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Die
Erfindung betrifft eine Infrarot-Trocknungseinheit für
eine in einer Bahnlaufebene laufende Warenbahn, insbesondere eine
Papier- oder Kartonbahn, mit zumindest drei Infrarotstrahlern, die
in mindestens einer Reihe senkrecht zur Warenbahnlaufrichtung angeordnet
sind und jeweils eine Strahlungsfläche benachbart der Bahnlaufebene
aufweisen, wobei jede Reihe von Infrarotstrahlern an beiden Enden
einen Endstrahler umfasst.
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Eine
solche Infrarot-Trocknungseinheit ist beispielsweise aus der
EP 1 190 138 B1 der
Anmelderin bekannt.
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Als
Flächenstrahler ausgebildete Infrarot-Trocknungseinheiten
zur Wärmebehandlung bahnförmiger Produkte werden
in der Regel in Form von einzelnen Infrarotstrahlern ausgeführt,
wobei die Infrarotstrahler quer zur Bahnlaufrichtung in Reihen angeordnet
werden.
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Je
nach benötigtem Energieeintrag werden in Bahnlaufrichtung
beliebig viele Reihen hintereinander angeordnet. Um die Infrarotstrahler
einfach montieren bzw. austauschen zu können und um die thermische
Ausdehnung der einzelnen Elemente zu berücksichtigen, muss
zwischen jeweils zwei Infrarotstrahlern ein Spalt vorgesehen werden.
Außerdem steht nicht die gesamte, der Warenbahn zugewandte Vorderseite
des Moduls als Abstrahlfläche zur Verfügung, da
konstruktionsbedingt immer ein mehr oder minder großer,
nicht strahlender Gehäuserand verbleibt. Die nicht strahlenden
Zwischenräume bewirken, dass die IR-Strahlung auf die zu
behandelnde Bahn quer zur Bahnlaufrichtung nicht ganz gleichmäßig
ist, wenn die Strahler zu nahe an der Bahn montiert werden. Die
Folge ist ein wellenförmiges Trocknungsprofil über
die Bahnbreite. Bei genügend großem Abstand der
Strahler zu Bahn, überdeckt sich dagegen die Strahlung benachbarter
Infrarotstrahler, so dass sich eine über den mittleren
Bereich der Arbeitsbreite im Wesentlichen gleichmäßige
Strahlungsintensitätsverteilung ergibt.
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Aufgrund
von Rechenmodellen hat sich jedoch gezeigt, dass im Randbereich
der Warenbahn keine ausreichende Überdeckung benachbarter
Infrarotstrahler stattfindet und daher die an die Bahn übertragene
Energiemenge im Randbereich zwangsläufig abfällt.
In der Praxis versucht man dem Effekt dadurch zu begegnen, dass
man so viele Infrarotstrahler einsetzt, dass am Rand der Bahn ein Überstand
der Endstrahler über den Rand der Bahn hinaus entsteht.
Um tatsächlich eine annähernd gleichmäßige
Bestrahlung über die gesamte Bahnbreite zu erzielen, müsste
man aber einen sehr großen Überstand vorsehen,
wodurch sich deutliche Nachteile ergeben. Ein großer Teil
der Strahlung der Endstrahler entweicht dann seitlich in die Umgebung.
Diese erzeugte Energie wird demnach verschwendet und nicht genutzt.
Die entwichene, nicht auf die Warenbahn abgegebene Strahlung kann
unter Umstanden auch weitere Bauteile thermisch negativ beanspruchen.
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Aus
den angeführten Gründen ergibt sich auch unmittelbar,
dass es nicht sinnvoll ist, einfach nur Endstrahler mit einer höheren
Leistung einzusetzen, um eine gleichmäßigere Bestrahlung
zu erzielen. Der Abstand der Infrarotstrahler von der Laufebene
der Warenbahn ist (bedingt durch die oben erwähnte Vergleichmäßigung
der Strahlungsbeaufschlagung im mittleren Bereich der Warenbahn)
auch am Rand so groß, dass trotzdem seitlich ein Großteil der
Strahlung entweichen würde, auch wenn die Reihe der Infrarotstrahler
in ihrer Breite der Bahnbreite angepasst wäre.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Infrarot-Trocknungseinheit zu
schaffen, mit der die Trocknungsintensität über
die Breite der Warenbahn auf einfache Weise besser vergleichmäßigt
und der Strahlungsverlust an den Endstrahlern vermindert werden
können.
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Die
Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch,
dass der gemittelte Abstand der Strahlungsfläche wenigstens
eines Endstrahlers von der Bahnlaufebene geringer ist, als der gemittelte
Abstand der Strahlungsfläche eines anderen Infrarotstrahlers
der Reihe, wird der Warenbahn am Rand Strahlungsenergie zur Trocknung
nahezu im gleichen Maße zur Verfügung gestellt
wie im mittleren Bahnbereich. Unter dem gemittelten Abstand ist
der Abstand jeweils eines Infrarotstrahlers zu verstehen, der sich
berechnet aus der Summe einer Vielzahl n von senkrecht zur Strahlungsfläche
gemessenen Abständen zur Bahnlaufebene, die sich gleichmäßig über
die gesamte Abstrahlfläche verteilen, dividiert durch die
Vielzahl n, wobei n möglichst hoch sein soll. Oder noch
mathematischer ausgedrückt bildet man zur Ermittlung des
mittleren Abstandes eines Infrarotstrahlers von der Bahnlaufebene
das Integral
mit h als Normalenabstand
der Strahlungsfläche von der Bahnlaufebene und A als Strahlungsfläche.
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Die
Verlustanteile des Endstrahlers werden dadurch deutlich minimiert.
Dabei kann der Abstand der Strahlungsfläche der Infrarotstrahler
im mittleren Bereich der Warenbahn beibehalten werden, so dass sich
kein wellenförmiges Trocknungsprofil einstellt.
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Es
ist von Vorteil, wenn zumindest ein Teil der Infrarotstrahler, insbesondere
die Endstrahler, verstellbar an einer Traverse oder einem Verbindungselement
zur Traverse angebracht ist. Eine Traverse kann so ausgelegt werden,
dass sich keine Durchbiegung über die Bahnbreite ergibt
und dadurch eine sichere Befestigungsmöglichkeit für
die einzelnen Infrarotstrahler geschaffen wird. Die Befestigungsmöglichkeit
kann mit maschinenbaulichem Fachwissen so konstruiert sein, dass
zumindest ein Teil der Infrarotstrahler, insbesondere die Endstrahler,
verstellbar, vorzugsweise höhen- und winkelverstellbar,
daran befestigt ist. Dadurch wird die Einstellung eines gleichmäßigen
Trocknungsprofils durch die leichte Verstellbarkeit der Infrarotstrahler
als Stellglieder vereinfacht.
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Mit
Vorteil ist dafür gesorgt, dass zumindest ein Teil der
Infrarotstrahler über eine Schnellkupplung direkt oder
indirekt mit der Traverse verbunden sind. Da Infrarotstrahler durch
den thermischen Einfluss einem großen Verschleiß unterworfen
sind, ergibt sich auf diese Weise eine schnelle Möglichkeit, einzelne
Infrarotstrahler auszutauschen. Man kann sie so in einer Werkstatt
warten und den Betrieb der Infrarot-Trocknungseinheit ungestört
fortsetzen.
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Es
ist günstig, wenn es sich bei den Infrarotstrahlern um
gasbeheizte und/oder elektrisch beheizte Infrarotstrahler handelt.
Diese haben sich in der Praxis als besonders effektiv herausgestellt.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung nimmt die Traverse für
die Infrarotstrahler auch deren energetische Versorgungsleitungen
auf. Innerhalb der Traverse sind sie vor äußeren
Einflüssen geschützt und die Unfallgefahr wird
herabgesetzt.
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Vorzugsweise
wird die Abstandsverringerung der Endstrahler nun dadurch vorgenommen, dass
sie um einen Winkel zwischen 5 und 60° gegen die Bahnlaufebene
gekippt sind. Dabei wird vorzugsweise die nach außen weisende
Kante der Strahlungsfläche zur Bahnlaufebene geschwenkt.
Dies hat mit Vorteil zur Folge, dass mehr Strahlungsenergie zum
Bahn rand gelenkt wird und nicht durch den Spalt zwischen Infrarotstrahler
und Warenbahnrand entweichen kann.
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Bevorzugt
ist auch, dass man einen sanften Übergang zwischen den
relativ weit beabstandeten Infrarotstrahlern im mittleren Bereich
der Warenbahn und den nahegelegenen Endstrahlern schafft. Dies erfolgt
in bevorzugter Weise mit Hilfe der den Endstrahlern benachbarten
Infrarotstrahlern, indem alternativ die Strahlungsflächen
der Endstrahler gemeinsam mit denen benachbarter Infrarotstrahler
entlang eines Polygonzuges oder die Strahlungsflächen der Endstrahler
gemeinsam mit denen benachbarter Infrarotstrahler treppenförmig
angeordnet sind.
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Vielfach
ist es von Nutzen, sich die Breite eines Endstrahlers von der Breite
anderer Infrarotstrahler unterscheidet. Dadurch können
wellenförmige Trocknungsprofile im Randbereich der Bahn
vermieden werden. Alle näher an der Warenbahn liegenden
Strahlungsflächen weisen dann nämlich keine Unterbrechung
mehr auf. Bei einem kurvenförmigen Strahlungsflächenverlauf
hat sich in Versuchen aber auch herauskristallisiert, dass es sinnvoll
sein kann, die Endstrahler schmaler zu machen. Es hat sich gezeigt,
dass je nach Gegebenheit ein Strahlungsflächen-Verhältnis
von Endstrahlern zu den mittleren Infrarotstrahlern zwischen 0,3
und 2,0 nützlich sein kann. In der Regel werden bevorzugt
Flächenverhältnisse zwischen 1,2 und 2,0 gewählt.
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Um
die Oberfläche der Infrarotstrahler für ein einheitliches
Bild in einer Ebene zu belassen, ist es von Vorteil wenn die Endstrahler
eine schräge oder konkave Strahlungsfläche besitzen.
Dadurch kann die Strahlungsfläche näher an die
Bahnlaufebene herangebracht werden, ohne dass eine Höhenverstellung
der Endstrahler notwendig ist.
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Es
kann alternativ bevorzugt sein, wenn die Strahlungsflächen
der Infrarotstrahler in einer Ebene bleiben und dafür die
Warenbahn selbst über geeignete Mittel am Rand näher
an diese Strahlungsflächen herangeführt wird.
Dadurch ergibt sich, dass die Bahnlaufebene gekrümmt ist.
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In
allen Fällen ist es vorteilhaft, wenn die Strahlungsintensität
einiger oder aller Infrarotstrahler gesteuert oder geregelt werden
kann. Auf diese Weise kann zusätzlich Einfluss auf das
Trocknungsprofil genommen werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
In dieser zeigen die
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1 bis 5 schematische,
teilweise geschnittene Darstellungen einer erfindungsgemäßen Infrarot-Trocknungseinheit.
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6 zeigt
in einem Diagramm den Unterschied der Trocknungsintensitätsprofile
der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik.
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1 bis
5 zeigen
jeweils vier Infrarotstrahler
2 im Endbereich einer Reihe,
die zu einer Infrarot-Trocknungseinheit gehören. Einer
der Infrarotstrahler
2 ist der so genannte Endstrahler
2.1 der
Reihe. Die Infrarotstrahler
2 arbeiten entweder als Gasbrenner
oder elektrisch und haben eine Strahlungsfläche
3.1,
3.2 die
auf eine laufende und zu trocknende Warenbahn
4 gerichtet
ist. Der Endstrahler
2.1 wirkt dabei im Wesentlichen auf
den Warenbahnrand
5. Die Infrarotstrahler werden über
ein an ihrer Rückseite befestigtes Mischrohr
6 gehalten, über
das ein Gas-Luft-Gemisch in einer an sich beispielsweise aus der
EP 1 190 138 B1 bekannten
Weise einem Verteilraum und anschließend einem Brennraum
zugeführt wird. Die Infrarotstrahler werden mit ihren Mischrohren
in dem Ausführungsbeispiel gemäß
1 an
einer Traverse
7 drehbar und höhenverstellbar
und ggf. schnellkuppelbar mit Hilfe eines geeigneten Verbindungselementes
8 verbunden.
Auf eine Detaillierung einer separaten Schnellverschlusskupplung
10 wird
hier verzichtet, da sie ebenfalls aus der
EP 1 190 138 B1 der Anmelderin
bekannt ist. Die Drehbarkeit kann in einfacher, nicht dargestellter
Weise dadurch realisiert werden, dass ein Kupplungselement oder
ein damit gepaartes Bauteil mit einem Gelenk verbunden oder in einer
Führungsschiene oder einem Langloch gelagert ist.
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1 zeigt
den Endstrahler 2.1 in einer gekippten Darstellung. Der
Kippwinkel α sollte zwischen 5° und 60° betragen.
An der Verbindungsstelle zum vorletzten Infrarotstrahler befinden
sich beide noch auf gleichem Niveau, während sich der Endstrahler 2.1 und
damit auch seine Strahlungsfläche 3.2 zum Warenbahnrad 5 hin
zur Warenbahn 4 neigt. Durch die Randnähe von
Warenbahn 5 und Strahlungsfläche 3.2 kann
nur wenig Strahlungsenergie seitlich entweichen.
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Die 2 bis 5 zeigen
alternative Anordnungen der Endstrahler 2.1. In 2 ist
der Endstrahler 2.1 deutlich näher an der Warenbahn
als ein Infrarotstrahler 2 in der Bahnmitte. Um den Übergang nicht
zu schroff zu gestalten, sind die dem Endstrahler 2.1 benachbarten
Infrarotstrahler stufenförmig bis auf das Niveau der mittleren
Infrarotstrahler 2 angeordnet. Als alternative Ausgestaltung
weisen die Strahlungsflächen 3.1, 3.2 der
seitlichen Infrarotstrahler in 3 anstatt
einer Treppenform einen zur Bahn hin gekrümmten Verlauf
auf.
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4 stellt
einen verlängerten Endstrahler 2.1 dar. Dadurch
wird die Welligkeit im Trocknungsprofil, wie sie durch der Warenbahn 4 nah
angeordnete Infrarotstrahler entstehen kann, vermieden. Auf dieses
Phänomen wird bei der Beschreibung bezüglich 6 noch
genauer eingegangen.
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Eine
alternative Ausgestaltung des Endstrahlers kann vorsehen, dass die
Strahlungsfläche wie in 5 schräg
angebracht ist. Auf diese Weise bilden die Oberseiten der Infrarotstrahler
eine durchgehende Fläche. Die Gesamtanlage wirkt dann optisch
ansprechender. Dabei kann die Strahlungsfläche 3.2 schwenkbar
angebracht sein, so dass einfache Justierungsmöglichkeiten
für das Trocknungsprofil gegeben sind, die bevorzugt fernsteuerbar durch
Winkeländerung einstellbar sind.
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6 erklärt
die Erfindung anhand eines Diagramms. Auf der Abszisse ist beispielhaft
eine Warenbahn mit 3000 mm Breite angegeben. Die Ordinate gibt numerisch
die Trocknungsintensität an, die auf die Warenbahn wirkt.
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Es
sind drei unterschiedliche Kurvenverläufe dargestellt,
die die Bezeichnungen A, B und C erhalten haben. A und B zeigen
das Verhalten einer Infrarot-Trocknungseinheit gemäß dem
Stand der Technik. Bei Kurve A hat man einen Abstand der Strahlungsflächen
aller Infrarotstrahler gleichbleibend über die Bahnbreite
von ca. 60 mm gewählt. Deutlich ist die geringere Trocknungsintensität
im Bereich der Zwischenräume zwischen den einzelnen Infrarotstrahlern
zu erkennen. Dadurch ergibt sich der wellenförmige Verlauf
der Kurve. An den Rändern zeigt sich ein deutlicher Abfall
der Trocknungsintensität, weil die seitlichen Strahlungsverluste
sehr groß sind. Man kann das wellenförmige Profil
wie in Kurve B dadurch verhindern, dass man den Abstand der Strahlungsflächen
von der Warenbahn vergrößert. Darunter leidet
die Energieübertragung am Warenbahnrand aber noch deutlicher.
Ihr Absolutwert sinkt sehr tief ab.
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In
Kurve C ist dagegen das Trocknungsprofil dargestellt, das man erhält,
wenn die Erfindung verwendet wird. Der Abfall am Rand ist nur sehr
gering und das Gesamtniveau der Trocknungsintensität ist zumindest
so groß, wie es bei der Kurve B aus dem Stand der Technik
wäre und zeigt vor allem ein sehr viel ebeneres Profil
als im Stand der Technik.
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Von
den dargestellten Ausführungsformen kann in vielfacher
Hinsicht abgewichen werden, ohne den Grundgedanken der Erfindung
zu verlassen. Insbesondere kann auch die Warenbahn an den Rändern
näher zu den Endstrahlern geführt werden. In diesem
Fall können alle Infrarotstrahler in einer Linie verlaufen
und die Warenbahn hat eine gekrümmte Form.
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Es
ist auch möglich, die Höhen- und Winkelverstellung
der einzelnen Infrarotstrahler nach einer online hinter der Infrarot-Trocknungseinheit
vorgenommenen Feuchtigkeitsmessung des Querprofils der Warenbahn über
einen Prozessor und Stellglieder zu steuern bzw. zu regeln.
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- 1
- Infrarot-Trocknungseinheit
- 2
- Infrarotstrahler
- 2.1
- Endstrahler
- 3.1,
3.2
- Strahlungsfläche
- 4
- Warenbahn
- 5
- Warenbahnrand
- 6
- Mischrohr
- 7
- Traverse
- 8
- Verbindungselement
- 9
- Reihe
(von Infrarotstrahlern)
- 10
- Schnellkupplung
- 11
- Versorgungsleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1190138
B1 [0002, 0024, 0024]
