-
Heizvorrichtung für rotierende Walzen.
-
Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung für eine auf einer rotierenden
Antriebswelle befestigte und aus einem wärmeleitenden Werkstoff bestehende Heizwalze
in Gestalt eines an der vorderen Stirnseite geschlossenen Hohlzylinders aus einem
radial innerhalb der Heizwalze an einem festen Maschinenteil befestigten Ringheizkörper,
wobei ein Ringspalt zwischen der Innenfläche der Heizwalze und der Außenfläche des
Ringheizkörpers verbleibt und ein elektrisches Widerstandsheizband im Ringheizkörper
angeordnet ist. Heizvorrichtungen dieser Art sind beispielsweise bei der Herstellung
von Kunstfasern unter der Bezeichnung "Galette" bekannt. Die Kunstfaser läuft auf
diese Galette auf, läuft mehrere Male um die sich drehende Galette herum und verläßt
diese dann wieder. Dabei erfährt die Kunstfaser eine thermische und mechanische
Behandlung.
-
Die bekannten Heizvorrichtungen,bei denen die Wärme vom Ringheizkörper
durch Konvektion oder Wärmeleitung auf die Heizwalze über- -tragen wird, haben den
Nachteil einer großen Wärmekapazität. Wenn die Heizwalzen aus irgendeinem Grunde
stillgesetzt und zugleich die Heizung abgeschaltet wird, fließt die im Ringheizkörper
gespeicherte Wärme weiter zur Heizwalze ab, so daß der um die Heizwalze laufende
Kunststoffaden verkokt und schmilzt . Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus der
im Material gespeicherten Wärme. Es bildet sich ein Wärmestau, der Totzeiten zur
Folge hat und die Verwendung einfacher Proportionalregler verhindert. Zur Vermeidung
der weiteren Aufheizung der Heizwalze beim Stillsetzen infolge dieses Wärmestau
hat man bereits induktive Heizungen angewendet. Mit diesen induktiven Heizungen
wird die Wärme erst unmittelbar im Zylindermantel der Heizwalze erzeugt, so daß
die weitere Aufheizung nach dem Stillsetzen
unterbleibt. Diese induktiven
Heizungen haben Jedoch den Nachteil, daß die nicht zu vermeidenden magnetischen
Kräfte bei- den hohen Drehzahlen der Heizwalze von bis zu etwa 7000 Umdrehungen
pro ;MI-nute die Lager sehr stark beanspruchen und zu Schwingungen fUhren.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile der bekannten
Heizvorrichtungen zu vermeiden und eine Heizvorrichtung für Heizwalzen zu schaffen,
die, wenn sie aus irgendeinem Grunde stillgesetzt wird, die Heizwalze nicht weiter
aufheizt und bei der auch die bei der induktiven Heizung auftretenden magnetischen
Kräfte vermieden werden. Zugleich soll die Heizwalze auf ihrem gesamten Umfang eine
konstante Temperatur haben, was bei der Verwendung der Heizwalze bei der Herstellung
von Kunstfasern für die Qualität der Kunstfasern von hervorragender Bedeutung ist.
-
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei einer Heizvorrichtung der eingangs
beschriebenen Art gemäß der Erfindung dadurch, daß der Ringheizkörper aus einem
äußeren Quarzglasrohr und einem inneren, nach außen reflektierenden Reflektorrohr
besteht, die konzentrisch in der Heizwalze angeordnet sind und zwischen denen das
Widerstandsheizband angeordnet ist, und daß auf der Innenseite des Reflektorrohres
um ein Trägerrohr herum ein Ringkanal sowie auf der Innenseite der Stirnwand der
Heizwalze Radialkanaäle und anXder Rückseite der Heizwalze um das Trägerrohr herum
eine Ringkammer ausgebildet ist, die zur Bildung eines Luftkreislaufes miteinander
und mit dem Ringspalt zwischen der Heizwalze und dem Ringheizkörper verbunden sind.
-
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde/ daß man die bei den herkömmlichen
Heizwalzen nach deren Stillsetzen auftretende weitere Erwärmung infolge der im Ringheizkörper
gespeicherten und dann nach außen abflieBenden Wärme vermeiden kann, wenn man statt
der bisher üblichen Konvektionsheizung die Heizwalze im wesentlichen ausschließlich
durch Strahlung heizt und den Ringheizkörper-dabei so ausbildet, daß er selbst keine
nennenswerten Wärmemengen speichert.
-
Das äußere Quarzglasrohr des Ringheizkörpers weist einen hohen Schmelzpunkt
und geringe Wärmeleitfähigkeit auf, während es Wärme strahlen leicht passieren läßt.
Die Folge ist, daß die Heizwalze von dem innerhalb des Quarzglasrohres im Ringheizkörper
liegenden
Widerstandsheizband im wesentlichen ausschließlich durch
Strahlung beheizt wird, so daß5 wenn die Heizwalze stillgesetzt und das Widerstandsheizband
abgeschaltet wird, die Aufheizung der Heizwalze augenblicklich beendet wird. Darüberhinaus
aber kann man bei der Heizvorrichtung gemäß der Erfindung in den beschriebenen Kanälen
einen Luftkreislauf erzeugen, der automatisch dafür sorgt, daß die gesamte Mantelfläche
der Heizwalze eine gleichmäßige Temperatur erlangt, indem der in diesen Kanälen
vorhandene buftkreislauf auf eine noch ausftLhrlich zu beschreibende Weise gerade
an die-Jenigen Stellen der Heizwalze zusätzliche Wärme liefert, an denen durch Wärme
abfluß die Temperatur der Heizwalze normalerweise niedriger wäre. Zugleich wird
mit diesem Luftkreislauf eine Kühlung des Reflektorrohres des Ringheizkdrpers erreicht.
-
Im einzelnen kann das Reflektorrohr ein mit einer Verspiegelung versehenes
Quarzglasrohr sein. Bei der Verspiegelung handelt es sich vorzugsweise um eine Goldversplegelung.
-
Das Reflektorrohr kann aber auch ein auf seiner Außenseite gut reflektierendes
Metallrohr sein.
-
Der Ringheizkörper ist zweckmäßig auf einem innerhalb des Reflektorrohres
um die Antriebswelle herumliegenden und den Ringkanal innen begrenzenden Trägerrohr
aufgebaut und mit diesem am festen Maschinenteil befestigt.
-
Die Erfindung sieht ferner vor, daß zur Verbindung des Ringkanals
mit den Ra'dlalkanälen und der Ringkammer in den Stirnwänden des Ringheizkörpers
Offnungen ausgebildet sind.
-
Bei den Radialkanälen auf der Innenseite der Stirnwand der Heizwalze
kann es sich um Radialnuten oder irgendwelche anderen radialen Kanäle handeln. Gemäß
einer bevorzugten Ausführungsrorm der Erfindung ist Jedoch vorgesehen, daß die Radialkanäle
auf der Innenseite der Stirnwand der Heizwalze aus verhältnismäßig großflächigen,
außermittig angeordnten Löchern in dieser Stirnwand bestehen und daß die Stirnwand
außenseitig mit einem Verschlußdeckel versehen ist.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß innerhalb
des Ringheizkörpers in gleichmäßigem Umfangsabstand achsparallele,
mit
Keramikringen versehene Tragstäbe für das Widerstandsheizband angeordnet sind, deren
Windungen in Gestatt von Vielecken uni diese Tragstäbe herum verlaufen. Neben der
geringen Wärmekapazität eines solchen Widerstandsheizbandes hat diese Ausführungsform
der Erfindung den Vorteil, daß, wenn die Windungen des Widerstandsbandes sich bei
der Erwärmung und im Laufe der Zeit bleibend dehnen,.
-
nicht etwa die gesamte durch die Dehnung verursaohte zusätzliche Länge
einer Windung an der Unterseite der Windung zu einer erheblichen Annäherung des
Widerstandheizbandes an das Quarzglasrohr führt. Dank des vieleckigen Verlaufs Jeder
einzelnen Windung im Inneren des Ringheizkörpers werden die auftretenden Dehnungen
des Widerstandsheizbandes vielmehr in Form von kleinen Durchhängen auf alle Seiten
des Vieleckes verteilt, sÖ daß das Widerstandsheizband auch nach längerem Gebrauch
seine ursprüngliche Lage im wesentlichen beibehält.
-
Die Erfindung sieht noch zwei weitere Maßnahmen vor, mit denen erreicht
wird, eine unterschiedliche Abkühlung und damit eine unterschiedliche Temperatur
der Heizwalze entlang von deren Oberfläche auszugleichen. Die Erfindung schlägt
vor, daß das Widerstandsheizband die Heizwalze örtlich verschieden stark aufheizt,
so daß eine an einer bestimmten Stelle besonders stark auftretende Abkühlung bzw.
-
Wärmeabfuhr durch eine entsprechend verstärkte Aufheizung ausgeglichen
wird.
-
Als eine Möglichkeit schlägt die Erfindung vor, daß das Widerstandsheizband
unterschiedlichen Querschnitt und damit unterschiedlichen spezifischen Widerstand
hat. Ist eine besonders starke Aufheizung erwünscht, wird der Querschnitt des Widerstandsheizbandes
an dieser Stelle geschwächt. Der spezifische Widerstand steigt und entsprechend
steigt die Aufheizung.
-
Die zweite Maßnahme sieht vor, daß die Windungen des Widerstandsheizbandes
in axialer Richtung unterschiedlichen Abstand voneinander haben. Dichter beieinander
liegende Windungen bewirken eine stärkere Aufheizung, und umgekehrt.
-
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiesl, das in den beiliegenden
Zeichnungen dargestellt ist. In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 einen
Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Heizvorrichtung gemäß der Erfindung,
wobei die Linie A-B-C in Fig. 2 die Schnittführung angibt, und Fig. 2 zum Teil einen
Que,rschnitt und zum Teil eine Stirnansicht auf die in Fig. 1 linke Seite der Heizvorrichtung
nach Abnahme des die Stirnwand der Heizwalze bedeckenden Verschlußdeckels.
-
Die Heizwalze 10 besteht aus einem Hhhlzylinder, der an seinem in
Fig. 1 links liegenden Ende, das im folgenden als vorderes Ende bezeichnet werden
soll, mit einer Stirnwand 9 1ist einstückig eine nach innen ragende Nabe ii ausgebildet,
mit der die Heizwalze 10 auf einem konischen Ende 13 der Antriebswelle 12 befestigt
ist. Zur Befestigung dient eine auf ein Gewindeende der Antriebswelle 11 aufgeschraubte
Mutter 15. Die Antriebswelle 12 ist in einem feststehenden Maschinenteil 14 gelagert
und wird von einem nicht dargestellten Antrieb gedreht. + versehen ist. Mit der
Stirnwand 9 Der Ringheizkörper im Inneren der Heizwalze 10 Xst allgemein mit 16
bezeichnet. Im einzelnen ist-um die Antriebswelle 12 herum ein Trägenshr 17 angeordnet,
das mit einem nach innen ragenden Flansch bei 19 am Maschinenteil 14 befestigt ist.
Auf diesem Trägerrohr 17 ist der Ringheizkörper 16 aufgebaut, der im wesentlichen
aus einem inneren Reflektorrohr 28 und einem äußeren Quarzglasrohr 26 besteht, die
konzentrisch zum Trägerrohr 17 und zur Antriebswelle 12 mit geeigneten Radialendwänden
auf dem Trägerrohr 17 montiert sind. Der AußendiZuchmesser des Quarglasrohres 26
ist kleiner als der Innendurchmesser der Heizwalze 10, so daß zwischen beiden ein
Ringspalt 32 vorhanden ist. Desgleichen ist der Außendurchmesser des Trägerrohres
17 kleiner als der Innendurchmesser des Reflektorrohres 29? so daß auch zwischen
diesen beiden Teilen ein Ringkanal 30 vorhanden ist.
-
Das Quarzglasrohr 26 hat die Eigenschaft, daß es bei hohem Schmelzpunkt
und geringer Wärmeleitfähigkeit Wärmestrahlen leicht passieren läßt. Da erfindungsgemäß
eine Erwärmung der Heizwalze 10 durch Strahlung angestrebt wird, ist Quarzglas zur
Herstellung des Rohres 26 hervorragend geeignet, obwohl es auch andere Werkstoffe
mit diesen Eigenschaften geben mag, die gegebenenfalls zur Herstellung des Rohres
26 anwendbar sind.
-
Das Reflektorrohr 28 hat die Aufgabe, die Wärmestrahlen des QoBb;zu
zu beschreibenden Widerstandsheizbandes naeh außen zu zur Heizwalze zu reflektiren.
Es besteht beispielsweise aus einem Quarzglasrohr mit einer Goldverspiegelung oder
auch aus einem außen reflektierenden Metallrohr.
-
In dem Ringspalt zwischen dem Quarzglasrohr 26 und dem Reflektorrohr
28 ist das Widerstandsheizband angeordnet. Hierzu sind in gleichmäßigem Umfangsabstand
voneinander zwischen den radialen Endwänden des Ringheizkörpers 16 achsparallele
Tragstäbe 40 angeordnet, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel sechs derartige
Tragstäbe 40 vorgesehen sind. Auf die Tragstäbe 4o sind Keramikformteile 42 aufgeschoben,
um die das Widerstandsband 20 läuft. Man erkennt aus Fig. 2, daß die einzelnen Windungen
des Widerstandsheizbandes 20 im Querschnitt durch die Heizvorrichtung betrachtet
vieleckige, d.h. im dargestellten Ausführungsbeispiel sechseckige Gestalt haben.
Wenn das Widerstandsheizband 20 daher bei seiner Erwärmung und im Laufe seiner Lebenszeit
länger wird, so bildet sich nicht etwa an der Unterseite des Ringheizkörpers 16
ein verhältnismäßig großer Durchhang, so daß das Widerstandsheizband sich hier dem
Quarzglasrohr 26 erheblich annähert. Vielmehr werden diese Dehnungen oder Längungen
des Widerstandsheizbandes 20 auf alle Seiten des Vielecks verteilt, so daß sich
in Jeder Vieleckseite ein Kleiner, unbedeutender Durchhang bildet.
-
In den radialen Endwänden des Ringheizkörpers 16 sind in Höhe des
Ringkanals 30 Durchtrittsöffnungen 36 bzw. 38 ausgebildet. Diese Durchtrittsöffnungen
sind außermittig über den Umfang verteilt vorgesehen. Ferner ist die Stirnwand 9
der Heizwalze 10 mit großflächigen, außermittig in gleichmäßigem Umfangsabstand
angeordneten Löchern 22 verstehen, die funktionell Radialtanäle für einen noch zu
beschreibenden Luftkreislauf 44 bilden. Auf der Außenseite der Stirnwand 9 ist ein
Verschluddeckel 24 befestigt, der die Löcher 22 nach außen verschließt. Schließlich
ist am in Fig. 1 rechten Ende der Heizvorrichtung, das im folgenden als hinteres
Ende bzeichnet werden soll, eine Ringhaube 34 auf das Trägerrhhr 17 drehfest auf¢baut,
deren innerer Hohlraum den Ringspalt 32 und den Ringkanal 30 miteinander verbindet.
-
Im Betrieb wird dank der Anordnung des Quarzglasrohres 26 die Heizwalze
10 von dem Widerstandsheizband 20 im wesentlichen nur durch Strahlung beheizt. Wenn
die Heizvorrichtung zum Stillstand kommt, wird das Widerstandsheizband 20 abgeschaltet
und damit augenblicklich die weitere AurheXung der Heizwalze 10 unterbrochen.
-
Die Heizwalze 10 soll auf ihrer ganzen Umfangsfl&che eine konstante
Temperatur haben. Bei den herkömmlichen Heizvorrichtungen zeigt es sich Jedoch bei
genaueren Messungen, daß der Heizwalzenmantel an dem in Fig. 1 mit 18 beleichneten
Ende eine geringere Temperatur als auf der übrigen Umfangsfläche hat. Ein Grund
hierfür ist, daß einerseits über die Stirnwand der Heizwalze Wärme zur Antriebswelle
12 und von dort auf die Maschine abfließt. Ein weiterer arund liegt darin daß sich
an der Stirnwand entlang eine radial nach außen fließende Luftatrömung einstellt,
die ihre Richtung am Umfang der Stirnwand bzw. zu Beginn des Heizwalzenmantels ändert
und axial über die sen weiter fließt bis sie schließlich auf das Maschinenteil 14
auftritt und dort wieder umgelenkt wird. Da diese Luftströmung an der Stirnwand
noch am kältesten ist und damit dort der größte Temperaturunterschied zwischen Heizwalze
und Luft herrscht, wird auch dort an der Stirnwand am meisten Wärme an die Luft
abgegeben.
-
Auch dieser Nachteil der bekannten Heizvorrichtung wird bei der Heizvorrichtung
gemäß der Erfindung beseitigt, da sich bei dieser ein Luftkreislauf einstellt, der
in Fig. 1 schematisch mit den Pfeilen 44 dargestellt ist. Bei der Drehung der Heizwalze
10 wandert Luft in den Löchern 22 infolge der Fliehkraft radial nach außen. Die
Luft tritt in den Ringspalt 32 ein und gelangt von diesem in die Ringhaube 34, die
sich nicht dreht. Von der Rhghaube 34 tritt die Luft über die Öffnungen 38, in den
Ringkanal 30 ein. Hier erwärmt sie sich an der Innenseite des Reflektorrohres 28
und bewirkt gleichzeitig dessen Kühlung. Die erwärmte Luft tritt durch die Öffnungen
36 wiederum in die Löcher 22 ein und trifft dann - wie bereits beschreiben - im
Bereich 18 auf die Innenseite des Heizwalzenmantels. Die vom Reflektorrohr 28 aufgenommene
Wärme wird dabei zum Teil im Bereich 18 an den Heizwalzenmantel abgegeben. so daß
der beschriebene starke Wärmeabfluß an dieser Stelle durch diesen Wärmetransport
ausgeglichen wird.
-
Selbstverständlich kann man, wenn man an einer bestimmten Stelle der
Heizwalze eine höhere Wärmeleistung des Widerstandsheizbandes 20 Wünscht, diesem
an dieser Stelle einen geringeren Querschnitt 8 geben. Der elektrische Widerstand
pro Längeneinheit und die Erwärmung werden dann an dieser Stelle entsprechend höher,
Desgleichen kann man an solchen Stellen, an denen eine geringere Erwärmung erwünscht
ist, den Abstand 9 der einzelnen Windungen des Widerstandsheizbandes 20.größer machen.
-
Patentansprüche