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Einrichtung zum Entwässern von umlaufenden, dampfbeheizten
Trommeln, insbesondere von Trockenzylindern für
Papiermaschinen od. dgl.
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Entwässern von umlaufenden, dampfbeheizten Trommeln, insbesondere von Trockenzylindern für Papiermaschinen od. dgl., welche mit einer solchen Umfangsge- schwindigkeit betrieben werden, dass das im Inneren der Trommel befindliche Dampfkondensat unter der
Einwirkung der Reibungskräfte und der Schwerkraft einen Teil der Mant. lfläche der Trommel als quasi- stationäre Pfütze bedeckt. Bei nichtrotierender Trommel nimmt diese Pfütze den untersten Teil des Trom- melinneren ein und bildet dort den sogenannten Sumpf.
Die Pfütze bzw. der Sumpf verlagert sich mit zunehmender Umfangsgeschwindigkeit der Trommel von deren tiefster Stelle aus im Drehsinn der Trommel nach der Seite, bis schliesslich nach Überschreiten einer gewissen Grenzgeschwindigkeit das Kondensat sich filmartig über die ganze Innenfläche des Trom- melmantels verteilt und mit dem Trommelmantel umläuft. Diese Grenzgeschwindigkeit wird bei gegebener Trommellichtweite vom Flüssigkeitsinhalt des in der Trommel befindlichen Sumpfes bestimmt. Je grösser der Flüssigkeitsinhalt des Sumpfes ist, desto höher ist die Grenzgeschwindigkeit.
Um aus einem solchen Sumpf Kondensat im Betriebe nach aussen ableiten zu können, benutzt man mit der Trommel umlaufende Schöpfrohre, deren in Umlaufrichtung weisende Mundstücke nahe der Innenfläche der Trommel angeordnet sind und welche in einem mehr oder weniger stark geschwungenen Bogen an ein durch den hohlen Lagerzapfen der Trommel in das Trommelinnere hereirragendes Kondensatablaufrohr herangeführt und mit diesem verbunden sind.
Die Überleitung des durch das Schöpfrohr hindurchströmenden Kondensats in das Kondensatablaufrohr wird vielfach durch ein mit dem innerhalb der Trommel befindlichen Ende des Kondensatablaufrohres verbundenes Überleitstück bewirkt, in welches das Schöpfrohr einmündet.
Es sind Schöpfrohre bekannt, deren Mundstück parallel zur Innenfläche der Trommel angeordnet und mit einer an der Innenfläche der Trommel anliegenden Lippe versehen sind. Ein solches Mundstück ist mit dem Kondensatablaufrohr durch ein gekrümmtes Rohr verbunden, dessen Mittellinie aus einem Kreisbogen oder mehreren knickfrei aneinanderschliessenden Kreisbögen unterschiedlichen Halbmessers gebildet wird. Dabei ist in der Regel der Kreisbogen mit dem grössten Halbmesser nahe der Innenfläche der Trommel, der mit dem kleinsten Halbmesser nahe der Drehachse der Trommel angeordnet.
Es ist auch bekannt, im Inneren der Trommel ein über die ganze Länge der Innenfläche der Trommel sich erstreckendes und mit seinem einen Rand auf der inneren Trommelwand aufliegendes Schöpfglied anzuordnen, dessen Arbeitsfläche als Teil einer Kreiszylinderfläche ausgebildet und konzentrisch zur Trommelachse drehbar gelagert ist. Das Schöpfglied kann von ausser her in Umdrehung versetzt werden, so dass seine Umfangsgeschwindigkeit auf das günstigste Verhältnis zur Umfangsgeschwindigkeit der Trommel eingestellt werden kann.
Die Umlaufgeschwindigkeit der Wand kann auch gleich jener der Trommel gemacht werden, so dass Wand und Trommel gemeinsam rotieren. Die Tangentialebene an die kreiszylindrische Arbeitsfläche des Schöpfgliedes in der Berührungslinie mit der Trommelinnenwand bildet bei dieser bekannten Bauweise
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Die bei den bekannten Bauweisen von Schöpfrohren gefürchteten Störungen des Kondensatabflusses werden vermieden. Durch die Ausbildung des Schöpfrohres gemäss der Erfindung wird ferner erreicht, dass die Trommel bis auf einen bei gleichbleibenden Betriebsverhältnissen konstanten Kondensatinhalt entwässert wird. Dadurch wird die Wärmeübertragung vom kondensierenden Dampf zur Trommelwandung im Vergleich zu den bekannten Bauweisen erheblich verbessert, d. h. bei einer gegebenen Dampftemperatur wird mit einem gemäss der Erfindung ausgebildeten Schöpfrohr eine höhere Oberflächentemperatur der Trommel erreicht, und die bei den bekannten Bauweisen beobachteten Schwankungen der Temperatur an der Stelle des Bahnauflaufes werden vermieden.
Da die Trockenleistung einer solchen Trommel grösser ist als die mit den bekannten Bauweisen erreichte, so kann, bei Anwendung solcher Trommeln beispielsweise in der Trockenpartie einer Papiermaschine, die Zahl der Trommeln gegenüber den bisherigen Bauweisen vermindert werden. Dadurch, dass die Menge des in der Trommel befindlichen Kondensats bei Anwendung eines erfindungsgemäss ausgebildeten Schöpfrohres nahezu unveränderlich und wesentlich kleiner gehalten werden kann als bei den bekannten Trommeln, wird ausserdem der Leistungsbedarf für den Antrieb und damit die Nennleistung der Antriebsmotoren sowie der Energieverbrauch für den Umlauf der Trommel, von dem ein erheblicher
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Grunde ist im normalen Betrieb das Schöpfrohr nur teilweise mit Kondensat gefüllt.
Das Kondensat wird also beim Durchgang durch das Schöpfrohr im wesentlichen durch die auf die Trommel bezogen äussere Begrenzungsfläche des Schöpfrohres geführt, während es die innere Begrenzungsfläche nicht berührt. Die innere Begrenzungsfläche braucht daher in vielen Fällen nicht gemäss der Erfindung ausgebildet zu sein, obschon dies in manchen Fällen zweckmässig ist.
Zur Erzielung einer guten Schöpfwirkung beim Eintritt in den Kondensatsumpf ist, nach einem weiteren Gedanken der Erfindung, das nahe der Innenfläche des Trommelmantels befindliche Ende der auf die Trommel bezogen äusseren Begrenzungsfläche des Schöpfrohres in an sich bekannter Weise unter einem 450 unterschreitenden Winkel zur Innenfläche des Trommelmantels gerichtet.
Ferner ist, nach einem andern Gedanken der Erfindung, das radial innere Ende der äusseren Begrenzungsfläche des Schöpfrohres in an sich bekannter Weise wenigstens angenähert tangential an die Wandung des Überleitstückes angeschlossen. Dadurch wird ein störungsfreier Abfluss des geschöpften Kondensats in das Überleitstück hinein und zum Auslaufrohr gesichert.
Gemäss einer besonderen Ausbildung der Erfindung ist die spiralähnliche Kurve, nach welcher wenigstens die auf die Trommel bezogen äussere Begrenzungsfläche des Schöpfrohres ausgebildet ist, von der in Polarkoordinaten (r, ) ausgedrückten Gleichung einer gemischten logarithmisch-archimedischen Spirale
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bestimmt, wobei der Koordinatenanfangspunkt auf der Drehachse der Trommel liegt, die positive Richtung von cp dem Drehsinn der Trommel gleichgerichtet ist und die Anfangsrichtung cp = 0 durch den
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Der Winkel et wird unabhängig von der Lage der Nullinie für den Winkel So stets von der durch die Drehachse der Trommel senkrecht nach unten, d. h. in Richtung der Schwerkraft gerichteten Radialen
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auf die Schwerachse der Trommel jenen Ort, an welchem sich die tangential zu einer mit der Trommel umlaufenden Bahn gerichteten Komponenten der auf ein längs der Bahn bewegliches Masseteilchen ein- wirkenden Kräfte (Fliehkraft und Schwerkraft) das Gleichgewicht halten.
Bei einer beliebigen, sich zwischen der Trommelinnenwand und der Trommellängsachse erstreckenden Bahn ändert sich der Winkel a von Punkt zu Punkt der Bahn. Eine nach einer mathematischen, d. h.
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logarithmischen oder archimedischen Spirale oder nach einer gemischten, aus einem einer logarithmischen und einem einer archimedischen Spirale zugehörigen Anteil gebildeten Spirale geformte Bahn besitzt die besondere Eigenschaft, dass der Winkel a bei einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit Cl) oder Drehzahl der Trommel für alle Punkte der Bahn konstant ist.
Indessen ist in dem für Schöpfrohre wichtigen Bereich solcher Spiralen die Veränderlichkeit des Winkels a längs der Bahn selbst bei erheblich von der Konstruktionsdrehzahl abweichenden Drehzahlen nur gering, so dass bei einem gemäss der Erfindung ausgebildeten Schöpfrohr über den praktisch interessierenden Drehzahlbereich eine positive, d. h. auf das Überlaufstück hin gerichtete Beschleunigung der vom Schöpfrohr aufgenommenen Wasserteilchen angenommen werden darf, sobald der von den Teilchen jeweils eingenommene Bahnpunkt bei der Rotation der Trommel die im aufwärtsgehenden Teil unter dem Winkel a gegen die Schwerachse der Trommel gerichtete Radiale durchlaufen hat.
Da die von aussen nach innen aufeinander folgenden Punkte des erfindungsgemäss ausgebildeten Schöpfrohres zeitlich stetig nacheinander diese Radiale durchlaufen, erfährt jedes Wasserteilchen im Schöpfrohr eine stetige, nach dem Übergangsstück gerichtete Beschleunigung und wird diesem somit oh- ne Stauungen oder Schwallerscheinungen zugeführt.
Der Winkel a kann theoretisch zwischen 0 und 1800 liegen. Vorzugsweise wird seine Grösse zwi-
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ik,-L cterfordert. Grosse Winkel ex führen zwar auf kurze, einen kleinen Bereich des Winkels cl erfordernde
Schöpfrohre.
Solche Schöpfrohre haben aber einen beschränkten Wirkungsbereich, welcher den oberhalb der unter dem Winkel et geneigten Radialen befindlichen Sektor umfasst und innerhalb dessen ein Wasserteilchen stets eine zum Überleitstück hin gerichtete positive Beschleunigung erfährt. Ausserdem weichen die An- schlussstellen eines solchen Schöpfrohres am Überleitstück erheblich von der tangentialen Richtung ab, was für die Kondensatführung nachteilig ist.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Winkel a etwa so gross zu wählen, dass die durch diesen
Winkel bestimmte Radiale jene Stelle des Trommelumfanges trifft, an welcher sich bei der Konstruktions- drehzahl der Trommel die grösste radiale Dicke des Sumpfes einstellt. Diese Stelle befindet sich im praktisch interessierenden Geschwindigkeitsbereich zwischen et = 300 und Q'. = 600 und kann in je- dem Fall leicht durch Versuch ermittelt werden.
Eine für einen weiten Bereich der Umfangsgeschwindig- keiten (bis über 550 m/min bei 1, 5 m Trommelaussendurchmesser) brauchbare gemischte logarithmisch- archimetische Spirale ist beispielsweise mit a = 450, Cl) = 6,87 sec' entwickelt worden und besitzt bei einem Halbmesser des Übergangsstückes von r = 209 mm einen Winkelbereich cl = 3260, d. h. ungefähr 0,9 volle Windungen.
Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung ist das Schöpfrohr in an sich bekannter Weise wenigstens im radial äusseren Bereich an der auf die Trommel bezogen inneren Begrenzungsfläche offen. Dadurch wird dem das Trommelinnere füllenden Dampf der Zutritt zum Inneren des Schöpfrohres erleichtert und die Strömung in dem geschlossenen, radial inneren Teil des Schöpfrohres, insbesondere beim Durchgang durch das Überleitstück verbessert.
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Schöpfrohres ist, einem weiteren Gedanken der Erfindung zufolge, schneidenartig ausgebildet. Die Schneide ist zur Drehachse der Trommel wenigstens angenähert parallel. Durch eine solche Ausbildung wird erreicht, dass das Kondensat wirbelfrei und ohne Ablösungserscheinungen in das Schöpfrohr eintritt.
Die vom Schöpfrohr aufgenommene Kondensatmenge kann vergrössert werden, wenn die in Achsrichtung der Trommel gemessene lichte Weite des Endes des Schöpfrohres in an sich bekannter Weise grösser als die lichte Weite in radialer Richtung ist. Um die für die beste Wärmeübertragung vom Kondensat zum Trommelmantel erforderliche Kondensatmenge im Sumpf aufrecht zu erhalten, ist das Ende des Schöpfrohres in Richtung von und zur Innenfläche des Trommelmantels verstellbar. Bei Trommeln, welche mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden, erweist sich diese Einstellbarkeit des Wandabstandes als sehr vorteilhaft.
In den Zeichnungen ist ein Beispiel eines gemäss der Erfindung ausgebildeten Schöpfrohres dargestellt, u. zw. zeigen Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Trommel und darin den Verlauf dreier Spiralen, welche als äussere Begrenzungsflächen von in Trockenzylindern für Papiermaschinen anwendbaren, erfindungsgemäss ausgebildeten Schöpfrohren geeignet sind, Fig. 2 ebenfalls einen schematischen
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Querschnitt durch eine Trommel mit einem in Drehrichtung verlagerten Sumpf, Fig. 3 einen weiteren schematischen Querschnitt durch eine Trommel, in welchem die Beschleunigungsvektoren für an verschiedenen Stellen befindliche Masseteilchen eingetragen sind, Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäss ausgebildeten Schöpfrohres im Aufriss gemäss der Linie 2 - 2 der Fig.
5, teilweise im Schnitt und Fig. 5 eine Seitenansicht dieses Schöpfrohres im Schnitt gemäss der Linie 3 - 3 der Fig. 4.
Die Gleichung
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setzt sich aus zwei Summanden zusammen, deren erster den durch die Zentripetalbeschleunigung bedingten logarithmischen Anteil und deren zweiter den durch die Erdbeschleunigung bedingten archimedischen Anteil bedeuten. In Fig. 1 ist der Verlauf einer logarithmischen Spirale 1 (w=0), einerarchi- medischen Spirale a (Ci. = 900), und einer gemischten logarithmisch-archimedischen Spirale m dargestellt, deren Berechnung der Winkel et = 450 zugrundegelegt ist.
Alle diese drei Spiralen gehen von einem Punkt A auf dem Umfang eines Überleitstückes mit dem Abstand ro von der Drehachse der Trommel aus und endigen an einem Punkte B nahe der Innenfläche des Trommelmantels. Die gemischte logarithmisch-archimedische Spirale m verläuft dabei zwischen der logarithmischen Spirale 1 und der archimedischen Spirale a.
In Fig. 2 ist bei einer mit der Winkelgeschwindigkeit w im Sinne des Pfeiles um die Achse P rotierenden Trommel T Umriss und Lage des Sumpfes S angegeben, wobei die an der Aussenfläche des Sumpfes herrschende Bewegung des Kondensats durch kleine Pfeile angedeutet ist. Mit V ist die Schwerachse der Trommel und mit C die unter dem positiven Winkel a gegen die Schwerachse V
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Dicke aufweist.
Fig. 3 stellt die aufsteigende Hälfte einer mit der Winkelgeschwindigkeit w im Sinne des Pfeiles um den Pol P rotierenden Trommel T in einem schematischen Querschnitt dar. Diese aufsteigende Hälfte wird gegen die-nicht eingezeichnete-absteigende Hälfte durch die Schwerachse V der Trommel T und ihre Verlängerung nach oben über den Pol P hinaus abgegrenzt.
Die unter dem positiven Winkel Ci. gegen die Schwerachse V gerichtete Radiale C ist der Ort, an welchem ein längs einer mit der mit der Winkelgeschwindigkeit ( im Sinne des Pfeiles rotierenden Trommel fest verbundenen, im Drehsinn der Trommel sich windenden mathematischen Spirale bewegliches Masseteilchen sich beschleunigungsfrei bewegt, weil die auf dieses einwirkenden Kräfte. nämlich die Fliehkraft und die Schwerkraft, an diesem Ort in bezug auf die Tangente an die Spirale gleich grosse, aber entgegengesetzt gerichtete Komponenten haben.
Grösse und Richtung der auf ein Masseteilchen von der Masse 1 einwirkenden Kräfte (Flieh- kraft r. W2 und Schwerkraft g) sind in Fig. 3 für drei auf der Radialen C in unterschiedlichem Abstand vom Pol P gelegene Punkte I, II und III eingetragen. Punkt I entspricht dem auf der Trommelinnenfläche aufliegenden Ende der äusseren Begrenzungsfläche des Spiralschöpfers, während die Punkte II und III längs der Spirale willkürlich gewählte Punkte sind. Die jeweilige Lage der Spirale ist andeutungsweise durch ein Stück der Kurve angegeben.
Auf der in der mittleren, durch Punkt II bestimmten Lage eingetragenen Spirale ist noch ein weiterer Punkt IV im radial ausserhalb des Punktes II befindlichen Bereich der Spirale samt den auf ein dort befindliches Masseteilchen einwirkenden Kräften r. w 2 und g und deren Komponenten in Richtung der Tangente an die Spirale im Punkte IV eingezeichnet. Man erkennt, dass dort die in Richtung des dem Pol zustrebenden Teiles der Spirale wirkende Komponente der Schwerkraft g die entgegengesetzt gerichtete Komponente der Fliehkraft weit überwiegt. Das Masseteilchen erfährt im Punkte IV, wie übrigens im ganzen oberhalb der Radialen C befindlichen, in Fig. 3 durch Schraffur hervorgehobenen Bereich der aufsteigenden Trommelhälfte, eine Beschleunigung, die ! lach dem Trommelinneren hin wirkt.
Im Inneren des in den Fig. 4 und 5 dargestellten Trockenzylinders 10 einer Papiermaschine ist ein erfindungsgemäss ausgebildetes Kondensatschöpfrohr 11 eingebaut, welches an ein konzentrisch zur Drehachse des Trockenzylinders auf dem durch den hohlen Lagerzapfen 10a nach aussen führenden Kondensatabflussrohr 24 angeordnetes, am Zylinderdeckel 12 angeschraubtes Überleitstück 13 bei 14 angeflanscht und durch Laschen am Zylinderdeckel 12 befestigt ist. Das Schöpfrohr 11 besitzt rechteckigen Querschnitt und ist aus der, auf den Trockenzylinder 10 bezogen, inneren Begrenzungsfläche 17 und äusseren Begrenzungsfläche 18 sowie den beiden in zur Drehachse des Trockenzylin-
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ders 10 senkrechten Ebenen befindlichen seitlichen Begrenzungsflächen 19,20 gebildet.
Die äussere
Begrenzungsfläche 18 ist nach einer gemischten logarithmisch-archimedischen Spirale geformt, deren
Pol in der Drehachse des Trockenzylinders liegt und die mit einem Winkel Cl. = 450 für eine Umfangs- geschwindigkeit von 310 m/min bei 1, 5 m Trommelaussendurchmesser entworfen ist. Die innere Begren- ! zungsfläche 17 ist zu der äusseren Begrenzungsfläche 18 äquidistant. Ausgehend von dem Anschluss- punkt A der äusseren Begrenzungsfläche 18 an der Aussenwandung des Überleitstückes 13 erstreckt sich die äussere Begrenzungsfläche 18 innerhalb des Trockenzylinders 10 über nahezu einen vollen
Umgang, wobei ihr Abstand von der Drehachse stetig zunimmt und sich dabei der Innenfläche des Trom- melmantels nähert.
Das nahe der Innenfläche des Trommelmantels befindliche Ende 21 der äusseren Begrenzungsfläche
18 ist gegen die Umfangsrichtung der diesem Ende in radialer Richtung gegenüberliegenden Stelle des
Trockenzylinders 10 unter einem 450 wesentlich unterschreitenden-Winkel 25 gerichtet. Dieses Ende
21 verläuft etwa parallel zur Drehachse des Trockenzylinders und ist in Richtung dieser Drehachse im
Verhältnis zur Lichtweite des Schöpfrohres 11 erheblich verbreitert. Dementsprechend sind die beiden seitlichen Begrenzungsflächen 19, 20 im radial äusseren Bereich in Richtung der Drehachse auseinander gebogen, so dass ein gegenüber dem Schöpfrohr verbreitertes Mundstück gebildet wird.
Ferner ist das Ende 21 der äusseren Begrenzungsfläche 18 als Schneide ausgebildet und in einem geringen Abstand 22 von der Innenfläche des Trommelmantels angeordnet. Mit 26 ist eine Einrich- tung zum Verändern des Abstandes 22 mit Hilfe eines Exzenters bezeichnet. Die innere Begrenzungs- fläche 17 des Schöpfrohres erstreckt sich nur über den radial inneren Bereich des Schöpfrohres und en- det bei 23, so dass der radial äussere Bereich des Schöpfrohres 11 mitsamt dem Mundstück gegen die Drehachse des Trockenzylinders zu offen ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zum Entwässern von umlaufenden, dampfbeheizten Trommeln, insbesondere von
Trockenzylindern für Papiermaschinen od. dgl., mit mindestens einer mit der Trommel umlaufenden Entwässerungsleitung, welche ein zentrales, durch einen Lagerzapfen in die Trommel hineingeführtes und an seinem innerhalb der Trommel befindlichen Ende als Überleitstück ausgebildetes Auslaufrohr auf- weist und mit einem vom Überleitstück aus gegen die Innenfläche des Trommelmantels sich erstreckenden und mit seiner Mündung in Umlaufrichtung des Trommelmantels weisenden Schöpfrohr versehen ist,
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fläche (18) des Schöpfrohres (11) nach einer spiralähnlichen Kurve gekrümmt ausgebildet ist,
deren Pol auf der Drehachse der Trommel liegt und deren Krümmungshalbmesser beim Fortschreiten längs der Kurve in Drehrichtung der Trommel zunimmt, vorzugsweise nach einer archimedischen oder nach einer logarithmischen Spirale oder nach einer zwischen diesen beiden Kurven verlaufenden, stetig gekrümmten Kurve.