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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Faserstoffbahn,
insbesondere Papier- oder Kartonbahn, aus mindestens einer Faserstoffsuspension
in einer Siebpartie, umfassend zumindest ein Formier- und/oder Entwässerungselement, über welches
die zu bildende Faserstoffbahn zumindest einseitig mittels eines
endlos umlaufenden Bands, insbesondere eines Siebs, geführt wird.
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Weiterhin
betrifft die Erfindung eine Siebpartie einer Maschine zur Herstellung
einer Faserstoffbahn, insbesondere Papier- oder Kartonbahn, aus mindestens
einer Faserstoffsuspension.
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Bei
herkömmlichen
Verfahren zur Herstellung einer Faserstoffbahn wird diese in speziellen
Bereichen der Maschine behandelt, um ihren Trockengehalt zu steigern.
Zum einen wird die Faserstoffbahn, gestützt durch mindestens einen
Pressfilz, durch eine mindestens einen Pressnip aufweisende Pressenpartie
hindurchgeführt
und zum anderen wird sie anschließend, gestützt von einem Trockensieb, über mehrere
beheizte Trockenzylinder einer Trockenpartie geführt. Sowohl die Pressen- als
auch die Trockenpartie einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn
sind sehr komplexe Konstruktionen mit entsprechend großem Raum- und Energiebedarf. Überdies
weisen sie offene Züge,
das heißt
Bereiche, in denen die Faserstoffbahn ungestützt verläuft, auf, wobei diese Züge immer
eine erhöhte
Gefahr von Ein- oder sogar Abrissen der Faserstoffbahn bilden. Infolge dessen
stehen sie derzeit der Erreichung noch höherer Maschinengeschwindigkeiten
merklich entgegen.
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Weiterhin
ist es bekannt, den Trockengehalt einer Faserstoffbahn konventionell,
das heißt
mittels Gas-, Widerstands- oder Infrarotheizelemente zu erhöhen, wobei
sich die Elemente in der direkten Umgebung der zu trocknenden Faserstoffbahn
befinden müssen.
Dabei wird über
Wärmestrahlung
und -konvektion Energie auf die Oberfläche der Faserstoffbahn aufgebracht
und muss von dort in das Innere wandern, um eine gleichmäßige Erwärmung der
Faserstoffbahn zu ermöglichen.
Die Wärmeleitfähigkeit und
die Hitzebeständigkeit
der Faserstoffbahn bestimmen hierbei im wesentlichen den Erwärmungsprozess.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht folglich darin, unter Vermeidung der
vorgenannten Nachteile des Stands der Technik auf möglichst
einfache Weise höhere
Trockengehalte bei der Herstellung einer Faserstoffbahn zu erreichen
und dies bei keinerlei Nachteilen hinsichtlich erreichbarer Produktqualität und Runnability.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Faserstoffbahn im Bereich der Siebpartie mit elektromagnetischen
Wellen, insbesondere in Form von Mikrowellen, beaufschlagt wird.
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Aufgrund
der Erwärmung
der Faserstoffbahn mittels der sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitenden
Strahlung im elektromagnetischen Bereich, insbesondere Mikrowellenbereich,
und der daraus resultierenden besseren Fluidität des Wassers kann der Trockengehalt
der Faserstoffbahn merklich steigert werden. Weiterhin ist insbesondere
die Mikrowellenstrahlung eine verlustfreie Form der Energieübertragung,
da unpolare Stoffe, wie beispielsweise Luft oder Kunststoffe (Formersieb),
keine Energie umwandeln können.
Die quasi sofort erfolgende Umwandlung der Energie in Wärme erfolgt
direkt in der Faserstoffbahn bei inversem Temperaturprofil, da sich
im Inneren der Faserstoffbahn ein höherer Dampfdruck aufbaut und
die Trocknung von innen nach außen
erfolgt. An der kälteren
Oberfläche
der Faserstoffbahn kondensiert ein Teil des Dampfes und hält die Oberfläche so lange
feucht, bis von innen kein Dampf mehr nachkommen kann.
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Weiterhin
wird der Nachteil konventioneller Wärmeübertragung hinsichtlich lediglich
bedingter Wärmeleitung über die
Oberfläche
und die Wanddicke eines Siebs aus Kunststoff in der Siebpartie überwunden.
Da erfindungsgemäß das ganze
Volumen der Faserstoffsuspension gleichzeitig erwärmt wird, baut
sich im Inneren eine höhere
Temperatur auf, da die Oberfläche
an die kalte Umgebung angrenzt und somit gekühlt wird. Das Innere der Faserstoffsuspension
wirkt aber wärmeisolierend,
da die Nachbarmoleküle
dieselbe Temperatur aufweisen. Der Temperaturverlauf ist somit invers
zu dem der konventionellen Erwärmung.
Dies ist ein wesentlicher Vorteil der elektromagnetischen Strahlung.
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Hinsichtlich
einer gleichmäßigen Trocknung der
Faserstoffbahn ist es von Vorteil, wenn die Feldenergie der elektromagnetischen
Wellen senkrecht zur Laufrichtung des Bands mit der darauf geführten Faserstoffbahn
möglichst
gleichmäßig verteilt
wird.
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Die
elektromagnetischen Wellen kommen vorzugsweise bei einem Trockengehalt
der Faserstoffbahn zwischen 15 und 25 % zum Einsatz, da in diesem
Bereich die höchste
Effektivität
besteht und unterhalb von 5 % an Trockengehalt die Wellentechnologie
uneffektiv werden kann.
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Unter
Berücksichtigung
von Praxiserfahrungen ist es von Vorteil, wenn die elektromagnetischen Wellen
einen Längenbereich
von 1 m bis 1 mm und einen Frequenzbereich von 300 MHz bis 300 GHz, vorzugsweise
größer 915
MHz und kleiner 30 GHz, insbesondere im Bereich von 2,45 GHz, aufweist. Das
Prinzip der Mikrowellentechnologie basiert darauf, dass elektromagnetische
Energie direkt in Abhängigkeit
der entsprechenden Eigenschaften der Materialien in Wärmeenergie
umgewandelt wird. Diese Umwandlung ist material-, temperatur- und
frequenzabhängig.
In der Regel wird nur eine Frequenz bei der Trocknung der Faserstoffbahn
verwendet.
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Die
Faserstoffbahn wird in bevorzugter Weise direkt über Antennen der Wellengeneratoren und/oder
indirekt über
zwischengeschaltete Hohlleiteranordnungen mit elektromagnetischen
Wellen beaufschlagt.
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Ferner
kann die Faserstoffbahn gleichzeitig oder zeitlich versetzt mit
sekundären
elektromagnetischen Wellen beaufschlagt werden, wodurch sich die Feldenergie
und die Konzentration an elektromagnetischen Wellen merklich erhöhen lässt. Dies
trägt wiederum
zu einer schnelleren Erhöhung
des Trockengehalts der Faserstoffbahn bei.
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Damit
durch das erfindungsgemäße Trocknungsverfahren
keinerlei Beeinträchtigung
der umliegenden Bereiche verursacht wird, wird der Bereich der Siebpartie,
in welchem die Faserstoffbahn von den elektromagnetischen Wellen
beaufschlagt wird, elektromagnetisch abgeschirmt.
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Damit
der Trockengehalt der Faserstoffbahn weiterhin merklich gesteigert
wird, kann erfindungsgemäß der Bereich
der Siebpartie, in welchem die Faserstoffbahn von den elektromagnetischen
Wellen beaufschlagt wird, oberseitig, unterseitig oder beidseitig
besaugt werden. Weiterhin kann in Verbindung bei einem variablen
Druckniveau mittels elektromagnetischer Wellen im niedrigen Temperaturbereich eine
noch größere Trockengehaltssteigerung
erzielt werden.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird bei einer Siebpartie einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn,
insbesondere Papier- oder Kartonbahn, aus mindestens einer Faserstoffsuspension dadurch
gelöst,
dass im Bereich der Siebpartie mehrere Mikrowellengeneratoren derart
angeordnet sind, dass die zu bildende Faserstoffbahn mit einer senkrecht
zur Laufrichtung des Bands mit der darauf geführten Faserstoffbahn gleichmäßig verteilten
Feldenergie beaufschlagt ist. Auch hierbei ergeben sich die bereits
vorgenannten Vorteile.
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Unter
wirtschaftlichen und räumlichen
Aspekten können
die Mikrowellengeneratoren oberseitig der Faserstoffbahn und in
Laufrichtung des Bands sowohl spiralförmig um die Faserstoffbahn
als auch in mehreren Reihen und zueinander versetzt angeordnet sein.
Weitere Anbringungsarten und -orte sind je nach Anwendungsfall möglich.
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Im
Rahmen bestmöglicher
Effizienz ist der mit mehreren Mikrowellengeneratoren versehene Bereich
der Siebpartie direkt über
Antennen der Wellengeneratoren und/oder indirekt über zwischengeschaltete
Hohlleiteranordnungen mit elektromagnetischen Wellen beaufschlagt.
Und überdies
können
zusätzlich
mehrere sekundäre
Mikrowellengeneratoren vorgesehen sein, um die Faserstoffbahn gleichzeitig oder
zeitlich versetzt mit sekundären
Mikrowellen zu beaufschlagen.
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Damit
durch die erfindungsgemäße Siebpartie
keinerlei Beeinträchtigung
der umliegenden Bereiche verursacht wird, ist der Bereich der Siebpartie,
in welchem die Faserstoffbahn von den elektromagnetischen Wellen
beaufschlagt wird, mit einer elektromagnetischen Abschirmung versehen.
Die elektromagnetische Abschirmung besteht in vorteilhafter Weise aus
flächigen
Absorbermaterialien, die den Austritt der elektromagnetischen Wellen
verhindern.
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Hinsichtlich
einer weiteren merklichen Steigerung des Trockengehalts der Faserstoffbahn
ist der Bereich der Siebpartie, in welchem die Faserstoffbahn von
den elektromagnetischen Wellen beaufschlagt wird, oberseitig, unterseitig
oder beidseitig mittels mindestens einer vorzugsweise steuer-/regelbaren
Besaugungseinrichtung besaugt. Die Besaugungseinrichtung umfasst
vorzugsweise zumindest eine besaugte Formiereinheit, insbesondere
Formierwalze, und/oder eine besaugte Entwässerungseinheit, insbesondere
Siebsaugwalze, und sie weist vorzugsweise ein- und/oder auslaufseitig
ein Walzenpaar zur Minimierung von Fremdlufteinzug an der zumindest
einen Stirnseite auf. Die Trockengehaltssteigerung lässt sich
dadurch erklären,
dass die mittels der elektromagnetischen Wellentechnologie erwärmte feuchte
Faserstoffbahn, entweder nach dem Durchlaufen der elektromagnetischen
Welleneinheit oder noch während
Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung zugeführt wird,
besaugt wird. Die Trockengehaltssteigerung kommt dann vor allem
dadurch zustande, dass aufgrund der Erwärmung und der daraus resultierenden
höheren
Temperatur der Faserstoffbahn die Fluidität des Wassers erhöht wird.
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Das
erfindungsgemäße Trocknungsverfahren
im Bereich der Siebpartie lässt
sich generell anwenden, so dass die Siebpartie als Langsiebformer, als
Hybridformer oder als Doppelsiebformer ausgebildet sein kann. Insbesondere
bei einem Doppelsiebformer bietet das erfindungsgemäße Trocknungsverfahren
hinsichtlich der Verschmutzungsneigung von Systemen und der Vermeidung
daraus resultierender Störungen
erhebliche Vorteile.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme
auf die Zeichnung.
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Es
zeigen
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1: eine schematisierte Ansicht
einer erfindungsgemäßen Siebpartie
senkrecht zur Laufrichtung eines Bands;
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2: eine Draufsicht auf eine
mögliche
Anordnung von Mikrowellengeneratoren; und
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3: eine schematisierte Seitenansicht
einer erfindungsgemäßen Siebpartie.
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Die 1 zeigt eine schematisierte
Ansicht einer erfindungsgemäßen Siebpartie 1 senkrecht
zur Laufrichtung R (Pfeil) eines Bands 2.
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Die
Siebpartie 1 einer nicht näher dargestellten Maschine
zur Herstellung einer Faserstoffbahn 3, insbesondere Papier-
oder Kartonbahn, aus mindestens einer Faserstoffsuspension 4 umfasst
zumindest ein Formier- und/oder Entwässerungselement 5, über welches
die zu bildende Faserstoffbahn 3 zumindest einseitig mittels
des endlos umlaufenden Bands 2, insbesondere eines Siebs,
geführt
ist.
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In
der 1 ist die Siebpartie 1 als
Doppelsiebformer ausgebildet, wobei die Faserstoffbahn 3 zwischen
zwei Bändern 2,
dem Untersieb 2.1 und dem Obersieb 2.2, über ein
Formier- und/oder Entwässerungselement 5 geführt ist.
Die Siebpartie 1 kann in weiterer Ausgestaltung jedoch
selbstverständlich
auch als Langsiebformer oder als Hybridformer ausgebildet sein.
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Im
Bereich der Siebpartie 1 sind nun mehrere Mikrowellengeneratoren 6 derart
angeordnet, dass die zu bildende Faserstoffbahn 3 mit einer
senkrecht zur Laufrichtung R (Pfeil) der beiden Bänder 2.1, 2.2 mit
der dazwischen geführten
Faserstoffbahn 3 gleichmäßig verteilten Feldenergie
beaufschlagt ist. Die elektromagnetischen Wellen, insbesondere Mikrowellen,
kommen vorzugsweise bei einem Trockengehalt T der Faserstoffbahn 3 zwischen
15 und 25 % zum Einsatz und sie weisen einen Längenbereich L von 1 m bis 1
mm und einen Frequenzbereich F von 300 MHz bis 300 GHz, vorzugsweise
größer 915
MHz und kleiner 30 GHz, insbesondere im Bereich von 2,45 GHz, auf.
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Die
Mikrowellengeneratoren 6 können derzeit eine jeweilige
Leistung P von bis zu 10 kW aufweisen, wobei jedoch größere Leistungsbereiche aufgrund
zukünftiger
Entwicklungen möglich
sind. Hinsichtlich der Abschätzung
der Auslegung bezüglich
der für
die Trockengehaltssteigerung benötigten Leistung
kann man in grober Abschätzung
zugrunde legen, dass 1 kW 1 kg Wasser/h verdampft. Für eine Trockengehaltssteigerung
von 20 auf 25% in der Siebpartie würde eine Leistung von 1.000
kW, bezogen auf ein Flächengewicht
von 50 g/m2 und eine Bahnbreite von 1 m,
benötigt.
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In 1 ist ersichtlich, dass
die Mikrowellengeneratoren 6 oberseitig der Faserstoffbahn 3 und
in besonderer Ausgestaltung in Laufrichtung R (Pfeil) der beiden
Bänder 2.1, 2.2 spiralförmig um
die Faserstoffbahn 3 angeordnet sind. Damit ist eine gleichmäßige Feldverteilung
gewährleistet.
Solche Anordnungen sind üblicherweise
aus Mikrowellen-Banddurchlauftrocknern bekannt. Jedoch können die
Mikrowellengeneratoren 6 in weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung
auch ober- und unterseitig, ausschließlich unterseitig, einseitig,
beidseitig oder in Kombination miteinander angeordnet sein.
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Weiterhin
ist der mit mehreren Mikrowellengeneratoren 6 versehene
Bereich der Siebpartie 1 direkt über Antennen der Mikrowellengeneratoren 6 und/oder
indirekt über
zwischengeschaltete, jedoch nicht dargestellte Hohlleiteranordnungen
mit elektromagnetischen Wellen beaufschlagt.
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Die 2 zeigt eine Draufsicht
auf eine mögliche
Anordnung von Mikrowellengeneratoren 6.
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Die
Mikrowellengeneratoren 6 sind oberseitig der nicht dargestellten
Faserstoffbahn und in Laufrichtung R (Pfeil) lediglich eines dargestellten
Bands 2 in mehreren Reihen R1,
R2 und R3 und zueinander versetzt
angeordnet.
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Die
beispielsweise in der Reihe R3 angeordneten
Mikrowellengeneratoren 6 können als zusätzliche
sekundäre
Mikrowellengeneratoren 6.1 ausgebildet sein, um die nicht
dargestellte Faserstoffbahn gleichzeitig oder zeitlich versetzt
mit sekundären
Mikrowellen zu beaufschlagen. Dadurch lässt sich die Feldenergie und
die Konzentration an elektromagnetischen Wellen merklich erhöhen. Dies
trägt wiederum
zu einer schnelleren Erhöhung
des Trockengehalts der Faserstoffbahn bei.
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Die 3 zeigt eine schematisierte
Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Siebpartie 1.
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Es
ist deutlich erkennbar, dass der Bereich der Siebpartie 1,
in welchem die Faserstoffbahn 3 zwischen zwei Bändern 2,
dem Untersieb 2.1 und dem Obersieb 2.2, über ein
Formier- und/oder Entwässerungselement 5 geführt und
von den elektromagnetischen Wellen von Mikrowellengeneratoren 6 beaufschlagt
wird, mit einer elektromagnetischen Abschirmung 7 versehen
ist. Die technische Ausgestaltung kann so aussehen, dass auf dem
Obersieb 2.2 eine Halbschale 8 mit entsprechend
vielen Mikrowellengeneratoren 6 bestückt ist. Das Untersieb 2.1 ist mit
Blechen 9 oder anderen ähnlichen
Verkleidungen gegen den Austritt der Mikrowellen abgeschirmt. Es muss
zudem gewährleistet
sein, dass eine gleichmäßige Ausbreitung
elektromagnetischer Wellen innerhalb des abgeschirmten Raums (Behälter, Kammer) erfolgt.
Die elektromagnetische Abschirmung 7 besteht aus flächigen Absorbermaterialien,
die den Austritt der elektromagnetischen Wellen verhindern. Auch
die Stirnseiten 10.1, 10.2 können mit entsprechenden Absorbermaterialien
ausgekleidet sein, um den Austritt der elektromagnetischen Wellen
zu verhindern.
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Das
Band 2.2 (Obersieb) kann in weiterer Ausgestaltung aus
einem nicht permeablen Material bestehen, so dass sich zwischen
dem Band 2.2 und dem darunter liegenden Band 2.1 (Untersieb)
ein Vakuum ausbilden kann, wenn diese Bänder 2.1, 2.2 über eine
Saugeinrichtung geführt
werden. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass der niedrigere Siedepunkt
des Wassers bei reduziertem Druck genutzt werden kann und dass dabei
deutlich weniger Wärme
zugeführt
werden muss, um eine entsprechende Menge Wasser zu verdampfen. So
ist es auch möglich,
dass die Faserstoffbahn nach der Siebtrennung durch ein nicht permeables
Band abgedeckt ist, sobald diese über eine Saugeinrichtung geführt wird.
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Weiterhin
ist in der erfindungsgemäßen Ausführungsform
gemäß der 3 vorgesehen, dass der Bereich
der Siebpartie 1, in welchem die Faserstoffbahn 3 von
den elektromagnetischen Wellen beaufschlagt wird, oberseitig, unterseitig
oder beidseitig mittels mindestens einer vorzugsweise steuer-/regelbaren
Besaugungseinrichtung 11 besaugt werden kann. In der 1 ist die Faserstoffbahn
sowohl ober- als auch unterseitig mit je einer schematisch dargestellten
Besaugungseinrichtung 11 bekannter Bauart besaugt. Weiterhin
weist die Besaugungseinrichtung 11 der 1 ein- und auslaufseitig ein Walzenpaar 12.1, 12.2 zur
Minimierung von Fremdlufteinzug an den beiden Stirnseiten auf, wobei
die oberhalb der Faserstoffbahn 3 liegenden Walzen 13.1, 13.2 in
bekannter Weise besaugt sind.
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In
weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung
kann die vorzugsweise steuerregelbare Besaugungseinrichtung auch
zumindest eine besaugte Formiereinheit, insbesondere Formierwalze,
und/oder eine besaugte Entwässerungseinheit,
ins besondere Siebsaugwalze, umfassen. Hierdurch wird eine nicht planare
Führung
der Faserstoffbahn ermöglicht.
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Auch
können
weitere Positionen für
die Mikrowellengeneratoren im Bereich nach der Siebtrennung in Betracht
kommen. Hinsichtlich der Energieübertragung
hat die Positionierung der Mikrowellengeneratoren nach der Siebtrennung
im Vergleich zur Doppelsiebstrecke keinen Vorteil, da das Sieb verlustfrei
durchdrungen wird. Der Vorteil besteht jedoch darin, dass durch
die fehlende Abdeckung der Faserstoffbahn durch das Obersieb das
am Obersieb anhaftende Wasser keine Strahlung absorbiert.
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Die
erfindungsgemäße Siebpartie
eignet sich auch in hervorragender Weise zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung einer Faserstoffbahn.
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Zusammenfassend
ist festzuhalten, dass durch die Erfindung ein Verfahren und eine
Siebpartie einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn geschaffen
wird, die unter Vermeidung der Nachteile des Stands der Technik
auf möglichst
einfache Weise die Erreichung höherer
Trockengehalte bei der Herstellung einer Faserstoffbahn ermöglicht und
dies bei keinerlei Nachteilen hinsichtlich erreichbarer Produktqualität und Runnability.
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- 1
- Siebpartie
- 2
- Band
- 2.1
- Band
(Untersieb)
- 2.2
- Band
(Obersieb)
- 3
- Faserstoffbahn
- 4
- Faserstoffsuspension
- 5
- Formier-
und/oder Entwässerungselement
- 6
- Mikrowellengenerator
- 6.1
- Sekundärer Mikrowellengenerator
- 7
- Elektromagnetische
Abschirmung
- 8
- Halbschale
- 9
- Blech
- 10.1,
10.2
- Stirnseite
- 11
- Besaugungseinrichtung
- 12.1,
12.2
- Walzenpaar
- 13.1,
13.2
- Walze
- F
- Frequenzbereich
(Mikrowelle)
- L
- Längenbereich
(Mikrowelle)
- P
- Leistung
(Mikrowellengenerator)
- R
- Laufrichtung
(Pfeil)
- R1, R2, R3
- Reihe
- T
- Trockengehalt