DE102012209614B3

DE102012209614B3 - Entwässerung von Faserstoff mit Ultraschall

Info

Publication number: DE102012209614B3
Application number: DE102012209614A
Authority: DE
Inventors: Prof.Dr. Großmann Harald; Erich Kollmar; Hendrik Krug; Tobias Brenner; Matthias Wanske; Uwe Müller
Original assignee: Bellmer Maschinenfabrik Geb GmbH; Gebr Bellmer Maschinenfabrik GmbH; Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2012-06-07
Filing date: 2012-06-07
Publication date: 2013-12-12
Anticipated expiration: 2032-06-08
Also published as: WO2013182654A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur mechanischen Entwässerung mittels Ultraschall, wobei eine kontinuierlich vorschiebbare Faserstoffbahn beidseitig zwischen zwei Bahnführungen gleicher oder größere Breite eingespannt ist und an mindestens einer Wirkstelle eine Ultraschallsonotrode an die erste Bahnführung angepresst wird. Die erste Bahnführung dient dabei der Einleitung des Ultraschalls in die Faserstoffbahn bei vorteilhaft minimalen Reflexionsverlusten. Die Ankopplung der Ultraschallsonotrode an die Faserstoffbahn wird weiterhin dadurch begünstigt, dass die Sonotrode mittels ihrer Aufhängung und/oder durch die Spannung der zweiten Bahnführung an die erste Bahnführung angepresst wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur mechanischen Entwässerung von feuchtigkeitsbeladenen Faserstoffen mittels Ultraschall, sowie die Verwendung der Vorrichtung zur Durchführung des verfahrens.
Die Papierindustrie zählt zu den fünf größten industriellen Energieverbrauchern in Deutschland. Für die Produktion von einer Tonne Papier sind durchschnittlich 1000 kWh an Elektroenergie und ca. 2000 kWh an Wärme aufzuwenden. Die in Form von Dampf einzusetzende Wärme wird dabei fast ausschließlich zur thermischen Trocknung des Papiervlieses benötigt, so dass dieser Verfahrensschritt den größten Anteil am gesamten Energiebedarf bei der Papierproduktion hat und somit auch maßgeblich zu den Produktionskosten beiträgt.
Bei der industriellen Papierherstellung in Papiermaschinen wird aus einer wässrigen Faserstoffsuspension auf einem Siebband eine endlose Faserstoffbahn (Papierbahn) gebildet. Dieser Teil der Papiermaschine wird Siebpartie genannt. Die Papierbahn besitzt am Ende des Siebbandes einen niedrigen Trockengehalt (ca. 20%), für den Verkauf muss sie jedoch auf Gleichgewichtsfeuchte also auf einen Trockengehalt von etwa 94–96% entwässert bzw. getrocknet werden.
In der Papiermaschine ist der Siebpartie direkt die Pressenpartie nachgeschaltet. In der Pressenpartie wird die Papierbahn zwischen zwei umlaufenden Filzen mechanisch auf ca. 50% Trockengehalt entwässert. In der anschließenden Trockenpartie wird die Papierbahn über Trockensiebe an dampfbeheizte Stahlzylinder geführt und thermisch auf den Endtrockengehalt getrocknet. Insbesondere die thermische Entfernung des Wassers aus der Papierbahn (Papiervlies) erfordert einen sehr hohen Energiebedarf. Unter Trocknung wird im Zusammenhang dieser Anmeldung jede Erhöhung des Trockengehalts einer Faserstoffbahn durch thermisch bedingte Verdampfung des enthaltenen Wassers verstanden. Gleichsam wird mit Entwässerung die mechanisch bedingte Erhöhung des Trockengehalts einer Faserstoffbahn bezeichnet.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Möglichkeiten zur Entwässerung der Faserstoffbahn mittels Ultraschall bekannt. Jedoch wird keines der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren bislang in der tatsächlichen Papierproduktion eingesetzt, da mit diesen zu erreichende Trockengehaltsgewinne nicht ausreichend und gleichzeitig die apparativen Voraussetzungen sehr hoch sind. Diese Probleme ergeben sich insbesondere aus einer mangelnden Kopplung des Ultraschalls an die zu entwässernde Papierbahn.
Dieses Problem wurde zuletzt vor mehr als 50 Jahren von der Fachwelt gewürdigt. So wird mit der DE 943 029 eine Einrichtung zum Beschallen von Papierbahnen bei ihrer Herstellung in der Papiermaschine beschrieben, die ein gleichmäßiges Heranbringen der Ultraschallwellen an das noch nasse Gut ermöglichen soll. Dies wird gemäß der Druckschrift dadurch erreicht, dass ein wassergefüllter Behälter als Schallüberträger verwendet wird, über dessen Wasseroberfläche die Papierbahn unmittelbar hinweggeleitet wird. Es versteht sich von selbst, dass die Ultraschallquelle dabei nur unterhalb der Papierbahn angebracht sein kann. Darüber hinaus erscheint die Anwendung dieser Methode in heutigen, kompakten Papiermaschinen, in denen die Faserstoffbahnen Geschwindigkeiten bis zu 1800 m/min aufweisen sowie in Anbetracht des zu erreichenden Ziels, der Entwässerung des Papiers, als ungeeignet.
In den anderen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, die über das Versuchsstadium zumeist nicht hinausgekommen sind, wird die Frage der Ankopplung des Schalls nur untergeordnet gewürdigt.
Die US 4,729,175 A beschreibt ein Verfahren zur Trocknung von Papierbahnen, in dem die Schritte des mechanischen Presstrocknens und des Entwässern mittels Ultraschall miteinander kombiniert werden. Dadurch sollen Trocknungsgrade erzielbar sein, die mit mechanischem Auspressen der Feuchtigkeit allein nicht erreichbar wären. Gemäß der Schrift hängt der zu erreichende Trocknungsgrad beim Presstrocknen 1.) von der Stärke das ausgeübten Druckes, 2.) der Art des Druckes, insbesondere ob es sich um Über- oder Unterdruck handelt, 3.) der Wassertemperatur und 4.) von der Porosität der Faserstoffbahn ab. In diesem Sinne kann durch die Integration von Ultraschall in die bekannten Pressverfahren der maximale auf die Faserstoffbahn ausgeübte dynamische Druck erhöht werden, die Wassertemperatur erhöht und ein Unterdruck simuliert werden. Dabei ist der durch den Ultraschall in der Faserbahn erzeugte Druck eine Funktion von Amplitude und Frequenz der Schallwellen sowie der Porosität und der Schallgeschwindigkeit in der Faserbahn. Beispielsweise könne der auf die Faserbahn ausgeübte Druck einfach durch Erhöhung der Vibrationsamplitude verstärkt werden. Gemäß der Schrift wird eine Ultraschallsonotrode mittels eines Hydraulikzylinders oder einer Kompressionsfeder so an die Faserbahn gepresst, dass sowohl ein zum Presstrocknen ausreichender Druck als auch eine gute Kopplung zwischen Faserbahn und Ultraschallgenerator erzeugt wird. Die Faserbahn wird dabei auf einem groben, der Breite der Faserbahn entsprechendem Sieb kontinuierlich an der Sonotrode entlang bewegt. Das Sieb befindet sich dabei zwischen der Faserbahn und einer der Sonotrode gegenüberliegenden sowie optional beheizbaren Pressmatrize. Gemäß der Schrift wird der Ultraschall dabei immer direkt auf die zu trocknende Faserbahn ausgeübt, eine ausreichende Kopplung sei ausschließlich durch den Anpressdruck der Sonotrode garantiert.
Auch gemäß jüngerer Schriften zur Entwässerung von Faserstoffbahnen erfolgt die Ankopplung der Ultraschallgeber direkt auf die Faserbahn. So beschreibt zum Beispiel die WO 00/19007 eine Methode zur Entwässerung eines bewegten, wasserhaltigen Fasernetzes mit Hilfe einer Vielzahl von Ultraschallgebern. Grundlegend ist dabei, dass der Ultraschall in Form kurzer Pulse auf das Fasernetz übertragen wird, wobei Pulszeiten zwischen 0,0001 bis 10 s bevorzugt sind. Zur Erzeugung dieser Pulse wird das Band mit hoher Geschwindigkeit über mindestens einen Ultraschallemitter geführt, der dieselbe Breite wie das Fasernetz aufweist in dessen Bewegungsrichtung jedoch wesentlich kleinere Ausmaße aufweist (0,1–5% der Breite). Dabei wird explizit beschrieben, dass das Fasernetz mittels einer direkt kontaktierenden mechanischen Vorrichtung zur Hochfrequenzschwingungen angeregt wird. Eine Kopplung kann also auch dabei nur durch Anpressen des Ultraschallemitters erfolgen.
Die DE 321 87 48 A1 beschreibt eine Entwässerungspresse, wobei eine zwischen zwei saugfähigen Bändern transportierte Faserstoffbahn unter Pressung zwischen einer Presswalze und mindestens einem Presstuch läuft. Dabei wird durch die Presstücher über eine weite Fläche („lange Pressspalte”) ein die Entwässerung der Faserbahn bewirkender Druck aufgebaut. Um dabei die Reibung zwischen den Presstüchern und der Faserstoffbahn zu verringern und somit zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften des herzustellenden Papiers beizutragen wird ein Ultraschallfeld auf die Presszone gerichtet. Unter anderem zur Einleitung des Ultraschallfeldes in die Presszone wird eine Verbindungsflüssigkeit eingesetzt, die Ultraschallgenerator und Presstuch verbindet. Über die Reduktion der Reibung hinaus fördert das Ultraschallfeld selbst die Entwässerung der Faserstoffbahn. Die Abhängigkeit des Entwässerungsprozesses von dem Einsatz einer Verbindungsflüssigkeit sowie der komplizierte Aufbau der Presse an sich sorgen für eine hohe Fehleranfälligkeit bei der Verwendung der beschriebenen Vorrichtung zur Trocknung von Faserbahnen.
In der DE 103 47 587 A1 wird eine Sieb-, Press- oder Trockenanordnung zur Entwässerung einer Faserstoffbahn offenbart, die ein in der Anordnung befindliches Mittel zur Erzeugung hochfrequenter Schwingungen enthalten. Bei diesem Mittel handelt es sich gemäß der Schrift um eine Leit- oder Umlenkwalze, in der hochfrequent Schwingungen, insbesondere Mikrowellen oder Ultraschallwellen, angeregt werden. Durch die schwingenden Walzen direkt bzw. über Filze oder Siebe werden die Schwingungen dann auf die Faserbahn übertragen. Eine ausführbare Ausgestaltung der Anordnung, insbesondere in Hinsicht der Ankopplung des Ultraschalls an die Faserbahn ist in der Schrift nicht offenbart.
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass das Problem der Ankopplung eines Ultraschallfeldes an eine Faserstoffbahn mit dem Ziel einer optimierten mechanischen Entwässerung des Faserstoffs in den letzten Jahrzehnten von der Fachwelt missachtet wurde. Stattdessen wurden Technologien zur berührungslosen Einleitung von Ultraschallfeldern in feuchtigkeitsbeladene Faserstoffbahnen, mit dem Ziel der Entwässerung sowie Manipulation der Struktur des Faserstoffs, weiterverfolgt. Mit Hilfe derartiger berührungsloser Technologien versprach man sich den Einflussbereich der Schallwellen exakt auf die gewünschte Stelle und in der gewünschten Orientierung einstellen zu können.
Beispielsweise beschreibt die DE 32 080 02 A1 ein Verfahren zur Entwässerung von Papierbahnen, in dem Ultraschallerzeuger beidseitig einer bewegten Faserstoffbahn angeordnet werden. In beiden Erzeugern werden längsgerichtete Schallschwingungen erzeugt, wobei die Phasenverschiebung und/oder die Frequenzdifferenz der einzelnen Schallschwingungen so eingestellt wird, dass an der zu behandelnden Stelle durch die Superposition der beiden Schallfelder ein Bereich der maximalen Trocknungswirkung erzielbar ist.
Die DE 100 22 110 B4 beschreibt die Ausrichtung von Fasern einer Faserstoffbahn durch die Einwirkung von ein oder zwei gerichteten Schallfeldern. Darüber hinaus können durch gerichtete Schallfelder mehrere übereinander gelegte Faserstoffbahnen miteinander verwebt werden; bereits verhakte Fasern in der Bahn gelöst und damit deren Immobilitätspunkt hinaus gezögert sowie Wasser aus der Faserstoffbahn herausgepresst werden. Darüber hinaus können Farbpartikel und/oder Fasern mittels oszillierender oder intermittierender Felder in bestimmten Mustern ausgerichtet werden, wobei diese Muster innerhalb des Papiers liegen und somit zur Fälschungssicherheit desselben beitragen können. Gemäß der Schrift kann durch den Einsatz gerichteter Schallfelder zudem der Auftrag von Farbpartikeln in einer Streichmaschine verbessert und homogenisiert werden. Eine Kopplung des Schallerzeugers an die Faserbahn wird dabei nicht beschrieben, vielmehr werden die Schallfelder aus einiger Entfernung in die Papierbahn eingeleitet.
Zwar weisen die berührungslosen Verfahren zur Entwässerung von Faserstoffbahnen im Zuge der Papierherstellung auch Vorteile auf, bspw. hinsichtlich der einstellbaren Orientierung der Fasern oder beim Erzeugen von strukturellen, dem Papier inhärenten „Wasserzeichen”. Wie eigene Versuche der Anmelderin gezeigt haben, ist mit derartigen Verfahren jedoch kein wirtschaftlich sinnvoller Trockengehaltsgewinn erreichbar.
Gerade in Zeiten zunehmender Ressourcenknappheit besteht bei der Papierherstellung jedoch weiterhin das Bedürfnis die thermische Trocknung weiter durch effektive Maßnahmen der mechanischen Entwässerung zu ersetzen. Eine Faustregel besagt dabei, dass schon ein Zugewinn von 1% Trockengehalt durch mechanische Entwässerung eine Ersparnis von 4 bis 5% der zur Trocknung notwendigen Energie ermöglicht.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entwässerung von Papier mit Ultraschall bereitzustellen. Dabei sollen wirtschaftlich sinnvolle Trockengehalte bei minimalem Energieeintrag und mit vergleichbar geringem apparativem Aufwand erreichbar sein. Insbesondere sollen größere als bisher maximal erreichbare Trockengehalte auf mechanischem Weg erzielbar sein, um so die für die thermische Trocknung notwendige Energie auf ein Minimum zu reduzieren.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 5 sowie eine Verwendung gemäß Anspruch 7. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweils rückbezogenen Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung, aufweisend

– eine kontinuierlich bewegbare Bahnführung mit derselben oder einer größeren Breite als die Faserstoffbahn, die die Faserstoffbahn beidseitig einspannt, bestehend aus
– einer wasserdurchlässigen ersten Bahnführung aus einem ersten Material mit der Schallkennimpedanz Z1 und einem Wasserrückhaltevermögen von maximal 5%, bevorzugt 10% bezogen auf das Eigengewicht, die eine Seite der Faserstoffbahn überdeckt sowie
– einer wasserdurchlässigen zweiten Bahnführung, welche die andere Seite der Faserstoffbahn überdeckt, wobei
– an mindestens einer Wirkstelle eine Ultraschallsonotrode aus einem Material mit der Schallkennimpedanz Z_S an die erste Bahnführung angepresst ist und
– der Betrag des Schallreflexionsfaktor r₁ = (Z₁ – Z_S/Z₁ + Z_S) für eine senkrecht einfallende Welle einen Wert zwischen 0 und 0,25 annimmt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt vorteilhaft die effiziente sowie energiesparende Entwässerung von Faserstoffen, insbesondere Faserstoffbahnen. Bei den Faserstoffbahnen handelt es sich dabei um Faserstoffbahnen zur Papierherstellung mit einem Flächengewicht von 20 bis 150 g/m², um Faserstoffbahnen zur Kartonherstellung mit einem Flächengewicht von 150 bis 600 g/m² oder um Faserstoffbahnen zur Pappenherstellung mit einem Flächengewicht von größer 600 g/m².
Bei der industriellen Papierherstellung in Papiermaschinen wird aus einer wässrigen Faserstoffsuspension auf einem Siebband eine endlose Faserstoffbahn (Papierbahn) gebildet.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist diese Faserstoffbahn, die im Vergleich zu ihrer Länge eine geringe Breite und eine zu vernachlässigende Höhe aufweist, beidseitig zwischen zwei Bahnführungen gleicher oder größerer Breite eingespannt. Die Faserstoffbahn ist dabei kontinuierlich vorschiebbar ausgebildet, wird also konstant aus einer Suspension erzeugt und nach der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgenden Trocknung auf die gewünschte Größe abgelängt. Um die kontinuierlich vorschiebbare Faserstoffbahn einspannen zu können, sind die Bahnführungen kontinuierlich bewegbar, insbesondere als endlose Bänder, ausgebildet. Die Bahnführungen weisen dabei eine für diese Art der Führung geeignete Elastizität auf. Um eine Erhöhung des Trockengehaltes der zwischen den Bahnführungen eingespannten Faserstoffbahn zu ermöglichen sind sie wasserdurchlässig ausgebildet. Bevorzugt sind die Bahnführungen als Siebbänder, Gewebebänder, Drahtgeflechte oder Gelegebänder ausgebildet. Die zweite Bahnführung ist ebenfalls bevorzugt als Pressfilz oder Presstuch ausgebildet.
Erfindungsgemäß ist die Bahnführung zweiteilig aus einer ersten und einer zweiten Bahnführung aufgebaut, wobei die erste Bahnführung die Faserstoffbahn von einer Seite vollflächig bedeckt und die zweite Bahnführung die Faserstoffbahn von der anderen Seite vollflächig bedeckt. Die erste Bahnführung besteht dabei aus einem Material mit einem Wasserrückhaltevermögen von maximal 5%, bevorzugt maximal 3% und besonders bevorzugt maximal 1% bezogen auf das Eigenwicht der Bahnführung. Insbesondere Pressfilze, Presstücher oder andere saugfähige Materialien sind somit nicht für die erste Bahnführung geeignet. Das Wasserrückhaltevermögen wird durch gravimetrische Bestimmung des Gewichtes der Probe vor und nach Abschleudern mit 3000-facher Erdbeschleunigung für 10 Minuten (in Anlehnung an ZELLCHEMING Merkblatt IV/33/57)) bestimmt.
Die die Faserstoffbahn beidseitig einspannenden Bahnführungen bestehen bevorzugt aus einer wasserdurchlässigen ersten Bahnführung aus einem ersten Material, die eine Seite der Faserstoffbahn überdeckt, sowie einer wasserdurchlässigen zweiten Bahnführung aus einem zweiten Material, welche die andere Seite der Faserstoffbahn überdeckt. Dabei handelt es sich bei dem ersten und dem zweiten Material um gleiche oder verschiedene Materialien.
Erfindungsgemäß ist an mindestens einer Wirkstelle eine Ultraschallsonotrode an die erste Bahnführung angepresst. Die Sonotrode ermöglicht dabei die steuerbare Erzeugung von Ultraschall mit einer begrenzt einstellbaren Frequenz und Amplitude. Über einen mit der ersten Bahnführung in Kontakt sowie starr stehenden und insbesondere nicht rotierenden Teil der Sonotrode, werden bei deren Betrieb Schallschwingungen in die erste Bahnführung und über diese in die feuchte Faserstoffbahn eingeleitet. Ebenfalls bevorzugt weist die erfindungsgemäße Vorrichtung mehr als eine solche Wirkstelle auf.
Die Einleitung des Ultraschalls in die Faserstoffbahn über die erste Bahnführung erlaubt vorteilhaft die Einleitung des Ultraschalls ohne große Reflexionsverluste an den Grenzflächen zwischen Sonotrode und erster Bahnführung sowie zwischen erster Bahnführung und Faserstoffbahn. Dazu weist das Material der ersten Bahnführung bevorzugt akustische Eigenschaften, insbesondere eine Dichte und eine materialspezifische Schallausbreitungsgeschwindigkeit, auf, die den entsprechenden Kenngrößen der Sonotrode quantitativ nahe kommen. Das Material der zweiten Bahnführung ist bevorzugt so gewählt, dass möglichst viele der Ultraschallwellen an der Grenzfläche von Faserstoff und zweiter Bahnführung und/oder an der Grenzfläche von zweiter Bahnführung und dem umgebenden Medium zurück in die Faserstoffbahn reflektiert werden. In Kombination sorgt die Wahl dieser Materialien für die erfindungsgemäßen Bahnführungen für einen maximalen Eintrag von Schallenergie in die Faserstoffbahn. Damit kann vorteilhaft ein maximaler Trockengehalt bei minimalem Energiebedarf erzielt werden.
Bei dem Prozess der Wasserentfernung aus einem feuchten Papiervlies durch Ultraschall kommen verschiedene physikalische Effekte zum Tragen, wobei die Effekte sowohl mit den Gesetzten der Akustik als auch der Mechanik beschrieben werden können.
Zum einen wird mechanische Schwingungsenergie im Papiervlies dissipiert, was zu einer Erwärmung der Papierstruktur und des in ihr eingelagerten Wassers führt. Hierdurch reduzieren sich die Viskosität und die Oberflächenspannung des im Faserstoff eingelagerten Wassers. Diese Erwärmung konnte mit Thermografieaufnahmen bestätigt werden und liegt, in Abhängigkeit der Betriebsparameter, im Bereich von wenigen Kelvin bis hin zu mehreren Dutzend Kelvin.
Gleichzeitig erfolgt auch eine zyklische mechanische Beschleunigung des feuchten Faserstoffs und des in ihr eingelagerten Wassers, wobei die festen Bestandteile der feuchten Papierbahn durch die Bespannung zurückgehalten werden aber die flüssigen Bestandteile des Papiervlieses durch die poröse Bespannung hindurch austreten können. Der Austritt der flüssigen Phase und damit des Wasser aus dem feuchten Papiervlies ist als Sprühnebel oberhalb und unterhalb der Bespannung im Bereich der Ultraschallsonotrode deutlich erkennbar. Dieser Effekt des mechanischen Versprühens von Wasser durch Ultraschall ist auch in anderen Fachbereichen beschrieben worden und wird zum Beispiel bei der Befeuchtung von Tiefkühlpizza angewandt. Der auf der mechanischen Beschleunigung basierende Wasseraustrag aus dem feuchten Papiervlies wird durch die zuvor erfolgte Absenkung von Viskosität und Oberflächenspannung des eingelagerten Wassers begünstigt.
Die Einleitung des Ultraschalls wird zusätzlich durch das Anpressen der Sonotrode an die Bahnführung begünstigt. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird daher über die Aufhängung der Ultraschallsonotrode, bspw. durch Druckbeaufschlagung mittels Pneumatikzylindern und durch die mittels der zweiten Bahnführung aufgebauten Spannung die Ultraschallsonotrode an die erste Bahnführung angepresst. Die Linienlast der Sonotrode auf der ersten Bahnführung beträgt dabei mindestens 0,5 N/mm, bevorzugt zwischen 0,5 bis 500 N/mm und besonders bevorzugt zwischen 0,6 bis 10 N/mm.
Vorteilhaft ist durch die Entwässerung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein besonders hoher Trockengehalt der Faserstoffbahn erzielbar. Weiterhin vorteilhaft ist zum Erreichen dieses Trockengehaltes ein besonders geringer Energieeintrag notwendig. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit vorteilhaft eine besonders energiesparende Entwässerung einer Faserstoffbahn und kann so zu einer Senkung der Energiekosten der industriellen Papierherstellung beitragen.
Erfindungsgemäß spannt die Bahnführung eine Faserstoffbahn der Schallkennimpedanz Z_F ein, die Ultraschallsonotrode besteht aus einem Material mit der Schallkennimpedanz Z_S und die der Sonotrode zugewandte erste Bahnführung aus einem ersten Material mit der Schallkennimpedanz Z₁, so dass der Betrag des Schallreflexionsfaktors r₁ = (Z₁ - Z_S/Z₁ + Z_S) für eine senkrecht einfallende Welle einen Wert zwischen 0 und 0,25 annimmt.
Bei der Weiterleitung von Ultraschall von der Sonotrode in die mit dieser in Kontakt stehenden ersten Bahnführung treten an der Phasengrenze zwischen den beiden Reflexion und Transmission der Schallwellen auf. Um eine geringe Reflexion und damit einen hohen Durchgang der Schallwellen von dem Schallerzeuger in die Bahnführung und von diesem in den Faserstoff zu ermöglichen, sollte die Schallkennimpedanz, also das Produkt aus Schallgeschwindigkeit und Dichte, von Sonotrode und erster Bahnführung möglichst gleich groß sein.
Die Durchleitung des Ultraschalls von der meist metallisch ausgeführten Ultraschallsonotrode durch die Bahnführung in das feuchte Papiervlies ist somit dann am besten gegeben, wenn die Schallkennimpedanz der ersten Bahnführung möglichst ähnlich der Schallkennimpedanz der Sonotrode ist.
Die quantitative Beschreibung der Schallreflexion an einer Grenzfläche erfolgt für eine senkrecht auf die Grenzfläche einfallende Schallwelle mittels des Schallreflexionsfaktors r der sich aus dem Verhältnis der Schallkennimpedanzen der Übertragungsmedien vor und hinter der Grenzfläche ergibt. Im Fall der Sonotrode mit der Schallkennimpedanz Z_S und der ersten Bahnführung mit der Schallkennimpedanz Z₁ ergibt sich der Schallreflexionsfaktor für eine auf diese Grenzfläche senkrecht einfallende Welle zu r₁ = (Z₁ – Z_S/Z₁ + Z_S) (1)
Bevorzugt nimmt der Betrag des Schallreflexionsfaktors für die Grenzfläche zwischen Sonotrode und der ersten Bahnführung für eine senkrecht einfallende Welle Werte zwischen 0 und 0,25, bevorzugt zwischen 0 und 0,2 und besonders bevorzugt zwischen 0 und 0,1 an.
An der Phasengrenze zwischen der Faserstoffbahn und der zweiten Bahnführung und/oder von der zweiten Bahnführung und dem die Vorrichtung umgebenden Medium, i. d. R. Luft, ist eine größtmögliche Reflexion der Ultraschallwellen vorteilhaft. Dies führt dazu, dass ein größtmöglicher Teil der an der Grenzfläche auftreffenden Ultraschallwellen zurück in das Papiervlies geworfen wird, wo sie erneut zur Entwässerung des Faserstoffs beitragen.
Bevorzugt nimmt der Betrag des Schallreflexionsfaktors für die Grenzfläche zwischen der Faserstoffbahn mit der Schallkennimpedanz Z_F und der zweiten Bahnführung mit der Schallkennimpedanz Z₂, der sich für eine senkrecht auf diese eintreffende Welle nach r₂ = (Z₂ – Z_F/Z₂ + Z_F) (2) bestimmt, einen Wert zwischen 0,25 und 1, bevorzugt zwischen 0,25 und 0,8 und besonders bevorzugt zwischen 0,25 und 0,6 an.
Bevorzugt nimmt der Betrag des Schallreflexionsfaktors für die Grenzfläche zwischen der der zweiten Bahnführung mit der Schallkennimpedanz Z₂ und dem umgebenden Medium, i. d. R. Luft, mit der Schallkennimpedanz Z_L, der sich für eine senkrecht auf diese eintreffende Welle nach r₃ = (Z_L – Z₂/Z_L + Z₂) (3) bestimmt, einen Wert zwischen 0,2 und 1, bevorzugt zwischen 0,4 und 1 und besonders bevorzugt zwischen 0,6 und 1 an.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen die erste Bahnführung aus einem ersten Material und die zweite Bahnführung aus einem zweiten Material, das sich vom ersten Material der ersten Bahnführung unterscheidet. Die Materialien unterscheiden sich dabei insbesondere in Eigenschaften die Leitung von Schall betreffend, insbesondere der Dichte und der materialspezifischen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wobei die erste Bahnführung aus einem Material mit einer Schallkennimpedanz zwischen 5 und 100 MNs/m³, bevorzugt 10 bis 75 MNs/m³ und besonders bevorzugt 15 bis 50 MNs/m³ besteht. Ebenfalls bevorzugt besteht die zweite Bahnführung aus einem Material mit einer Schallkennimpedanz von 1 bis 5 MNs/m³, bevorzugt von 2 bis 4 MNs/m³ und besonders bevorzugt von 2 und 3,5 MNs/m³.
Weiterhin bevorzugt ist in diesem Zusammenhang eine metallische Ausführung der ersten Bahnführung. Da die Ultraschallsonotrode aus Metall gefertigt ist, ergibt sich somit der Fall des Schalldurchganges durch eine dünne Platte, welcher bei besonders geringem Energieverlust erfolgt und somit vorteilhaft einen besonders hohen Energieeintrag in die Faserstoffbahn ermöglicht. Da Metalle Schallkennimpedanzen von ca. 25 bis 30 MNs/m³ aufweisen, ist eine erste Bahnführung aus einem ersten Material mit einer solchen Schallkennimpedanz bevorzugt. Besonders bevorzugt ist eine Ausführung der ersten Bahnführung aus Bronze, Nickel oder Titan
Kunststoffe hingegen haben eine Schallkennimpedanz von ca. 2,5 bis 3 MNs/m³ und somit eine um den Faktor 10 geringere Schallkennimpedanz gegenüber Metallen. Im Vergleich dazu hat Luft eine Schallkennimpedanz von 0,44 kNs/m³, trockenes Papier eine Schallkennimpedanz von 1,2 MNs/m³ und Wasser eine Schallkennimpedanz von 1,49 MNs/m³. Die Schallkennimpedanz von Kunststoffen ist somit von derselben Größenordnung wie die eines feuchten Papiervlieses, die in erster Näherung als zwischen den von Wasser und trockenem Papier angenommen werden kann, jedoch deutlich größer als die von Luft. Daher ist eine Ausführung der zweiten Ausführung aus einem Kunststoff bevorzugt, da dies vorteilhaft eine maximale Reflektion der Schallwellen an der Grenzfläche zwischen Faserstoff und zweiter Bahnführung und/oder zwischen zweiter Bahnführung und umliegendem Medium, bevorzugt Luft, sowie eine gute Rückstrahlung der Ultraschallwellen in das Papiervlies gewährleistet. Besonders bevorzugt ist eine Ausführung der zweiten Bahnführung aus Polyethylen, Polypropylen, Polyamid oder Polyvinylchlorid.
Besonders bevorzugt ist somit eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die erste Bahnführung aus einem metallischen Werkstoff und die zweite Bahnführung aus einem Kunststoff bestehen. Diese Kombination ermöglicht vorteilhaft eine optimale Ankopplung des Ultraschallsystems an die, in den beiden Bahnführungen eingespannte, Faserstoffbahn und dadurch eine möglichst hohe Wasserentfernung aus dem feuchten Papiervlies bei gleichzeitig sehr geringem Energiebedarf.
Weiterhin bevorzugt bestehen beide Bahnführungen aus einem Kunststoff oder aus einem Metall. Mit dieser Kombination sind geringere Trockengehalte als mit der zuvor genannten Kombination erreichbar, jedoch höhere als mit den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen. Gegenüber der zuvor genannten Kombination bedarf die Trocknung des Faserstoffs dabei jedoch eines höheren Energiebedarfs.
Weiterhin vorteilhaft wird durch die erste Bahnführung zwischen Ultraschallsonotrode und Papiervlies ein Abschaben oder Aufreißen der Faserstoffbahn durch die Ultraschallsonotrode vermieden. Die zweite Bahnführung ermöglicht es vorteilhaft, die feuchte Papierbahn ausreichend stark an die Ultraschallsonotrode anzupressen und damit eine ausreichende Ankopplung des Ultraschalls in das feuchte Papiervlies zu gewährleisten.
Über die Struktur der Bahnführung kann zudem die Struktur des Papiervlieses und damit das Produkt Papier beeinflusst werden. Um eine Gefährdung der Oberflächenstruktur der Faserstoffbahn zu vermeiden, weist die erste Bahnführung bevorzugt eine Maschenweite von 1.000 bis 10 μm und besonders bevorzugt von 400 bis 100 μm auf. Um einen Austritt des feuchtigkeitsgeladenen Sprühnebels aus der Faserstoffbahn zu gewährleisten, beträgt die Luftdurchlässigkeit der ersten Bahnführung bevorzugt 100 bis 10.000 l/m²s, besonders bevorzugt 100 bis 1.000 l/m²s.
Um einen optimalen Austritt feuchtigkeitsbeladenen Sprühnebels sowie anderweitig aus der Faserstoffbahn ausgetragener Flüssigkeit aus dem Papiervlies zu gewährleisten, weist die zweite Bahnführung vorteilhaft eine Maschenweite von bevorzugt 400 bis 3.000 μm, besonders bevorzugt 1.500 bis 2.500 μm sowie eine Luftdurchlässigkeit von bevorzugt 100 bis 10.000 l/m²s], besonders bevorzugt 1.000 bis 2.000 l/m²s auf.
In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist an der Wirkstelle der Sonotrode gegenüberliegend eine rotierbare Stützwalze so positioniert, dass die Bespannung und die Faserstoffbahn einen durch Sonotrode und Stützwalze gebildeten Pressspalt passieren (vgl. 1). Die Stützwalze trägt dabei vorteilhaft zur Anpressung von Faserstoffbahn und Bahnführung an die Sonotrode bei. Zusätzlich kann durch den Pressdruck der Stützwalze selbst eine Entwässerung des Papiervlies bewirkt werden. Der Einsatz einer zusätzlichen Presse an der Wirkstelle ist gerade hinsichtlich des Austrags des im Faserstoff gebundenen und durch den Ultraschall thermischen angeregten Wassers mit verringerter Viskosität und Oberflächenspannung vorteilhaft. In dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein Großteil der Ultraschallwellen bevorzugt bereits an der Grenzfläche zwischen Faserstoff und zweiter Bahnführung zurück in den feuchten Faserstoff reflektiert. Besonders bevorzugt nimmt der Betrag des Schallreflexionsfaktors r₂ einen Wert zwischen 0,25 und 1 an.
Besonders bevorzugt weist die Stützwalze zusätzlich Mittel zur Absaugung des aus der Faserstoffbahn ausgetragenen Sprühnebels und/oder anderweitig aus der Faserstoffbahn ausgetragener Feuchtigkeit auf. Dadurch wird vorteilhaft ein Rückbefeuchten der Bahn durch den Sprühnebel verhindert bzw. minimiert sowie die Entwässerung des Faserstoffs vorteilhaft verbessert.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wobei die Faserstoffbahn im Bereich der Wirkstelle auf zwei Stützwalzen vorschiebbar gelagert ist, wobei die Sonotrode zwischen den beiden Walzen an die erste Bahnführung der Faserstoffbahn angepresst wird (vgl. 2). In dieser Ausführungsform ist eine Reflektion der Ultraschallwellen zurück in den Faserstoff sowohl an der Grenzfläche zwischen Faserstoff und zweiter Bahnführung als auch an der Grenzfläche von zweiter Bahnführung und dem umgebendem Medium, i. d. R. Luft, bevorzugt. Besonders bevorzugt nimmt der Betrag des Schallreflexionsfaktors r₂ und/oder der Betrag des Schallreflexionsfaktors r₃ einen Wert zwischen 0,25 und 1 an.
An der Wirkstelle der Sonotrode gegenüberliegend ist besonders bevorzugt eine Absaugvorrichtung zur Absaugung des ausgetragenen Sprühnebels so installiert, dass die Bespannung und die Faserstoffbahn einen durch Sonotrode und Absaugvorrichtung gebildeten Spalt passieren (vgl. 3). Dadurch wird auch hier ein Rückbefeuchten der Bahn durch den Sprühnebel verhindert und die Entwässerung des Faserstoffs verbessert. Ebenfalls denkbar sind mehrere an der Faserstoffbahn angeordnete Wirkstellen.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung kommt bevorzugt eine Ultraschallsonotrode zum Einsatz, mit der Schallwellen einer Amplitude größer 20 μm und einer Frequenz größer 16 kHz erzeugbar sind.
Die Auflagefläche der Sonotrode an die erste Bahnführung ist dabei an die Vorschubgeschwindigkeit von Bahnführungen und Faserstoffbahn angepasst, um einen ausreichenden Energieeintrag in den Faserstoff zu gewährleisten. In Anbetracht der Breite der Faserstoffbahnen in den heute üblichen Papiermaschinen sind bevorzugt mehrere Sonotroden nebeneinander bzw. kaskadierend angeordnet, um so die gesamte Breite der Faserstoffbahn überdecken zu können. Lösungen für derartige Sonotrodenanordnungen auf breiten Faserstoffbahnen sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Ebenfalls bevorzugt ist eine keilförmige Ausgestaltung der Sonotrode.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Entwässerung von Faserstoff mit Ultraschall, wobei

a) eine beidseitig durch wasserdurchlässige Bahnführungen eingespannte Faserstoffbahn mittels geeigneter Mittel kontinuierlich vorgeschoben und
b) dabei an mindestens einer Ultraschallsonotrode aus einem Material der Schallkennimpedanz Z_S vorbeigeführt wird,
c) die einseitig an eine erste Bahnführung aus einem ersten Material mit der Schallkennimpedanz Z₁ angepresst werden,
d) wobei der dafür notwendige Anpressdruck durch die Aufhängung der mindestens einen Sonotrode und durch die Spannung einer zweiten Bahnführung aus einem zweiten Material mit der Schallimpedanz Z₂ erzeugt wird und
e) der Betrag des Schallreflexionsfaktors r₁ = (Z₁ – Z_S/Z₁ + Z_S) für eine senkrecht einfallende Welle einen Wert zwischen 0 und 0,25 annimmt.

Die Faserstoffbahn ist dabei zwischen zwei wasserdurchlässigen Bahnführungen mit mindestens derselben Breite wie die Faserstoffbahn selbst eingespannt. So eingespannt wird die Faserstoffbahn, bspw. mittels Führungswalzen, kontinuierlich vorgeschoben und gegebenenfalls bauraum- bzw. baugruppenbedingt umgelenkt. Erfindungsgemäß wird die Faserstoffbahn an mindestens einer Ultraschallsonotrode der Schallkennimpedanz Z_S vorbeigeführt, die mit einem definierten Anpressdruck einseitig an eine erste Bahnführung aus einem ersten Material mit der Schallkennimpedanz Z₁ angepresst werden. Der Anpressdruck der Ultraschallsonotrode wird dabei erfindungsgemäß durch die Aufhängung der Sonotrode, bspw. mittels Pneumatikzylindern und durch eine mittels der zweiten Bahnführung aufgebauten Spannung eingestellt.
Erfindungsgemäß nimmt der Betrag des Schallreflexionsfaktors r₁ = (Z₁ – Z_S/Z₁ + Z_S) für den Übergang einer senkrecht auf die Grenzfläche zwischen der Sonotrode aus einem Material der Schallkennimpedanz Z_S und der ersten Bahnführung aus einem Material der Schallkennimpedanz Z₁ einfallenden Ultraschallwelle einen Wert zwischen 0 und 0,25, bevorzugt zwischen 0 und 0,2 und besonders bevorzugt zwischen 0 und 0,1 an. Dann beträgt für eine senkrecht einfallende Ultraschallwelle der Anteil des von der Sonotrode in die Bahnführung transmittierten Ultraschalls vorteilhaft in etwa mindestens 80%, wodurch ein besonders hoher Energieeintrag in die Faserstoffbahn gewährleistet wird.
Weiterhin bevorzugt beträgt der Betrag des Schallreflexionsfaktors r₂ = (Z₂ – Z_F/Z₂ + Z_F) für den Übergang einer senkrecht auf die Grenzfläche zwischen Faserstoffbahn der Schallkennimpedanz Z_F und der zweiten Bahnführung aus einem Material der Schallkennimpedanz Z₂ einfallenden Ultraschallwelle zwischen 0,2 und 1, bevorzugt zwischen 0,2 und 0,8 und besonders bevorzugt zwischen 0,2 und 0,6. Dabei beträgt für eine senkrecht einfallende Ultraschallwelle der Anteil des zurückreflektierten Ultraschalls vorteilhaft in etwa mindestens 80%, wodurch ebenfalls ein besonders hoher Energieeintrag in die Faserstoffbahn gewährleistet wird.
Ebenfalls bevorzugt nimmt der Betrag des Schallreflexionsfaktors für die Grenzfläche zwischen der zweiten Bahnführung mit der Schallkennimpedanz Z₂ und dem umgebenden Medium, i. d. R. Luft. Mit der Schallkennimpedanz Z_L, der sich für eine senkrecht auf diese eintreffende Welle nach r₃ = (Z_L - Z₂/Z_L + Z₂) bestimmt, einen Wert zwischen 0,2 und 1, bevorzugt zwischen 0,4 und 1 und besonders bevorzugt zwischen 0,6 und 1 an.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mittels der Ultraschallsonotrode Ultraschallschwingungen mit einer Amplitude größer 20 μm und mit einer Frequenz größer 16 kHz in die erste Bahnführung und über diesen in die Faserstoffbahn eingeleitet. Da mit Ultraschall höherer Amplituden höhere Trockengehalte erreichbar sind, sind höhere Amplituden von größer 25 μm und besonders von größer 30 μm bevorzugt.
Weiterhin bevorzugt wird die Ultraschallsonotrode im erfindungsgemäßen Verfahren über die Aufhängung der Ultraschallsonotrode, bspw. durch Druckbeaufschlagung mittels Pneumatikzylindern und durch die mittels der zweiten Bahnführung aufgebauten Spannung an die erste Bahnführung angepresst. Die Linienlast der Sonotrode auf der ersten Bahnführung beträgt dabei mindestens 0,5 N/mm, bevorzugt zwischen 0,5 bis 500 N/mm und besonders bevorzugt zwischen 0,6 bis 10 N/mm.
In einer ebenso bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Sonotrode unter einem Anstellwinkel von 10° bis 170°, bevorzugt von 25° bis 135° an die erste Bahnführung angepresst. Durch die Variation des Winkels kann vorteilhaft der Anteil der transmittierten und reflektierten Ultraschallwellen variiert werden. Durch die Wahl des Anstellwinkels kann somit vorteilhaft der Anteil der an der Grenzfläche zwischen erster Bahnführung und Sonotrode transmittierten Wellen sowie der Anteil der an der Grenzfläche zwischen Faserstoff und zweiter Bahnführung und/oder zwischen zweiter Bahnführung und/oder umgebendem Medium reflektierten Wellen maximiert werden.
Weiterhin bevorzugt ist eine Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die beidseitig eingespannte Faserstoffbahn mittels einer der Ultraschallsonotrode gegenüberliegend angeordneten Presswalze zusätzlich an die Sonotrode angepresst wird. Ebenso bevorzugt wird die als Sprühnebel oder anderweitig aus der Faserstoffbahn ausgetragene Feuchtigkeit nach dem Durchtritt durch die zweite Bahnführung mittels einer der Ultraschallsonotrode gegenüberliegend angeordneten Absaugvorrichtung aufgenommen. Besonders bevorzugt wird die Feuchtigkeit durch eine in der Presswalze integrierte Absaugvorrichtung aufgenommen.
Weiterhin Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Entwässerung von Faserstoff in dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele sowie Figuren näher erläutert.
Dabei zeigen:
1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer der Sonotrode gegenüberliegend angeordneten Presswalze,
2: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wobei die Faserstoffbahn im Bereich der Wirkstelle auf zwei Stützwalzen vorschiebbar gelagert ist, wobei die Sonotrode zwischen den beiden Walzen an die erste Bahnführung der Faserstoffbahn angepresst wird,
3: eine schematische Darstellung der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wobei der Sonotrode gegenüberliegend eine Absaugvorrichtung angeordnet ist.
Ausführungsbeispiel 1
Wie in 1 dargestellt, ist eine Faserstoffbahn 3 mit einer von Länge 250 mm, einer Breite von 50 mm, einer Flächenmasse von 80 g/m² und einem Trockengehalt von 42% beidseitig durch eine Bahnführung gleicher oder größerer Breite 2, 4 eingespannt.
An einer Wirkstelle ist eine keilförmige Ultraschallsonotrode 1 mit einer Breite von 50 mm unter einem Anstellwinkel von 90° an die erste Bahnführung 2 angepresst. Die Sonotrode wird dabei mittels eines Pneumatikzylinders, der gegen eine Rückstellfeder arbeitet mit einer Linienlast von 1,1 N/mm an die erste Bahnführung 2 angepresst.
Der Sonotrode an der Wirkstelle gegenüberliegend ist eine Presswalze so angeordnet, dass die zwischen den Bahnführungen 2, 4 eingespannte Faserstoffbahn 3 einen von Sonotrode 1 und Presswalze 5 gebildeten Pressspalt passiert. Die Bahnführungen werden mit einer Geschwindigkeit von 16,7 mm/s vorgeschoben.

Die erste Bahnführung 2 wird bei der Vorbeiführung an der Ultraschallsonotrode 1, die mit einer Amplitude von 35 μm oder 42 μm und einer Frequenz von 20 kHz schwingt, zu einer hochfrequenten mechanischen Schwingung angeregt. Dadurch wird die Faserstoffbahn auf einen Trockengehalt gemäß der folgenden Tabelle getrocknet.

Material der ersten Bahnführung 2	Bronze	Kunststoff	Kunststoff	Bronze
Material der zweiten Bahnführung 4	Bronze	Kunststoff	Bronze	Kunststoff
Trockengehalt in % bei Amplitude 35 μm	50,6	50,4	47,9	52,6
Trockengehalt in % bei Amplitude 42 μm	56,9	58,4	50,4	61,7

Ausführungsbeispiel 2
Wie in 2 dargestellt, ist eine Faserstoffbahn 3 mit einer von Länge 250 mm, einer Breite von 50 mm, einer Flächenmasse von 80 g/m² und einem Trockengehalt von 42% beidseitig durch eine Bahnführung gleicher oder größerer Breite 2, 4 eingespannt. Die Bahnführungen werden zwischen zwei, 400 mm voneinander entfernten Stützwalzen 6 geklemmt und mit einer Geschwindigkeit von 16,7 mm/s vorgeschoben.
An einer Wirkstelle ist eine keilförmige Ultraschallsonotrode 1 mit einer Breite von 50 mm unter einem Anstellwinkel von 90° an die erste Bahnführung 2 angepresst. Die Sonotrode wird dabei mittels eines Pneumatikzylinders, der gegen eine Rückstellfeder arbeitet, mit einer Linienlast von 1,1 N/mm an die erste Bahnführung 2 angepresst.
Die erste Bahnführung 2 wird bei der Vorbeiführung an der Ultraschallsonotrode 1, die mit einer Amplitude von 35 μm oder 42 μm und einer Frequenz von 20 kHz schwingt, zu einer hochfrequenten mechanischen Schwingung angeregt. Dadurch wird die Faserstoffbahn auf einen Trockengehalt gemäß der folgenden Tabelle getrocknet.

Material der ersten Bahnführung 2 Kunststoff

Material der zweiten Bahnführung 4 Kunststoff

Trockengehalt in % bei Amplitude 35 μm 46,8

Trockengehalt in % bei Amplitude 42 μm 47,9
Ausführungsbeispiel 3
Wie in 3 dargestellt, ist eine Faserstoffbahn 3 mit einer von Länge 250 mm, einer Breite von 50 mm, einer Flächenmasse von 80 g/m² und einem Trockengehalt von 42% beidseitig durch eine Bahnführung gleicher oder größerer Breite 2, 4 eingespannt. Die Bahnführungen werden zwischen zwei, 400 mm voneinander entfernten Stützwalzen 6 geklemmt und mit einer Geschwindigkeit von 16,7 mm/s vorgeschoben.
An einer Wirkstelle ist eine keilförmige Ultraschallsonotrode 1 mit einer Breite von 50 mm unter einem Anstellwinkel von 90° an die erste Bahnführung 2 angepresst. Die Sonotrode wird dabei mittels eines Pneumatikzylinders, der gegen eine Rückstellfeder arbeitet, mit einer Linienlast von 1,1 N/mm an die erste Bahnführung 2 angepresst.
Gegenüber der Ultraschallsonotrode ist eine Absaugvorrichtung 7 mit einer sich über die gesamte Breite der Bahnführung 2, 4 erstreckenden Ansaugöffnung angeordnet. Die Absaugvorrichtung 7 wird mit Unterdruck beaufschlagt und verhindert durch den Abzug des aus der Faserstoffbahn 3 ausgetragenen Sprühnebels eine Rückbefeuchtung der Fasern und erhöht somit den Trockengehalt der Faserstoffbahn 3.
Bezugszeichenliste

1: Sonotrode
2: erste Bahnführung
3: Faserstoffbahn
4: zweite Bahnführung
5: Presswalze
6: Stützwalze
7: Absaugvorrichtung

Claims

Vorrichtung zur Entwässerung einer kontinuierlich vorschiebbaren Faserstoffbahn mit Ultraschall, aufweisend – eine kontinuierlich bewegbare, die Faserstoffbahn beidseitig einspannende Bahnführung mit derselben oder einer größeren Breite als die Faserstoffbahn, bestehend aus – einer wasserdurchlässigen ersten Bahnführung aus einem ersten Material mit der Schallkennimpedanz Z₁ und einem Wasserrückhaltevermögen von maximal 5% bezogen auf das Eigengewicht, die eine Seite der Faserstoffbahn überdeckt sowie – einer wasserdurchlässigen zweiten Bahnführung, welche die andere Seite der Faserstoffbahn überdeckt, wobei – an mindestens einer Wirkstelle eine Ultraschallsonotrode aus einem Material mit der Schallkennimpedanz Z_S an die erste Bahnführung angepresst ist und – der Betrag des Schallreflexionsfaktor r₁ = (Z₁ – Z_S/Z₁ + Z_S) für eine senkrecht einfallende Welle einen Wert zwischen 0 und 0,25 annimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bahnführung aus einem ersten Material und die zweite Bahnführung aus einem zweiten Material besteht, wobei das erste Material eine Schallkennimpedanz zwischen 5 und 100 MNs/m³ und das zweite Material eine Schallkennimpedanz von 1 bis 5 MNs/m³ aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bahnführung eine Maschenweite von 10 bis 1000 μm und die zweite Bahnführung eine Maschenweite größer 1000 μm aufweist.
Verfahren zur Entwässerung von Faserstoff mit Ultraschall, wobei – eine beidseitig durch wasserdurchlässige Bahnführungen eingespannte Faserstoffbahn mittels geeigneter Mittel kontinuierlich vorgeschoben und – dabei an mindestens einer Ultraschallsonotrode aus einem Material der Schallkennimpedanz Z_S vorbeigeführt wird, – die einseitig an eine erste Bahnführung aus einem ersten Material mit der Schallkennimpedanz Z₁ angepresst wird, – wobei der dafür notwendige Anpressdruck durch die Aufhängung der mindestens einen Sonotrode und durch die Spannung einer zweiten Bahnführung aus einem zweiten Material mit der Schallimpedanz Z₂ erzeugt wird und – der Betrag des Schallreflexionsfaktors r₁ = (Z₁ – Z_S/Z₁ + Z_S) für eine senkrecht einfallende Welle einen Wert zwischen 0 und 0,25 annimmt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Sonotrode Ultraschallschwingungen mit einer Amplitude größer 20 μm und mit einer Frequenz größer 16 kHz in die erste Bahnführung eingeleitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallsonotrode mit einer Linienlast von mehr als 0,5 N/mm an die erste Bahnführung angepresst wird.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Entwässerung von Faserstoff zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 4 bis 6.