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Die Erfindung betrifft einen dampfbeheizten Trockenzylinder zum Trocknen einer Materialbahn, insbesondere einer Papier-, Karton- oder Tissuebahn, mit einem, eine Mantelfläche aufweisenden Innenraum und mehreren im Innenraum an der Mantelfläche angeordneten und axial verlaufenden Störleisten zur Erhöhung der Wärmeübertragung vom Innenraum auf die Mantelfläche.
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Derartige Trockenzylinder sind bekannt. So werden in der
EP 1362951 Störleisten durch Rohre mit rechteckigem Querschnitt gebildet und über Halteringe an die Zylinderinnenwand gedrückt.
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Bei weiteren bekannten Lösungen werden die Störleisten direkt mit dem Zylindermantel verbunden. So offenbart das Dokument
DE 2903784 die Störleisten mit dem Zylindermantel zu verschrauben oder mittels Spannring und magnetischer Unterstützung am Zylindermantel zu fixieren.
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Während der Rotation des Trockenzylinders bildet sich an der Mantelfläche ein Kondensatfilm, dessen Dicke in der unteren Zylinderhälfte gravitationsbedingt größer als in der oberen ist. Dieser Dickenunterschied führt zu Schwingungen und Turbulenzen, was sich positiv auf den Wärmübergang vom Dampf zum Zylindermantel auswirkt.
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Mit zunehmender Rotationsgeschwindigkeit nehmen die Zentrifugalkräfte zu und der Einfluss der Gravitationskraft ab. Der hierdurch entstehende laminare Kondensatfilm weist einen schlechteren Wärmeübergang auf, weshalb axial verlaufende Störleisten zum Einsatz kommen.
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Die Wirksamkeit dieser Störleisten kann jedoch erheblich schwanken, was sich entsprechend auf die Wärmeübertragung auswirkt.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher die Effizienz der Störleisten auch bei sich ändernden Betriebsbedingungen zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wurde die Aufgabe dadurch gelöst, dass sich die Kreisbogenlänge zwischen den gegenüberliegenden Seitwänden wenigstens zweier in Umfangsrichtung benachbarter Störleisten zumindest abschnittsweise zur Zylinderachse hin vergrößert.
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Das zwischen zwei Störleisten befindliche Kondensat wird in der Rotationsfrequenz des Trockenzylinders angeregt. Dabei ist die Turbulenzbildung maximal, wenn die Rotationsfrequenz mit der Eigenfrequenz des zwischen den beiden Störleisten befindlichen Kondensats übereinstimmt.
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Die Eigenfrequenz dieses Kondensats wiederum hängt neben der Rotationsfrequenz auch von der Dicke des Kondensatfilms, dem Zylinderradius sowie dem Abstand zwischen den benachbarten Störleisten ab.
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Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Störleisten wird erreicht, dass der wirksame Kreisbogen-Abstand zwischen den benachbarten Störleisten mit zunehmender Dicke des Kondensatfilms zunimmt. Auf diese Weise kann die Abweichung der Eigenfrequenz von der Rotationsfrequenz bei schwankenden Kondensatfilmdicken vermindert werden, was sich positiv auf die Turbulenzbildung und damit die Wärmeübertragung auswirkt.
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Dies basiert auf der Erkenntnis, dass sich der optimale Abstand der Störleisten mit zunehmender Kondensatfilmdicke vergrößert.
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Sehr einfach lässt sich dies realisieren, indem sich die Breite (in Umfangsrichtung) der entsprechenden Störleiste zumindest abschnittsweise zur Zylinderachse hin verringert.
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Umfassend ist die Wirkungsverbesserung, wenn sich die Kreisbogenlänge zwischen allen in Umfangsrichtung benachbarten Störleisten zumindest abschnittsweise zur Zylinderachse hin vergrößert.
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Da in der Regel eine minimale Kondensatfilmdicke gegeben ist, genügt es oft bereits, wenn sich die Kreisbogenlänge zwischen wenigstens zwei, vorzugsweise zwischen allen in Umfangsrichtung benachbarten Störleisten nur im radial innen liegenden Endabschnitt der Störleisten zur Zylinderachse hin vergrößert.
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Soll die Effizienzsteigerung jedoch völlig unabhängig von der minimalen Kondensatfilmdicke sein, so sollte sich die Kreisbogenlänge zwischen wenigstens zwei, vorzugsweise zwischen allen in Umfangsrichtung benachbarten Störleisten über die gesamte radiale Erstreckung der Störleisten zur Zylinderachse hin vergrößern.
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Um den Wärmeübergang zum Zylindermantel zu unterstützen, sollten die Störleisten an der Mantelfläche befestigt und zumindest abschnittsweise mit der Mantelfläche in Kontakt stehen. Dabei ist es des Weiteren von Vorteil, wenn die Störleisten aus einem Material bestehen, dessen Wärmeleitfähigkeit höher als bei der Mantelfläche des Innenraums ist.
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Alternativ können Wärmeverluste beim Übergang zwischen Störleiste und Zylindermantel vermieden werden, wenn die Störleisten einstückig mit der Mantelfläche des Innenraums ausgebildet sind.
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Zur Verstärkung von Turbulenzen während der Rotation ist es von Vorteil, dass die Störleisten einen oder mehrere Durchbrüche in Umfangsrichtung aufweisen.
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Je nach Anwendungsfall und zu erwartendem Kondensatfilm-Dickebereich kann es für die Schaffung kontinuierlicher Übergänge vorteilhaft sein, wenn sich die Kreisbogenlänge zwischen zwei benachbarten Störleisten nur abschnittsweise oder aber über die gesamte radiale Erstreckung der Störleisten kontinuierlich zur Zylinderachse hin vergrößert.
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Im Ergebnis sind durch die Erfindung die Störleisten in einem breiteren Betriebsfenster mit entsprechend schwankender Kondensatfilmdicke effizient einsetzbar.
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Nachfolgend soll die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der beigefügten Zeichnung zeigt:
- 1: eine Teilansicht des Innenraums 3 eines Trockenzylinders 1;
- 2 und 3: verschiedene Querschnittsformen von Störleisten 5 sowie
- 4 und 5: Störleisten 5 mit unterschiedlichen Durchbrüchen 9.
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Bei dem in 1 gezeigten dampfbeheizbaren Trockenzylinder 1 einer Papiermaschine wird der zylindrische Innenraum 3 von einer Mantelfläche 2 des Zylindermantels begrenzt.
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Während der Rotation des Trockenzylinders 1 setzt sich an dieser Mantelfläche 2 ein Film aus Kondensat ab. Mit zunehmender Rotationsfrequenz und damit steigenden Zentrifugalkräften nimmt die Wirkung der Gravitationskraft ab, so dass sich an der Mantelfläche 2 ein annähernd laminarer Kondensatfilm mit relativer schlechtem Wärmeübergang bildet.
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Zur Turbulenzbildung sind daher Störleisten 5 in axialer Richtung 7 verlaufend, das heißt parallel zur Längsachse des Trockenzylinders 1 an der Mantelfläche 2 befestigt.
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Der Werkstoff des Trockenzylinders 1 gehört zweckmäßigerweise der Gruppe metallischer Werkstoffe, wie beispielsweise Grauguss, Stahlguss oder Stahl an. Die Störleisten 5 können ebenfalls aus metallischen Werkstoffen, wie beispielsweise Stahl und Edelstahl bestehen.
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In möglichen praktischen Ausführungen können folgende Werkstoffpaarungen verwendet werden: Metall/Metall, Metall/Kunststoffe, wobei die Temperaturbeständigkeit der eingesetzten Kunststoffe größer 200°C, insbesondere größer gleich 220°C, vorzugsweise größer 250°C ist. Als Kunststoffe können kohlefaserverstärkte Verbundwerkstoffe oder Sulfon-haltige Kunststoffe eingesetzt werden.
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Der Wärmübergang vom Dampf des Innenraums 3 an den Zylindermantel ist umso besser je dünner der Kondensatfilm ist. Bei zunehmender Kondensatfilmdicke kann der Wärmeübergang nur durch eine Turbulenzbildung beim Kondensat verbessert werden.
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Dementsprechend wird mit der Erfindung eine Eigenfrequenz des Kondensats im, von den gegenüberliegenden Seitenwänden 8 benachbarter Störleisten 5 begrenzten Becken nahe der Rotationsfrequenz angestrebt.
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Erreicht wird dies dadurch, dass sich die freie Kreisbogenlänge 6 zwischen den gegenüberliegenden Seitenwänden 8 jeweils zweier in Umfangsrichtung 4 benachbarter Störleisten 5 zumindest abschnittsweise zur Zylinderachse hin vergrößert.
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Konstruktiv lässt sich dies einfach mit Störleisten 5 umsetzen, deren Querschnitt sich zumindest abschnittsweise zur Zylinderachse hin verjüngt.
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Im Betrieb wird über einen Siphon Kondensat aus dem Innenraum 3 abgezogen und so für einen guten Wärmeübergang zum Zylindermantel gesorgt. Steigt die Höhe des Kondensatfilms dennoch an, so verhindert das sich weitende Becken zwischen den benachbarten Störleisten 5 eine zu starke Verminderung der Turbulenzbildung im Kondensat.
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Bei 2 vergrößert sich die freie Kreisbogenlänge 6 zwischen jeweils zwei in Umfangsrichtung 4 benachbarten Störleisten 5 über die gesamte radiale Erstreckung der Störleisten 5 kontinuierlich zur Zylinderachse hin. Erreicht wird dies mit Störleisten 5, bei denen sich der Querschnitt ausgehend von der Mantelfläche 2 über ihre gesamte radiale Erstreckung hin kontinuierlich verjüngt.
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Soll die Erfindung erst ab einer bestimmten Filmdicke wirken, so kann dies entsprechend 3 dadurch erreicht werden, dass sich die Kreisbogenlänge 6 zwischen jeweils zwei in Umfangsrichtung 4 benachbarten Störleisten 5 nur im radial innen liegenden Endabschnitt der Störleisten 5 kontinuierlich zur Zylinderachse hin vergrößert.
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Realisiert werden kann dies mit Störleisten 5, bei denen sich der Querschnitt erst aber einer bestimmten Höhe über der Mantelfläche 2 zur Zylinderachse hin kontinuierlich verjüngt.
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In der Regel sind die Störleisten 5 an der Mantelfläche 2 befestigt. Allerdings ist auch eine einstückige Ausführung mit dem Zylindermantel möglich.
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Um die Turbulenzbildung im Kondensat noch weiter zu steigern, können die Störleisten 5 mit einem oder mehreren in Umfangsrichtung 4 verlaufenden Durchbrüchen 9 versehen werden.
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4 zeigt hierzu eine Ausführung einer Störleiste 5 gemäß 3, bei der die Durchbrüche 9 von der Mantelfläche 2 begrenzt werden. Die verbleibende Kontaktfläche zwischen Störleiste 5 und Mantelfläche 2 sollte jedoch so groß sein, dass sich keine wesentliche Beeinträchtigung der Wärmeübertragung ergibt.
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Im Unterschied hierzu ist in 5 eine Störleiste 5 gemäß 2 dargestellt, die mehrere Durchbrüche 9 oberhalb der Mantelfläche 2 besitzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1362951 [0002]
- DE 2903784 [0003]
