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Verfahren und Vorrichtung zur Wärmebehandlung von schichtförmigem
Material, z. B. Papierbahnen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von schichtförmigem
Material, z. B. Papierbahnen, bei welchen beide Seiten der bewegten Materialbahn dem Auftreffen von
Strömen eines erhitzten, gasförmigen Mediums, insbesondere erhitzter Luft, unterworfen werden, wobei die Ströme als Träger für die Materialbahn dienen und das gasförmige Medium nach dem Auftreffen quer von der Materialbahn abfliesst. Im Bereich dieser Wärmebehandlung ist also kein äusserer Träger, wie z. B. ein Förderband, vorgesehen.
Bei bereits bekannten Verfahren und Vorrichtungen dieser Art wurde versucht, die Lage der zu behan- delnden Materialbahn durch geeignete Wahl der Grösse und der relativen Anordnung von Düsen, von welchen das erhitzte, gasförmige Medium ausgesendet wird, zu kontrollieren. Solche Verfahren und Vorrichtungen waren nicht immer zufriedenstellend, insbesondere wenn sowohl die Geschwindigkeit der Ströme des gas- förmigen Mediums als auch das Ausmass der Wärmeübertragung erhöht werden sollte. Obwohl der auf die
Bahn durch die Mediumströme ausgeübte Druck wesentlich höher als der statische Druck des gasförmigen
Mediums liegt, ist die Fläche der Materialbahn, auf welche dieser höhere Druck wirkt, viel kleiner im Vergleich zu der übrigen Fläche der Materialbahn, auf welche im wesentlichen nur der statische Druck einwirkt.
Die gesamte Kraft, die auf die Materialbahn mittels der darauf gerichteten Mediumströme ausgeübt wird, kann daher tatsächlich viel geringer sein, als die auf die Materialbahn durch den statischen Druck ausgeübten Kräfte.
Die Erfindung trachtet, nicht so sehr die Lage der zu behandelnden Materialbahn durch die auf die beiden Seiten derselben gerichteten Ströme des gasförmigen Mediums als durch Kontrolle des statischen Druckes an den beiden Seiten der Materialbahn zu beeinflussen.
Die bekannten Vorrichtungen als auch die erfindungsgemässe Vorrichtung bestehen aus gegenüberliegenden Druckkammern mit einander zugekehrten Stirnwänden, die mit einer Anzahl von Öffnungen zur Leitung von Strömen des erhitzten gasförmigen Mediums gegen die zwischen den Druckkammern bewegte Materialbahn versehen sind. Das aus den Öffnungen ausströmende gasförmige Medium wird im wesentlichen gleichförmig über die beiden Seiten der Materialbahn entladen. Jedoch ergibt sich dabei eine Erhöhung der Menge des ausgeströmten gasförmigen Mediums, das zwischen jeder Bahnseite und der anliegenden Druckkammer quer zur Bahn gegen deren Kanten fliesst.
Gewöhnlich ist in bekannten Vorrichtungen der verfügbare Raum zwischen den Druckkammern und der Bahn, durch welche das ausgeströmte gasförmige Medium abfliessen kann, von im wesentlichen konstanten Querschnitt, so dass zwecks Abführung des gasförmigen Mediums von der Materialbahn seine Geschwindigkeit gegen die Kanten der Bahn zu erhöht werden muss. Es muss daher an jeder Seite der Bahn ein grösserer statischer Druck im Zentralbereiche der Bahn herrschen als an den Rädern derselben.
Weiters sollte bei Verlagerung der Bahn von ihrem normalen Weg näher zu einer Druckkammer, insbesondere der Bahnkanten, die Geschwindigkeit des zwischen der Bahn und dieser Druckkammer abfliessenden gasförmigen Mediums noch weiter erhöht werden, was zu einer Verringerung des Fliessquerschnittes und folglich dazu führt, dass sich der statische Druck im Zentralbereich der Bahn weiter erhöht und dazu neigt, den Mittelteil der Bahn gegen die andere Druckkammer zu blasen. So führt eine Verlagerung der Bahn von ihrem normalen Weg zu einer weiteren Verlagerung hie-
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von und folglich zu einer Instabilität der Lage der Bahn.
Gemäss der Erfindung wird eine Verringerung des statischen Druckes vom Zentralbereich der Material- bahn gegen ihre Randbezirke zu im wesentlichen dadurch vermieden, dass der statische Druck des quer- fliessenden gasförmigen Mediums an den beiden Seiten der Materialbahn vorzugsweise im wesentlichen konstant und mindestens so gross gehalten wird, wie jener im Zentralbereich der Materialbahn. Die erfin- dungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kennzeichnet sich dadurch, dass die die Öffnun- gen enthaltenden Stirnwände der Druckkammern durch profilierte Aufsätze unterbrochen sind.
Die Erfindung wird an Hand eines Beispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrie- ben.
In den Zeichnungen ist Fig. l ein Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Wärmebehandlung von schichtförmigem Material ; Fig. 2 eine perspektivische Detailansicht von Teilen von gegen- überliegenden Druckkammern der Vorrichtung nach Fig. 1 ; Fig. 3 ist ein Teilschnitt nach der Linie III-III der Fig. 1 ; Fig. 4 ist eine graphische Darstellung zur Illustration der Theorie der Erfindung ; Fig. 5 ist eine Fig. 2 ähnliche Ansicht über eine modifizierte Druckkammerbauart.
Gemäss den Fig. l, 2 und 3 wird eine fortlaufende Materialbahn 10, wie Papier, zwischen gegen- überliegenden Druckkammern 11 und 12 geführt. Die Stirnwände 13 und 14, die einander gegen- überliegen, sind mit Öffnungen 15 zur Leitung von erhitzter Luft gegen die Materialbahn 10 versehen. Die Druckkammer 11 und 12 werden mit erhitzter Luft aus den Versorgungskammern 16,17 mittels Axialgebläsen 18 und 19, welche durch die Motoren 20 bzw. 21 angetrieben werden, beschickt. Die ausgeströmte Luft fliesst quer zur Materialbahn 10 und sammelt sich in einem äusseren Gehäuse 22, von wo sie durch Heizkörper 23, 24, wie gerippte Dampfrohre, in die Versorgungskammer zurückgelangt. Die Versorgungskammern 16,17 befinden sich zwischen den Rückwänden 25 und 26 der Druckkammern und den oberen und unteren Wänden 27,28 des Gehäuses 22.
Die erhitzte Luft wird dadurch entlang eines im wesentlichen geschlossenen, endlosen Weges bewegt. Ein Teil der ausgeströmten Luft kann durch einen Auslass 29 abgezogen werden, während Zusatzluft durch Einlässe 30,31, die nahe der Heizkörper 23,24 angebracht sind, zugeführt Werden kann.
Wie aus den Fig. 2 und 3 zu ersehen ist, sind die Öffnungen 15 in Reihen quer zur Materialbahn angeordnet, währer d profilierte Aufsätze 35 an den Stirnwänden 13 und 14 angebracht sind, so dass der zu behandelnden Materialbahn diese einebesondere kurvenförmige Gestalt aufweisenden Aufsätze zugewendet sind. Die Gestalt dieser Aufsätze ist derart gewählt, dass im wesentlichen ein Verlust des stati- schen Druckes der erschöpften Luft, die quer zur Materialbahn 10 fliesst, in Richtung vom Zentralbereich der Materialbahn verhindert wird, wie dies an Hand der Fig. 4 beschrieben wird.
In der graphischen Darstellung von Fig. 4 ist die theoretische Querschnittsfläche A, die für das ausgeströmte gasförmige Medium, welches quer zur Materialbahn fliesst, verfügbar ist, als Funktion der Entfernung x, gemessen von der Mitte der Materialbahn, aufgetragen.
Mit Q und v wird die Fliessmenge bzw. die Geschwindigkeit des gasförmigen Mediums (gemessen als Volumen pro Zeiteinheit) durch die Fläche A bezeichnet und mit p und p wird der statische Druck bzw. die Dichte eines solchen gasförmigen Mediums bezeichnet.
Betrachtet man nun den Energiegehalt eines Elementarvolumens A. 6 x des Stromes, so wird diesem Volumen vom Hauptstrom Q die Arbeit und kinetische Energie
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zugeführt.
Aus dem Zusatzstrom 6Q nimmt es die Arbeit
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acul.
Aus dem Volumen wird im vereinigten Haupt- und Zusatzstrom die Arbeit und kinetische Energie
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unter der Annahme, dass die Dichte p konstant bleibt.
Wenn angenommen wird, dass die gesamte kinetische Energie der Ströme des gasförmigen Mediums, das durch die Öffnungen fliesst, aufgebraucht wird, ist
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Weiters gilt die Beziehung :
Q = Av (Gleichung 2).
Wenn das gasförmige Medium gleichmässig über das Material geleitet wird, ist Q = ax, worin a ein Konstante ist. Durch Einsetzen in die Gleichungen 1 und 2 und Auflösen erhält man
A = ex 3/2 (Gleichung 3), wobei c eine andere Konstante ist.
Gleichung 3 ist die Gleichung der Gestalt der Aufsätze der Druckkammern gemäss den Fig. 1-3.
Theoretisch sollten sich die Druckkammeraufsätze im Zentrum berühren, aber in der Praxis ist es notwendig, die Druckkammern etwas zu trennen, wie es gezeigt wurde, damit ein freier Durchgang für die Materialbahn 10 vorhanden ist. So entspricht die tatsächliche Form der Vorrichtung nicht ganz der Gleichung 3, jedoch zeigte eine Versuchsvorrichtung mit der Druckkammeranordnung von Fig. 2, dass sie imstande war, einen etwa 1 m breiten, befeuchteten, dünnen Papierstreifen (von 20 g Trockengewicht pro m ) inLuftzutragen, ohne dass Flattern des Papiers beieinem Luftdruck in denDruckkammernvon 1. 27 bis 3. 81 cm WS auftrat.
Wenn eine ungleichmässige Verteilung der auf die Materialbahn zuströmenden Luft angewendet werden kann, dann kann jede der Aufsätze aus zwei geraden Stücken bestehen, entsprechend der Gleichung A = bx, worin b eine Konstante ist und so die Bauart der Vorrichtung vereinfacht wird. Bei Einsetzung in die Gleichungen 1 und 2 und Auflösen erhält man
Q = c x 2/3 (Gleichung 4).
Daher ist die Menge des auf die Materialbahn gerichteten Gasstromes pro Flächenstreifeneinheit in
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,-=- cx-1/3,Seiten zu abnimmt.
Bei der genannten Versuchsvorrichtung trat etwas Flattern der Papierbahn gegen die Kanten zu auf und es wird angenommen, dass dies auf das Abreissen der Grenzschicht der Luft von der Oberfläche des Papiers gegen die Kanten zu zurückzuführen ist.
Die gewölbte Form der profilierten Druckkammeraufsätze bewirkt, dass der Winkel a zwischen einer Tangente an dieses Profil und der Oberfläche der Materialbahn nicht in allen Punkten der Bahnbreite gleich ist. Dieser Winkel soll im folgenden "Divergenz" bezeichnet werden. Die Profilform ergibt sich, wie abgeleitet, aus der Bedingung, dass die in jedem Breitenabschnitt zusätzlich ausströmende Gasmenge nach
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