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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Betriebsparametern
einer Druckmaschine, bei dem den Trocknungsgrad des Bedruckstoffes bestimmende
Größen ermittelt
und zur Optimierung des Trocknungsprozesses verwendet werden.
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Bei
Bogenrotationsdruckmaschinen, insbesondere Bogenoffsetmaschinen
mit Lackierwerken und Trocknereinrichtungen, müssen während des Betriebs eine Vielzahl
von Parametern optimiert werden, um zu guten Druckergebnissen und
möglichst geringer
Makulatur zu kommen. So ist es insbesondere bei hohem Lackauftrag
schwierig, den Bogen trocken zu bekommen, damit die ausgelegten
Bögen im
Stapel später
nicht zusammenkleben. Gleichzeitig wird eine fehlerfreie, meist
hochglänzende
Lackschicht erwartet, die sich sowohl bei unzureichendem, nicht
abgeschlossenem Trocknen, aber auch bei zu schnellem Trocknen bzw.
bei zu hohen Temperaturen im Trockner nicht ohne weiteres erzielen lässt. Sodann
soll bei der höchsten
Geschwindigkeit im Fortdruck gearbeitet werden, um möglichst
viel in möglichst
kurzer Zeit zu produzieren. Vor diesem Hintergrund ist es für das Bedienpersonal
in den Druckereien schwierig, alle erforderlichen Druckparameter
bzw. Maschineneinstellungen zu überblicken
und optimal vorzunehmen. Jeder Drucker hat ein eigenes Verständnis vom
Prozess des Lackierens und Trocknens und mit diesem Verständnis stellt
er die Druckmaschine und die Trockner ein. Dabei kommt es auch zu
grundsätzlich
falschen Einstellungen. Oft erschließt sich dem Drucker auch nicht,
ob er am oder in der Nähe
des Optimums der einzelnen Einstellungen arbeitet. Wenn dann Makulatur
produziert wird, hat er aufgrund der Komplexität der Einflussparameter kaum
Möglichkeiten,
die fehlerhaften Abläufe nachzuvollziehen.
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Zwar
sieht die Steuerung von modernen Bogenoffsetdruckmaschinen das Speichern
von Parametern für
Folgeaufträge
vor. Abgesehen davon, dass diese Maßnahme natürlich nur dann hilft, wenn tatsächlich auch
ein Folgeauftrag gedruckt wird, sind die Umgebungsbedingungen auch
bei gleichen Aufträgen
nicht immer identisch. So kann die Temperatur und die Feuchte der
Umgebungsluft im Drucksaal schwanken, die Feuchte des zu bedruckenden
Papiers im Anlagestapel variieren und vieles mehr.
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Es
ist auch bekannt, für
die Trockner Kennlinien vorzusehen, bei denen zum Beispiel die erforderliche
Trocknerleistung in Abhängigkeit
von der Maschinengeschwindigkeit aufgetragen ist. Das hilft dem
Drucker jedoch nur in einem Teilbereich, nämlich bei der Einstellung der
beiden Parameter, die über
diese Kennlinien miteinander korreliert sind.
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Es
ist auch schon, zum Beispiel in der
EP 1 142 711 B1 vorgeschlagen worden, den
Trockner einer Bogenoffsetdruckmaschine mit Hilfe von Sensoren zu
steuern, mit denen die Temperatur innerhalb und außerhalb
der Druckmaschine und die Druckgeschwindigkeit gemessen wird und
dabei die Farb- oder Lackdosierung, die sujetabhängig sein kann, zu berücksichtigen.
Mit einem solchen Verfahren lassen sich jedoch die eingangs genannten
Probleme nicht beseitigen, so dass die in dem Patent beanspruchte Steuerung
bisher keine Verbreitung erfahren hat.
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In
der
EP 0 025 878 A1 ist
ein Inkjetdrucker beschrieben, bei dem der Energieeinsatz und die Verweilzeit
des Bogens auf der Fixiertrommel von einer Steuerung eingestellt
wird, die Farbdichte, Farbtyp und Umgebungsfeuchte berücksichtigt.
Hier kontrolliert der Umgebungsfeuchte-Sensor die Zeit, die der
Bogen auf der Fixiertrommel verweilen muss, bevor er in die Trocknerstelle
einlaufen darf.
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In
der
DE 196 16 692 ist
eine Regelung für den
Mikrowellentrockner einer Druckmaschine beschrieben, die anhand
des Wassergehaltes der verdruckten Farbe arbeitet.
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Die
bekannten Verfahren und Vorrichtungen sind nicht dazu geeignet,
die eingangs geschilderten Probleme zu lösen. Insbesondere bei Bogenoffsetdruckmaschinen
mit Lackwerken, in denen Dispersionslacke aufgetragen und mit Heißluft oder
Infrarotstrahlung getrocknet werden, helfen die bekannten Verfahren
nicht weiter.
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Es
ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren
der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem Druckmaschinen mit
Dispersionslackwerken und thermischen Trocknern sicherer betrieben
werden können.
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Diese
Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 bzw. 18 angegebenen Maßnahmen
gelöst.
Eine zur Durchführung
des Verfahrens geeignete Druckmaschine ist in Anspruch 19 bzw. 34
angegeben.
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Gemäß der Erfindung
werden zur Optimierung des Trocknungsprozesses die den Trocknungsprozess
beeinflussenden wesentlichen Stoffströme im Bereich der Trocknereinrichtung
der Druckmaschine ermittelt. Bei diesen Stoffströmen handelt es sich in erster
Linie um die Luftfeuchtigkeit der Zuluft und die Luftfeuchtigkeit
der Abluft der Trocknereinrichtung sowie die mit dem Bedruckstoff
herantransportierte Feuchtigkeit und zwar primär des Lackauftrages. Aus diesen
Größen lässt sich
die Feuchtebilanz und damit der Trocknungsgrad des durch den Trockner
transportierten Bedruckstoffes ermitteln, wobei die Sicherheit des
Verfahrens zusätzlich
gewinnt, wenn auch die Materialfeuchtigkeit des Bedruckstoffes selbst
vor und nach dem Bedrucken bzw. Lackieren und Trocknen ermittelt
wird. Besonders vorteilhaft und hilfreich für das Bedienpersonal der Druckmaschine
ist es, wenn die wesentlichen Kenndaten der ermittelten Stoffströme auf einem Bildschirm
visuell dargestellt werden. Das kann nicht nur allein durch Anzeige
der nackten Zahlenwerte, sondern durch eine entsprechende grafische
Aufbereitung und Darstellung in Form von Messbalken geschehen, die
erkennen lassen, an welchen Stellen bzw. bei welchen Stoffströmen Eingriffsmöglichkeiten,
und wenn ja in welche Richtung, gegeben sind und ob und wie weit
sich die Stoffströme
von ihrem jeweiligen Optimum in der Realität entfernt haben. Hierbei können alternativ
auch die Änderungen
der angezeigten Werte zu entweder vorgegebenen oder vom Drucker
selbst gesetzten Norm- oder Sollwerten angezeigt werden. Vorteilhaft
ist es auch, Grenzwerte zu bestimmen, unterhalb derer der Prozess
stabil läuft
für z.
B. die abtransportierte Feuchtmenge, die Lackmenge und/oder die
Temperatur des Druckbogens.
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Die
zur Durchführung
des Verfahrens geeignete Druckmaschine besitzt deshalb Sensoren
zur Messung der den Trocknungsprozess beeinflussenden wesentlichen
Stoffströme
sowie eine Recheneinheit, in der eine Aufbereitung bzw. Weiterverarbeitung
der Messwerte erfolgt und/oder die Feuchtebilanz der Stoffströme ermittelbar
ist. Da es jedoch wichtig ist, nicht nur die relative Feuchte z.
B. der Zu- und Abluft des Trockners zu messen, sondern den Strom
des tatsächlich über die
Zuluft hinein- und die Abluft hinausgeförderten Wassers, d. h. die
Wassermenge, wird zweckmäßig auch
die Temperatur und der Volumenstrom der Zu- und Abluft gemessen,
um auf diese Weise in Verbindung mit der relativen Luftfeuchte die
ausgetragene Menge an Wasserdampf zu ermitteln. Diese Menge an Wasserdampf
plus der in das Material des Druckbogens, d. h. in das Papier weggeschlagene
Teil des Wassers, entsprechen etwa der über das Lackieren eingetragenen
Wassermenge, wenn der Bedruckstoff den Trockner mit einer gut getrockneten
Lackschicht verlässt.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen
von Ausführungsbeispielen
anhand der 1 bis 6 der beigefügten Zeichnungen.
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1 ist
eine schematische Darstellung einer Bogenoffsetdruckmaschine in
Reihenbauweise, in der die wesentlichen Stoffströme durch Pfeile symbolisiert
sind.
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2 zeigt
einen Ausschnitt der Druckmaschine nach 1 in dem
Bereich, in dem die Trocknereinrichtungen angeordnet sind.
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3 ist
eine vereinfachte Skizze der Druckmaschine aus 1 und 2,
in der die Anordnung der Sensoren skizziert ist.
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4 stellt
ein Mollier-H,X-Diagramm für
die durch den Trockner 10a in 1 hindurchgehende Luft
dar.
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5 zeigt
ein Blockschaltbild der zur Ermittlung der Stoffströme aus 1 benutzten
Sensorik und Recheneinheit.
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6 zeigt
ein alternatives Beispiel für
die Bildschirmdarstellung der Kenngrößen für die Stoffströme im Bereich
B1 der Druckmaschine nach 2.
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7 ist
eine vereinfachte Skizze für
eine Messzelle zur genauen Bestimmung der relativen Luftfeuchte.
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1 zeigt
eine Offsetdruckmaschine 1 in Reihenbauweise mit einem
Anleger 2, in dem sich der unbedruckte Papierstapel 3 befindet,
sechs Druckwerken 8a bis 8f für die vier Grundfarben und gegebenenfalls
zwei weiteren Sonderfarben, einem ersten Lackierwerk 9a,
darauf folgend zwei Trocknereinheiten 10a und 10b,
einer zweiten Lackiereinheit 9b sowie einem Ausleger 5 mit
dem Bogenauslagestapel 6. Im Bereich der Kettenführungen
des Auslegers 5 sind vier weitere Trocknereinheiten 11a bis 11d in
Bogentransportrichtung hintereinander angeordnet. Eine derartige
Druckmaschine wird beispielsweise unter der Bezeichnung Speedmaster XL105-6-LYYLX3
von der Heidelberger Druckmaschinen AG angeboten. In dem mit 50
bezeichneten Bereich symbolisieren Pfeile, die nach innen oder außen gerichtet
sind, die Stellen in der Druckmaschine, an denen Feuchtigkeit in
den Druckprozess eingetragen oder ausgetragen wird.
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Der
Pfeil 4 symbolisiert die Feuchtigkeit, die sich bereits
in den im Anleger 2 aufgestapelten Bedruckstoffbögen befindet.
Unter Feuchtigkeit wird an dieser Stelle die Materialfeuchte des
Papiers verstanden, also die Menge an Wasser, die pro Mengeneinheit
Papier in diesem gebunden ist. Eine Materialfeuchte von 8% im Anlegerpapierstapel
bedeutet also, dass ein Papierbogen von 100 Gramm 8 Gramm Wasser
enthält.
Befindet sich der Papierstapel nach seiner Aklimatisierung im „Gleichgewichtszustand" mit der Umgebungsluft
in dem Drucksaal, dann kann die Gleichgewichtsfeuchte über die
Sorptionsisothermen des Papiers mit Kenntnis der relativen Luftfeuchtigkeit
und Temperatur der Luft im Drucksaal bestimmt werden. Eine solche
Aklimatisierung des Papierstapels im Anleger hat oft aber gar nicht
stattgefunden. Denn es passiert durchaus, dass Papierstapel kurzfristig
aus einem Lager an die Druckmaschine gebracht werden und die Materialfeuchte
des Papiers dann noch den klimatischen Verhältnissen im Lagerraum entspricht.
Deshalb ist es zur Bestimmung der Materialfeuchte vorteilhafter,
eine Messmethode anzuwenden, welche direkt die Feuchte im Papier
detektiert. Hierzu sind Verfahren auf der Basis von Hochfrequenz-,
Mikrowellen- oder Infrarotabsorptionsmessungen bekannt.
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Bei
den Druckwerken 8 handelt es sich um Druckwerke für den Nassoffset,
d. h. sie besitzen ein Feuchtwerk, über das die Druckplatte vor
dem Einfärben
gefeuchtet wird, wobei ein Teil dieses Feuchtwassers über den
Gummizylinder im Druckwerk auf den zu bedruckenden Bogen gelangt.
Dieser Feuchteeintrag wird durch den Pfeil 18 symbolisiert.
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Der
Pfeil 13 repräsentiert
den Wasseranteil der von der auf den Bogen gedruckten Farbe selbst stammt.
Dieser ist naturgemäß bei den ölbasierten Offsetdruckfarben
gering.
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Der
Pfeil 12 berücksichtigt,
dass während des
Transports des Druckbogens durch die Maschine ein gewisses Maß an Verdunstung
stattfindet, da das mit Farbe und Feuchtmittel benetzte Druckwerk
und der bedruckte Bogen feuchter als die umgebende Luft in der Druckmaschine
sind.
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Die
wesentlichsten Feuchtigkeitsströme
bilden jedoch die in den Lackierwerken 19a und 19b auf den
Druckbogen aufgebrachten Lackschichten, jedenfalls dann, wenn es
sich nicht um UV-härtbare
Lacke, sondern wasserbasierte Lacke wie z. B. Dispersionslacke handelt.
Das ist mit den Pfeilen 19a und 19b symbolisiert.
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Ein
weiterer sehr wesentlicher Feuchtigkeitsaustausch findet in den
Trocknereinheiten 10a und 10b sowie 11a bis 11d statt.
Diesen Trocknereinheiten wird Zuluft aus der Umgebung (Pfeile 20 und 21) mit
der im Drucksaal herrschenden relativen Feuchte von ca. 50% zugeführt, die
dann aufgeheizt wird (bei Heißlufttrocknern),
wenn sie in den Trockner 10a, 10b, 11a bis 11d eintritt,
bzw. bei IR-Strahlungstrocknern, wenn sie in den Trockenraum eintritt.
Nach dem Wegschlagen eines Teils des Lackauftrages bzw. der Feuchtigkeit
des Lackes in das Papiermaterial des Druckbogens soll die Abluft
(Pfeile 30 und 31) dann möglichst die in der Lackschicht
enthaltene Menge an Wasser in Form von Dampf aus den Trocknereinheiten 10 bzw. 11 austragen,
damit die lackierten Bögen
auf dem Stapel nicht verblocken. Diese Materialfeuchte des weitergeförderten
Druckbogens ist durch den Pfeil 7 symbolisiert. Daneben
wird auch in allerdings geringem Maße über den Puderstrom (Pfeil 15) im
Ausleger der Druckmaschine und über
austretende Fehlluft (Pfeil 16) Feuchtigkeit in die Druckmaschine 1 ein-
bzw. ausgetragen.
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Es
hat sich nun gezeigt, dass der bei einer Druckmaschine der eingangs
genannten Art, d. h. einer Offsetdruckmaschine 1 mit einer
Lackiereinheit 9a, 9b, die wasserhaltigen Lack
verdruckt, und einer oder mehreren thermischen Trocknereinheiten 10, 11,
also Heißluft- oder Infrarottrocknern,
der Lackauftrag sowie die Zuluft 20 und die Abluft 30 der
Trocknereinheiten 10a, 10b die größten Feuchtigkeitsein- bzw.
Feuchtigkeitsausträge
in die Maschine darstellen, dass dies also die wesentlichsten Feuchtigkeitsströme in dem
mit B1 bezeichneten Bilanzraum sind, in dem die Feuchtigkeit des
durchlaufenden Druckbogens verändert
werden kann. Hierbei geht man davon aus, dass die in der Papierfaser
und in der Druckfarbe enthaltene Feuchte von den Trocknereinrichtungen 10a, 10b ohnehin
nicht aus dem Druckbogen ausgetrieben werden kann. Bei einer Maschine
mit Doppellackwerk wie der hier gezeigten soll, bevor die zweite
Lackschicht mit dem Lackwerk 9b aufgebracht wird, die erste
Lackschicht mit Hilfe der Trocknereinrichtungen 10a und 10b soweit
durchgetrocknet sein, dass die im zweiten Lackierwerk 9b hinzugefügte Lackschicht
sich problemlos darüber
legt. Beispielsweise kann es sich bei dem zweiten Lack ja auch um
UV-Lack handeln, der mit einem noch feuchten Wasserlack nicht reagieren
soll/darf. Aber auch wenn es sich im zweiten Lackwerk ebenfalls wässrigen
Dispersionslack handelt, muss die erste Lackschicht bereits verfestigt
sein, damit die zweite Lackschicht, z. B. für die Erzeugung von besonders dicken
Gesamtlackschichten, problemlos aufgebracht werden kann.
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Die
Lackauftragsmenge lässt
sich in der Druckmaschine einstellen. Um den Bogen mit dem gewählten Lackauftrag
optimal zu trocknen, lässt
die Kenntnis der wesentlichen Betriebsparameter insbesondere der
Trocknereinheiten 10a und 10b sowie der Maschinengeschwindigkeit
leicht ein optimales Ergebnis erzielen. Dazu ist es jedoch erforderlich,
die wesentlichen Kenngrößen in der
Feuchtebilanz zu kennen.
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Hierzu
sind in dem mit B1 bezeichneten Bereich der Druckmaschine eine Reihe
von Sensoren vorgesehen, mit denen diese Größen gemessen werden können. Dies
wird nachfolgend anhand von 3 erläutert. Zur
Messung von relativer Feuchte rFL1 und der
Temperatur TL1 des Zuluftstroms 20 sind in
der Nähe
der Lufteinlasskanäle 121 für die Trockner 10a und 10b ein
Feuchtesensor 120a und ein Temperatursensor 120b angeordnet.
Da hier die relative Feuchte der Umgebungsluft in der Druckerei
gemessen wird, können
ein Feuchtesensor und ein Temperatursensor ausreichend sein.
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Weiterhin
sind im Abluftkanal des Trockners 10a und des Trockners 10b entsprechende
Feuchtesensoren 130c und Temperatursensoren 130d sowie Drucksensoren 130a und
Durchflusssensoren 130b angeordnet. Mit diesen Sensoren
lässt sich
die Menge pro Zeiteinheit des aus der Maschine ausgetragenen Feuchtigkeitsstroms
als Differenz der in die Maschine einfließenden und aus der Maschine
wieder herausfließenden
Luftfeuchte eindeutig bestimmen. Insbesondere ist es auch möglich, mit
den vier genannten Sensoren 130a bis d für die Abluft
auszukommen, wenn die Abluftkanäle 131 der
beiden Trockner 10a und 10b zusammengefasst sind.
Zur Messung der relativen Luftfeuchte, des Taupunktes oder der Absolutfeuchte
können
beispielsweise kapazitive Sensoren, Aspirationspsychrometer oder Sensoren
verwendet werden, die über
die Absorption von Infrarotstrahlung in den Wasserbanden die Feuchte
messen.
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Sensoren,
welche die relative Luftfeuchte messen, können zur Erhöhung der
Messgenauigkeit im Übrigen
in einem vom Abluftstrom abgezweigten, gekühlten Messluftstrom angeordnet
sein. Denn bei Kühlung
des Luftstroms nimmt die relative Feuchte zu, sodass die Feuchtemesswerte
in einen Bereich wandern, wo die Messungenauigkeit geringer ist,
vorausgesetzt, dass es nicht zur Kondensation der Feuchte in dem
Messluftstrom kommt. Eine geeignete Messzelle, die letzteres verhindert,
ist anhand der 7 am Ende der Darstellung beschrieben.
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Die
Menge des über
den Lackauftrag eingetragenen Wassers wird mit Durchflusssensoren 119 im
Zu- und Rücklauf
der Lackversorgungseinrichtung der Druckmaschine 1 gemessen.
Stattdessen kann die Lackmenge bzw. deren Wasseranteil bei Kammenakelsystemen
auch aus der Differenz der Förderleistungen
der Lackzuführpumpe
und der Lackabsaugpumpe bestimmt werden. Unter Berücksichtigung
der Lacksorte bzw. deren Wassergehalts, der in der Regel für Dispersionslacke
bei 60% liegt, errechnet sich auf einfache Weise die Menge des an
dieser Stelle eingetragenen Wassers. Eine weitere Möglichkeit
zur Messung der verbrauchten Lackmenge besteht darin, das Gewicht
bzw. die Gewichtsabnahme des Lackvorratsbehälters mit einer Wägezelle
zu erfassen.
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Zur
Verfeinerung des Verfahrens sind optional weitere Sensoren vorgesehen,
mit denen sich der bereits vorhandene Wassergehalt des in das Lackwerk
einlaufenden Bogens 14 genauer bestimmen lässt. Hierzu
dient ein Sensor 118, der aus dem Feuchtmittelverbrauch
in den sechs Druckwerken 8a bis f den Feuchtmitteleintrag 18 ermittelt.
Weiterhin sind zwei Temperatursensoren 114 und 117 vorgesehen,
die die Temperatur des in das Lackwerk einlaufenden Bogens und die
des den Trockner 110b verlassenden Bogens ermitteln. Diese
Temperatursensoren dienen dazu, die Ein- und Austrittstemperatur der
Bogen zu bestimmen. Aufbauend auf der Feuchtebilanz kann in Ergänzung mit
der Temperaturdifferenz, welche der Materialstrom erfährt, eine
Energiebilanz des Trocknungsprozesses gezogen werden. Hierfür können beispielsweise
Sensoren verwendet werden, die berührungslos über die vom Bogen emittierte
Infrarotstrahlung die Temperatur des Bogens messen. Schließlich kann
zur Messung der Materialfeuchte im Anlegerstapel 3 bzw.
Auslagestapel 7 ein mobiles elektronisches Messgerät, beispielsweise ein
Schwertfühler
oder ein Aufsetzfühler 103 benutzt werden,
der beispielsweise nach dem Prinzip der Mikrowellenabsorption oder
Leitfähigkeit
eines hygroskopischen Elektrolyten arbeitet.
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Verarbeitet
werden die Signale der Sensoren in einer Recheneinheit 301 (5),
beispielsweise einem handelsüblichen
Mess-PC, an den über
entsprechende Schnittstellenadapter die vorstehend genannten Sensoren
angeschlossen sind. Im Speicher 302 des Rechners 301 sind
für den
Trockenprozess relevanten Kenngrößen und
Umrechnungsfaktoren gespeichert, wie beispielsweise der Wassergehalt des
Lacks, die mathematischen Zusammenhänge zur Umrechnung von relativer
Luftfeuchte ϕ in Absolute Feuchte, wie sie im Mollierdiagramm
nach 4 veranschaulicht sind, um nur einige zu nennen.
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Mit 303 ist
die Tastatur des Rechners bezeichnet und mit 304 der Bildschirm.
Auf diesem Bildschirm werden nun als Einstellhilfe für das Druckpersonal
die wesentlichen Kenndaten des laufenden Lackier- und Trocknungsprozesses
graphisch aufbereitet visuell dargestellt. So stellt der Balken 220 ein Maß für die mit
der Zuluft 20 in die Trockner 10 einlaufende Wassermenge
dar, während
der Balken 230 die über
die Abluft ausgetragene Wassermenge angibt. Beide sind proportional
zum Luftstrom F durch den Trockner, während der Balken 230 in
gewissen Grenzen auch über
eine Erhöhung
der Temperatur T bzw. der Heizleistung des Heißlufttrockners oder eine Erhöhung der
Wärmestrahlung
des IR-Trockners
vergrößert werden
kann.
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Die
möglicherweise
noch vorhandene „Trocknerreserve", d. h. die Möglichkeit,
den Wassergehalt der Abluft durch Erhöhung der Temperatur bzw. der
IR-Strahlung oder des Luftflusses noch zu erhöhen, ist als weiterer mit 240 bezeichneter
Teilbalken auf der Anzeige 304 dargestellt.
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Der
nächste
Balken 219 beschreibt die nach Abzug der in den Papierbogen
eingetragenen, weggeschlagenen Wassermenge in der aufgetragenen Lackschicht
noch enthaltene Menge an Wasser. Erfahrungsgemäß beträgt diese ca. 50 bis 60% der
insgesamt über
das Lackieren auf den Bogen aufgebrachten Wassermenge.
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Einen
Bogen mit trockener Lackschicht erhält man, wenn die Oberkante
des Balkens 219 die Oberkante des Balkens 230 nicht
bzw. nicht wesentlich überschreitet.
Als Differenz ist in einem weiteren Balken 200 die Restfeuchte
der Lackschicht des aus dem Trockner 10b auslaufenden Bogens
dargestellt. Diese Restfeuchte lässt
sich vermindern einerseits durch Verringerung des Lackauftrags oder
durch Verringern der Maschinengeschwindigkeit. Diese Angaben sind
als Hilfestellung für
den Benutzer in Form entsprechender Symbole –L und –V mit einem abwärtsgerichteten
Pfeil angegeben. Andererseits lässt sich
die Restfeuchte 200 auch verringern durch Erhöhung der
Trocknertemperatur +T oder Erhöhung
des Luftdurchsatzes +F, was ebenfalls wieder durch entsprechende
Symbole am Balken 230 symbolisiert ist.
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Weiterhin
dienen Popup-Menüs 306 beim Anfahren
der Balken mit dem Mausezeiger 309 zur Anzeige der exakten
Messwerte im Zuluft- oder Abluftkanal des Trockners.
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Ein
gutes Trocknungsergebnis für
den Bogen erhält
man, wenn der Wasserauftrag durch den Lackauftrag im Lackierwerk 19a (100%)
in etwa der Summe der im Trockner als Dampf abgeführten Wassermenge
(50 bis 60%) und der in das Papier unterhalb der Lackschicht weggeschlagenen
Wassermenge (40 bis 50%) entspricht. Bei der eingangs genannten
Druckmaschine Speedmaster XL105 betrieben bei der maximalen Fortdruckgeschwindigkeit
von 18000 Bögen
pro Stunde im Bogenformat Format 105 cm mal 75 cm bei einem typischen
nassen Lackauftrag von 3,5 μm
entspricht das einem Wassereintrag FH2O von
29 l/h, von denen erfahrungsgemäß 50% ins
Papier wegschlagen und so 50% im Lack verbleiben. Dieser Erfahrungswert
lässt sich
genauer ermitteln bzw. verifizieren, wenn die Papierfeuchte des
Bogens nach dem Verlassen des Trockners bzw. im Ablagestapel gemessen
wird. Deshalb werden die Trocknereinheiten 10a und 10b zweckmäßig so betrieben,
dass 50% des über
den Pfeil 19a symbolisierten Wassereintrags vermittels
der ersten Lackschicht in den beiden Trocknern 10a und 10b weitestgehend
in Form von Dampf wieder ausgetragen wird.
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Diese
Verhältnisse
sind in dem Mollierdiagramm nach 4 wiedergegeben.
Die Luft im Drucksaal besitzt eine relative Feuchte von 51% bei einer
Umgebungstemperatur von 25 Grad Celsius. Dies entspricht einer Beladung
mit 10 Gramm Wasser pro Kilogramm trockener Luft (Punkt A).
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Im
Heißlufttrockner 10a bzw. 10b wird
diese Zuluft auf 80 Grad Celsius erhitzt und hat dann noch eine
relative Feuchte von 3,4% (Punkt B). Dies ändert jedoch nichts an der
Beladung mit 10 Gramm Wasser pro Kilogramm trockener Luft.
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Nach
dem Kontakt der erhitzten Zuluft mit dem feuchten, lackierten Bogen
besitzt die aus den Trocknereinheiten 10a und 10b abgesaugte
Abluft eine Temperatur von 58 Grad Celsius und eine relative Feuchte
von 12,7%. Dies entspricht einer Beladung mit 14,5 Gramm Wasser
pro Kilogramm trockener Luft (Punkt C).
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Gemessen
werden kann die relative Feuchte auch in einem gekühlten Abluftbypass
bei 35 Grad Celsius. Dort hat sie dann eine relative Feuchte von ϕ =
0,4, was aber nichts an ihrer Beladung mit 14,5 Gramm Wasser pro
kg trockener Luft ändert
(Punkt D).
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Während des
Betriebs mit einer Fortdruckgeschwindigkeit v von 18000 Bögen pro
Stunde blasen die Gebläse
der Trockner 10a und 10b einen Volumenstrom von
V = 3000 Kubikmeter Luft pro Stunde bzw. 3300 Kilogramm (trockene)
Luft pro Stunde durch die Trocknereinheiten. Auf diesem Wege verlassen
also gemessen als Differenz zum bereits in der Zuluft enthaltenen
Wasser bzw. Feuchtestrom 15 Kilogramm Wasserdampf pro Stunde die
Druckmaschine im Bereich des Trockners.
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Die
Darstellung nach 5 zeigt anschaulich, dass sich
die Restfeuchte des den Trockner 10b verlassenden Bogens
nicht nur über
eine Erhöhung der
Heizleistung bzw. über
die Menge des über
die Abluft ausgetragenen Wassers bzw. Wasserdampfes sondern durch
Einflussnahme auf eine Reihe weiterer Größen beeinflussen lässt. Beispielsweise
lässt sich
neben den klassischen Maßnahmen
wie Verringerung des Lackauftrags oder Verminderung der Maschinengeschwindigkeit
auch durch die Verwendung vorgetrockneter Luft oder eine Reduzierung
der Feuchte des in das Lackwerk einlaufenden Bogens in nachvollziehbarer
Weise Einfluss auf das Trocknungsergebnis nehmen.
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Eine
alternative Möglichkeit
zur Visualisierung der Messergebnisse der Sensoren ist in 6 dargestellt.
Dort ist der die Trockner 110a und b sowie das Lackwerk 9a enthaltende
Teil der Druckmaschine 1 dargestellt und die Messwerte
der Sensoren sind wertemäßig eingeblendet,
wobei Pfeile direkt die Verbindung zwischen den Messorten der Sensoren und
den angezeigten Messwerten für
die relative Feuchte rF, Temperatur T, Druck p und Lackmengen-Durchfluss
FL darstellen. In dieser Darstellung kann
von der Anzeige der Istwerte umgeschaltet werden auf eine Anzeige
der Abweichung zu selbst gesetzten oder – beispielsweise aus einem
früheren Auftrag
ermittelten und dann abgespeicherten Sollwerten für Temperatur,
Feuchte und Lackmenge. Bei Überschreitung
von Toleranzgrenzen können
außerdem
Fehlermeldungen auf dem Bildschirm sichtbar gemacht werden.
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In
gleicher Weise wie für
den Bilanzraum des Lackierens und Trocknens über das erste Lackwerk 9a der
Druckmaschine 1 lässt
sich auch ein Bilanzraum B2 für
das zweite Lackwerk 9b sowie die Trockner 11a bis
d für die
Druckmaschine 1 aufbauen und darstellen. Zur graphischen
Darstellung des zweiten Bilanzraums am Bildschirm 304 (5)
kann durch entsprechende Eingaben über die Tastatur 303 der Rechner 301 die
Bildschirmdarstellung entsprechend umschalten und auf die in der
Zuluft 21 bzw. Abluft 31 angeordneten und den
Lackstrom 19b messende Sensoren umschalten.
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Des
Weiteren verfügt
der Rechner 301 über eine
Datenleitung 307, die ihn mit der Maschinensteuerung der
Druckmaschine verbindet. Auf diesem Wege können am Bildschirm 304 interaktiv
vorgenommene Änderungen
der Heizleistung bzw. des Luftvolumenstroms der Trockner, der Lackauftragsmenge
und der Maschinengeschwindigkeit direkt an die Maschinensteuerung übergeben
werden und müssen
dort nicht separat vorgenommen werden.
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In 7 ist
eine Messzelle zur genaueren Messung der relativen Feuchte in der
Abluft der Trockner 10a/10b beschrieben: Die Messzelle
besitzt ein topfartiges oder kastenförmiges Gehäuse 401, das bodenseitig
mit einem Lufteinlassstutzen 402 und versetzt gegenüber liegend
etwa mittig bezogen auf die Wandung des topfförmigen bzw. kastenförmigen Gehäuses einen
Luftaunlassstutzen 403 aufweist. Der Lufteinlassstutzen 402 besitzt
einen sehr viel größeren Querschnitt
als der Luftauslassstutzen 403, um zu erreichen, dass sich
in der Messzelle das Druckniveau nicht verändert, sondern etwa dem Druck
des Hauptstroms der Trocknerabluft entspricht, von dem der Messstrom
abgezweigt wird.
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Ein
grobes Gitter 404 im Lufteinlassstutzen verhindert das
Eindringen von Fremdkörpern
in die Messzelle. Ein feineres Staubfilter 405 teilt die
Messzelle zwischen dem Lufteinlassstutzen und dem Luftaunlassstutzen.
Wegen seines großen
Durchmessers, der dem der Messzelle entspricht, stellt das Staubfilter 405 keinen
nennenswerten Strömungswiderstand
dar. Es teilt das Volumen der Messzelle in einen Eingangsbereich 415,
in dem die Luft noch die Temperatur und Feuchte des Hauptabluftstroms
besitzt, und in ein Messvolumen 416, in dem die Luft wie
nachstehend ausgeführt
gekühlt
und bezüglich Temperatur
und relativer Luftfeuchte vermessen wird.
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Den
Deckel der Messzelle bildet ein Ring 418, in dem ein Peltierelement 410 aufgenommen
ist. Das Peltierelement ist beidseitig mit Kühlkörpern versehen, wobei der Kühlkörper 414 die „heiße" Seite des Peltierelements
auf Umgebungstemperatur hält, was
durch einen Lüfter 413 unterstützt wird.
Peltierelement 410, Kühlkörper 414 und
Lüfter 413 bilden eine
handelsübliche
Baueinheit, wie sie beispielsweise zur Kühlung von elektronischen Bauelementen benutzt
wird. Solche Baueinheiten sind relativ preiswert erhältlich.
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Der
Zwischenring 418 besteht aus wärmeisolierendem Material, um
einen thermischen Kurzschluss zwischen den beiden Seiten des Peltierelements
zu verhindern.
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Auf
dem Kühlkörper 407 an
der „kalten" Seite des Peltierelements 410 liegt
ein Gitter 406 aus Metall auf. Das Gitter 406 ist
relativ grobmaschig und erlaubt den Durchtritt von Luft zwischen
dem Messvolumen 416 und dem darunter liegenden Sensorbereich.
Das Gitter 406 steht im thermischen Kontakt mit dem Kühlkörper 407 und
nimmt deshalb dessen Temperatur an. Aufgrund der sehr großen Oberfläche von
Kühlkörper 407 und
Gitter 406 nimmt die aus dem Messvolumen 416 durch
das Gitter 406 hindurchtretende und zum Sensor 408 gelangende
Luft die Temperatur des Kühlkörpers an.
Diese wird auf ca. 35 °C
gehalten, um ein Auskondensieren der Feuchtigkeit der Luft im Bereich
des Sensors zu verhindern.
-
Der
Sensor 408 ist ein preiswerter, handelsüblicher Sensor zur Messung
der relativen Luftfeuchte und der Temperatur, wie er z. B. von der
Firma Sensirion Inc., Westlake Village, California, USA, unter der
Bezeichnung SHT75 verkauft wird. Beide Werte, der Wert der relativen
Luftfeuchte und der Temperaturmesswert, dienen dazu, um wie anhand der übrigen Figuren
beschrieben, die absolute Feuchte in der Abluft der Trockner 10a/10b zu
bestimmen. Gleichzeitig dient das Temperaturmesselement auf dem
Sensor 408 dazu, die Temperatur in der Messzelle auf bezüglich der
Auskondensation von Wasserdampf unkritische Werte zwischen ca. 25° bis 40°C mit Hilfe
des Peltierelements 410 zu regeln. Ein zusätzlicher
Schutz gegen Kondensation lässt
sich dadurch erreichen, dass man auch das Messsignal der relativen
Feuchte mit berücksichtigt. Beispielsweise
kann bei einem Überschreiten
von rF > 80% die Temperatur
in dem Messvolumen 416 angehoben werden, indem das Peltierelement 410 nach
Umpolen der Stromrichtung zum Heizen verwendet wird. In dem Fall
kann das Peltierelement 410 mit Hilfe des Feuchtesignals
und des Temperatursignals des Sensors 408 so gesteuert
und geregelt werden, dass der Sensor stets in einem bezüglich der Auskondensation
von Dampf unkritischen, aber in Bezug auf die Messgenauigkeit der
Feuchtemessung optimalen Klimabereich arbeitet.
-
Im
vorliegenden Beispiel wurde die Erfindung anhand einer erstellten
Feuchtebilanz beschrieben, da bei der Verwendung von Dispersionslacken die
wesentlichen Stoffströme
Wasser beinhalten. Daneben ist es in gleicher Weise möglich, z.
B. bei der Verwendung von auf (organischen) Lösungsmitteln basierten Lacken,
den Ein- und Austrag der Lösungsmittel,
z. B. des IPA (Isopropanol) zu bilanzieren und diese Bilanz für die Optimierung
durch den Drucker visuell zur Verfügung zu stellen.
-
- 1
- Offsetdruckmaschine
- 2
- Anleger
- 3
- unbedruckter
Papierstapel
- 4
- Pfeil
(Anlegerpapierfeuchte)
- 5
- Ausleger
- 6
- Bogenauslagestapel
- 7
- Pfeil
(Papierfeuchte Ausleger)
- 8a
bis 8f
- Druckwerke
- 9a
- erstes
Lackierwerk
- 9b
- zweites
Lackierwerk
- 10a,
10b
- Trocknereinheiten
- 11a
bis 11d
- Trocknereinheiten
- 12
- Pfeil
(Verdunstung)
- 13
- Pfeil
(Feuchtwassereintrag)
- 14
- Pfeil
(Bogen)
- 15
- Pfeil
(Puderstrom)
- 16
- Pfeil
(austretende Fehlluft)
- 17
- Pfeil
(Feuchtigkeit Bogen)
- 18
- Pfeil
(Feuchtmitteleintrag)
- 19a,
19b
- Pfeile
(Lackmenge)
- 20,
21
- Pfeil
(Zuluft)
- 30,
31
- Pfeil
(Abluft)
- 103
- mobiles
elektronisches Messgerät
- 114,
117
- Temperatursensoren
- 118
- Sensor
- 119
- Durchflusssensor
- 120a
- Feuchtesensor
- 120b
- Temperatursensor
- 121
- Lufteinlasskanal
- 130a
- Drucksensor
- 130b
- Durchflusssensor
- 130c
- Feuchtesensoren
- 130d
- Temperatursensoren
- 131
- Luftauslasskanal
- 219
- Balken
(Wassermenge in Lackschicht)
- 220
- Balken
(Abluftwassermenge)
- 230
- Balken
(Zuluftwassermenge)
- 240
- Teilbalken
- 301
- Recheneinheit
- 302
- Speicher
- 303
- Tastatur
des Rechners
- 304
- Bildschirm
- 306
- Popup-Menü
- 307
- Datenleitung
- 308
- Maus
- 309
- Mauszeiger
- 401
- Messzelle
- 402
- Lufteinlassstutzen
- 403
- Luftauslassstutzen
- 404
- Gitter
- 405
- Staubfilter
- 406
- Gitter
- 407
- Kühlkörper
- 408
- Sensor
- 410
- Peltierelement
- 413
- Lüfter
- 414
- Kühlkörper
- 415
- Eingangsbereich
- 416
- Messvolumen
- 418
- Ring
- B1,
B2
- Bilanzraum
- V
- Luftvolumenstrom
- T
- Temperatur
- rF
- relative
Feuchte
- p
- Luftdruck
- F
- Durchfluss
(Lack/Wasser)
- v
- Druckgeschwindigkeit