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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Hochdruckformgebung für Tabakmaterial.
Speziell betrifft sie die Herstellung von zerkleinertem Tabakmaterial
oder faserförmigem
Tabakmaterial welches als Produkt zur Herstellung von Rauchartikeln
verwendet werden kann.
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Bei
der Tabakvorbereitung, das heißt
bei denjenigen Verarbeitungsprozessen, die vor der eigentlichen Zigarettenherstellung
und Verpackung stattfinden, werden die wichtigsten Tabakmaterialien,
nämlich
Tabakblätter
und Tabakrippen mehreren Prozessschritten unterzogen, bevor sie
für die
Herstellung von Rauchartikeln verwendet werden können. Verwendetes Rippenmaterial,
auch grob oder unvollständig
zerkleinerte Rohrippen (Winnowings) sind schwer mit üblichen
Mitteln (Schneiden, Schreddern) so zu verarbeiten, dass ein optimales
Ergebnis, also ein zerkleinertes Tabakmaterial entsteht, das als
Rauchartikelmaterial verwendet werden kann. Es entstehen zu viele
Kleinteile oder Stäube,
und/oder es werden lange Zwischenlagerungszeiten notwendig.
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Rippenverarbeitungsprozesse,
bei denen die Rippen zu Tabakfolie verarbeitet werden, sind beispielsweise
aus der
DE 40 05 656
C2 und der
DE
43 25 497 A1 bekannt. Solche Tabakfolienprozesse erzeugen Produkte
mit mäßiger bis
schlechter Füllfähigkeit
und Sensorik. Aus der
DE
100 65 132 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Agglomeraten
bekannt, bei dem größere Teilchenkomplexe
aus kleinsten Tabakpartikeln hergestellt werden. Dabei müssen Bindemittel
verwendet werden, und zur Verarbeitung von gröberem Tabakmaterial (wie zum
Beispiel Rippen oder Winnowings) eignet sich ein solcher Prozess
nicht.
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Die
DE 10 2004 059 388
A1 beschreibt die Zerfaserung von Tabakmaterial, insbesondere
von Rippen- oder Winnowingmaterial. Dabei wird das Tabak-Ausgangsmaterial
erwärmt
und auf einen erhöhten
Druck gebracht, und zwar mit einem Schneckenförderer, an dessen Auslass sich
ein Scherspalt befindet. Durch die Materialverarbeitung beim Austritt
aus dem Scherspalt, die mit einer Flash-Verdampfung einhergeht, entsteht ein zerfasertes
Tabakmaterial.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung
von zerkleinertem Tabakmaterial bereitzustellen, welches eine bessere
Produktqualität
liefert als dies mit Verfahren gemäß dem Stand der Technik möglich ist.
Insbesondere soll eine Tabakmaterial-Qualität bereitgestellt werden, die
ohne weiteres zur maschinellen Herstellung von Zigaretten genügt und insbesondere
sogar den Anforderungen an ein Tabakmaterial für die Selbstverfertigung von
Zigaretten entspricht. Speziell soll auch der Verschleiß gegenüber Vorrichtungen
des Standes der Technik minimiert werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch
1 sowie durch eine Vorrichtung nach dem Patentanspruch 11 gelöst. Die
Unteransprüche
definieren bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung.
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Das
Tabak-Ausgangsmaterial kann vornehmlich ein grobes Tabakmaterial,
insbesondere mit einer Teilchengröße von mehr als 2 mm aufweisen.
Es kann ein Tabakrippenmaterial bzw. ein Winnowing-Material sein,
insbesondere mit einer Rippengröße von mehr
als 2 mm. Anzumerken ist hierzu, dass Tabakmaterialien wie Rohrippen,
Winnowings, Short Stems oder Stem Fibres aber auch Scraps (kleine
Blatttabakteilchen), sonstige Tabakkleinteile, Tabakstaub oder eine
Mischung aus den genannten Komponenten zum Einsatz kommen kann.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung von zerkleinertem Tabakmaterial werden die folgenden
Schritte durchgeführt:
Ein Tabak-Ausgangsmaterial
wird erwärmt
und in einer Verfahrensstufe auf einen ersten erhöhten Druck
gebracht. Hierauf wird das Tabakmaterial in einer nachfolgenden
Verfahrensstufe auf einen zweiten erhöhten Druck gepumpt, der höher ist
als der erste erhöhte
Druck, und schließlich
wird das erwärmte
und unter Druck gesetzte Tabakmaterial entspannt und durch ein Formgebungswerkzeug
geführt.
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Der
Pumpvorgang hilft dabei, den Druck (Angaben im Weiteren als Überdruck)
vor der Entspannung und dem Durchgang durch das Formgebungswerkzeug
signifikant zu erhöhen
und dabei optimale Prozessbedingungen für die Herstellung eines in
der Qualität
noch verbesserten Produktes zu erzielen. Es können sehr hohe Drücke erzeugt
werden, die mit den im Stand der Technik beschrieben Maßnahmen
(Schneckenförderer) nicht
erzielbar sind, und dies gestattet u. a. eine weitgehende Freiheit
bei der Wahl des Formgebungswerkzeuges. Außerdem wird eine besonders
verscheißarme
Betriebsweise möglich.
Einzelheiten zu den erfindungsgemäßen, vorteilhaften Mechanismen
werden später
im Detail erörtert.
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Das
Pumpen des Tabakmaterials auf den zweiten erhöhten Druck erfolgt gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ohne wesentliche Erhöhung der Temperatur des Materials.
Ein Pumpvorgang gestattet eine solche Vorgehensweise.
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Gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsvariante
wird in der ersten Verfahrensstufe das Tabakausgangsmaterial auf
eine Temperatur von 60 bis 180°C,
insbesondere 100 bis 140°C
erwärmt
und auf einen Druck von bis zu 200 bar, insbesondere von bis zu
100 bar, speziell von bis zu 50 bar gebracht. In der zweiten Verfahrensstufe
kann dann ein Druck von 100 bis 700 bar gemäß der vorliegenden Erfindung
erreicht werden, insbesondere 200 bis 700 bar und speziell mehr
als 200 bar bis 700 bar.
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Die
Entspannung des Tabakmaterials erfolgt beim Durchgang durch das
Formgebungswerkzeug auf atmosphärischen
Druck und sie geschieht insbesondere durch eine kontrollierte Flash-Verdampfung.
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Das
Tabakmaterial kann in der zweiten Verfahrensstufe durch eine Verdrängerpumpe,
insbesondere eine Zahnradpumpe geführt werden.
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Vorteilhafterweise
wird das Tabakmaterial beim Durchgang durch das Formgebungswerkzeug
faserförmig
geformt, insbesondere zerfasert, und das Formgebungswerkzeug kann
zum Beispiel ein Auslassspalt, einen Scherspalt, eine Matrize oder
eine Düse
sein. Aufgrund der Verfahrensumstände, die durch das Pumpen auf
den zweiten erhöhten
Druck erreichbar werden kann die Gefahr von Verstopfungen vermieden
werden, und die Werkzeugauswahl wird freier, was von großem Vorteil
ist, da die einzustellende Tabakmaterialform natürlich ebenfalls freier gewählt werden
kann.
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Das
Tabak-Ausgangsmaterial wird in der ersten Verfahrensstufe insbesondere
mechanisch unter Druck gesetzt, speziell mittels einer Förderschnecke
bzw. Stopfschnecke, die das Material gegen den Auslass eines, insbesondere
beheizbaren, Schneckenförderers
presst.
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Das
Tabakmaterial kann unmittelbar nach der Weiterverarbeitung als Rauchartikelmaterial
verwendet werden, speziell wenn das Tabak-Ausgangsmaterial ein Winnowing-Material
ist. Es kann aber auch einer Klassifizierung unterzogen werden,
speziell wenn das Ausgangsmaterial ein grobes Rippenmaterial ist.
Dabei würden
die ausgesonderten Materialien nochmals dem erfindungsgemäßen Verfahren
unterzogen werden und der nicht ausgesonderte Rest kann unmittelbar
der Weiterverarbeitung als Rauchmaterial zugeführt werden.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Herstellung von zerkleinertem Tabakmaterial weist eine, insbesondere
beheizbare, Druckkammer auf, die einen Tabakmaterialeinlass, einen
Tabakmaterialauslass und eine Fördereinrichtung
zum Fördern
des Tabakmaterials vom Einlass zum Auslass und zur Erhöhung des
Druckes des Materials auf einen ersten erhöhten Druck umfasst. Sie hat
ferner ein Formgebungswerkzeug, durch welches das erwärmte und
unter Druck gesetzte Tabakmaterial geführt und entspannt wird, und
erfindungsgemäß ist zwischen
der Druckkammer und dem Formgebungswerkzeug eine mechanische Pumpe
eingebracht, die das Tabakmaterial auf einen zweiten erhöhten Druck
pumpt, der höher
ist als der erste erhöhte
Druck.
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Die
durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
erzielbaren Vorteile entsprechen den Vorteilen, wie sie schon oben
für das
erfindungsgemäße Verfahren
genannt wurden.
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Die
mechanische Pumpe kann eine hydrostatischer Verdrängerpumpe,
insbesondere eine Zahnradpumpe sein.
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Das
Formgebungswerkzeug ist ein Werkzeug, welches das Tabakmaterial
faserförmig
formt, insbesondere zerfasert, und es kann speziell einen Auslassspalt,
einen Scherspalt, eine Matrize oder eine Düse aufweisen.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung bildet die Druckkammer oder umfasst die Druckkammer
einen beheizbaren Schneckenförderer,
insbesondere eine Stopfschnecke, die als Fördereinrichtung zum Fördern des
Tabakmaterials vom Einlass zum Auslass dient.
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Die
Erfindung betrifft noch die Verwendung einer Vorrichtung, wie sie
oben beschrieben wurde, zur faserförmigen Herstellung von Tabakmaterial,
insbesondere zum Zerfasern von Tabakmaterial. Eine weitere Ausführungsform
betrifft die Verwendung einer solchen Vorrichtung zur Herstellung
von Feinschnitt-Tabakmaterial,
insbesondere für
den Einsatz bei der Selbstverfertigung von Zigaretten. Darüber hinaus
betrifft die vorliegende Erfindung noch eine der oben genannten
Verwendungen, bei der ein Verfahren durchgeführt wird, wie es in verschiedenen
Ausführungen
einleitend beschrieben wurde.
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Es
ist noch anzumerken, dass eines oder mehrere der folgenden Merkmale
im Rahmen der Erfindung realisiert werden können:
- – das Tabak-Ausgangsmaterial
ist ein grobes Tabakmaterial, insbesondere mit einer Teilchengröße von mehr
als 2 mm;
- – das
Tabak-Ausgangsmaterial ist ein Tabakrippenmaterial bzw. ein Winnowing-Material, speziell
mit einer Rippengröße von mehr
als 2 mm;
- – das
Tabak-Ausgangsmaterial wird ohne Zusatz strukturbildender, tabakfremder
Materialien verarbeitet;
- – die
Verweilzeit des Tabakmaterials im kontinuierlichen Durchlauf liegt
bei weniger als drei Minuten, insbesondere weniger als zwei Minuten
und vorzugsweise weniger als einer Minute;
- – das
Material wird in der Druckkammer während des Transports zum Formgebungswerkzeug
grob vorverkleinert bzw. vorzerfasert;
- – wenn
ein Scherspalt verwendet wird, ist dieser vorgespannt verschlossen
und wird den Druck des Tabakmaterials intermittierend geöffnet, oder
das Tabakmaterial wird kontinuierlich durch den Scherspalt hindurchgeführt;
- – die
Scherspaltwände
führen
beim Durchführen
des Tabakmaterials eine Relativbewegung (Scherbewegung) aus;
- – vor
oder während
der Erwärmung
und Druckerzeugung in der ersten Verfahrensstufe findet eine Tabakmaterial-Konditionierung
bzw. ein Casing statt, wobei die Erhöhung der Materialfeuchte von
9 bis 12% auf etwa 20 bis 30% erfolgt;
das Tabakmaterial weist
nach der Entspannung und Hindurchführung durch das Formgebungswerkzeug eine
Feuchte von etwa 14 bis 18% auf;
- – das
Tabakmaterial wird bei Raumtemperatur und unter atmosphärischem
Druck gekühlt,
bis es eine Feuchte von etwa 12 bis 16% aufweist;
- – wenn
ein Scherspalt verwendet wird, weisen die Spaltwände Aufrauungen oder Profilierungen
auf;
- – die
Stopfschnecke weist zum Bereich des Auslasses hin steilere Schneckenwindungen
auf; und
- – der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist im gleichen oder in einem vorgeschalteten Druckkammergehäuse eine
Druckkonditionierungsanlage vorangesetzt, insbesondere eine Schneckenkammer-Druckkonditionierungsanlage.
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Die
Erfindung wird im Weiteren anhand theoretischer Überlegungen und mit Hilfe eines
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Sie
kann alle hierin beschriebenen Merkmale einzeln sowie in jedweder
sinnvollen Kombination umfassen. In den beigelegten Zeichnungen
zeigen:
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1 eine
Vorrichtung zur Herstellung von zerkleinertem Tabakmaterial gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
charakteristische Druck-Durchsatzkurve für ein Formgebungswerkzeug;
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3 eine
Darstellung des Massenstroms in einem Schneckenförderer über den Druck, wobei verschiedene
Strömungsanteile
aufgezeigt sind;
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4 eine
Kurve, welche die Feuchte des Tabakmaterials nach dem Austritt aus
einem Schneckenförderer
(Extruder) in Abhängigkeit
von der Temperatur vor dem Extruderaustritt zeigt;
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5 eine
typische Fließkurve
eines plastifizierten Tabakmaterials; und
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6 eine
typische Betriebskurve (Verdichtungsdruck und Betriebszeit) für eine Ausführungsform
der Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Die
in 1 gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen
Scheckenförderer
auf, der mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet ist. Der
Schneckenförderer
weist eine Förderschnecke 5 auf,
die auf einer Welle 3 gelagert und in einem Gehäuse 2 untergebracht
ist (Druckkammer). Bei einer beispielhaft aufgeführten Ausführungsform werden Tabakrippen
in den Schneckenförderer 1 eingegeben
und durch die Schnecke 5 gefördert, nämlich nach links zum Auslass 6 des
Schneckenförderers 1 hin.
Dabei wird das konditionierte Rippenmaterial vorzerkleinert und
mechanisch am Auslass auf einen erhöhten Druck gebracht, der bis
zu 200 bar betragen kann.
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An
den Auslass 6 des Schneckenförderers 1 schließt sich
die Zahnradpumpe 7 an, die hier als Beispiel für eine hydrostatische
Verdrängerpumpe
steht. Das Rippenmaterial tritt zunächst über den Eingang 8,
der im Gehäuse 9 vorgesehen
ist in die Pumpe 7 ein, und es wird dann durch die beiden
Pumpen-Zahnräder 11 und 13 weiter
gefördert
und komprimiert. Die Komprimierung, das heißt die Druckerhöhung findet
durch die Verkleinerung der Aufnahmeräume zwischen den Zahnrädern statt,
und so erreicht hoch komprimiertes bzw. unter sehr hohem Druck (zweiter
erhöhter
Druck) stehendes Tabakmaterial den Pumpenausgang 10. Die
Drücke
am Pumpenausgang 10 und am Pumpeneingang 8 werden
jeweils durch die Druckmesssensoren 17 und 15 gemessen
bzw. überprüft. Durch
die Einstellung der Arbeitsweise der Pumpe kann auf diese Drücke Einfluss
genommen werden und gegebenenfalls eine Korrektur erfolgen.
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Vom
Pumpenausgang 10 aus tritt das Tabakmaterial in das Formgebungswerkzeug
ein, das in 1 mit dem Bezugszeichen 23 versehen
worden ist. Es besteht aus einem Innenkegel 19, der statisch
angeordnet ist und einem Außenkegel 21,
der statisch aber auch axial verschiebbar gelagert sein kann. Der
Innenkegel 19 und der Außenkegel 21 des Werkzeugs
bilden einen Spalt 25, durch den das unter dem hohen Druck
stehende Tabakmaterial aus der Vorrichtung austreten kann, wobei
es durch eine Flash-Verdampfung entspannt wird und wobei sich die
gewünschte
Faserstruktur des Materials einstellt.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft also – so wie sie auf der dargestellten
Vorrichtung durchgeführt
wird – die
Zerfaserung (Zerkleinerung) und erneute Formgebung von Tabakmaterialien,
um Tabakteilchen faserförmig
auszubringen. Der Prozess zeichnet sich durch eine besonders verschleißarme Betriebsweise
und eine erhöhte
Prozessflexibilität
aus. Tabak-Grobteile werden zerkleinert, gegebenenfalls zusammen
mit im Ausgangsmaterial vorhandenen oder zugegebenen Klein- bzw.
Kleinstteilen nach Bedarf im Werkzeug geformt und als Fasern ausgebracht.
Als besonders vorteilhaft ist die Robustheit einer solchen Apparatur
gegenüber verschleißenden Eigenschaften
des zu verarbeitendem Materials anzusehen, insbesondere weil sich
Einschränkungen
bezüglich
der Rezepturwahl aufheben lassen. Das Tabakmaterial, das durch ein
Verfahren bzw. eine Vorrichtung der vorliegenden Erfindung hergestellt
wird, kann direkt zur Herstellung von Rauchartikeln verwendet werden;
es unterscheidet sich in Form und Farbe nicht von Schnitttabak.
Deshalb erschließt
sich durch die Erfindung die Herstellung von Rauchartikelprodukten
für die
Selbstverfertigung von Zigaretten (im Weiteren auch Roll-Your-Own-Produkte
(RYO) oder Make-Your-Own-Produkte (MYO) genannt) mit kleiner Schnittbreite,
da die Werkzeugwahl flexibel ist und insbesondere auch Werkzeuge
mit sehr kleinen Kanälen benutzt
werden können,
die bei besonders hohen Drücken
verwendbar sind.
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Die
Erfindung basiert unter anderem auf den folgenden Überlegungen:
Mit bekannten Verfahren wie demjenigen, dass beispielsweise oben
schon angesprochenen
DE
10 2004 059 388 A1 bekannt ist, lassen sich nicht oder
nicht ohne weiteres Drücke
erzeugen, wie man sie sich für
eine optimierte Tabakmaterialherstellung eigentlich wünschen würde. Dies
liegt – wie
bei der Arbeit an der vorliegenden Erfindung festgestellt wurde – zum einen
daran, dass eine Erhöhung
des Druckes auch mit einer Erhöhung
der Temperatur wegen eines größeren Scherenergieeintrags
im vom Material und Schneckenförderer
bestimmten Umfang einhergeht. Andererseits wird die Ausgestaltung
des vorgegeben Werkzeuges durch die Vordruck bestimmt, weil der Druckabfall – definiert
durch den freien Werkzeugquerschnitt – und der Massenstrom des Tabakmaterials
einer proportionalen Beziehung gehorchen, wie sie beispielsweise
in der
2 aufgezeigt ist. Um Tabakstrukturen höchster Qualitätsanforderungen
zu formen, beispielsweise RYO oder MYO-Tabakstrukturen, benötigt man
einen sehr hohen Werkzeug-Vordruck (Kammerdruck des Schneckenförderers),
weil die Scherspalte sehr kleine Querschnitte aufweisen müssen. Dies
gilt für
den Fall, das beispielsweise lediglich ein Schneckenförderer und ein
sich daran anschließendes
Scherspalt-Werkzeug
verwendet wird. Um bei gleichen Massenströmen arbeiten zu können, muss
der Kammerdruck deutlich erhöht
werden, wie der
2 zu entnehmen ist.
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Ein
solcher Druck kann grundsätzlich
durch einen Schneckenförderer
(Extruder) nicht aufgebracht werden. Ein Grund hierfür ist, dass
die so genannte Rückströmung (Summe
aus Druckströmung
und Leckströmung),
wie in der 3 dargestellt ist, gegenüber der
Schleppströmung
dominant wird und damit die Förderung
abreißen
würde.
Eine solche Rückströmung ist
aber konstruktiv nicht zu vermeiden. Das Verhältnis von Produkt-Rückströmung zu
Produkt-Förderung
wird aber wesentlich durch den notwendigen Druck am Kammerausgang,
das Verschleißbild
der Vorrichtung (Schnecke) zur Durchströmung des Scherkanals sowie
durch die vorliegenden Materialeigenschaften des Tabakmaterials
(Viskosität)
beeinflusst.
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Ein
weiteres Problem liegt in dem mit der Förderung einhergehenden Energieeintrag
durch Scherung und der damit verbundenen Temperaturerhöhung des
Förderguts.
Wenn mit herkömmlichen
Geräten
Temperaturen von bis zu 200°C
bei Verdichtungen auf bis zu 200 bar realisiert werden, kann dies
bereits zur Schädigung
des Produktes führen.
Die erwartete hohe Produkttemperatur bei noch höheren Drücken würde nach einer isenthalpischen
Druckentlastung (nach dem Prinzip der kapazitiven Trocknung) beim
Verlassen des Werkzeugs zur Strukturzerstörung durch Wasserdampfentwicklung
führen,
sowie zu einer vollständigen,
nicht gewünschten Übertrocknung.
Dieses Verhältnis
ist der 4 zu entnehmen. Übertrocknete
Produkte neigen aber aufgrund des spröden Verhaltens zu kontraproduktiver
Staubbildung.
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Eine
Kühlung
ist wegen des sehr geringen Wärmedurchgangskoeffizienten
zwischen Kühlmedium
und Produktstrom kaum oder nur unterstützend möglich, so dass insgesamt festzustellen
ist, dass die herkömmliche
Anlage mit dem Schneckenförderer
sich für
eine Kammerdruckerzeugung von bis zu 700 bar nicht eignet. Zwar
lassen sich geringere Vordrucke mit einem Schneckenförderer erzeugen
(200 bar oder weniger) jedoch ist das Parameterfeld was die Rezepturen,
das Füllvermögen oder
sehr kleine zu erzeugende Faserdurchmesser betrifft begrenzt. Die
Verwendung einer Pumpe (insbesondere einer mechanischer Pumpe),
zur Erzeugung des zweiten erhöhten
Drucks überwindet
die genannten Schwierigkeiten und gestattet die Erzeugung von optimierten
Produkten bei wirtschaftlich akzeptablen Massenströmen und
in besonders verschleißarmer
Betriebsweise. Eine solche Pumpe ist bei der dargestellten Ausführungsform
die Zahnradpumpe 7, und der Schneckenförderer 1 speist diese
Pumpe.
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Zahnradpumpen
sind hydrostatische Verdrängerpumpen
und arbeiten nach dem Prinzip der volumetrisch abgeschlossenen Förderung.
Durch dieses Prinzip können
sehr hohe Drücke
bei der Förderung
viskoser Massen mit moderaten Temperaturanstiegen erzeugt werden.
Das Material sollte der Pumpe (leicht) durckbehaftet zugeführt werden,
damit ein 100%-iger Füllgrad
erreicht wird, und ein Schneckenförderer eignet sich sehr gut
für die
Erzeugung dieses Vordrucks.
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Flüssigkeitsähnliche
Materialien wie Pasten, Breie, Teige lassen sich ähnlich wie
Flüssigkeiten
durch Viskositäten
charakterisieren. Nun sind Tabakmaterialien Feststoffe, die aber
nach einer Wasservermengung, Temperaturanhebung und Scherung meistens
auch pseudoplastische Fließeigenschaften
erhalten und damit in einer Verdrängerpumpe förderbar werden. Diese Grundfließeigenschaften
werden im Schneckenförderer
erzeugt. Eine typische Fließkurve
eines plastifizierten Tabakmaterials ist der 5 zu entnehmen,
und die Erfindung nutzt also diese Pseudo-Viskosität, um das
Tabakmaterial zu fördern
und unter Druck zu setzen, obwohl aber tatsächlich nicht ein homogener
Brei erzeugt wird, wie beispielsweise bei der Tabakfolienherstellung.
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Das
in der
1 gezeigte Werkzeug
23 hat in Achsenrichtung
aufeinander zu- oder wegbewegbare Spaltwände, die einen Scherspalt bilden.
Dabei sind die beiden Werkzeugteile (Innenkegel
19 und
Außenkegel
21)
auf einander zu vorgespannt, und die in der Zeichnung angedeutete
Profilierung ist die Grundlage für
die Formgebung und Beeinflussung der sich am Umfang bildenden Tabakfasern.
Eine Rotation der beiden Werkzeugteile gegeneinander kann zwar durchgeführt werden
(wie beim Stand der Technik gemäß der
DE 10 2004 059 388
A1 ), sie ist überraschenderweise
aber nicht notwendig. Aus dieser Erkenntnis gibt sich, dass erstmals die
Möglichkeit
besteht, Matrizen, statische Düsen
und ähnliches
als Werkzeug zu benutzen, da eine befürchtete Verstopfung und damit
verbundene Druckanstiege (Reduktion der freien Querschnitte) beherrschbar
werden.
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Durch
die fast ohne Temperaturerhöhung
stattfindende Kompression wird eine Entkopplung von Arbeitstemperatur
und Arbeitsdruck erreicht. Damit ist es möglich, die bereits als vorteilhaft
erkannten Arbeitstemperaturen von 60 bis 180°C bei Enddrücken von 200 bis 700 bar leicht
einzustellen und damit die gefürchtete
Faserzerstörung
durch zu intensive Dampfentwicklung zu vermeiden. Ferner ist anzumerken,
dass der spezifische Leistungsbedarf einer Pumpe bzw. einer Verdrängerpumpe
aufgrund des geringen Temperaturanstiegs ebenfalls geringer ist.
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Durch
die große
Verdichtung des Tabakmaterials wird natürlich die Tabakdichte weiter
erhöht.
Die kontrollierte Flash-Verdampfung bei der Entspannung auf atmosphären Druck
reversiert aber die Verdichtung und führt zu einem lockeren Schnitttabak. Überraschenderweise
ist diese Expansion und Wiederherstellung der natürlichen
Füllfähigkeit
auch bei der erfindungsgemäßen, ungewöhnlich großen Verdichtung
des Tabakmaterials noch möglich.
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Die
Kombination von Schneckenförderer
und Pumpe, insbesondere Verdrängerpumpe,
kann auch dabei helfen, unvermeidbaren Verschleiß zu kompensieren. Wie bereits
ausgeführt,
ist das Förderverhalten
des Schneckenförderers
vom Verschleißzustand,
vom Enddruck und von den Materialeigenschaften abhängig. Es ist
durch die vorliegende erfinderische Ausgestaltung möglich, den
notwendigen Druck zur Durchströmung
des Werkzeuges unterschiedlich zwischen Schneckenförderer und
Verdrängerpumpe
zu verteilen. Bei einer Verschlechterung des Verschleißbildes
kann beispielsweise der Enddruck des Schneckenförderers reduziert werden, wobei
dann die Verdrängerpumpe
automatisch die notwendige Druckerhöhung zur Durchströmung des Werkzeuges
einbringt. Ein solches Verhalten ist in der Betriebskurve der 6 dargestellt.
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Hierzu
werden auch die Messungen mit den Sensoren 15, 17 in 1 vorgenommen.
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Positive
Auswirkungen der vorliegenden Erfindung bezüglich des Vorrichtungsbetriebes
und des Massenstroms werden noch durch die im Folgenden aufgeführten Versuche
belegt:
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Versuch 1:
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Bei
diesem Versuch wird der Einfluss auf den Verschleiß bei unterschiedlicher
Druckverteilung (Schneckenförderer/Zahnradpumpe)
und gleichem Enddruck studiert. Eine Rezeptur, bestehend aus 70% Winnowings
+ 30% Tabakstaub wird in der Apparatur gemäß
1 mit folgenden
Parametern behandelt:
| Prozess |
| Messgröße | Vergleich | Versuch
1 |
| Eintrittsfeuchte | [%] | 22 | 22 |
| Austrittsfeuchte | [%] | 15 | 17 |
| Enddruck
Schneckenförderer | [bar] | 80 | 10 |
| Enddruck
Zahnradpumpe | [bar] | 120 | 120 |
| Temperatur
Schneckenfördereraustritt | [°C] | 140 | 100 |
| Temperatur
Austritt Zahnradpumpe | [°C] | 150 | 110 |
| Massenstrom | [kg/h] | 150 | 150 |
| Betriebsstunden
bis zum Abriss der Förderung | [Stunden] | 70 | 150 |
| |
| Produkt |
| Füllfähigkeit
korrigiert* (Ausgangsmaterial) [ml/g] | 2,5 | 2,5 |
| Füllfähigkeit
korrigiert* (Fertigmaterial) [ml/g] | 4,5 | 4,7 |
- * Korrektur der Tabakfeuchte bei der Messung
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Ergebnis Versuch 1:
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Aufgrund
des geringen Betriebsdruckes, sowie der geringeren Betriebstemperatur
im Schneckenförderer
ist der Verschleiß,
ermittelt in Betriebsstunden bis zum Abbruch der Förderung,
ca. halbiert worden. Damit ergibt sich eine längere Standzeit der Vorrichtung.
Natürlich
wird aufgrund des geringeren Scherenergieeintrages die Austrittsfeuchte
erhöht,
da die Temperaturbeladung geringer ist.
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Versuch 2:
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Bei
diesem Versuch werden Durchsatzerhöhungen und die damit in Verbindung
stehende Druckerhöhung
vor Formgebungswerkzeug studiert.
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Eine
Rezeptur, bestehend aus 70% Winnowings + 30% Tabakstaub wird in
der Apparatur gemäß
1 mit
folgenden Parametern behandelt:
| Prozess |
| Messgröße | Vergleich | Versuch
2 |
| Eintrittsfeuchte | [%] | 22 | 22 |
| Austrittsfeuchte | [%] | 15 | 15 |
| Enddruck
Schneckenförderer | [bar] | 50 | 50 |
| Enddruck
Zahnradpumpe | [bar] | 120 | 200 |
| Temperatur
Schneckenfördereraustritt | [°C] | 140 | 140 |
| Temperatur
Austritt Zahnradpumpe | [°C] | 150 | 150 |
| Massenstrom | [kg/h] | 150 | 250 |
| |
| Produkt |
| Füllfähigkeit
korrigiert* (Ausgangsmaterial) [ml/g] | 2,5 | 2,5 |
| Füllfähigkeit
korrigiert* (Fertigmaterial) [ml/g] | 4,5 | 4,5 |
- * Korrektur der Tabakfeuchte bei der Messung
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Ergebnis Versuch 2:
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Der
Massenstrom konnte aufgrund des zusätzlichen Druckeintrages durch
die Zahnradpumpe mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung um ca. 60%
erhöht
und dadurch eine Steigerung der Wirtschaftlichkeit erreicht werden.