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Die
Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung zum induktiven Erwärmen einer
Kalanderwalze nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die
induktive Beheizung von Walzenoberflächen ist für sich genommen bekannt. Aus
DE 34 29 695 C2 ist
darüber
hinaus bekannt, dass bei einer Walzenanordnung die Kalanderwalze
zum Ausbilden eines Nips mit in der Regel einer anderen Walze dient.
Durch den Nip wird eine Materialbahn, insbesondere eine Papier-
oder Kartonbahn, geführt.
Beim Durchlaufen des Nips wird die Materialbahn mit erhöhtem Druck
und vielfach auch mit erhöhter
Temperatur beaufschlagt. Durch diese Behandlung wird die Oberfläche der
Papierbahn geglättet.
Darüber
hinaus wird die Papierbahn verdichtet. Die erhöhte Temperatur wird normalerweise
durch die Beheizung einer Kalanderwalze, die sogenannte Thermowalze,
bereitgestellt. Der Kalanderwalze wird hierzu Wärmeträgermedium zugeführt. Dabei
ist der erreichbaren Arbeitstemperatur aber eine Grenze gesetzt,
die im Bereich von 230°C
bis 250°C
liegt.
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Damit
die Oberfläche
des arbeitenden Walzenmantels der Kalanderwalze höhere Temperaturen erreicht,
wird durch eine induktive Beheizung in der arbeitenden Walzenoberfläche selbst
Wärme erzeugt,
die nicht erst durch die gesamte Dicke der Kalanderwalze hindurchströmen muss.
Die erzeugte Wärmemenge
kann über
die eingebrachte elektrische Leistung leicht gesteuert werden. Dabei
soll nicht die gesamte Wärmemenge
auf induktivem Wege bereitgestellt werden, sondern die Grundbeheizung
bis etwa zu einer Temperatur im Bereich von 170°C an der Walzenoberfläche soll
auf konventionelle Weise durch Hindurchleiten eines Wärmeträgermediums
geleistet werden. Die induktive Beheizung sorgt für eine zusätzliche über die
konventionell erreichbare Oberflächentemperatur
hinausgehende Temperatur. Auf diese Weise bleibt der Aufwand für die induktive
Beheizung leistungsmäßig im Rahmen. Die
Grundbeheizung mit überlagerter
induktiver Beheizung erlaubt Walzenoberflächentemperaturen bis etwa 300°C. Nachteilig
hierbei ist jedoch, dass die Beheizung nicht hinreichend gleichmäßig ist.
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Aus
DE 10 2005 025 997
A1 ist bekannt, eine Induktoranordnung radial außen an dem
Belag einer Kalanderwalze anzuordnen, wobei der Belag elastisch
und elektrisch leitfähig
ist. Auf diese Weise ist es möglich,
auch über
eine weiche Walze eine erhöhte Temperatur
bereitzustellen, mit der die Papierbahn oder eine andere Materialbahn
in einem Kalander beaufschlagt werden kann. Bei der induktiven Beheizung
wird die Wärme
durch Wirbelströme
erzeugt, die mit Hilfe der Indukturanordnung in dem elastischen
Belag induziert werden. Die Wirbelströme erzeugen eine elektrische
Verlustleistung, die sich wiederum in einer erhöhten Temperatur niederschlägt. Diese
erhöhte
Temperatur kann dann im Nip an die Papierbahn übertragen werden, die an der
Oberfläche
der Kalanderwalze anliegt. Die Induktoranordnung weist vorzugsweise
mindestens eine Leiterschleife mit zwei Leitern auf, die sich achsparallel
zur Walze erstrecken. Die beiden Leiter werden in jeweils entgegengesetzter
Richtung von Strom, vorzugsweise Wechselstrom, durchflossen. Diese
Ströme
induzieren dann ein Magnetfeld, das sich im elektrisch leitfähigen Belag
konzentriert und dort die Wirbelströme erzeugt. Nachteilig ist
auch hier, dass die Beheizung nicht hinreichend gleichmäßig ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Heizvorrichtung zum induktiven
Erwärmen
einer Kalanderwalze zu schaffen, die eine verbesserte Erwärmung der
Oberfläche
des arbeitenden Walzenumfangs der Kalanderwalze erlaubt.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Hierdurch
wird eine Heizvorrichtung zum induktiven Erwärmen einer Kalanderwalze geschaffen, mit
der eine gleichmäßige Beheizung
der Kalanderwalze mit geringem Aufwand möglich ist. Die Induktoreinrichtung
bzw. ein Induktor wird mit hoher Genauigkeit zur Walze gerade gehalten. Örtliche
Abweichungen von der Geradheit des Induktors, die zu Störungen der
Temperaturverteilung in der Oberfläche der Thermowalze führen würden, werden
vermieden.
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Es
ist bekannt, dass eine geringe Änderung des
spaltförmigen
Abstandes zwischen Oberfläche des
Walzenumfangs und dem Induktor zu einer erheblichen Veränderung
der induzierten Wärme
führt. Unterschiedlich
induzierte Wärme
entlang der Walzenlänge
führt im
Nip der Walzenanordnung, und zwar über die Bahnbreite einer Materialbahn,
insbesondere einer Papier- oder Kartonbahn, zu einer ungleichmäßigen Wärmeübertragung.
Dadurch kann die Qualität
der Materialbahn beeinträchtigt
werden, insbesondere können
sich ungleichmäßige Profile
für Glanz
und Glätte über die
Bahnbreite ergeben.
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Überraschenderweise
wurde erfindungsgemäß festgestellt,
dass durch eine Verminderung des Einflusses der Wärmeausdehnung
der tragenden Teile der Induktoranordnung, verursacht durch Wärmestrahlung
und/oder Konvektion von der erwärmten Kalanderwalze,
die Temperaturverteilung in der Oberfläche der Kalanderwalze deutlich
verbessert ist. Insbesondere werden Abweichungen von der Geradheit
des Induktors minimiert. Die Abstandsempfindlichkeit des Induktors
zur Kalander walze wird erfindungsgemäß dadurch beachtet, dass der
Induktor zum Walzenumfang praktisch unabhängig von den jeweiligen Betriebsbedingungen
gerade bleibt, um unerwünschte
Nebeneffekte zu vermeiden. Durch eine Querverschieblichkeit des
Induktors gegenüber dem
Tragbalken, kann sich dieser Ausdehnen, so dass ein Verbiegen desselben
vermieden wird.
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Vorzugsweise
wird der Induktor parallel zur Kalanderwalze gehalten. Dabei kann
der Induktor querverschieblich an den Rippen angebracht sein und/oder
die Rippen können
neigbar ausgebildet sein.
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Die
Rippen bilden vorzugsweise Abstandsgeber für den Tragbalken gegenüber der
Kalanderwalze zur Reduzierung der Wärmestrahlung und/oder Konvektion
auf den Tragbalken. Die Rippen sind dabei vorzugsweise dünn und gegenüber der
Dicke eines Stromleiters lang ausgebildet.
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Der
Induktor weist vorzugsweise mindestens eine Stromschleife auf, die
achsparallel zur Kalanderwalze sich erstreckt. Der Induktor überstreicht eine
Walzenlänge
der Kalanderwalze dann auf der kürzestmöglichen
Strecke. Der Induktor kann einen Stromleiter umfassen, der ein vollmanteliger
elektrisch leitender Körper
ist. Insbesondere dann, wenn die induktive Heizvorrichtung nur für mittlere
Temperaturen der Umfangsoberfläche
der Kalanderwalzen zu sorgen hat, insbesondere im Bereich von 80
bis 130°C,
kann zum Superkalandrieren von Papier- oder Kartonbahnen ein solcher
Stromleiter eingesetzt werden.
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Alternativ
kann der Stromleiter als Hohlleiter ausgebildet sein, der zudem
kühlbar
sein kann, für ein
Erwärmen
der Umfangsoberfläche
auf Temperaturen über
300°C, insbesondere
350°C bis
400°C, die
beispielsweise bei einem Langnipkalandrieren mit einem Schuhkalander
Verwendung finden.
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Der
Induktur kann zur Einstellung eines Stromleitungsprofils längs der
Kalanderwalze ausgebildet sein, wodurch die Randbereiche der Kalanderwalze
im Nip andere Wärmemengen übertragen
können
als mittlere Bereiche.
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Der
Tragbalken kann kühlbar
sein, um die Wärmeausdehnung
desselben durch von integrierten Versorgungseinheiten der Induktoreinrichtung
abgestrahlte Wärme
zu reduzieren.
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Schließlich kann
eine Schutzabdeckung vorgesehen sein, die ein Hitzeschild bildet
für den
Induktor und den Tragbalken.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung
und den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen
dargestellten Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
erläutert.
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1 zeigt
schematisch eine Seitenansicht einer Walzenanordnung mit einer Heizvorrichtung zum
induktiven Erwärmen
der Umfangsoberfläche
einer Kalanderwalze gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel,
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2 zeigt
schematisch eine Ansicht von Rippen mit angebrachter Induktoreinrichtung
in Bezug auf die Kalanderwalze,
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3 zeigt
schematisch im Querschnitt einen Ausschnitt von 1 in
vergrößerter Darstellung bezüglich der
Heizvorrichtung,
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4 und 5 zeigen
jeweils schematisch im Querschnitt einen vergrößert dargestellten Ausschnitt
einer Induktoranordnung gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel,
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6 zeigt
schematisch eine Draufsicht der Induktoranordnung gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel,
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7 zeigt
schematisch eine Vorderansicht der Induktoranordnung gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel,
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8 zeigt
schematisch eine Seitenansicht einer Kalanderwalze mit einer zugeordneten
Heizvorrichtung gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt
eine Heizvorrichtung 1 zum induktiven Erwärmen einer
in einer Walzenanordnung 2 umlaufenden Kalanderwalze 3.
Die Kalanderwalze 3 besitzt mindestens eine elektrisch
leitende Umfangsoberfläche,
die vorzugsweise aus ferro-magnetischem Material besteht.
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Eine
derartige Kalanderwalze 3 wirkt mit einer anderen Kalanderwalze 4 zusammen
und bildet mit dieser einen Nip 5, durch den eine Materialbahn 6 geführt ist.
In dem Nip 5 wird die Materialbahn 6 mit erhöhtem Druck
beaufschlagt, wozu ein Belastungszylinder 7 vorgesehen
sein kann, der beispielsweise die andere Kalanderwalze 4 gegen
die beheizbare Kalanderwalze 3 presst. Im Nip 5 wird
die Materialbahn 6 auch mit erhöhter Temperatur beaufschlagt, wozu
die Kalanderwalze 3 über
die Heizvorrichtung 1 erwärmbar ist.
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Bei
der Walzenanordnung 2 kann es sich um einen Kalander mit
harten und weichen Walzen unter Ausbildung von Soft-Nips handeln.
Die Anzahl der Walzen ist wählbar
und beträgt
in einem Walzenstapel vorzugsweise 2 bis 8 Walzen. Mittels der Heizvorrichtung 1 können die
harten und/oder die weichen Walzen einer Walzenanordnung 2 beheizt
werden. Die induktive Beheizung von Walzenoberflächen verlangt insoweit nur,
dass zumindest die Oberfläche des
Walzenumfangs der Kalanderwalze 3 elektrisch leitend ist.
Die Kalanderwalze 3 kann in einem Walzenstapel eine Endwalze
oder eine Mittelwalze bilden. Bei Verwendung als Mittelwalze wird
eine solche Kalanderwalze 3 zweimal überrollt, d. h. bildet zwei Nips,
durch die die Materialbahn 6 geführt wird. Der Nip 5 kann
dabei als harter oder weicher Nip mit Niplängen bis zu üblicherweise
10 mm oder als Langnip mit Niplängen
von üblicherweise
40 bis 300 mm ausgebildet sein. Niplängen von über 300 mm sind je nach Einsatz
von Schuh- und Bandtechniken ebenfalls realisierbar.
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Die
Materialbahn 6 ist vorzugsweise eine Papier- oder Kartonbahn,
die im Nip 5 geglättet
und verdichtet wird.
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Wie 1 bis 3 zeigen,
umfasst die Heizvorrichtung 1 zum Erwärmen der beheizbaren Kalanderwalze 3,
auch Thermowalze genannt, eine Induktoranordnung 8, die
radial zur Kalanderwalze 3 und benachbart eines Umfangsabschnitts 9 der
Kalanderwalze 3 angeordnet ist. Die Induktoranordnung 8 umfasst
dazu einen Tragbalken 10, an dem eine entlang einer Walzenlänge L (vgl. 6)
der Kalanderwalze 3 sich erstreckende Induktoreinrichtung 11 angeordnet
ist. Der Tragbalken 10 weist eine Mehrzahl einzelner zueinander
beabstandeter, der Kalanderwalze 3 zugestellter Rippen 12 auf.
Die Rippen 12 sind mit einem Rippenfuß 13 an dem Tragbalken 10 befestigt
oder einstückig
mit diesem ausgebildet. An den freien Enden 14 der Rippen 12 stützt sich
die Induktoreinrichtung 11 querverschieblich zum Tragbalken 10 ab.
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Der
Tragbalken 10 besteht vorzugsweise aus nicht ferro-magnetischem
Material, wie beispielsweise Edelstahl V4A. Der Tragbalken 10 ist
ferner vorzugsweise als ein Hohlbalken ausgeführt, der als Balken vorzugsweise
achsparellel zur Kalanderwalze 3 positioniert ist. In dem
Tragbalken 10 können
die Funktionsbauteile und Versorgungseinheiten für die Induktoreinrichtung 11 untergebracht
sein. Hierbei handelt es sich insbesondere um einen Generator 15 für die Induktoreinrichtung 11 und
Kühleinrichtungen 16, 17,
die zum Kühlen
des Tragbalkens 10 und/oder der Induktoreinrichtung 11 dienen
können.
Für die Kühlung des
Tragbalkens 10 können
Kühlleitungen 18 an
der den Rippenfüßen 13 zugewandeten
Wand des Tragbalkens 10 geführt sein. Eine Kühlung des Tragbalkens 10 von
innen mit beispielsweise Wasser fördert, dass der Tragbalken 10 unabhängig von
den jeweiligen Temperaturänderungen
möglichst
gerade und stabil bleibt. Für
die Kühlung
können
Kühlwasseranschlüsse 26 vorgesehen
sein, wie in 1 dargestellt.
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Die
Rippen 12 bestehen vorzugsweise aus einem hitzebeständigen Material
und bilden Stützelemente
für die
Induktoreinrichtung 11, kurz Induktor genannt. Die Rippen 12 bilden
eine kammartige (vgl. 2 und 6) oder
rechenartige Vorderfront des Tragbalkens 10. Die Rippen 12 beabstanden
den Tragbalken 10 gegenüber
der Kalanderwalze 3. Die Rippen 12 sind folglich
Abstandsgeber. Die Rippen 12 werden folglich vorgesehen,
um den vorzugsweise gekühlten
Tragbalken 10 von der Kalanderwalze 3 im Abstand
zu halten und das Aufheizen des Tragbalkens 10 durch die
Kalanderwalze 3 zu mindern. Die Rippen 12 bestehen
aus einem Material, das durch Induktion nicht aufheizbar ist.
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Die
Induktoreinrichtung 11 ist senkrecht zu den Rippen 12 angeordnet,
und zwar derart, dass beispielsweise die Induktoreinrichtung 11 querverschieblich
an den Rippen 12 befestigt ist. Hierzu ist eine kraftschlüssige Verbindung
zwischen Induktoreinrichtung 11 und den Rippen 12 vorgesehen.
Eine solche Befestigung der Induktoreinrichtung 11 an den Rippen 12 kann
unter Verwendung von Federelementen 19 als eine vorgespannte
Befestigung ausgebildet sein, die eine kraftschlüssige, lageverschiebliche Verbindung
zwischen Rippen 12 und Induktoreinrichtung 11 ermöglicht.
Die Induktoreinrichtung 11 kann sich dann frei ausdehnen.
Die Rippen 12 sind folglich vorzugsweise quer zur Walzenachse der
Kalanderwalze 3 und die Induktoreinrichtung 11 ist
vorzugsweise achsparallel angeordnet.
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Die
Rippen 12 sind dabei derart dünn ausgebildet, dass diese
Biegescheiben bilden, die bei einer Belastung eine elastische Neigungsbewegung
ausführen
können.
Die Rippenhöhe
beträgt
vorzugsweise ein Mehrfaches der Dicke eines elektrischen Leiters 20 der
Induktoreinrichtung 11.
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Die
Induktoreinrichtung 11 bildet mit der Kalanderwalze 3 an
deren Umfangsabschnitt 9 einen Luftspalt 21 im
Bereich von 3 bis 50 mm. Benachbart zu diesem Luftspalt 21 ist
die Induktoreinrichtung 11 positioniert mit mindestens
einem schleifenförmigen Stromleiter.
Der schleifenförmige
Stromleiter weist zwei elektrische Leiter 20 auf, die in
entgegengesetzer Richtung von Strom durchflossen werden. Die beiden
elektrischen Leiter 20 erstrecken sich parallel zur Walzenachse 22 der
Kalanderwalze 3. Bei dem Strom handelt es sich um einen
Wechselstrom. Die durch die beiden elektrischen Leiter 20 fließenden Ströme erzeugen
ein Magnetfeld, das sich durch den Umfangsabschnitt 9 der
elektrisch leitenden Umfangsoberfläche der Kalanderwalze 3 schließt und darin
die Erwärmung
durch induzierte Ströme
hervorruft. Die Zahl und Anordnung der Leiter 20 richtet
sich nach den Bedürfnissen.
Die Eindringtiefe der Erwärmung
im elektrisch leitenden Umfangsbereich der Kalanderwalze 3 ist
steuerbar. Die elektrisch leitende Umfangsoberfläche der Kalanderwalze 3 kann
von einem elektrisch leitenden Belag gebildet werden, der insbesondere
durch Auftragsschweißen
auf einen Hohlwalzengrundkörper
aufgetragen wurde. Die Kalanderwalze 3 kann zudem als Biegeausgleichswalze
mit inneren Stützelementen
ausgestattet sein. Zusätzlich
oder alternativ kann die Kalanderwalze 3 mit Kanälen für das Durchleiten
eines Wärmeträgermediums
ausgebildet sein, um eine Grundbeheizung in konventioneller Weise
durchführen
zu können.
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Wie
insbesondere 3 bis 5 zeigen, ist
der elektrische Leiter 20 ein elektrisch leitfähiger Körper in
Form eines Hohlleiters. Der hohlleiterförmige Leiter 20 ermöglicht ein
Durchleiten von Kühlwasser.
Dies ist insbesondere für
hohe Stromleistungen der Fall. Die mindestens zwei hohlleiterförmigen Leiter 20 sind
dazu an Kühlleitungen 23 angeschlossen. Wie 7 zeigt,
können
für ein
zonenweises Kühlen der
hohlleiterförmigen
Leiter 20 mehrere Kühlwasseranschlüsse 24 für ein segmentweises
Kühlen
des bzw. der Leiter 20 vorgesehen sein.
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Wie
insbesondere 7, zeigt kann die Induktoreinrichtung 11 zur
Einstellung eines Stromleitungsprofils längs der Kalanderwalze 3 ausgebildet sein.
So kann beispielsweise dem Randbereich der Kalanderwalze 3 eine
weitere Induktorschleife 25 zugeordnet sein, die mit den
Leitern 20 die Induktoreinrichtung 11 bilden.
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Wie 3 bis 6 zeigen,
können
zur kraftschlüssigen
Befestigung der Leiter 20 an den Rippen 12 verschraubte
Bolzen 27 vorgesehen sein, die eine Lageverschieb lichkeit
in Axialrichtung zulassen, wozu auch das Federelement 19 vorgesehen
ist, wie vorstehend ausgeführt.
Eine solche Befestigung der Leiter 20 erfolgt vorzugsweise
nur an jeder zweiten Rippe 12.
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Bei
einer hohen Erwärmung
der Kalanderwalze 3 auf Temperaturen über beispielsweise 250°C ist vorzugsweise
zum Schutz der Induktoranordnung 8 eine Schutzabdeckung 28 vorgesehen.
Die Schutzabdeckung 28 bildet ein Hitzeschild. Die Schutzabdeckung 28 umfasst
vorzugsweise einzelne Segmente, die über Bolzen 29 an den
Rippen 12 befestigt sind. Eine Befestigung der Schutzabdeckung 28 an
Rippen 12 alterniert vorzugsweise mit einer Befestigung der
Induktoreinrichtung 11 an Rippen 12. An einer Rippe 12 ist
folglich entweder die Induktoreinrichtung 11 bzw. die Leiter 20 oder
die Schutzabdeckung 28 befestigt.
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8 zeigt
in vereinfachter schematischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei der die Leiter 20 als Vollmantelleiter
ausgebildet sind. Wie durch einen Punkt und durch ein Kreuz angedeutet,
sind die beiden Leiter 20 in unterschiedlicher Richtung
von Strom durchflossen zur Ausbildung einer Leiterschleife. Insbesondere
bei einer Erwärmung
der Umfangsoberfläche
der Kalanderwalze 3 auf niedrigere Temperaturen sind solche Leiter 20 ausreichend.
Auch kann eine Schutzabdeckung entfallen. Im Übrigen gelten die vorstehenden Ausführungen
entsprechend.