbeitung durch die ineinander eingreifenden Bandwendeln unterworfen wird.
Es sei noch erwähnt, dass die Arbeitsweise der erfindungsgemässen Vorrichtung auch durch Änderung der Eingriffsverhältnisse der Bandwendeln nach Fig. 6 beeinflusst werden kann, indem die beiden Achsen gegeneinander oder zueinander verschoben werden, wie durch die Pfeile rechts in der Zeichnung angedeutet worden ist.
Bei der Ausführungsform nach den Fig. 1-5 rotieren die Achsen der Bandwendeln in entgegengesetzten Richtungen, wobei sich die ineinander eingreifenden Bandteile im Eingriffsbereich im wesentlichen in der gleichen Richtung bewegen. Die dabei erzielte Bearbeitungswirkung ist überwiegend gleitend und im wesentlichen gleichförmig bezüglich der ganzen Materialmenge, die sich auf einmal zwischen den in gegenseitigem Eingriff stehenden Bandteilen befindet. Die Behandlung ist hiebei besonders schonend, ohne dass die eigentümliche Wirkung der Druckimpuls verloren geht.
Drehen sich dagegen nach Fig. 6 die Achsen in der gleichen Richtung, so bewegen sich die ineinander eingreifenden Bandteile in entgegengesetzten Richtungen im Verhältnis zu der dazwischen eingeschlossenen Materialmenge, und die Einwirkung auf das-Gut ist überwiegend rollend oder knetend, wobei eine kräftigere Zerkleinerung oder Zerquetschung des Materials erfolgt.
Die Achsen brauchen nicht zueinander parallel zu verlaufen und die Rotationshüllflächen der Bandwendeln brauchen auch nicht zylindrisch zu sein, sondern können dieForm von Kegeln bzw. Kegelstümpfen haben.
Die Vorrichtung nach der Erfindung ist nicht nur zur Behandlung von feuchtem Fasergut verwendbar, sondern auch zur Behandlung verschiedener anderer Stoffe in feuchtem oder trockenem Zustand. Sie eignet sich ferner nicht nur zur mechanischen Bearbeitung des Materials, sondern auch zur Durchführung von Prozessen, bei denen chemische Reaktionen vorkommen. Wenn es sich um chemische Reaktionen handelt, kann man die Komponenten gleichzeitig oder nacheinander in die Vorrichtung einführen, um sie zu mischen und bei Bedarf zu zerkleinern, während gleichzeitig die chemische Reaktion vor sich geht oder ähnliche Behandlungen, wie Färben oder Bleichen vorgenommen werden. Man erhält auf diese Weise fertiggemischte Reaktionsprodukte, die aus der Vorrichtung unmittelbar in Behälter oder Verpackungen abgefüllt werden können.
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