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Die
Erfindung betrifft einen Kalander, der mehrere beheizbare Walzen
und mehrere durch jeweils eine beheizbare Walze begrenzte Nips aufweist,
wobei alle beheizbaren Walzen baugleich ausgebildet sind und ein
Bahnpfad in einer vorbestimmten Reihenfolge durch die Nips verläuft.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand eines Kalanders, der für die Satinage
einer Papierbahn vorgesehen ist, beschrieben. Ein derartiger Kalander kann
jedoch auch so ausgebildet sein, daß er für andere Materialbahnen geeignet
ist.
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Bei
der Herstellung von Papier wird eine Papierbahn in der Regel mindestens
einmal in einen Kalander satiniert. Zu diesem Zweck verwendet man beispielsweise
sogenannte Superkalander, die einen Walzenstapel aufwei sen, in dem
sich sogenannte harte Walzen mit einer glatten und unnachgiebigen Oberfläche und
weiche Walze mit einer elastisch nachgiebigen Oberfläche abwechseln.
Wenn beide Seiten der Papierbahn an einer glatten harten Walze anliegen
sollen, dann weist der Walzenstapel auch einen sogenannten Wechselnip
auf, der durch zwei weiche Walzen gebildet wird. Die Walzen wirken
mit einer vorbestimmten Kraft zusammen, so daß die Papierbahn in den einzelnen
Nips mit einem erhöhten Druck
beaufschlagt wird. Dieser erhöhte
Druck führt zu
einer Verdichtung der Papierbahn. Die glatten Walzen glätten die
Oberfläche.
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Um
das Satinageergebnis zu verbessern, ist es bekannt, die harten Walzen
zu beheizen. Die harten Walzen weisen hierzu dicht unter ihrer Oberfläche axial
verlaufende Kanäle,
sogenannte periphere Bohrungen auf. Ein Wärmeträgermedium, beispielsweise heißes Wasser,
heißes Öl oder Dampf,
wird durch diese Bohrungen geleitet, um die Temperatur an der Oberfläche der
harten Walzen zu erhöhen.
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Der
größte Wärmeübergang
von einer beheizten Walze auf die Papierbahn erfolgt im ersten Nip,
durch den die Papierbahn geführt
wird. Dies liegt hauptsächlich
daran, daß die
Papierbahn vor dem Eintritt in den ersten Nip eine vergleichsweise
niedrige Temperatur hat und zunächst
auf eine höhere Temperatur
aufgeheizt werden muß,
damit die Satinage mit dem gewünschten
Ergebnis durchgeführt werden
kann. Darüber
hinaus weist die Papierbahn vor dem ersten Nip die höchste Feuchte
auf. Das in der Papierbahn enthaltene Wasser muß ebenfalls aufgeheizt werden.
Beim Durchlaufen der folgenden Nips ist die Papierbahn dann bereits
auf einer erhöhten
Temperatur, so daß man
nicht mehr so viel Wärme,
wie im ersten Nip, zuführen
muß.
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In
einem Kalander sind die einzelnen Heizwalzen typischerweise baugleich
ausgebildet. Man muß dementsprechend
auch nur einen Typ von Heizwalzen bevorraten. Die Wartung wird einfacher, weil
ein Monteur sich immer nur mit der gleichen Art von Walze befassen
muß.
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Allerdings
führt dies
dazu, daß man
alle Walzen auf den Wärmebedarf
hin auslegen muß,
der von der ersten Heizwalze bereit gestellt werden muß. Dementsprechend
sind die folgenden beheizbaren Walzen im Grunde überdimensioniert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kalander kostengünstig auszugestalten,
ohne auf den Vorteil baugleich ausgebildeter beheizbarer Walzen
verzichten zu müssen.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Kalander der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
daß zumindest
die erste beheizbare Walze eine externe Heizeinrichtung aufweist,
die eine Wärme
an die erste beheizbare Walze überträgt, die
mindestens der Differenz zwischen dem von der ersten beheizbaren
Walze zu deckenden Wärmebedarf
und dem von der zweiten beheizbaren Walze zu deckenden Wärmebedarf
entspricht.
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Mit
dieser Ausgestaltung ist es nun nicht mehr erforderlich, alle Walzen
auf den von der ersten beheizbaren Walze zu deckenden Wärmebedarf
hin zu dimensionieren.
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Je
höher der
von einer beheizbaren Walze zu deckende Wärmebedarf ist, desto größer ist
beispielsweise der Durchmesser der beheizbaren Walze. Mit der angegebenen
Ausgestaltung kann man also den Durchmesser aller beheizbaren Walzen
kleiner machen. Darüber
hinaus hat diese Ausgestaltung den Vorteil, daß man Spannungen thermischer
Art in der ersten Heizwalze vermindern kann. Der von der ersten
beheizbaren Walze zu deckende Wärmebedarf
mußte
bislang durch den Wärmeträger herantransportiert
werden. Da man den Massestrom des Wärmeträgers nicht beliebig erhöhen kann,
war eine der Haupteinflußgrößen die
Temperatur des Wärmeträgers, genauer
gesagt die Temperaturdifferenz zwischen Eintritt und Austritt des
Wärmeträgers in
die Walze. Je höher
diese Temperaturdifferenz ist, desto größer ist die übertragbare
Heizleistung, andererseits sind die thermischen Spannungen größer. Da man
nun den Wärmeträger mit
einer geringeren Temperatur bzw. einer geringeren Temperaturdifferenz verwenden
kann, werden die Spannungen kleiner gehalten. Darüber hinaus
ist es möglich,
die Wandstärke
der beheizbaren Walzen zu verringern. Dies reduziert einerseits
die Kosten bei der Herstellung. Andererseits gestaltet diese Maßnahme den
Betrieb des Kalanders wirtschaftlich, weil weniger Masse aufgeheizt
werden muß.
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Vorzugsweise
sind alle beheizbaren Walzen auf einen durch eine im Bahnpfad hinter
der ersten beheizbaren Walze angeordnete spätere beheizbare Walze zu deckenden
Wärmebedarf
hin dimensioniert. Man wählt
also eine spätere
beheizbare Walze aus, die dann den Maßstab für die Dimensionierung aller
beheizbaren Walzen bildet. Damit steht eine feste Vorschrift für die Dimensionierung
zur Verfügung. Die
vor der späteren
beheizbaren Walze angeordneten früheren beheizbaren Walzen werden
dann durch die externe Heizeinrichtung mit der benötigten zusätzlichen
Wärmemenge
versorgt.
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Hierbei
ist besonders bevorzugt, daß die spätere beheizbare
Walze die zweite Heizwalze im Bahnpfad ist. In diesem Fall benötigt man
im Grunde nur eine einzige zusätzliche
externe Heizeinrichtung, die auf die erste beheizbare Walze wirkt.
Damit ist ein guter Kompromiß getroffen
zwischen den Kosten für eine
externe Heizeinrichtung und den Kosten, die durch eine entsprechende
Dimensionierung der beheizbaren Walzen bedingt sind.
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Alternativ
können
auch alle beheizbaren Walzen eine externe Heizeinrichtung aufweisen
und die externen Heizeinrichtungen unterscheiden sich in der übertragbaren
Wärmeleistung.
Da eine externe Heizeinrichtung praktisch verschleißfrei arbeitet,
ist hier eine Bevorratung von unterschiedlichen Heizeinrichtungen
nicht notwendig. Man kann also jede Heizeinrichtung auf den entsprechenden
Wärmebedarf hin
dimensionieren.
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Vorzugsweise
wirkt die externe Heizeinrichtung auf den Umfang der beheizbaren
Walze. Dies ist eine besonders wirtschaftliche Ausgestaltung. Die Wärme wird
beim Durchlauf der Papierbahn vom Umfang wieder abgenommen, so daß kein größerer Wärmetransport
durch die Wand der beheizbaren Walze erforderlich ist.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die externe
Heizeinrichtung als induktive Heizeinrichtung ausgebildet ist. Eine
induktive Heizeinrichtung läßt sich
gut steuern. Sie ist in der Lage, auch größere Wärmemengen an die Oberfläche der
beheizbaren Walze zu übertragen.
Eine induktive Heizeinrichtung wirkt dadurch, daß sie Wirbelströme in der
Oberfläche
der beheizbaren Walze induziert, indem sie ein zeitlich veränderliches
Magnetfeld induziert. Diese Wirbelströme erzeugen eine elektrische
Verlustleistung in Form von Wärme,
die zu der gewünschten
Temperaturerhöhung
führt.
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Hierbei
ist besonders bevorzugt, daß die
Heizeinrichtung zwei parallel zur Achse der Heizwalze verlaufende
Leiter aufweist, die in entgegengesetzter Richtung von Strom durchflossen
sind. Mit einer derartigen Heizeinrichtung lassen sich außerordentlich große Wärmemengen
auf die Heizwalze übertragen. Der
Strom, der durch den Leiter fließt, erzeugt ein Magnetfeld,
das den Leiter umgibt. Wenn der Strom ein Wechselstrom ist, dann ändert sich
das Magnetfeld mit der Frequenz des Wechselstroms. Ein Teil des
Magnetfeldes durchsetzt die Oberfläche der beheizbaren Walze und
induziert dort Wirbelströme. Wenn
man zwei parallel geführte
Leiter verwendet, die in jeweils entgegengesetzter Richtung stromdurchflossen
sind, dann addieren sich in einem Bereich etwa zwischen den beiden
Leitern die Magnetfelder, so daß das
resultierende Magnetfeld eine relativ große Stärke hat. Dementsprechend groß sind auch
die induzierten Wirbelströme.
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Bevorzugterweise
ist den Leitern eine Jochanordnung zugeordnet, die zusammen mit
der Heizwalze einen magnetischen Kreis bildet, der in einem magnetisch
gut leitenden Material geführt
ist. Dementsprechend groß ist
das in der Oberfläche
der beheizbaren Walze induzierte Ma gnetfeld. Es ist nur ein Luftspalt
zwischen der Jochanordnung und der beheizbaren Walze zu überwinden.
Dieser Luftspalt kann jedoch vergleichsweise gehalten werden.
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Vorzugsweise
weist die Jochanordnung zwischen den beiden Leitern eine magnetisch
schlecht leitende Trenneinrichtung auf. Die Jochanordnung weist
also für
jeden Leiter ein eigenes Joch auf, das das Magnetfeld führt. Ein
Kurzschluß zwischen
den Magnetfeldern außerhalb
der beheizbaren Walze wird dadurch vermieden.
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Hierbei
ist bevorzugt, daß die
Trenneinrichtung durch einen Luftspalt gebildet ist. Luft ist bekanntlich
ein relativ schlechter magnetischer Leiter. Dementsprechend kann
man durch einen Luftspalt eine wirksame Entkopplung der beiden Magnetfelder außerhalb
der Heizwalze bewirken.
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Bevorzugterweise
weisen die beheizbaren Walzen jeweils eine Wärmeträgeranschlußanordnung auf, durch die ein
Wärmeträger zu-
und abführbar
ist. Mit dem Wärmeträger wird
bei den beheizbaren Walzen, die ohne externe Heizeinrichtung auskommen,
die benötigte
Wärmemenge
zugeführt. Dies
entspricht der herkömmlichen
Ausgestaltung einer Heizwalze.
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Hierbei
ist besonders bevorzugt, daß eine Vorlauftemperatur
eines über
die Wärmeträgeranschlußanordnung
zugeführten
Wärmeträgers einer im
Bahnpfad später
angeordneten beheizbaren Walze im Betrieb maximal einer Oberflächentemperatur einer
im Bahnpfad früher
angeordneten beheizbaren Walze entspricht. Der Wärmeträger kommt üb licherweise für alle beheizbaren
Walzen aus der gleichen Quelle. Durch die Abstimmung der genannten
Temperaturen kann man erreichen, daß das Wärmeträgermedium durch die externe
Heizeinrichtung nicht noch zusätzlich
aufgeheizt wird. Die in Summe höhere
Heizleistung der früheren
beheizbaren Walze hat dann keinen höheren Wärmefluß in dieser Walze selbst zur
Folge als bei den nachfolgenden beheizten Walzen, deren Oberflächentemperatur
maximal der Oberflächentemperatur
der ersten beheizbaren Walze entspricht.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
eines Kalanders,
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2 eine
zweite Ausführungsform
eines Kalanders und
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3 eine
vergrößerte Darstellung
einer Heizeinrichtung.
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1 zeigt
einen Kalander 1 zum Behandeln einer Materialbahn 2,
beispielsweise einer Papierbahn.
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Der
Kalander 1 weist einen Walzenstapel aus acht Walzen 3–10 auf,
von denen die beiden Endwalzen 3, 10 und drei
Zwischenwalzen 5, 7, 8 als sogenannte "weiche" Walzen ausgebildet
sind. Die weichen Walzen 3, 5, 7, 8 und 10 weisen
einen elastischen Belag 11 an ihrer Oberfläche auf.
Dieser Belag kann aus Kunststoff gebildet sein.
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Die
beiden Endwalzen 3, 10 sind mit Durchbiegungseinstelleinrichtungen 12, 13 versehen.
Im übrigen
ist der Kalander nur schematisch dargestellt.
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Jeweils
zwei einander benachbarte Walzen bilden zwischen sich Nips 14–20 aus,
durch die die Materialbahn 2 geführt wird. Zwischen aufeinanderfolgenden
Nips wird die Materialbahn 2 über Umlenkwalzen 21 umgelenkt.
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Die
Nips 14–17, 19, 20 sind
als sogenannte weiche Nips ausgebildet, d.h. sie sind zwischen einer weichen
Walze 3, 5, 7, 8, 10 und
einer harten Walze 4, 6, 9 ausgebildet.
Der Nip 18 ist als sogenannter Wechselnip ausgebildet,
der durch zwei weichen Walzen 7, 8 begrenzt ist.
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Die
harten Walzen 4, 6, 9 sind als beheizbare Walzen
ausgebildet. Wie schematisch angedeutet ist, weisen die harten Walzen 4, 6, 9,
die im übrigen eine
harte und glatte Oberfläche
aufweisen, periphere Bohrungen 22 auf. Die peripheren Bohrungen 22 können von
einem Wärmeträgermedium
durchströmt werden,
das von einer Quelle 23 bereitgestellt wird. Die peripheren
Bohrungen einer jeden Walze sind über Anschlüsse 24, 25, 26,
die ebenfalls nur schematisch dargestellt sind, mit der Quelle 23 verbunden.
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Die
harten und beheizbaren Walzen 4, 6, 9 sind
alle baugleich ausgebildet, d.h. man kann sie untereinander austauschen.
Dementsprechend ist auch lediglich eine Art von Reservewalzen vorrätig zu halten.
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Die
Materialbahn wird in den Nips 14–20 nicht nur mit
einem erhöhten
Druck, sondern auch mit einer erhöhten Temperatur beaufschlagt.
Bevor sie in Laufrichtung in den ersten Nip 14 eintritt,
hat sie, verglichen mit dem Eintritt in die übrigen Nips 15–20,
die niedrigste Temperatur. Dementsprechend muß die erste beheizbare Walze 4 (der
Einfachheit halber werden die beheizbaren Walzen 4, 6, 9 auch
als "Heizwalzen" bezeichnet) die
meiste Wärmeenergie an
die Materialbahn übertragen.
Dementsprechend muß die
erste Heizwalze 4 normalerweise auf die hier geforderte
Heizleistung hin ausgelegt werden. Dies hat mehrere Folgen: Zum
einen müßte die
erste Heizwalze einen vergleichsweise großen Durchmesser aufweisen.
Je höher
bei einer innen beheizten Heizwalze die abzugebende Heizleistung
ist, desto größer muß der Durchmesser
sein. Zum anderen muß die
Wandstärke
der Heizwalze 4, die üblicherweise
als Rohrwalze ausgebildet ist, relativ dick sein. Da man alle Heizwalzen 4, 6, 9 gleich
ausbilden möchte,
müssen
die beiden anderen Heizwalzen 6, 9 entsprechend
groß dimensioniert
werden.
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Dies
hat kostenmäßige Nachteile
sowohl bei der Herstellung als auch beim Betrieb. Größere Walzen
sind naturgemäß teurer
als kleinere Walzen. Bei größeren Walzen
muß auch
mehr Masse erhitzt werden, so daß mehr Energie verbraucht wird.
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Um
dieses Problem zu entschärfen,
dimensioniert man alle Heizwalzen 4, 6, 9 kleiner
und zwar auf den Wärmebedarf
hin, der von der zweiten Heizwalze 6 gedeckt werden muß. Dieser
Wärmebedarf
entspricht der Wärmemenge,
die in den Nips 16, 17 an die Materialbahn 2 übertragen
werden muß.
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Da
dementsprechend die erste Heizwalze 4 durch das von der
Quelle 23 gelieferte Wärmeträgermedium
nicht mehr in ausreichendem Maße
aufgeheizt werden kann, weist die erste Heizwalze 4 eine zusätzliche
Heizeinrichtung 27 auf, die von außen auf den Umfang der Heizwalze 4 wirkt.
Die Heizeinrichtung 27 ist so dimensioniert, daß sie den
fehlenden Wärmebedarf
decken kann, also die Differenz zwischen dem Wärmebedarf in den beiden ersten
Nips 14, 15 und dem Wärmebedarf in den beiden folgenden
Nips 16, 17.
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Die
Heizeinrichtung 27 ist in 3 schematisch
vergrößert dargestellt.
Sie weist zwei elektrische Leiter 28, 29 auf,
die in entgegengesetzter Richtung von Strom durchflossen sind. Dies
ist durch einen Punkt im Leiter 28 und durch ein Kreuz
im Leiter 29 angedeutet. Bei dem Strom handelt es sich
um einen höherfrequenten
Wechselstrom.
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Jeder
Leiter 28, 29 ist von einem Joch 30, 31 umgeben.
Zwischen den beiden Jochen 30, 31 ist ein Luftspalt 32 angeordnet,
so daß sich
das von den Strömen
in den Leitern 28, 29 erzeugte Magnetfeld nicht
durch die Joche 30, 31 gegenseitig kurzschließen kann.
Dieses Magnetfeld wird vielmehr in der Oberfläche der Heizwalze 4 konzentriert.
Dabei hat diese induzierte Magnetfeld in der Oberfläche etwa dort,
wo sich außen
der Luftspalt 32 befindet, seine größte Stärke. Ein sich zeitlich änderndes
Magnetfeld induziert Wechselströme
in der Oberfläche
der Heizwalze 4. Dieses muß dazu lediglich elektrisch leitfähig sein.
Auch eine gute magnetische Leitfähigkeit
ist durchaus von Vorteil.
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Die
Leiter 28, 29 können sich über die gesamte axiale Länge der
jeweiligen Heizwalze 4, 6, 9 erstrecken.
Man kann sie auch in axiale Teilabschnitte unterteilen, so daß man die
Heizwalzen 4, 6, 9 über ihre Länge unterschiedlich stark beheizen
kann, wenn dies gewünscht
ist.
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Die
Temperatur des von der Quelle 23 gelieferten Wärmeträgermediums,
also beispielsweise Wasser, Öl
oder Dampf wird so eingestellt, daß sie maximal der Oberflächentemperatur
der Heizwalze 4 entspricht. Diese Oberflächentemperatur
wird durch die Heizeinrichtung 27 maßgeblich mitbestimmt, Die in
Summe höhere
Heizleistung der ersten Heizwalze 4 hat dann keinen höheren Wärmefluß in der
Walze selbst zur Folge als bei den nachfolgenden Heizwalzen 6, 9,
deren Oberflächentemperatur
maximal der Oberflächentemperatur
der ersten Heizwalze 4 entspricht.
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Durch
die zusätzliche
Heizeinrichtung 27 ist es also möglich, alle Heizwalzen 9, 6, 9 wesentlich kleiner
zu dimensionieren.
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2 zeigt
eine abgewandelte Ausführungsform
eines Kalanders 1, bei dem gleiche Elemente mit gleichen
Bezugszeichen versehen sind. Hier sind alle Heizwalzen 4, 6, 9 mit
Heizeinrichtungen 27, 33, 34 versehen.
Die Heizeinrichtungen 27, 33, 34 können alle
auf unterschiedliche Leistungen hin dimensioniert worden sein, d.h.
die Heizeinrichtung 27 gibt die höchste Heizleistung ab. Die
Heizeinrichtung 33 die zweithöchste und die Heizeinrichtung 34 die
niedrigste. Alle Heizein richtungen 27, 33, 34 können so aufgebaut
sein, wie dies schematisch in 3 dargestellt
ist.
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Wie
durch die peripheren Bohrungen 22 angedeutet ist, können natürlich alle
Heizwalzen 4, 6, 9 auch zusätzlich noch
von einem Wärmeträgermedium
durchströmt
werden. Dieses Wärmeträgermedium
kann dann beispielsweise eine Art Grundlast abdecken, so daß lediglich
noch die verbleibenden Spitzen von den Heizeinrichtungen 27, 33, 34 erzeugt werden
müssen.
Die Heizleistungen steigen von unten nach oben an, wenn die Materialbahn 2,
wie dies üblich
ist, von oben nach unten durch den Kalander 1 geführt ist.
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Es
kann aber auch von Vorteil sein, die Heizwalzen 4, 6, 9 nur
von außen
zu beheizen, also nicht mit einem Wärmeträgermedium zu beaufschlagen,
so daß sie
wesentlich schneller abkühlen
können
als bisher. Es muß nämlich nur
das Metall der Walze abkühlen,
nicht jedoch das in der Regel noch heiße Wärmeträgermedium.
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Anstelle
des in 3 dargestellten Luftspalts 32 kann man
hier auch einen Kunststoff oder ein anderes magnetisch schlecht
leitendes Material vorsehen.