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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Dampfmenge und/oder
Dampfaustrittsgeschwindigkeit aus den Dampfaustrittsöffnungen
eines Dampfblaskastens. Ein Dampfblaskasten dient zum Aufbringen
von Dampf auf eine an dem Dampfblaskasten vorbeilaufende Materialbahn,
insbesondere Papier, und weist in Bewegungsrichtung der Materialbahn
eine vordere und hintere Begrenzung und einen dazwischen liegenden,
zu der Materialbahn offenen Dampfraum auf. Der Dampfraum ist an
seinen in Bewegungsrichtung vorderen und hinteren Enden jeweils
durch eine in Richtung der Materialbahn vorstehende, insbesondere
eine Begrenzungskante ausbildende Begrenzungsfläche abgeschlossen und weist
zwischen den Begrenzungsflächen
eine in Bezug auf diese von der Materialbahn zurückgesetzte Gehäusewand
mit Dampfaustrittsöffnungen
auf.
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Bei
der Papierherstellung und -weiterverarbeitung wird eine bewegte
Material- bzw. Papierbahn in
bestimmten Verfahrenabschnitten mit Dampf beaufschlagt. Dazu wird
in der Regel aus einem in Bahnnähe
angeordneten, die Bahn aber nicht berührenden Dampfblaskasten Dampf
in Richtung der Materialbahn geblasen. Dafür sind in dem Dampfblaskasten
auf einer der Bahn zugewandten Seite Dampfaustrittsöffnungen
angeordnet, denen in geeigneter Weise steuerbare Mengen von Dampf
zugeführt
werden. Der ausströmende
Dampf soll die bewegte Materialbahn treffen, dort kondensieren und dabei
die Kondensationswärme
auf die Materialbahn übertragen.
Gleichzeitig lagert sich das Kondensat auf bzw. in der Materialbahn
ab und führt
dort zu einer Feuchteerhöhung.
Durch die Bewegung der Materialbahn wird das Kondensat ständig aus
der Bedampfungszone abtransportiert, so dass sich keine Kondensatschicht
ausbilden kann, die aufgrund ihrer Dicke die weitere Kondensation
nennenswert behindert.
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Die
bewegte Materialbahn erzeugt jedoch durch Reibung an ihrer Oberfläche einen
Luftstrom, der im Nahbereich der Bahn mitgeführt und in die Bedampfungszone
(Dampfraum) gefördert
wird. Die Luft in der Bedampfungszone zwischen den Dampfaustrittsöffnungen
des Dampfblaskastens und der Materialbahn bereitet in mehrfacher
Hinsicht Schwierigkeiten.
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Erstens
tritt die in der Bedampfungszone vorhandene Luft mit dem ausströmenden Dampf
in Kontakt, so dass sie im Grenzbereich zu dem Dampf auf 100° C erwärmt und
mit Feuchtigkeit gesättigt
wird. Beim späteren
Abkühlen
ist die Luft dann mit Feuchtigkeit übersättigt und scheidet Wassertröpfchen aus. Dabei
entstehen sichtbare Dampfschwaden, die das Hallenklima verschlechtern
und zu Tropfenbildung an den Maschinenteilen führen. Außerdem ist die für die Lufterwärmung verbrauchte
Energie für
die Bahnerwärmung
weitestgehend verloren und der Wirkungsgrad der Anlage wird verschlechtert.
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Ein
zweiter, wesentlich bedeutenderer Nachteil der Luftanwesenheit in
der Bedampfungszone besteht in der Verminderung des Wärmeübergangs auf
die Materialbahn. Während
sich die auf 100° C
erhitzten Luftmoleküle
bei Wärmeabgabe
an die kältere Materialbahn
selbst abkühlen,
wodurch der Wärmeübergang
sofort absinkt, geben Dampfmoleküle
die gesamte Kondensationsenergie auf dem Temperaturniveau von 100° C an die
Materialbahn ab. Dies ist die Erklärung für die bekannte Tatsache, dass
die Wärmeübertragung
durch Kondensation bei Anwesenheit von Inertgasen wesentlich schlechter
ist als bei einer reinen Dampffüllung
der Bedampfungszone.
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Um
die Luft von der Bahnoberfläche
zu verdrängen
und einen direkten Kontakt des Dampfes mit der Materialbahn zu erzeugen,
sind seit längerem
sogenannte Hochgeschwindigkeits-Dampfblaskästen bekannt, bei denen mit
genügend
hoher Geschwindigkeit auf die Materialbahn auftreffende Dampfstrahlen
die Luftschicht im oberflächennahen
Bereich der Materialbahn zerstören
und so einen direkten Kontakt zwischen Dampf und Bahnmolekülen entstehen lassen.
Damit wird jedoch die Luft keineswegs aus dem Bedampfungsbereich
verdrängt.
Durch entstehenden Unterdruck im Bereich der Dampfaustrittsöffnungen
des Dampfblaskastens (Injektorwirkung) wird in den Bedampfungsbereich
gelangte Luft durch die Dampfstrahlen angesaugt und mit gegen die
Materialbahn geblasen. Bei diesen bekannten Hochgeschwindigkeits-Dampfblaskästen ist
also auch Inertgas in der Bedampfungszone vorhanden.
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Eine
derartige Vorrichtung zum Aufbringen von Dampf auf eine Materialbahn
ist beispielsweise aus der
DE
37 01 406 A1 bekannt, bei der ein Bedampfungsraum durch
Dampfsperren abgedichtet werden soll. Die Dampfsperren werden durch
in der Eingangszone und der Ausgangszone vorgesehene Blasöffnungen
erzeugt, die zu der Hauptzone der Blasöffnungen hin geneigt sind und
aus denen Dampfstrahlen ausströmen.
Auch durch diese Dampfsperre kann ein Lufteintritt in den Bedampfungsraum
nicht zuverlässig
unterbunden werden, da an den Austrittsöffnungen der Dampfstrahlen
durch die Injektorwirkung Luft angesaugt wird. Die Luftanwesenheit
wird sogar als Vorteil beschrieben. Es ist auch nicht ausreichend,
wie teilweise bekannt, die Dampfstrahlen schräg entgegen der Bahnbewegung auszurichten.
Solange an den Dampfaustrittsöffnungen
Luft angesaugt wird, wird diese in den Bedampfungsbereich gefördert und
verschlechtert den Wirkungsgrad der Bedampfung.
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Dasselbe
Problem besteht bei dem in der
US 4,422,575 beschriebenen
Dampfverteiler, der in seinem Eintrittsbereich eine Vorkammer mit
einer Dampfaustrittsöffnung
zur Erzeugung eines Dampfvorhangs aufweist. Die Dampfaustrittsöffnung ist
allerdings in der Mitte der Vorkammer angeordnet, so dass aufgrund
eines um die Dampfaustrittsöffnung herum
entstehenden Unterdrucks Luft aus dem Außenbereich der Dampfblaskastens
angesaugt wird, der dann zumindest teilweise mit in den Bedampfungsbereich
des Dampfblaskastens eingesaugt wird.
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Aus
der
DE 297 03 627
U1 ist ferner eine Vorrichtung zum Abdichten eines Dampfblaskastens bekannt,
bei der der Blasraum über
eine Schlitz-Doppeldüse
abgedichtet werden soll, wobei aus der dem Blasraum zugewandten
schlitzförmigen
Düse Dampf und
aus der dem Blasraum abgewandten Düse Luft ausgeströmt wird.
Diese beiden Strömungen
sollen sich bei dem Aufprall auf die Materialbahn derart teilen,
dass die Luftströmung
entgegen der Bahnlaufrichtung einer Ableitung zugeleitet wird und
der Dampf in den Blasraum gelangt. Abge sehen davon, dass das Vorsehen
einer Hochdruckdampf- und einer Hochdruckluftdüse aufwendig ist, kann mit
zusätzlich ausströmender Luft
eine Trennung von Dampf und Luft nicht erreicht werden. Je mehr
Luft aus der Hochdruckluftdüse
ausströmt,
umso höher
wird auch der Staudruck des auf die Materialbahn auftreffenden Strahles.
Die Relation zwischen dem Druck im Luftbereich und dem im Dampfbereich
in Bahnnähe
ist aber entscheidend dafür,
ob Luft in den Dampfbereich eintritt oder Dampf austritt. Daraus
wird deutlich, dass eine zusätzlich
Luftströmung
für das
Fernhalten von Luft aus der Bedampfungszone bzw. dem Dampfraum kontraproduktiv
ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ansteuerung
eines Dampfblaskastens vorzuschlagen, bei dem der Dampfraum (Bedampfungsbereich)
zwischen den Dampfaustrittsöffnungen
und der bewegten Materialbahn nahezu vollständig von Luft freigehalten
wird, um einen hohen Wirkungsgrad des Dampfblaskastens zu erreichen.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Steuerung von Dampfmenge und/oder
Dampfaustrittsgeschwindigkeit aus Dampfaustrittsöffnungen eines Dampfblaskastens
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Entsprechend diesem Verfahren wird
Dampf auf eine an dem Dampfblaskasten vorbeilaufende Materialbahn
aufgebracht, wobei in einer zwischen der vorderen Begrenzung des
Dampfblaskastens und dem Dampfraum vorgesehenen vorderen Abdichtzone
beim Abdichten des Dampfraums gegen Luft ein Luftwirbel entsteht.
Dazu wird erfindungsgemäß die Dampfmenge
und/oder Dampfaustrittsgeschwindigkeit aus der insbesondere ersten Dampfaustrittsöffnung bzw.
Gruppe von Dampfaustrittsöffnungen
gesteigert, bis eine vorzugsweise etwa der Dampftemperatur entsprechende
Temperatur im Bereich des Luftwirbels gemessen wird. Diese Temperatur
wird zwar regelmäßig etwas
unterhalb der Dampftemperatur, jedoch deutlich oberhalb der Umgebungslufttemperatur
liegen. In diesem Fall kann davon ausgegangen werden, dass sich
in der Abdichtzone ein Luftwirbel ausgebildet hat und eine erfolgreiche
Absperrung der Luft gegenüber
dem Bedampfungsbereich erfolgt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann die Temperatur zusätzlich
im Bereich der vorderen Begrenzung gemessen werden, wobei die Dampfaustrittsmenge und/oder
Dampfaustrittsgeschwindigkeit so eingestellt werden, dass die Temperatur
im Bereich der vorderen Begrenzung in etwa der Temperatur der Umgebungsluft
entspricht. Dies ist dann der Fall, wenn wie angestrebt im Wesentlichen
kein Dampf aus dem Dampfblaskasten entweicht.
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Um
dies optimal einstellen zu können,
kann durch die erfindungsgemäße Steuerung
zwischen der vorderen Begrenzung und dem Luftwirbel Luft abgesaugt
werden, um ein Absaugen eines insbesondere bei höheren Bahngeschwindigkeiten
notwendigen Dampfüberschusses
zu ermöglichen.
Dabei kann zur Kontrolle der Einstellungen auch die Temperatur im
Absaugkanal gemessen werden.
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Erfindungsgemäß kann auch
in einer zwischen der hinteren Begrenzung des Dampfblaskastens und
dem Dampfraum vorgesehenen hinteren Abdichtzone beim Abdichten des
Dampfraums gegen Luft ein Luftwirbel ausgebildet und zwischen dem Luftwirbel
und der hinteren Begrenzung Luft abgesaugt werden, um eine effektive
Abdichtung vom bahnaustrittsseitigen Ende zu erreichen. Dabei können durch
Anpassung der Absaugleistung sowie der Dampfmenge und/oder Dampfaustrittsgeschwindigkeit
aus der insbesondere zweiten Dampfaustrittsöffnung im Luftwirbel eine möglichst
hohe Temperatur und in der Absaugung eine möglicht geringe Erwärmung gegenüber der
Umgebungsluft eingestellt werden, die eine gute Dichtwirkung anzeigen.
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Aus
den in den einzelnen Sensoren gemessenen Temperaturwerten kann auf
den Bedampfungs- und Strömungszustand
innerhalb des Bedampfungsbereichs zurückgeschlossen und die Steuerung
entsprechend nachgeführt
werden. Damit lässt
sich also auch eine automatische Regelung etablieren.
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Bevor
eine konkrete Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Dampfblaskastens
anhand der Zeichnung näher
beschrieben wird, sollen zunächst die
Grundlagen der Druckverteilung und des Wärmeübergangs im Bereich zwischen einem Dampfblaskasten
und der Materialbahn allgemein erklärt werden.
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Bei
dem Dampfblaskasten ist eine erste Dampfaustrittsöffnung in
der Gehäusewand
unmittelbar angrenzend an die vordere Begrenzungsfläche ausgebildet.
Durch diese geometrische Gestaltung des Dampfblaskastens kann ein
Ansau gen von Luft verhindert werden, wobei gleichzeitig an der
vorderen Begrenzungsfläche
des Dampfraumes bzw. Bedampfungsbereichs eine Dampfströmung gegen
die Materialbahn ausgerichtet ist. Die erste Dampfaustrittsöffnung ist
also in einem größeren Abstand
zur Materialbahn angeordnet als die insbesondere durch die Begrenzungsflächen ausgebildeten
Begrenzungskanten des Dampfraums (Bedampfungsbereich), die so nahe
an die Materialbahn herangeführt werden,
wie es die Sicherheit gegen Berührung
der bewegten Materialbahn zulässt.
Weil die erste Dampfaustrittsöffnung
unmittelbar neben der vorderen Begrenzungsfläche angeordnet ist, d.h. entgegen der
Bewegungsrichtung der Bahn so dicht wie möglich an die Begrenzungskante
gelegt ist, an der die Abstandsvergrößerung des Dampfraums zu der Bahn
beginnt, wird erreicht, dass die mit der Materialbahn anströmende Luft
zu einem an bzw. hinter der ersten Dampfaustrittsöffnung in
dem Dampfaustrittsbereich ausgebildeten Unterdruckbereich keinen
Zugang hat. Stattdessen strömt
der Dampf an dieser vorderen Begrenzungsfläche entlang und wird gegen die
Materialbahn ausge richtet, so dass eine Ansaugung aus dem Bereich
des Dampfraumes bzw. der Bedampfungszone selbst erfolgt, in der
für eine
ausreichende Dampffüllung
gesorgt werden kann. Die anströmende
Luft wird dagegen umgelenkt.
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Da
aufgrund des in dem Dampfraum ausgebildeten Unterdruckbereichs auch
Luft von dem bahnaustrittsseitigen Ende des Dampfblaskastens an
der hinteren Begrenzung einströmt,
kann erfindungsgemäß auch eine
zweite Dampfaustrittsöffnung
in der Gehäusewand
unmittelbar angrenzend an die hintere Begrenzungsfläche des
Dampfraumes ausgebildet werden, die in Bewegungsrichtung der Materialbahn
also unmittelbar vor der hinteren Begrenzungskante liegt. Durch
diese Anordnung wird auch an der hinteren Begrenzungskante nach
demselben Funktionsprinzip wie an der vorderen Begrenzungskante
ein Luftzutritt in den Bedampfungsraum effektiv verhindert.
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Die
mit der Materialbahn mitbewegte Luft wird durch die Dampfstrahlen
von der Bahn verdrängt und
weggefördert
werden, indem die an den Begrenzungsflächen entlanggeführten Dampfstrahlen
die vorhandene Luft am bahneintrittsseitigen Ende des Dampfblaskastens
entgegen der Bewegungsrichtung der Materialbahn befördern und
aus dem Dampfblaskasten herausdrücken.
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Zwischen
der vorderen Begrenzung des Dampfblaskastens und der vorderen Begrenzungsfläche bzw.
-kante des Dampfraums eine vordere Abdichtzone vorgesehen, die derart
ausgebildet ist, dass sich in der Abdichtzone ein bahneintrittsseitiger Luftwirbel
ausbildet, welcher auf der der Materialbahn zugewandten Seite entgegen
der Bewegungsrichtung der Materialbahn und auf der dem Dampfblaskasten
zugewandten Seite in Bewegungsrichtung der Materialbahn verläuft. Ein
derartiger Luftwirbel, der in der Abdichtzone durch die Sogwirkung
entlang der Begrenzungskante immer neu angeregt wird, kann die von
der Materialbahn mitbewegte Luft besonders effektiv entgegen der
Bewegungsrichtung der Materialbahn transportieren. Die vordere Abdichtzone
sollte vorzugsweise insbesondere in Richtung entlang der Materialbahn
so kurz wie möglich sein,
damit der Beginn der Bedampfungszone im Dampfraum so nahe wie möglich an
der bahneintrittsseitigen vorderen Begrenzung des Dampfblaskastens
liegt, um den Rückweg
für die
bereits im Bereich zwischen Dampfblaskasten und Materialbahn befindliche
Luft zu minimieren.
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Entsprechend
kann erfindungsgemäß zwischen
der hinteren Begrenzung des Dampfblaskastens und der hinteren Begrenzungsfläche bzw.
-kante des Dampfraums eine hintere Abdichtzone vorgesehen werden.
Dabei wird die hintere Abdichtzone vorzugsweise derart ausgebildet,
dass sich in der Abdichtzone ein bahnaustrittsseitiger Luftwirbel
ausbildet, welcher auf der der Materialbahn zugewandten Seite in
Bewegungsrichtung der Materialbahn und auf der dem Dampfblaskasten
zugewandten Seite entgegen der Bewegungsrichtung der Materialbahn verläuft, um
auch am bahnaustrittsseitigen Ende des Dampfblaskastens eine effektive
Luftsperre einzurichten.
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Eine
besonders gute Abdichtwirkung wird erreicht, wenn die Abdichtzonen
Abschnitte mit einem Spalt mit geringerem Abstand zwischen Dampfblaskasten
und Materialbahn aufweisen als dem Abstand zwischen Dampfblaskasten
und Materialbahn in dem Dampfraum. Um trotz der geringeren Spaltbreite
in der Abdichtzone das Ausbilden der Luftwirbel zu fördern, können in
der vorderen und/oder hinteren Abdichtzone Mulden ausgebildet sein.
Zur weiteren Beeinflussung der Strömungsverhältnisse können in der vorderen und/oder
hinteren Abdichtzone ein Absaugkanal (Absaugung) und/oder eine Eintrittsöffnung (Einblasung),
insbesondere für
Luft, vorgesehen werden. Damit fassen sich die Strömungen von
Dampf und/oder Luft einfach so einstellen, dass eine optimale Abdichtwirkung
erreicht wird.
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In
dem Dampfraum kann eine dritte Dampfaustrittsöffnung zwischen der ersten
Dampfaustrittsöffnung
und der zweiten Dampfaustrittsöffnung
vorgesehen sein, wobei die ersten, zweiten und dritten Dampfaustrittsöffnungen
getrennt voneinander mit Dampf beaufschlagbar sind. Durch die dritte
Dampfaustrittsöffnung
lässt sich
insbesondere ein hoher Dampfbedarf genau einstellen. Die erste,
zweite und/oder dritte Dampfaustrittsöffnung kann jeweils aus einer
Gruppe mehrerer, hinter- und/oder nebeneinander angeordneter Dampfaustrittsöffnungen
bestehen, die zur Ansteuerung entsprechend zu einer ersten, zweiten
und/oder dritten Gruppe zusammengefasst sind. Dabei ist die erste
Gruppe unmittelbar neben der vorderen und die zweite unmittelbar
neben der hinteren Begrenzungsfläche
des Dampfraumes angeordnet. Die Dampfaustrittsöffnungen der dritten Gruppe
werden im übrigen
Dampfraum (Bedampfungsbereich) entsprechend dem restlichen zu erwartenden
Wärmeaufnahmevermögen der
Materialbahn verteilt.
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Um
quer zur Bewegungsrichtung der Materialbahn unterschiedliche Bedampfungsintensitäten zu erreichen,
können
die Dampfaustrittsöffnungen
bzw. die Gruppen der Dampfaustrittsöffnungen jeweils zonenweise
quer zur Bewegungsrichtung separat steuerbar sein. In Abhängigkeit
von dem jeweiligen Verfahrensschritt können so die erzeugte Temperaturerhöhung und/oder
Feuchteerhöhung
an die Erfordernisse des Herstellungsprozesses angepasst werden, und
zwar in unterschiedlichem Maß quer
zur Bewegungsrichtung der Bahn, um Ungleichmäßigkeiten aus vorangegangenen
Prozessstufen vermindern oder beseitigen zu können.
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Zur
Einstellung der Dampfmenge und/oder Dampfaustrittsgeschwindigkeit
aus den verschiedenen Dampfaustrittsöffnungen ist eine Steuerung
vorgesehen, in der das erfindungsgemäße Verfahren abläuft.
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Dazu
sind in dem Dampfblaskasten ein oder mehrere Temperaturfühler angeordnet,
die mit der Steuerung zusammenwirken. Aufgrund der Temperaturverteilung
in dem Dampfblaskasten kann die Steuerung die Dampfmenge und/oder
Dampfaustrittsgeschwindigkeit aus den verschiedenen Dampfaustrittsöffnungen
so einstellen, dass eine zuverlässige
Abdichtung des Dampfraumes erreicht wird. Dazu werden mehrere Temperaturfühler erfindungsgemäß vorzugsweise
in verschiedenen Temperaturzonen angeordnet.
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Nachfolgend
wird das theoretische Prinzip erläutert, wie die Luftzufuhr zwischen
der Materialbahn und dem Dampfblaskasten an den bahneintrittsseitigen
und bahnaustrittsseitigen Enden gegenüber dem Dampfraum mit dem Bedampfungsbereich abgesperrt
wird.
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Das
Prinzip der Absperrung basiert darauf, dass die an der Materialbahn
auftreffenden Dampfstrahlen im Grenzbereich zwischen Dampf und Luft einen
höheren Druck
entwickeln als der an der entsprechenden Stelle vorhandene bzw.
beim Betrieb entstehende Luftdruck. Diese Druckentwicklung bedarf
einer besonderen Erläuterung,
da sie von mehreren Einflussgrößen abhängt.
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Eine
bewegte Materialbahn führt
in ihrem Nahbereich aufgrund von Reibungskräften einen Luftstrom mit sich,
der direkt an der Bahn deren Geschwindigkeit und Richtung hat und
mit wachsendem Abstand von der Bahn entsprechend langsamer wird. Bringt
man in diesen bahnnahen Luftstrom ein Hindernis, wie es ein in Bahnnähe angeordneter
Dampfblaskasten darstellt, wird der Luftstrom gestaut. An der Vorderkante
des Hindernisses entsteht ein Überdruck
und an der Bahnaustrittsseite ein entsprechender Unterdruck, wie
in 5a schematisch dargestellt. Durch diese Druckentwicklung
wird aber die Menge der durch den Spalt zwischen der Materialbahn
und dem Hindernis, also bei einem Dampfblaskasten in den Bedampfungsbereich
hineinströmenden
Luft nicht nennenswert vermindert, weil der sich an den Staubereich
anschließende
Unterdruckbereich den zunächst
gebremsten Luftstrom wieder beschleunigt und in den Spalt zwischen
Hindernis und Materialbahn einsaugt. Entsprechendes ergibt sich bei
mehreren, in Richtung der Bahnbewegung hintereinander angeordneten
Hindernissen, wie es beispielsweise in 5b dargestellt
ist. Wenn der Dampfblaskasten eine Kontur aufweist, bei der mehrere
hintereinanderliegende kleinere und größere Spaltbreiten zur Materialbahn
entstehen, steigt zwar bei jeder neuen Verengung des Spaltes der
Staudruck über
den Wert der vorherigen Engstelle an, am Bahnaustritt ist aber der
Druckabfall um so größer, weil
dort ein entsprechender Unterdruck entsteht. Auch in diesem Fall
wird also die durch den Spalt zwischen dem Dampfblaskasten und der
Materialbahn strömende
Luftmenge etwa gleich bleiben. Auf diesen Erkenntnissen basiert
die Erfindung. Um den mit der Bahn mitgeführten Luftstrom durch ausströmenden Dampf
vollständig
aufhalten zu können,
müssen die
Dampfstrahlen beim Auftreffen auf die Materialbahn einen Überdruck
erzeugen, der größer ist
als der Staudruck der Luftströmung.
Dieser erforderliche Druck ist um so geringer, je weniger Widerstand
der aufgehaltene Luftstrom entwickeln kann.
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In
Umsetzung dieser Erkenntnis liegt der Beginn des Dampfraumes (Bedampfungsbereich
bzw. -zone) bei dem Dampfblaskasten so nah wie möglich an der vorderen (bahneintrittsseitigen)
Begrenzung des Dampfblaskastens, damit die mit der bewegten Materialbahn
in den Spalt zwischen Materialbahn und Dampfblaskasten eintretende
Luft nicht weit entgegen der Bewegungsrichtung der Materialbahn
herausbefördert
werden muss. Daher ist eine zwischen der äußeren Begrenzung des Dampfblaskastens
und dem Beginn des Dampfraumes vorgesehene Abdichtzone insgesamt
so kurz wie möglich
zu halten. Ferner kann die vordere Begrenzung des Dampfblaskastens
einen größeren Abstand
zur Bahn aufweisen als die bahneintrittsseitige Begrenzungskante
des Bedampfungsbereiches, damit die zurückgeführte Luft einfacher austreten
kann. Optional kann zwischen der vorderen Begrenzung des Dampfblaskastens
und der Begrenzungskante des Dampfraumes zusätzlich eine Absaugung vorgesehen
sein, um die gewünschten
Strömungsverhältnisse
zu verbessern.
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An
dem bahnaustrittseitigen Ende des Dampfraumes sollte ebenfalls dafür gesorgt
werden, dass der Druck der auf die Materialbahn auftreffenden Dampfstrahlen
größer ist
als der Luftdruck, da bei erfolgreicher Absperrung der Luftzufuhr
an dem vorderen Ende des Dampfraumes an dessen hinterem Ende ein
Unterdruck entsteht, der eine Luftströmung von der bahnaustrittsseitigen
Begrenzung des Dampfblaskastens entgegen der Bahnbewegung in den
Dampfraum erzeugt. Diese Luftströmung
wird durch eine Sperrströmung
aus Dampf an der hinteren Begrenzungsfläche des Dampfraumes aufgehalten und
in Richtung der Bahn umgelegt. Im bahnnahen Bereich strömt diese
Luft dann wieder mit der Bahn nach außen. Beim Auftreffen dieser
Rückströmung auf
die Bahn entsteht ebenfalls ein geringer Überdruck, so dass der Dampfdruck
an der bahnaustrittseitigen Begrenzungskante des Dampfraumes höher sein
muss. Andern falls strömt
von der Bahnaustrittsseite des Dampfblaskastens Luft in den Dampfraum ein.
Auch hier können
die Strömungsverhältnisse durch
eine zusätzliche
Absaugung beeinflusst werden, wenn zwischen der bahnaustrittseitigen
Begrenzung des Dampfblaskastens und der bahnaustrittseitigen (hinteren)
Begrenzungskante des Dampfraumes Luft abgesaugt wird. Dadurch vermindert
sich die gegen die Bahn gerichtete Rückströmung, so dass der erforderliche
Dampfaufpralldruck an der hinteren Grenze des Dampfraumes kleiner
wird.
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Zum
Verständnis
der Strömungsverhältnisse muss
noch die sich zwischen Dampfblaskasten und bewegter Materialbahn
ausbildende Druckverteilung im Dampfraum selbst betrachtet werden,
die entscheidend von der Wärmeaufnahmefähigkeit
der Materialbahn abhängt.
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Falls
der Dampf beim Auftreffen auf die Materialbahn seine Kondensationswärme abgeben kann,
wird er kondensieren und den überwiegenden Teil
seines Volumens verlieren. Unter dieser Bedingung entsteht in Bahnnähe ein Unterdruck,
der zu einem Ansaugen von Gas (Luft oder Dampf) aus der Umgebung
führt.
Ein Überdruck
an der Materialbahn an den Grenzen des Dampfraumes kann also nur aufgebaut
werden, wenn mehr Dampf auf die Bahn auftrifft, als an dieser Stelle
kondensieren kann.
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Wenn
man einen luftfreien Dampfraum voraussetzt, geht soviel Wärme auf
die Materialbahn über,
wie durch Bewegung der Materialbahn bzw. innerhalb der Bahn durch
Wärmeleitung
abgeführt wird.
Die Wärmeleitung
ist proportional dem jeweiligen Temperaturgefälle und nimmt deshalb mit zunehmender
Erwärmung
der Materialbahn beim Durchlaufen des Bedampfungsbereiches ständig ab.
Außerdem
werden durch die Bewegung der Materialbahn bereits erwärmte Bahnteile
ständig
weiter transportiert, was im weiteren Verlauf zu einer ebenfalls
verminderten Wärmeaufnahmefähigkeit
führt. Der
rechnerische Verlauf der Wärmeübertragung
von einem vollständig
mit Dampf gefüllten
Raum auf eine vorbeilaufende Materialbahn mit einer Anfangstemperatur
kleiner als 100° lässt sich
näherungsweise durch
eine Potentialfunktion der Form Q = a·x–b beschreiben,
wobei x die Koordinate in Bahnrichtung mit dem Wert Null an der
bahneintrittsseitigen Grenze zwischen Luft und Dampf ist.
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Der
Vollständigkeit
halber sei erwähnt,
dass die Werte a und b der Gleichung keine Konstanten sind, sondern
selbst von der Koordinate x in dem Maß abhängen, wie der Wärmefluss
auf der von dem Bedampfungsbereich abgewandten Rückseite der Materialbahn angekommen
ist. In ihre Größe gehen folgende
prozessspezifische Parameter ein: Anfangstemperatur der Bahn, Bahngeschwindigkeit,
Wärmeleitfähigkeit
und spezifische Wärmekapazität der Materialbahn
(beide stark von ihrem Feuchtegehalt abhängig), Dicke der Materialbahn
sowie – sofern noch
vorhanden – der
Wirkungsgrad im Grenzbereich zur Luft.
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Zu
Beginn der Bahnerwärmung
im Bedampfungsbereich (x = 0) steht die Gleichung für einen sprunghaften
Temperaturanstieg von einem luftgefüllten Raum (x < 0) zu einem dampfgefüllten Raum (x > 0). In der Praxis
wird jedoch die im Grenzbereich befindliche Luft durch Dampfberührung bereits
vorgewärmt,
so dass sie ihrerseits etwas Wärme
an die Materialbahn abgeben kann. Daher trifft die vorgenannte Funktion
in diesem Grenzbereich nicht zu und der unrealistische Beginn der
Wärmeübertragung
mit unendlich großen
Werten kann durch die Annahme eines linearen Temperaturanstiegs
im Bereich erwärmter
Luft ersetzt werden. Trotzdem ist prinzipiell damit zu rechnen,
dass an der bahneintrittsseitigen Grenze des dampfgefüllten Raumes
(Beginn des Dampfraumes) ein Maximum an Wärmeübertragung und damit Dampfkondensation
zu erwarten ist. Im weiteren Verlauf der Bedampfung nimmt der Wärmeübergang
und damit der Dampfverbrauch entsprechend der Potentialfunktion
ab.
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Je
nach den gegebenen Parametern (Bahneigenschaft, Bahntemperatur,
Bahngeschwindigkeit) kann bei einem angenommenen Wirkungsgrad der Wärmeübertragung
von 100 % der Dampfbedarf der ersten etwa 20 mm im Dampfraum zwischen
60 % und 99 % des insgesamt benötigten
Dampfbedarfs liegen.
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Dagegen
geht gegen Ende des Dampfraumes die Wärmeaufnahmefähigkeit
der Materialbahn gegen Null. Trotzdem muss an diesem Ende noch ein genügend hoher
Druck der auftreffenden Dampfstrahlen auf die Bahn erzeugt werden,
um die oben geschilderte rückwärtige Lufteinströmung entgegen der
Bahnbewegung zu verhindern und den Dampfraum gegen einströmende Luft
abzudichten. An den bahneintrittsseitigen und bahnaustrittsseitigen
Grenzen des Dampfraumes ist daher eine größere Dampfmenge auszubringen
als an den entsprechenden Aufprallstellen der Bahn kondensieren
kann. Es muss erfindungsgemäß also mit
einem gewissen Dampfüberschuss
gegenüber
einer der Wärmeaufnahmefähigkeit
der Materialbahn entsprechenden Menge gearbeitet werden, um einen
vollständig dampfgefüllten Dampfraum
erreichen zu können.
Um den Überschuss
möglichst
gering zu halten, wird im Inneren des Bedampfungsbereichs ein Unterdruck zugelassen.
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In
der praktischen Umsetzung heißt
das, dass primär
die erste Dampfaustrittsöffnung
an der vorderen Begrenzungsfläche
mit ausreichend Dampf versorgt werden muss. Um eine Abdichtung auch
am hinteren Ende des Dampfraumes zu erreichen, sollte auch eine
zweite Dampfaustrittsöffnung
unmittelbar vor der hinteren Begrenzungsfläche mit ausreichend Dampf beaufschlagt
werden. Die erste und die zweite Dampfaustrittsöffnung können dabei aus einer ersten bzw.
zweiten Gruppe von mehreren Dampfaustrittsöffnungen bestehen. Zwischen
diesen können
optional noch weitere Dampfaustrittsöffnungen einer dritten Gruppe
vorgesehen werden, deren ausströmende
Dampfmenge die Randdrücke
stützen
soll.
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Durch
Kondensation des Dampfes in jeweils dem Maße, in dem die Bahn noch wärmeaufnahmefähig ist,
entstehen im Inneren des Dampfraumes Druckunterschiede und entsprechende
Strömungen, die
die aus der Vielzahl von Einflussgrößen entstehenden Unsicherheiten
der Vorherberechnung der Wärmeaufnahmefähigkeit
der Bahn ausgleichen. Trotzdem können
erfindungsgemäß die Dampfaustrittsöffnungen
der dritten Gruppe in Bahnrichtung etwa analog der zuvor aufgeführten Wärmeübergangsfunktion
(Potentialfunktion) verteilt werden. Dadurch werden insbesondere
bei in Bahnrichtung großen
Dampfblaskästen
innerhalb des Bedampfungsbereiches zu große Druckunterschiede verhindert, die
zu einer Luftströmung
von den seitlichen Begrenzungskanten führen könnten.
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Nachfolgend
wird beschrieben, wie die ausströmenden
Dampfstrahlen und die optional vorgesehen Absaugungen so eingestellt
werden können, dass
die gewünschte
Wirkung eintritt. Dazu sollen nochmals die Grenzbereiche zwischen
Dampf und Luft betrachtet werden. Wenn die Dampfstrahlen aus den
Dampfaustrittsöffnungen
der ersten Gruppe entlang der Begrenzungsfläche in Richtung der Materialbahn
strömen
und am Ende der Begrenzungsfläche mit
Luft in Berührung
kommen, haben sie eine gegenüber
der Luft sehr hohe Geschwindigkeit, da sie andernfalls den erforderlichen
Staudruck auf die Materialbahn nicht erzeugen könnten. Damit entsteht an der
Außenseite
der vorderen Begrenzungskante des Dampfraumes eine Injektorwirkung,
d.h. es wird Luft angesaugt.
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Grundsätzlich ist
dieser Kontakt zwischen Luft und Dampf unerwünscht, weil einerseits Wärme an die
Luft abgegeben wird und andererseits die Beschleunigung der Luft
in Richtung der Materialbahn zu einer Druckerhöhung auf der Luftseite beiträgt. Dies
ist jedoch unvermeidlich. Durch die Gestaltung der Begrenzungskante
zwischen dem Luftbereich und dem Dampfbereich kann die angesaugte
Luftmenge aber klein gehalten werden. Dazu bildet die Begren zungsfläche des
Bedampfungsraumes mit der Grenzfläche des Luftbereiches einen
stumpfen Winkel zwischen 60° und
90°. Die
entstehende Begrenzungskante ist möglichst schart ausgeführt. Dadurch
wird der Dampfstrahl wenig abgelenkt. Außerdem wird erreicht, dass
im Wesentlichen solche Luft von dem Dampfstrahlen angesaugt wird,
die zuvor bereits an der Bahnoberfläche durch die auftreffenden
Dampfstrahlen zur Umkehr gezwungen wurde. Dadurch entsteht ein Luftwirbel,
der durch den wiederholten Dampfkontakt eine deutliche Temperaturerhöhung erfährt. Durch
eine muldenförmige
Gestaltung der Dampfblaskastenkontur im Bereich dieser vorderen
Abdichtzone in Bahnrichtung vor dem Dampfraum kann diese Wirbelbildung
weiter unterstützt
werden.
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Zur
Steuerung der Dampfmenge und Geschwindigkeit wird erfindungsgemäß in diesen
Luftwirbel ein Temperatursensor eingebracht und dadurch ein Kriterium
geschaffen, ob die gewünschte Sperrwirkung
an der Bahneintrittsseite erreicht wurde. Solange der Aufpralldruck
auf der Dampfseite kleiner ist als der Staudruck auf der Luftseite,
gelangt ständig
Frischluft zu der Messstelle und eine nennenswerte Temperaturerhöhung ist
nicht feststellbar. Eine deutliche Temperaturerhöhung in die Nähe der Dampftemperatur
an der Messstelle signalisiert dagegen eine erfolgreiche Absperrung
der Luft gegenüber
dem Dampfraum. Es ist möglich,
einen zweiten Temperatursensor in dem Spalt zwischen Dampfblaskasten
und Materialbahn in der Nähe
der vorderen Begrenzung des Dampfblaskastens (Vorderkante) anzuordnen.
An dieser Stelle strömt
die an der Grenze des Bedampfungsbereichs abgesperrte Luft zurück nach
außen.
Diese Luft soll bei optimaler Einstellung nur eine geringfügige Erwärmung aufweisen.
-
Mit
steigender Geschwindigkeit der Materialbahn steigt die Schwierigkeit,
die beschriebene Einstellung anhand der beiden gemessenen Temperaturen
vorzunehmen, weil der für
den angestrebten Druckaufbau an der Bahn erforderliche Dampfüberschuss
ansteigt und damit die beiden gemessenen Temperaturen dicht beieinander
liegen können.
Erfindungsgemäß kann deshalb
zwischen den Temperaturmessstellen ein Absaugkanal angeordnet werden, in
den vorteilhafter Weise eine weitere Temperaturmessstelle eingebaut
ist. Mit einem derartigen Absaugkanal kann die Einstellung erfindungsgemäß in folgender
Weise sehr empfindlich vorgenommen werden:
Zunächst wird
die Dampfströmung
aus den Dampfaustrittsöffnungen
der ersten Gruppe ohne Absaugung solange gesteigert, bis eine deutliche
Temperaturerhöhung
am ersten Messpunkt im Luftwirbel eintritt. Anschließend wird
die Absaugleistung solange gesteigert, bis an der Messstelle an
der vorderen Begrenzung des Dampfblaskastens keine Temperaturerhöhung gegenüber der
Umgebung mehr feststellbar ist, so dass kein Dampf aus dem Dampfblaskasten
austritt. Falls dadurch die Temperatur an der Messstelle im Luftwirbel
abfällt,
kann die Dampfmenge entsprechend gesteigert werden. Die Messstelle im
Absaugkanal dient der Kontrolle beider Einstellungen und lässt eine
Einschätzung
des Wirkungsgrades zu, da die Erwärmung der abgesaugten Luftmenge
als Verlustleistung zu betrachten ist.
-
An
dem bahnaustrittseitigen Ende des Dampfraumes gelten hinsichtlich
der Injektorwirkung der Dampfstrahlen die gleichen Betrachtungen
wie an der Bahneintrittsseite. Allerdings herrschen andere Strömungsverhältnisse.
-
Am
hinteren Ende des Dampfraumes ist die Wärmeaufnahmefähigkeit
der Materialbahn nahezu Null. Der Dampf aus den Dampfaustrittsöffnungen der
zweiten Gruppe strömt
ins Innere des Bedampfungsbereiches, falls dort entsprechend dem
Wärmeaufnahmevermögen der
Bahn und der aus den Dampfaustrittsöffnungen der dritten Gruppe
ausgebrachten Dampfmenge noch ein Unterdruck vorhanden ist. Die
auch an der bahnaustrittseitigen Begrenzungskante des Dampfraumes
entstehende Injektorwirkung lässt
die entgegen der Bahnbewegung von der Rückseite einströmende Luft
mit in den Bedampfungsbereich einströmen, falls nicht ebenso wie
an der Bahneintrittsseite ein Überdruck
im Dampfbereich beim Auftreffen der Dampfstrahlen auf die Materialbahn
entsteht.
-
Durch
einen ausreichenden Dampfüberschuss
aus den Dampfaustrittsöffnungen
der zweiten Gruppe vor der hinteren Begrenzungsfläche entsteht eine
Strömung,
bei der keine Luft in den Dampfraum eindringen kann. Allerdings
wird stets erwärmte
und angefeuchtete Luft in Bahnnähe
in Bewegungsrichtung der Materialbahn strömen. Durch eine einfache Temperaturmessung
wie auf der Bahneintrittsseite lässt
sich deshalb eine Unterscheidung zwischen einer rückwärtigen Einströmung von
Luft in den Dampfraum und einer erfolgreichen Absperrung nicht treffen.
Man kann lediglich durch eine Messung der Bedampfungswirkung selbst,
also beispielsweise durch die Messung der Bahntemperatur nach der
Bedampfung oder der durch sie beeinflussten Eigenschaften, wie Glätte bei
der Bedampfung in einem Kalender, die Grenze ermitteln, bis zu der
eine Steigerung der ausströmenden
Dampfmengen aus den Öffnung
der zweiten Gruppe noch eine entsprechende Wirkung hervorruft. Auch
eine solche Messung kann erfindungsgemäß vorgenommen und in die Steuerung
integriert werden.
-
Ansonsten
entspricht die Gestaltung der bahnaustrittseitigen Begrenzungskante
zwischen dem Bedampfungsbereich und dem Luftbereich dem auf der
Bahneintrittsseite und weist einen stumpfen Winkel, eine möglichst
scharfkantige Ausbildung und eine muldenförmige Gestaltung der sich in
Bahnrichtung anschließenden
Abdichtzone auf.
-
Die
Erzeugung eines Wirbels, bei dem möglichst immer wieder bereits
mit Dampf in Berührung gekommene
und daher erwärmte
Luft angesaugt wird, ist jedoch nur möglich, wenn entweder nach dem
Dampfblaskasten in Bahnrichtung ein freies Abströmen der Luft nicht möglich ist,
weil beispielsweise die Bahn durch einen Nipp zwischen zwei Walzen
geführt
wird, oder wenn eine weitere Absaugung vorgesehen wird. Ohne eine
solche Absaugung (oder eine Begrenzung der Strömung durch den Nipp) fällt der Druck
an der Bahnoberfläche
von dem durch die auftreffenden Dampfstrahlen aus den Dampfaustrittsöffnungen
der zweiten Gruppe erzeugten Staudruck in Bahnrichtung auf Null
ab. Die mit dem Dampf in Berührung
gekommene Luft strömt
also mit der Bahn ungehindert ab und entgegen der Bahnbewegung strömt ständig Frischluft
in den Spalt der Abdichtzone. In der Mulde bildet sich zwar ein
Luftwirbel infolge der Druckabsenkung durch die Spalterweiterung
aus, er hat aber die entgegengesetzte Richtung des Luftwirbels auf
der Bahneintrittsseite. Dadurch erfährt dieser Luftwirbel eine
ständige
Frischluftzufuhr an der bahnfernen Begrenzung und gibt andererseits ständig überhitzte
Luft in Bahnnähe
ab. Demgegenüber
erzeugt eine Absaugung zwischen dem Dampfraum und der hinteren Begrenzung
des Dampfblaskastens einen Unterdruck, zu dem Luft von beiden Seiten
hinströmt.
Dadurch lässt
sich der Luftwirbel verstärken,
so dass der Großteil
der bereits mit Dampf in Berührung
gekommenen, also erwärmten, Luft
in kreisende Bewegung versetzt wird. Je nach verfügbarem Bauraum
sollte der Abstand zwischen dem Ende des Dampfraumes und der Absaugung, also
der Raum für
den zweiten, bahnaustrittseitigen Luftwirbel, möglichst groß gehalten werden. Im Bereich
dieses bahnaustrittsseitigen Luftwirbels und in dem Absaugkanal
kann erfindungsgemäß je eine Temperaturmessstelle
vorgesehen werden. Beide Messstellen dienen der Kontrolle der Absaugleistung an
der Bahnaustrittsseite.
-
Während an
der Messstelle im Luftwirbel durch Steigerung der Absaugleistung
eine möglichst hohe
Temperatur angestrebt wird, sollte an der Messstelle im Absaugkanal
eine möglichst
geringe Erwärmung
gegenüber
Frischluft festgestellt werden. Eine stark erwärmte Luft am Absaugkanal deutet
auf Absaugung von Dampf aus dem Dampfraum hin, d.h. die Absaugleistung
müsste
gesenkt werden. Mit den genannten Messmöglichkeiten, die in Abhängigkeit von
den Ausmaßen
der Materialbahn quer zur Bewegungsrichtung vorteilhafter Weise
jeweils mehrfach vorhanden sein können, lässt sich die erfindungsgemäße Trennung
eines nahezu luftfreien Dampfbereichs und des angrenzenden Luftbereichs
gut kontrollieren. Ferner kann die an den Absaugkanälen in der
vorderen und hinteren Abdichtzone abgesaugte, erwärmte Luft
gegebenenfalls nach Entwässerung am
bahnaustrittseitigen Ende des Dampfblaskastens gegen die Materialbahn
geblasen werden. Damit lässt
sich eine weitere Verminderung der in Bahnnähe austretenden Luftmenge erreichen
und die Ausbildung des bahnaustrittseitigen Luftwirbels wird unterstützt.
-
Die
bisher beschriebene optimierte Bedampfung führt dazu, dass die Bahn auf
ihrer gesamten Breite auf nahezu 100° C erwärmt und entsprechend mit Feuchtigkeit
angereichert wird. Wenn quer zur Bewegungsrichtung der Bahn eine
unterschiedliche Bedampfung erreicht werden soll, werden die ausgebrachten
Dampfmengen erfindungsgemäß in Zonen mit
niedrigerer erwünschter
Bedampfungsrate vorzugsweise bei den Dampfaustrittsöffnungen
der ersten Gruppe gegenüber
der Grundeinstellung reduziert. Dadurch sinkt in diesen Zonen der
Staudruck an der Bahn an der bahneintrittsseitigen Begrenzungskante
des Dampfraumes, so dass dort teilweise und gezielt Luft einströmen kann.
Die daraus folgende örtliche
Reduzierung des Bedampfungswirkungsgrades gestattet eine sehr feine
Profilierung der Bedampfung quer zur Materialbahn.
-
Nachfolgend
werden ein konkreter Dampfblaslasten sowie die darin ablaufende
Steuerung anhand der Zeichnung näher
beschrieben.
-
Es
zeigen:
-
1a einen
Querschnitt durch einen Dampfblaskasten;
-
1b eine
Begrenzungskante des Dampfraums mit den sie bildenden Flächen des
Dampfblaskastens gemäß 1a im
Detail;
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2a schematisch
das Strömungsbild
im Spalt zwischen einem Dampfblaskasten gemäß 1a und
der Materialbahn an seinem bahneintrittsseitigen Ende;
-
2b schematisch
das Strömungsbild
im Spalt zwischen einem Dampfblaskasten gemäß 1a und
der Materialbahn an seinem bahnaustrittsseitigen Ende;
-
3 schematisch
die Temperaturverteilung im Spalt zwischen einem Dampfblaskasten
gemäß 1a und
der Materialbahn sowie die Anordnung der Temperatursensoren;
-
4 schematisch
den Druckverlauf an der Materialbahn beim Bedampfen mit dem Dampfblaskasten
gemäß 1a und
-
5a,
b schematisch die Druckentwicklung an der bewegten Materialbahn
bei bahnnahen Hindernissen für
den mitgeführten
Luftstrom in Abhängigkeit
von der Form des Hindernisses.
-
Der
in 1 im Querschnitt dargestellte Dampfblaskasten 1 ist
in einem durch einen minimalen Spalt 5 gebildeten Abstand
von einer Papier- bzw. Materialbahn 4 angeordnet, die in
der durch den Pfeil angedeuteten Bewegungsrichtung B an dem Dampfblaskasten
vorbei geführt
wird. Der Dampfblaskasten 1 ist durch eine in Bewegungsrichtung
B der Materialbahn 4 vorn liegende vordere Begrenzung 2 und eine
in Bewegungsrichtung B der Materialbahn 4 hinten liegende
hintere Begrenzung 3 begrenzt, zwischen denen sich ein
zu der Materialbahn 4 offener Dampfraum 6 befindet,
der nachfolgend auch als Bedampfungsbereich bezeichnet wird.
-
Der
Bedampfungsbereich 6 nimmt nur einen Teil des Abstands
zwischen den Begrenzungen 2, 3 des Dampfblaskastens 1 ein.
Vor und hinter dem Dampfraum 6 sind entsprechend eine vordere
Abdichtzone 23 und eine hintere Abdichtzone 24 ausgebildet,
die sich bis zu den Begrenzungen 2, 3 des Dampfblaskasten 1 erstrecken.
Der eigentliche Bedampfungsbereich 6 wird in Bewegungsrichtung
B der Materialbahn 4 durch vordere und hintere Begrenzungsflächen 6a, 6b und
quer zur Bewegungsrichtung B durch entsprechende, nicht dargestellte Flächen gebildet,
die genauso wie die Begrenzungsflächen 6a, 6b bis
auf den minimalen Spalt 5 (Spaltweite) an die Materialbahn 4 heranreichen.
Die Gehäusewand 6c des
Dampfraumes 6 zwischen den Begrenzungsflächen 6a, 6b ist
in Bezug auf diese von der Materialbahn 4 zurückgesetzt,
so dass der Abstand 5b von der der Materialbahn zugewandten Gehäusewand 6c des
Dampfblaskastens 1 zur Materialbahn 4 größer ist
als im minimalen Spalt 5. Der Abstand 5b kann
dabei etwa 5 bis 40 mm, vorzugsweise etwa 20 mm mehr als die Spaltweite
des minimalen Spalts 5 betragen.
-
In
der Gehäusewand 6c des
Dampfblaskastens 1 innerhalb des Dampfraumes 6 sind
Dampfaustrittsöffnungen 7, 8, 9 angeordnet.
Die Dampfaustrittsöffnungen 7, 8, 9 können als
quer zur Bewegungsrichtung B der Materialbahn 4 verlaufende
Schlitze oder analog angeordnete Bohrungsreihen ausgebildet sein.
Die Dampfaustrittsöffnungen 7, 8, 9 werden gruppenweise
angesteuert, d.h. sie sind mit jeweils separaten (nicht dargestellten)
Dampfkammern verbunden, über
die die Dampfmenge und/oder die Dampfaustrittsgeschwindigkeit festgelegt
werden können.
-
Die
erste Gruppe von Dampfaustrittsöffnungen 7 befindet
sich unmittelbar hinter der bahneintrittsseitigen, vorderen Begrenzungsfläche 6a.
Quer zur Bewegungsrichtung B der Materialbahn 4 sind die Dampfaustrittsöffnungen 7 vorzugsweise
in verschiedene Zonen aufgeteilt und mit entsprechenden separaten
Dampfkammern verbunden. Sie sind daher zonenweise ansteuerbar.
-
Die
zweite Gruppe von Dampfaustrittsöffnungen 8 ist
entsprechend der ersten Gruppe von Dampfaustrittsöffnungen 7 ausgebildet
und so dicht wie möglich
vor der bahnaustrittseitigen Begrenzungsfläche 6b des Dampfraumes 6 angeordnet.
Abweichend von dem in 1 dargestellten
Beispiel können
beide Gruppen von Dampfaustrittsöffnungen 7, 8 auch
aus mehreren Öffnungen,
Schlitzen oder Bohrungsreihen bestehen, die sich aber in unmittelbarer
Nähe zueinander
befinden sollen.
-
Eine
dritte Gruppe von Dampfaustrittsöffnungen 9 ist
insbesondere für
Fälle hoher
Dampfaufnahmefähigkeit
der Materialbahn vorgesehen, die im dargestellten Beispiel aus mehreren
Schlitzen oder Bohrungsreihen besteht. Diese sind nicht unmittelbar nebeneinander
angeordnet, sondern entsprechend dem etwa zu erwartenden Wärmeaufnahmevermögen der
Materialbahn 4 in Bewegungsrichtung B verteilt. Auch die
Dampfaustrittsöffnungen 8, 9 können optional
quer zur Bewegungsrichtung der Materialbahn 4 zonenweise
angesteuert werden.
-
Um
den ausströmenden
Dampfstrahlen aus den Dampfaustrittsöffnungen 7 der ersten
Gruppe eine Richtungskomponente entgegen der Bewegungsrichtung B
der Materialbahn 4 zu geben, ist die bahneintrittsseitige
Begrenzungsfläche 6a um
einen Winkel 10 gegenüber
der Senkrechten der Materialbahn 4 von dem Dampfraum 6 weg
geneigt. Die Größe des Winkels 10 hängt von
der Geschwindigkeit der Materialbahn 4 einerseits und von
der Weite des minimalen Spalts 5 andererseits ab und kann
Werte zwischen 0° und
30°, vorzugsweise
10°, annehmen. Der
Winkel zwischen der Gehäusewand 6c und
der Begrenzungsfläche 6a beträgt also
zwischen 90° und 120°, vorzugsweise
100°.
-
In
analoger Weise ist die bahnaustrittseitige Begrenzungsfläche 6b des
Dampfraumes 6 um einen Winkel 11 von der Senkrechten
auf die Materialbahn 4 nach außen geneigt, um den Dampfstrahlen aus
den Dampfaustrittsöffnungen 8 der zweiten Gruppe
eine Richtungskomponente in Bewegungsrichtung B der Materialbahn 4 zu
geben und damit der von der bahnaustrittseitigen Begrenzung 3 des Dampfblaskastens 1 her
einströmenden
Luft entgegen zu wirken. Die Größe des Winkels 11 hängt von dem
Verhältnis
der insgesamt ausgebrachten Dampfmenge zu der aus den Dampfaustrittsöffnungen 8 der
zweiten Gruppe ausströmenden
Dampfmenge sowie der Weite des Spaltes 5 und der Geschwindigkeit
der Materialbahn 4 ab. Die Größe des Winkels 11 kann
etwa zwischen 0° und
20° bis
30° liegen,
vorzugsweise bei 5°.
-
Die
zwischen der vorderen Begrenzung 2 des Dampfblaskastens 1 und
der vorderen Begrenzungsfläche 6a des
Dampfraumes 6 ausgebildete vordere Abdichtzone 23 und
die zwischen der hinteren Begrenzungsfläche 6b des Dampfraumes 6 und der
hinteren Begrenzung 3 des Dampfblaskastens ausgebildete
hintere Abdichtzone 24 dienen der Abdichtung gegen das
Eindringen von Luft in den Dampfraum 6 und gegen das Austreten
von erhitzter und übersättigter
Luft in die Umgebung des Dampfblaskastens 1. In diesen
Bereichen sind, wie in den 2a und
b dargestellt, Temperatursensoren 18 bis 22 angeordnet,
mit deren Hilfe die erforderlichen Erkenntnisse zum Ansteuern der
einzelnen Komponenten des Dampfblaskastens gewonnen werden. Dies wird
später
ausführlich
beschrieben.
-
In
und entgegen der Bewegungsrichtung B sind unmittelbar anschließend an
den Dampfraum 6 in den Abdichtzonen 23, 24 Mulden 12, 13 vorgesehen,
die in der der Materialbahn 4 zugewandten Gehäusewand
des Dampfblaskastens 1 ausgebildet sind. Das heißt, dass
von den Begrenzungsflächen 6a und 6b des
Bedampfungsbereichs 6 mit der minimalen Spaltweite 5 der
Abstand der Materialbahn 4 zunächst zunimmt, um dann wieder
auf den zulässigen
Minimalwert des Spaltes 5 abzufallen. Diese Tiefe 5c der
Mulden 12, 13 beträgt etwa ein Viertel bis ein
Achtel der Weite des Spaltes 5. Ihre Länge entspricht in Bewegungsrichtung
B der Materialbahn 4 auf der Bahneintrittsseite etwa der
Weite des Spaltes 5, auf der Bahnaustrittsseite kann die
Mulde 13 dagegen je nach verfügbarem Bauraum so lang wie
möglich
ausgebildet sein. Innerhalb der Mulden 12, 13 bilden
sich im Betrieb Luftwirbel 34, 35 aus. Dabei ist
es vorteilhaft, den Abstand zwischen der vorderen Begrenzung 2 des
Dampfblaskastens 1 und der Begrenzungsfläche 6a des
Dampfraumes 6 möglichst
klein zu halten, während
der entsprechende Abstand zwischen der Begrenzungsfläche 6b und
der hinteren Begrenzung 3 des Dampfblaskastens 1 möglichst groß ausgebildet
werden sollte.
-
Die
Form der Mulden 12, 13 ist gemäß den Fertigungsmöglichkeiten
wählbar,
jedoch sollten die Begrenzungsflächen 6a, 6b des
Dampfraumes 6 mit den an sie anschließenden Grenzflächen 12a, 13a der
Mulden 12, 13 einen stumpfen Winkel 14 zwischen
60° und
90°, vorzugsweise
75°, bilden,
und die entstehende Kante sollte möglichst scharfkantig ausgebildet
sein. Damit bilden die Begrenzungsflächen 6a, 6b im
Wesentlichen die Begrunzungskanten des Dampfraumes 6. Dies
ist in 1b beispielhaft für die bahneintrittsseitige
Mulde 12 dargestellt.
-
In
Bewegungsrichtung B vor der Mulde 12 hat die Dampfblaskastenkontur
in der vorderen Abdichtzone 23 einen größeren Abstand 5a zur
Materialbahn 4 als im Bereich der Begrenzungsfläche 6a. Dieser
Abstand entspricht vorzugsweise dem Abstand 5b zwischen
der Gehäusewand 6c im
Dampfraum 6 und der Materialbahn 4. Die Dampfblaskastenkontur
verläuft
beim Übergang
von dem größeren Abstand 5b zu
dem minimalen Spalt 5 etwa senkrecht zur Materialbahn 4.
Diese senkrecht zur Materialbahn 4 angeordnete Fläche 1a soll
den mit der Bahn mitgeführten
Luftstrom schon vor der Mulde 12 teilweise aufhalten und
so den Staudruck an der Grenze zwischen dem Luftbereich in der Abdichtzone 23 und
dem Dampfbereich in dem Dampfraum 6 senken. Dies wird durch
einen vor dieser Fläche 1a vorgesehenen
Absaugkanal 15 verstärkt,
mit dem der Stau druck noch weiter gesenkt und ein Austritt von mit
Dampf in Berührung
gekommener Luft aus dem Dampfblaskasten 1 mit Sicherheit
verhindert werden kann.
-
Auf
der Bahnaustrittsseite hat die Begrenzung 3 des Dampfblaskastens 1 einen
Abstand in der Größe des minimalen
Spaltes 5 zur Materialbahn 4. Durch die Verwendung
des zulässigen
Minimalabstandes des Spaltes 5 soll der Luftaustausch durch Ausströmung in
der Nähe
der Materialbahn 4 und Einströmung in der Nähe der der
Materialbahn 4 zugewandten Wand des Dampfblaskastens 1 minimiert werden.
-
Zwischen
der Mulde 13 und der hinteren Begrenzung 3 des
Dampfblaskastens 1 ist ein Absaugkanal 16 vorgesehen.
Durch eine Luftabsaugung an dieser Stelle wird die Bildung eines
bahnaustrittseitigen Luftwirbels 35 im Bereich der Mulde 13 unterstützt, in
dem sich bereits mit Dampf in Berührung gekommene Luft in weitgehend
kreisender Bewegung befindet. Dies wird nachfolgend anhand der 2a und 2b näher erläutert. Ferner
ist zwischen dem Absaugkanal 16 und der hinteren Begrenzung 3 eine Lufteintrittsöffnung 17 vorgesehen,
aus der die in den Absaugkanälen 15 und/oder 16 abgesaugte
Luft teilweise wieder ausgeblasen wird. Diese Lufteintrittsöffnung 17 ist
jedoch optional und für
die Funktion des erfindungsgemäßen Dampfblaskastens 1 nicht
unbedingt notwendig.
-
In
den 2a und 2b sind
die Strömungsverhältnisse
im Bereich des erfindungsgemäßen Dampfblaskastens 1 im
Betrieb dargestellt. 2a zeigt den bahneintrittsseitig
vorderen Bereich des Dampfblaskastens 1 mit der vorderen
Begrenzung 2, der sich anschließenden vorderen Abdichtzone 23 mit
dem bahneintrittsseitigen Absaugkanal 15 und der vorderen
Mulde 12 sowie dem Beginn des Bedampfungsbereichs in dem
Dampfraum 6 mit den Dampfaustrittsöffnungen 7 und 9. 2b ergänzt das
bahnaustrittseitige Ende des Dampfblaskastens 1 mit dem
Ende des Bedampfungsbereichs in dem Dampfraum 6, den darin
angeordneten Austrittsöffnungen 8 und 9,
sowie der hinteren Abdichtzone 24 mit der Mulde 13,
dem bahnaustrittseitigen Absaugkanal 16, der Lufteintrittsöffnung 17,
die im Strömungsbild
von 2b nicht im Betrieb dargestellt ist, bis hin zu
der hinteren Begrenzung 3 des Dampfblaskastens 1.
Außerdem
sind in den 2a und 2b die
Temperatursensoren 18, 19, 20, 21 und 22 an
ihren entsprechenden Einbaupositionen an der vorderen Begrenzung 2,
in der vorderen Mulde 12, in dem Absaugkanal 15,
in der hinteren Mulde 13 und in dem Absaugkanal 16 eingezeichnet.
-
Eine
mit der Materialbahn 4 aufgrund von Reibung an der Bahnoberfläche mitbewegte
Luftströmung 30,
welche durch einen Doppelpfeil dargestellt ist, wird zu einem Teil
in den Spalt 5a der vorderen Abdichtzone 23 zwischen
Dampfblaskastenkontur und Materialbahn 4 eingeführt und
zu einem anderen Teil an der vorderen Begrenzung 2 des
Dampfblaskastens 1 gestaut und von dieser abgeleitet. Die
Luftströmung 30 trifft
im Bereich der Begrenzungskante 6a auf einen mit hoher
Geschwindigkeit aus der ersten Gruppe von Dampfaustrittsöffnungen 7 ausströmenden Dampfstrahl 31,
welcher durch einfach Pfeile dargestellt ist. Am vorderen Ende der
Begrenzungsfläche 6a des
Dampfraums 6, an dem Dampf zuerst auf die Luftströmung 30 trifft,
entsteht durch Injektorwirkung ein Unterdruckbereich 32 und
der Luftstrom wird zusammen mit dem Dampf in Richtung der Materialbahn 4 gelenkt.
Je nach Neigung der Begrenzungsfläche 6a des Dampfraumes 6 kann
diese Strömung
leicht entgegen der Bewegungsrichtung B der Materialbahn ausgerichtet
werden.
-
In
unmittelbarer Bahnnähe
treffen der mit der Materialbahn 4 mitgeführte Teil
der Luftströmung 30 und
der Dampfstrahl 31 zusammen mit dem angesaugten Teil der
Luftströmung 30 aufeinander
und es entsteht ein Staudruck. Sobald an der Grenze zwischen Dampf
und Luft trotz Volumenverlusts des Dampfes infolge von Kondensation
an der an dieser Stelle noch weitgehend kalten Materialbahn 4 sowie der
angesaugten Luft der Staudruck im Dampfbereich höher wird als im Luftbereich,
wird die Luftströmung 30 vollständig zur
Umkehr gezwungen.
-
Dieser
Zustand ist in 2a dargestellt. Durch die beschriebene
Injektorwirkung im Unterdruckbereich 32 wird ein Teil der
Luftströmung 30 von dem
Dampfstrahl 31 erneut angesaugt. Es entsteht ein bahneintrittsseitiger
Luftwirbel 34, innerhalb dessen sich teilweise bereits
mit Dampf in Berührung
gekommene und deshalb vorgewärmte
Luft in kreisender Bewegung befindet.
-
In
Bewegungsrichtung B vor dem Luftwirbel 34 muss die umgelenkte
Luftströmung 30 an
der vorderen Begrenzung 2 vorbei wieder aus dem Spalt 5 zwischen
der vorderen Begrenzung 2 und der Materialbahn 4 herausgedrückt werden.
Dafür muss
der an der Grenze zwischen Abdichtzone 23 und Dampfbereich 6 an
der Materialbahn 4 erzeugte Staudruck hoch genug sein.
Um den Dampfüberschuss,
der für diesen
Druckaufbau erforderlich ist, in vertretbaren Grenzen zu halten,
wird an der vorderen Begrenzung 2 des Dampfblaskastens 1 ein
möglichst
niedriger Staudruck angestrebt. Diesem dient der größere Abstand 5b zur
Materialbahn 4 im Vergleich zu der Breite des minimalen
Spalts 5 im Bereich der Begrenzungsfläche 6a. Eine weitere
Möglichkeit
zur Einstellung des Staudrucks auf möglichst niedrigem Niveau bietet
der Absaugkanal 15, mit dem ein Teil oder die gesamte Luftströmung 30 abgesaugt
werden kann. Eine Kontrolle für
eine erfolgreiche Absperrung der Luftströmung 30 von dem Dampfraum 6 bieten
der in der vorderen Mulde 12 eingebaute Temperatursensor 19 und
der in der Nähe
der vorderen Begrenzung 2 des Dampfblaskastens 1 angebrachte
Temperatursensor 18. Falls der Aufpralldruck des Dampfstrahles 31 nicht
ausreicht, um die Luftströmung 30 aufzuhalten,
gelangt ständig
frische, noch nicht erwärmte
Luft an den Sensor 19, an dem eine nennenswerte Temperaturerhöhung nicht
feststellbar ist. Bei erfolgreicher Absperrung der Luftströmung 30 bildet
sich dagegen der Luftwirbel 34 aus und an dem Temperatursensor 19 ist
eine deutliche Temperaturerhöhung messbar.
Falls zu viel Dampf aus den Dampfaustrittsöffnungen 7 ausgebracht
wird, erwärmt
sich die gesamte ausgebrachte Luftströmung 30, so dass auch der
Temperatursensor 18 eine deutliche Temperaturerhöhung anzeigt.
-
Durch
den Absaugkanal 15 kann das Strömungsbild im Bereich des Temperatursensors 18 beeinflusst
werden. Während
bei ausgeschalteter Absaugung der gesamte Rückstrom der Luftströmung 30 am
Temperatursensor 18 vorbei nach außen strömt, kann in Abhängigkeit
von der Absaugleistung des Absaugkanals 15 ein Teil oder
der gesamte Rückstrom
abgesaugt werden. Es tritt dann an der Bahneintrittseite des Dampfblaskastens 1 keine
erwärmte
und angefeuchtete Luft aus. Am Temperatursensor 18 ist
keine Temperaturerhöhung
feststellbar.
-
Um
durch eine zu starke Absaugung nicht unnötige Dampfmengen abzusaugen,
ist in dem Absaugkanal 15 ein weiterer Temperatursensor 20 vorgesehen.
Bei zu starkem Anstieg der Temperatur des Temperatursensors 20 wird
die Absaugleistung entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren
gesenkt.
-
Durch
die Anordnung der Dampfaustrittsöffnungen 7 in
unmittelbarer Nähe
der Begrenzungsfläche 6a des
Dampfraumes 6 und in einem größeren Abstand 5b zu
der Materialbahn 4 als die bahnnahe Kante der Begrenzungsfläche 6a wird
verhindert, dass die Luftströmung 30 aus
dem bahneintrittsseitigen Bereich des Dampfblaskastens 1 in
einen im Dampfraum 6 in der Nähe der Dampfaustrittsöffnungen 7 durch
den Dampfstrahl 3i gebildeten Unterdruckbereich 33 einströmt. Der
dort herrschende Unterdruck saugt viel mehr Dampf aus dem Dampfraum 6 an,
der über
die Dampfaustrittsöffnungen 9 der
dritten Gruppe und/oder die Dampfaustrittsöffnungen 8 der zweiten
Gruppe in den Dampfraum ausgebracht werden. Aufgrund der zuvor beschriebenen
Funktionsweise der vorderen Abdichtzone 23 wird der Dampfraum 6 also
erfindungsgemäß vollständig mit Dampf
gefüllt,
solange nicht von dem bahnaustrittseitigen Ende des Dampfblaskastens 1 Luft
einströmt.
-
Dies
kann geschehen, wenn aus den Dampfaustrittsöffnungen 8 der zweiten
Gruppe und gegebenenfalls aus den Dampfaustrittsöffnungen 9 der dritten Gruppe
nicht genügend
Dampf ausgebracht wird. Obwohl die Materialbahn 4 an der
hinteren Begrenzungsfläche 6b des
Dampfraumes 6 keine oder fast keine Wärme mehr aufnimmt, kann der
für eine Luftabsperrung
erforderliche Pralldruck an der Materialbahn 4 in diesem
Fall nicht aufgebaut werden, weil die Dampfstrahlen 31 infolge
des Unterdrucks innerhalb des Dampfraumes 6 abgelenkt werden.
Die vom bahnaustrittseitigen Ende des Dampfblaskastens 1 einströmende Luftströmung 30 gelangt
deshalb teilweise mit in den Dampfbereich 6 und senkt damit
den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung.
Durch Steigerung der aus den Dampfaustrittsöffnungen 8 ausgebrachten
Dampfmenge geht das Strömungsbild
dann in die erfindungsgemäße Strömung gemäß 2a und 2b über.
-
Eine
Unterscheidung zwischen den beiden zuvor beschriebenen Zuständen mit
Hilfe von Temperatursensoren ist nicht einfach möglich, da in beiden Fällen kältere Luft
am Temperatursensor 21 in der bahnaustrittseitigen Mulde 13 in
Richtung des Dampfraumes 6 strömt und nach Dampfkontakt und entsprechender
Erwärmung
und Feuchteanreicherung in unmittelbarer Nähe der Materialbahn 4 wieder zurückströmt. Die
Einstellung des Dampfstrahls 31 aus den Dampfaustrittsöffnungen 8 geschieht
deshalb anhand der Bewertung der Bedampfungswirkung auf die Materialbahn 4.
Kriterien sind beispielsweise Temperatur, Feuchte, Glätte u.a..
-
Mit
Hilfe der Absaugung in dem Absaugkanal 16 und optional
mit einer zusätzlichen
Lufteinströmung
in der Lufteintrittsöffnung 17 wird
der größte Teil
der erwärmten
und angefeuchteten Luft daran gehindert, in die Umgebung des Dampfblaskastens 1 zu
strömen.
Die Wirksamkeit dieser Absperrung lässt sich mit Hilfe der Temperatursensoren 21 in
der Mulde 13 und 22 in dem Absaugkanal 16 beurteilen.
Dabei wird als Optimum eine möglichst
hohe Temperatur an dem Temperatursensor 21 in der Mulde 13 angestrebt,
wodurch die erfindungsgemäße Ausbildung des
bahnaustrittseitigen Luftwirbels 35 angezeigt wird, und eine
möglichst
niedrige Temperatur an dem Temperatursensor 22, weil dann
nicht unnötig Dampfüberschuss
aus dem Dampfbereich 6 abgesaugt wird.
-
Alle
Temperatursensoren 18, 19, 20, 21, 22 können über die
Breite der Materialbahn 4 gegebenenfalls auch mehrfach,
beispielsweise je einmal pro ansteuerbarer Zone, vorgesehen werden.
Die Überlegungen
zu den Temperaturmessungen lassen sich anhand von 3 nachvollziehen.
Dabei stellen die Temperaturzonen T1 die Luftbereiche dar, die von dem
Dampf des Dampfblaskastens 1 nicht oder fast nicht beeinflusst
werden, während
in der Temperaturzone T3 erfindungsgemäß Dampftemperatur (ca. 100° C) herrscht.
Die Übergangsbereiche
T2 dazwischen enthalten mit Dampf in Berührung gekommene, also mehr
oder weniger erwärmte
Luft, wobei der Temperaturverlauf von den jeweiligen Strömungsverhältnissen
abhängt,
deren Zustand deshalb indirekt in der beschriebenen Weise beurteilt
werden kann.
-
In 4 ist
schematisch der Druckverlauf an der Oberfläche der Materialbahn 4 im
Bereich des Dampfblaskastens 1 dargestellt, wobei die angegebenen
Bezugszeichen die jeweilige Position in Bewegungsrichtung B der
Materialbahn (X-Achse)
anzeigt. Die auf der Y-Achse aufgetragenen Druckwerte hängen im
Einzelfall ab von Ausströmmenge
und Ausströmgeschwindigkeit
des Dampfes aus den jeweiligen Dampfaustrittsöffnungen 7, 8, 9 des
Dampfblaskastens 1 einerseits und dem durch Dampfkondensation
infolge Wärmeübergang
entstehenden Volumenverlust andererseits, der Geschwindigkeit der Materialbahn 4,
den Absaugkanälen 15, 16 und
der Lufteintrittsöffnung 17 sowie
gegebenenfalls bahnnahen Strömungshindernissen
vor und/oder hinter dem Dampfblaskasten (beispielsweise Walzen).
Wegen der Vielzahl der Einflüsse
wurde deshalb in 4 auf eine Skalierung der Y-Achse
verzichtet. Die Druckwerte an der Materialbahn 4 bewegen
sich im Normalfall im Bereich von +/– wenigen 100 Pa.
-
Auf
der X-Achse sind in 4 die entsprechenden Positionen
eines erfindungsgemäßen Dampfblaskastens 1 dargestellt.
Genügend
weit außerhalb
des Dampfblaskastens herrscht an der Materialbahn 4 der
Druckwert 0, bei dem die Kurve in 4 beginnt
und endet.
-
Bereits
vor der Begrenzung 2 steigt der Druck an, weil der mit
der Materialbahn 4 mitgeführte Luftstrom nicht ungehindert
in den Spalt zwischen Materialbahn 4 und Dampfblaskasten 1 eintreten kann.
Dies ist in 4 jedoch nicht dargestellt,
weil dort nur der bahnnahe Staudruck eingezeichnet ist, der an dieser
Position in der Nähe
der Materialbahn 4 noch nicht entsteht. Durch den Absaugkanal 15 und/oder
eine Spalterweiterung durch die erfindungsgemäße Mulde 12 entsteht
ein Druckabfall, der mit Absaugung sogar negative Wert annimmt.
An der Grenze zum Dampfraum 6 entwickelt der auf die Materialbahn 4 treffende
Dampfstrahl 31 eine Druckspitze an der Oberfläche der
Materialbahn 4, die ausreicht, die Luftströmung 30 vollständig abzusperren und
in Richtung der Begrenzung 2 bzw. Absaugkanal 15 umzulenken.
Dies geschieht im Bereich der vorderen Begrenzungsfläche 6a und
der ersten Dampfaustrittsöffnung 7.
-
Wie 4 zu
entnehmen, fällt
rechts von dieser Druckspitze der Druck wieder sehr steil ab, in der
Regel auf negative Werte. Die Ursache dafür ist der hohe Wärmeübergang
von Dampf auf die Materialbahn 4 an dieser Stelle. Einerseits
ist die Materialbahn 4 hier noch am kältesten, weil die Bedampfung gerade
erst begonnen hat. Andererseits hat aber Luft zu diesem Unterdruckbereich 33 keinen
Zugang. Damit ist der Wärmeübergang
optimal hoch. Eine hohe Kondensationsrate des Dampfes beim Eintritt
der Materialbahn 4 in den Dampfraum 6 erklärt also
den steilen Druckabfall. Je nach Anordnung und Ansteuerung der Öffnungen 8, 9 strömt von dort
Dampf in den Unterdruckbereich ein und es entsteht mit der ständig sinkenden
Kondensationsrate in Bewegungsrichtung B der Materialbahn 4 etwa
der in 4 dargestellte Druckverlauf. Dabei ist erkennbar, dass
es zur Vermeidung zu starker Unterdruckbereiche und damit unnötiger Querströmungen und
Verwirbelungen vorteilhaft sein kann, die Dampfaustrittsöffnungen 9 der
dritten Gruppe etwa entsprechend der zu erwartenden Wärmeaufnahme
der Materialbahn 4 anzuordnen.
-
Direkt
im Bereich der Austrittsöffnungen 8 muss
der Druck aber wieder eine Spitze in etwa der gleichen Größenordnung
wie zu Beginn des Dampfraumes 6 bilden, um eine rückseitige
Lufteinströmung 30 zu
unterbinden. Erreicht wird die zweite Druckspitze durch entsprechende
Ansteuerung der Dampfaustrittsöffnungen 8.
-
In
Bewegungsrichtung B der Materialbahn 4 hinter dem Dampfraum 6 entsteht
etwa im Bereich der Mulde 13 zwangsläufig ein Unterdruck in Bahnnähe, weil
die Materialbahn 4 durch Reibung Luft nach außen fördert, aus
dem Dampfbereich 6 aber keine Luft nachströmen kann.
Dieser Unterdruck saugt entgegen der Bewegungsrichtung B Luft in
den Spalt zwischen der Materialbahn 4 und dem Dampfblaskasten 1.
Er lässt
sich durch den Absaugkanal 16 verstärken. Dies führt dazu,
dass auch der Druck an der hinteren Begrenzungsfläche 6b zum
Dampfraum 6 gesenkt wird. Die dort erforderliche Druckspitze
im Dampfraum 6 wird kleiner, so dass dort ein geringerer Dampfüberschuss
notwendig ist.
-
Ausgehend
von der Analyse der Druckverteilung an der Materialbahn 4 im
Bereich des Dampfblaskastens 1 gemäß 4 und der
dadurch erzeugten Strömungsverteilung
konnten Grundsätze
für den Aufbau
und die Gestaltung von Dampfblaskästen ermittelt und eine Messmethode
vorgeschlagen werden, mit deren Hilfe die erforderlichen Einstellwerte der
Strömung
kontrolliert werden können,
um einen von Luft weitestgehend freien Bedampfungsbereich zu sichern.
Trotz der Vielzahl der unterschiedlichen technologischen Parameter
beim Bedampfen von Materialbahnen 4, wie Bahnabstand, Bahngeschwindigkeit
und die für
die Wärmeaufnahme
relevanten Bahneigenschaften (Bahndicke, Ausgangstemperatur, Feuchtegehalt,
spezifische Wärmekapazität) lässt sich
dem nach durch gezielte Einstellung der Dampfströme aus mindestens zwei Gruppen
von Austrittsöffnungen 7, 8 stets
eine optimale Wärmeübertragung
bzw. Befeuchtung sichern, wobei optional eine dritte Gruppe von
Austrittsöffnungen 9 und
kontrollierte Absaugkanäle 15, 16 vorgesehen
sind. Durch Optimierung von gruppenweise und mindestens teilweise
quer zur Materialbahn zonenweise unterschiedlich ansteuerbare Dampfaustrittsöffnungen 7, 8, 9 und
durch Anordnung der Dampfaustrittsöffnungen 7, 8, 9 in
einem größeren Abstand 5b zur
Materialbahn 4 als alle Grenzen des Dampfraumes 6 wird
ein nahezu vollständiges
Fernhalten von Luft von der Materialbahn 4 im Dampfraum 6 und
damit ein hoher Bedampfungswirkungsgrad erreicht. Dieser Optimalzustand
lässt sich
durch Absaugkanäle 15, 16 stabilisieren
und durch Temperatursensoren kontrollieren und steuern.
-
- 1
- Dampfblaskasten
- 1a
- Fläche
- 2
- vordere
Begrenzung
- 3
- hintere
Begrenzung
- 4
- Materialbahn,
Papierbahn
- 5
- Spalt
- 5a
- Abstand
zur Materialbahn
- 5b
- Abstand
zur Materialbahn
- 5c
- Tiefe
der Mulde
- 6
- Dampfraum,
Bedampfungsbereich
- 6a
- vordere
Begrenzungsfläche
- 6b
- hintere
Begrenzungsfläche
- 6c
- Gehäusewand
- 7
- erste
Dampfaustrittsöffnungen
- 8
- zweite
Dampfaustrittsöffnungen
- 9
- dritte
Dampfaustrittsöffnungen
- 10
- Winkel
- 11
- Winkel
- 12
- Mulde
- 12a
- Grenzfläche
- 13
- Mulde
- 13a
- Grenzfläche
- 14
- stumpfer
Winkel
- 15
- Absaugkanal
- 16
- Absaugkanal
- 17
- Lufteintrittsöffnung
- 18
- Temperatursensor
- 19
- Temperatursensor
- 20
- Temperatursensor
- 21
- Temperatursensor
- 22
- Temperatursensor
- 23
- vordere
Abdichtzone
- 24
- hintere
Abdichtzone
- 30
- Luftströmung
- 31
- Dampfstrahl
- 32
- Unterdruckbereich
- 33
- Unterdruckbereich
- 34
- bahneintrittsseitiger
Luftwirbel
- 35
- bahnaustrittsseitiger
Luftwirbel
- B
- Bewegungsrichtung
- T1
- Temperaturzone
ohne nennenswerte Erwärmung
- T2
- Temperaturzone
mit erwärmter
Luft
- T3
- Temperaturzone
mit Dampf