Beheizte, hohle Walze
Zur Wärmeübertragung auf die verschiedensten Materialbahnen werden häufig beheizte rotierende Walzen oder Trommeln verwendet. Eine solche Wärme- übertragung ist zum Beispiel beim Trocknen oder Kaschieren von Materialbahnen erforderlich. Hierbei soll an der gesamten Walzenoberfläche eine möglichst gleichmässige, regelbare Temperatur herrschen, auch wenn die Wärmebelastung an verschiedenen Stellen der Walzenoberfläche verschieden, zum Beispiel an den unbedeckten Randpartien kleiner als im bedeckten Mittel- teil ist.
Es sind verschiedene Walzenkonstruktionen bekannt, bei denen diese Forderung entweder nur unzurei- chend erfüllt ist oder nur mit grossem apparativem Aufwand erreicht wird. So kennt man luftgefüllte, elektrisch beheizte Walzen, bei denen die Wärme durch in den Walzenhohlraum eingebaute elektrische Heizelemente erzeugt und durch Konvektion der Luft und gleichzeitig durch Wärmestrahlung auf die Walzenwandung übertra- gen wird. Dies führt aber meist wegen des niedrigen Wärmeüberganges und der ungleichmässigen Wärmebe- lastung zu einer ungleichmässigen Temperaturverteilung auf der Walzenoberfläche.
Auch durch korrigierende Massnahmen, z. B. durch partielle Verstärkung der Hei zung, kann Idilese ungleichmässige Temperaturverteilung im allgemeinen nicht in ausreichendem Masse vermindert werden. Die Korrekturen sind zudem nur möglich, wenn due Temperatur der Walzenoberfläche an mehre- ren Stellen gemessen und die Heizleistung nach Massgabe dieser Messwerte partiell geregelt wird.
Ferner sind Walzen bekannt, die von heissen Flüs- sigkeiten, wie Wasser, Öl oder anderen Wärmeübertra- gungsflüssigkeiten, durchströmt wenden. Diese Walzen zeigen aber stets einen Temperaturabfall in Strömungs- richtung der Heizflüssigkeit. Ausserdem ist die Anwen dung solcher flüssigkeitsdurchströmter Walzen technisch aufwendig und störanfällig, da für ihren Betrieb Pum- pen, Wärmeaustauscher, Stopfbüchsen usw. benötigt wenden.
Schliesslich sind auch schon Walzen bekannt, bei denen Dämpfe, vorzugsweise Wasserdampf, als Heizme dium eingesetzt werden, deren Entwicklung ausserhalb der Walze erfolgt. Bei der Kondensation von Dämpfen erzielt man sehr hohe Wärmeübergänge. Auch werden die Temperaturgleichmässigkeit an der Walzenoberflä- che und ihre Anpassung an wechselnde und unter- schiedliche Wärmebelastungen bei Verwendung von Dampf als Wärmeträger erheblich verbessert. Jedoch ist bei den bekannten Ausführungen der apparative Aufwand ebenfalls gross.
So muss die Walze von bestimm- ten Volumina und Drucken ab als Druckgefäss ausgebil- det sein und die Dampfzuführung sowie die Kondensatabführung über Stopfbüchsen erfolgen. Die Stopfbüch- sen erfordern Wartung und haben den Nachteil eines hohen mechanischen Widerstandes, der stets einen Ans- trich der Walze erforderlich macht. Ferner benötigt man Regelaggregate für den Dampfdruck.
Durch die erfindungsgemäss beheizte Walze werden diese Nachteile vermieden. Die enfindungsgemässe hohle Walze, bei der die Wärme durch kondensierenden Dampf auf die Walzeninnenwandunig und von da durch Wärmeleitung auf die Walzenaussenwandung übertragen wird, istldadurch gekennzeichnet, Idass der Walzenin- nenraum ein durch den Walzenmantel und die beiden Walzenböden gebildetes, gasdicht abgeschlossenes System darstellt, indem sich als Wärmeübertragungsmit- tel eine Heizflüssigkeit oder ein Heizflüssigkeitsgemisch sowie die zugehörige Dampfphase befinden und wobei in mindestens einen der Walzenböden Vorrichtungsele- mente eingearbeitet sind,
die die Zuführung der für die Heizung des Flüssigkeits/Dampf-Gemisches erforderli- chen Energie ermögiichen.
Die Walze erlaubt, bei Fortfall einer Reihe bisher erforderlicher Hilfsmittel, besonders von Stopfbüchsen, den Vorteil der Heizung durch kondensierende Dämpfe unter Erzielung grösstmöglicher Wärmeübergangszahlen voll auszunützen.
Ein weiterer Vorteil der stopfbüchslosen Walze ist ihr geringer Laufwiderstand, der sich auf den Widerstand der Wälzlager und der Schleifringe beschränkt. In vielen Fällen kann man daher auf einen Antrieb der Walze verzichten, was technisch einfach und wirtschaftlich ist.
Die erfindungsgemässe Walze stellt einen Hohlzylinder dar, der an seinen Stirnseiten durch Walzenböden gas-und dampfdicht abgeschlossen ist. Jeder der beiden Walzenböden sind z. B. ein, vorzugsweise aber mehrere Heizkörper, meist Heizstäbe, beispielsweise durch Ver schweissen, eingelassen. Die Heizkörper erstrecken sich zweckmässig über die ganze oder nahezu die ganze Länge der Walze. Ihre Enden stehen zur Wärmezufüh- rnmg mit dem Walzenaussenraum in Kontakt. Die Heizkörper werden meist auf elektrischem Wege beheizt. Die Walze kann im Prinzip aber auch auf anderem Wege, beispielsweise durch Flammenbeheizung, beheizt werden.
Im Falle der elektrischen Beheizung ist es bevorzugt, dass zwei oder mehrere Heizstäbe in radialsymme- trischer Anordnung nur in den einen der beiden Wal zenböden eingelassen und mit Anschlusselementen bekannter Bauart für den elektrischen Strom versehen sind, die über die Aussenwand des Walzenbodens hin ausragen. Der elektrische Strom kann den Stäben in bekannter Weise, beispielsweise über einen oder mehrere an dem benachbarten Walzenzapfen angeordnete Schleifringe, die mit den Anschluss, elementen leitend verbunden sind, zugeführt werden.
Die Heizstäbe kommen bei den meisten der mög- lichen Anordnungen unmittelbar mit der Heizflüssigkeit in Berührung, wodurch, ein besonders guter Wärmeüber- gang gewährleistet ist. Man kann aber auch Anordnun- gen verwenden, bei denen sich die Heizstäbe innerhalb flüssigkeits-und dampfundurchlässiger Umbüllungen, beispielsweise Schutzrohren, befinden, die ihrerseits flüssigkeits-und dampfdicht in den Walzenböden befe- stigt sind. Diese Anordnungen haben den Vorteil, dass die Heizstäbe bzw. Heizkörper bequem von aussen her ausgewechselt werden können.
Jedoch muss wegen der Luftschicht, die sich zwischen den Heizkörpern und der Innenwand der Umhüllung befindet, ein geringerer Wär- meübergang und damit eine grössere Ubertemperatur der Heizelemente in Kauf genommen werden.
In dem Innenraum der Walze befindet sich die Heizflüssigkeit. Hierbei genügt eine solche Flüssigkeits- menge, dass bei den Temperaturen, bei denen die Walze betrieben werden soll, mindestens der unterste Heizkör- per von dieser vollständig benetzt wird. In vielen Fällen wählt man die Flüssigkeitsmenge so gross, dass sie bei Raumtemperatur etwa das halbe Volumen des Walzeninnenraumes einnimmt.
Geeignete Heizflüssigkeiten sind alle die, die sich bei den angewandten Heiztemperaturen und den sich hierbei in dem abgeschlossenen System einstellenden Drükken chemisch nicht verändern und die die Innenwandung der Walze sowie die Heizstäbe nicht angreifen.
Be- sonders geeignet sind Wasser, aber auch thermisch stabile Öle und andere Flüssigkeiten oder auch Flüssig- keitsgemische, beispielsweise das unter dem Handelsna- men Diphenyl warenzeichenrechtlich geschützt eutektische Gemisch von Diphenyl und Diphenylenoxyd. Die Wahl der Flüssigkeit richtet sich nach dem Temperatur- bereich, in dem'die Walze betrieben werden soll, und dem höchstmöglichen Betriebsdruck, der für das Wal zenmaterial zulässig ist.
Grössere Walzen enthalten zweckmässig in ihrem Innenraum einen oder mehrere Verdrängungskörper.
Meist ist ein einzelner Verdrängungskörper von der Form eines geschlossenen Zylinders so angeordnet, dass sich zwischen seinem Aussenmantel und der Walzenin ; nenwandung ein Hohlraum vom Querschnitt eines Kreisrin, ges befindet, in dem Heizflüssigkeit und Heiz- körper untergebracht sind. Man kann aber beispielsweise auch zwei oder mehrere kleinere Zylinder zwi- schen den beiden Walzenböden zweckmässig kreissym- metrisch anordnen.
Diese Anordnungen haben den Vor teil, dass man Iden gewünschten Heizeffekt tnit verhält- nismässig kleinen Flüssigkeitsmengen erreicht, so dass die Wärmekapazität der Walze entsprechend klein bleibt, was fur, ein schnelles Hochheizen der Walze von
Vorteil ist.
Die Temperaturmessung ist vorteilhaft mit einer automatischen Temperaturregelung verbunden. Hierbei kann man Vorrichtungselamente bekannter Bauart verwenden, beispielsweise umlaufende Kontaktmanometer oder Wärmefühler verbunden mit Widerstandsthermo metern bzw. Thermoelementen. Bei diesen Anordnun- gen können die Messwerte bzw. Schaltimpulse über be sondere Schleifringe nach aussen geführt werden,
Damit ein maximaler Wärmeübergang vom Dampf raum auf die Walzenwandung erzielt werden kann, muss der Dampfraum weitgehend frei von Gasen, be- sonders von Luft sein.
Um dies zu ermöglichen, befindet sich zweckmässig in einem der Walzenboden eine dampfdicht verschliessbare Entlüftungsbohrung, die auch zum Einfiillen der Heizflüssigkeit verwendet wer- den. kann. Nach dem Einfüllen erwärmt man die Flüs- sigkeit bei geöffneter Entlüftungsbohrung auf ihren Siede punkt, also beispielsweise Wasser auf 100 C, Diphenyl auf 255 C, und hält diese Temperatur so lange, bis die Luft völlig verdrängt und der Walzenraum mit reinem Dampf gefüllt ist. Die Entlüftungsbohrung kann dann mit einem Stopfen dfurch Verlöten oder Verschweissen geschlossen werden.
Die Arbeitsweise der gefüllten, geschlossenen und beheizten Walze ist folgende : Bei Drehung der Walze geben, die im unteren Teil der Walze in die Flüssigkeit eintauchenden Heizkörper ihre Wärme bei relativ hoher Wärmeübergangszahl an die Heizflüssigkeit ab, so dass auf der Oberfläche der Heizkörper nur geringe aber- temperaturen von wenigen C auftreten. Hierdurch ist eine hohe, bei niedriger elektrischer Leistungsdichte von beispielsweise 1 Watt/cm2 Heizkörperoberfläche praktisch unbegrenzte Lebensdafuer der Heizstäbe gewährlei- stet. Im Dampfraum stellt sich ein dler jeweiligen Flüs- sigkeitstemperatur entsprechender Dampfdruck ein.
Die den Dampfraum durchlaufenden Heizkörper übertragen ihre Wärme zwar bei relativ niedriger Wär meübergangszahl, doch stellt sich auf ihrer Oberfläche auch hier keine erhebliche Ubertemperatur ein, da zum Verdampfen der diese benetzenden Fliissigkeit ver gleichsweise viel Wärme verbraucht wird und die Durchlaufzeit durch den Dampfraum in der Regel nur wenige Sekunden beträgt. Somit besteht auch keine Gefahr einer Schädigung oder Zersetzung thermisch weniger widerstandsfähiger Flüssigkeiten beim Wiederein- tauchen der Heizstäbe.
Da der Raum oberhalb des Flüssigkeitsspiegels mit gesättigtem, kondensationsbereitem Dampf von praktisch ausgeglichenem Druck erfüllt ist, herrscht in diesem Raum eine ausgeglichene Temperatur. Jeder Wär meentzug durch die äussere Walzenwandung und die Walzenböden hat eine sofortige Dampfkondensation zur Folge, wobei die Verdampfungswärme frei wird und den Warmeverbnauch, auch wenn er an verschiedenen Stellen verschieden ist, mit minimalen Temperaturdifferen- zen deckt.
Wegen der sehr hohen Wärmeübergangszah- len kondensierender Dämpfe-bei Wasserdampf liegt die Wärmeübergangszahl in der Grössenordnung von 10 000 kcal/m2h0 C-können grosse Wärmestromldich- ten, wie sie bei der Trocknung feuchter Güter auftreten, ohne nennenswerten Temperaturabfall erreicht werden.
In Idem von der Flüssigkeit erfüllten unteren Walzenraum herrschen wegen der über die ganze Walzenlänge Igleichmässig verteilten Wärmezufuhr ebenfalls praktisch ausgeglichene Temperaturverhältnisse. Der Wärmeübergang zwischen Heizkörpern und Heizflüssig- keit liegt hier zwar um etwa eine Grössenordnung tiefer, beträgt also o nur etwa 1/5 bis 1/10 des im Dampfraum vorliegenden Wertes, ist jedoch in seiner absoluten Grosse noch sehr hoch.
Arbeitet man, was häufig bevorzugt wird, bei Tem peraturen, die unterhalb der Siedetemperatur der Heizflüssigkeit bei Atmosphärendruck liegen, so herrscht im Walzeninnenraum ein Unberdruck. Der auf die Walzen- wände ausgeübte Dampfdruck ist in diesem Falle stets kleiner als eine Atmosphäre. Es ist daher möglich, die Walzenwände vergleichsweise dünn auszuführen und so eine sehr rasche Temperatureinstellung und-regelung zu ermöglichen. Man kann natürlich auch bei Temperatu- ren arbeiten, die oberhalb des Siedepunktes der Heizflüssigkeit bei Atmosphärendruck liegen.
In diesem Falle entsteht im Walzeninnenraum, je nach der angewendeten Temperatur, ein mehr oder weniger grosser Überdruck. Die Grosse des hochstzulässigen Überdrucks ist nicht kritisch, hängt vielmehr, wie bei anderen be kannten Heizsystemen, von der Festigkeit des jeweils verwendeten Wandmaterials ab.
In der Zeichnung sind beispielsweise Ausführungs- formen des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Fig. 1 zeigt den Querschnitt durch eine geschlossene Walze mit : dem Walzenmantel 1, den beiden Walzenbö- den 2 und den beiden Walzemzapfen 3, die in den Lagern 4 gelagert sind. Die elektrischen Stabheizkörper 5 sind in dem linken Walzenboden 2 verschweisst und erstrecken sich fast über die ganze Länge der Walze. Sie enthalten elektrische Anschlusselemente 6, die ausserhalb des Walzenbodens enden.
Die Stromzuführung zu den Anschlusselementen 6 erfolgt über die auf dem linken Walzenzapfen 3 angeordneten Schleifringe 7 und die Stromzu-und- : ableitungen 8. 9 stellt die Heizflüssig- keit und 10 die verschliessbare Entlüftungsbohmng dar, durch die die Luft vor Inbetriebnahme der Walze durch die entwickten Dämpfe der Heizflüssigkeit vendrängt wird. Die Temperaturmessung erfolgt über den Tempe raturfühler 11, der mit dem in dem rechten Walzenzap- fen 3 angeordneten Thermoelement 12 verbunden ist.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Walze, die sich von, der Walze nach Fig. 1 dadurch unterscheidet, dass sie zusätzlich einen zylindrischen Verdrängungs- körper 13 enthält.
Fig. 3 zeigt den Querschnitt durch einen auswechsel- baren Stabheizkörper 5, der sich in einem Schutzrohr 14 befindet, dessen Ende 15 in dem Walzenboden 2 befe- stigt ist.