DE19814596C2 - Dampfbeheizte Walze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine dampfbeheizte Walze mit ei­ ner Heizraumanordnung, die über eine Speiseanschluß­ anordnung mit Dampf beschickbar ist, wobei die Heiz­ raumanordnung mit einem Kondensatsammelraum verbunden ist, der über mindestens ein Ventil mit einer Abström­ leitung verbunden ist.

Bei der Herstellung von Papier und anderen Materialbah­ nen ist vielfach eine Satinage notwendig, bei der die Materialbahn durch eine Walzenanordnung geleitet wird, die mindestens einen Nip oder Walzenspalt aufweist, in dem die Materialbahn mit erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur beaufschlagt wird. Eine derartige Behandlung dient unter anderem dazu, die Oberfläche der Material­ bahn in eine gewünschte Richtung zu beeinflussen.

Um die höhere Behandlungstemperatur in dem Walzenspalt zu erzeugen, ist mindestens eine der beiden den Walzenspalt bildenden Walzen beheizt. Eine Möglichkeit der Beheizung besteht darin, daß Dampf in die Walze einge­ speist wird, der seine Wärme an die Walze abgeht. Hier­ zu wird der Dampf über die Speiseanschlußanordnung in die Heizraumanordnung geleitet, die beispielsweise aus einer Vielzahl von achsparallel geführten Kanälen un­ terhalb der Oberfläche der Walze bestehen kann. Über­ schüssiger Dampf wird aus der Heizraumanordnung wieder abgeführt. Ein Teil des Dampfes kondensiert jedoch. Dies ist einerseits positiv, weil beim Kondensieren die größtmögliche Wärmemenge an die Walze abgegeben werden kann. Das Kondensat (bei Verwendung von Wasserdampf ist dies Wasser) muß jedoch aus der Walze entfernt werden.

Die Entfernung des Wassers aus der Walze muß im Betrieb entgegen der Zentrifugalkraft erfolgen, d. h. das Wasser muß radial von außen nach innen transportiert werden. Die Zentrifugalkraft nimmt aber mit steigender Drehzahl der Walze, d. h. mit steigender Arbeitsgeschwindigkeit zu.

Zum Abtransport des Kondensats aus der Walze verwendet man derzeit den die Walze durchströmenden Dampfstrom, d. h. der die Walze durchströmende Dampf wird als "Schlupfdampf" verwendet, der das Kondensat mitreißt. Dieser Schlupfdampf erfordert aber einen relativ hohen Energieaufwand und eine aufwendige Differenzdrucksteue­ rung.

DE 43 13 379 A1 offenbart eine Heizwalze für bahnartige Materialien. Diese weist einen zylindrischen Walzenkör­ per mit mindestens einem Flanschzapfen, einem Zu- und Ablauf für ein Heizmedium, insbesondere Wasserdampf, auf, das durch Leitungen durch den Walzenkörper gelei­ tet wird, und dessen Kondensat in einem Sammelraum ge­ sammelt wird. Um den Abfluß des Kondensats im Betrieb zu gewährleisten, ist eine Röhre vorgesehen, die mit dem Sammelraum verbunden ist und über die das Kondensat zunächst in einen Kondensatsammelraum fließt. Von dort wird das Kondensat weiter in eine Kondensatabflußlei­ tung gedrückt. Die Beförderung des Kondensats kann über einen Dampf-Druck oder einen Unterdruck erfolgen. Im Endbereich der Röhre bzw. im Bereich des Sammelraums können Rückhalteeinrichtungen, z. B. Rückschlagventile angeordnet sein, um im Falle des Langsamlaufs oder des Stillstands der Walze das Kondensat zumindest im we­ sentlichen zurückzuhalten.

DE 195 11 086 A1 offenbart eine dampfbeheizte Walze mit Kühlung sowie eine Vorrichtung für die Zu- und Abfuhr des Dampfes. Der Dampf gelangt über Verbindungskanäle in periphere Bohrungen im Walzenkörper, wo er konden­ siert und seine Wärmeenergie abgibt. Das sich bildende Kondensat wird aufgrund eines außerhalb der Walze ein­ gestellten Differenzdurcks zwischen einer Einlaßbohrung und einer Auslaßbohrung durch Siphonrohre in einen Sam­ melraum und von dort in eine Auslaßbohrung gedrückt. Dabei passiert das im Bereich der Einlaßbohrung anfal­ lende Konzentrat noch ein Verbindungsrohr und ein zu diesem Zeitpunkt offenes Ventil. Dieses Ventil kann im umgekehrten Betrieb vom Kondensat zugedrückt werden, ist also strömungs- oder differenzdruckgesteuert.

DE 43 23 004 A1 beschreibt einen Kondensatableiter mit einem Schwimmerventil.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Entwässe­ rungsmöglichkeit der Walze zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei einer Walze der eingangs genann­ ten Art dadurch gelöst, daß das Ventil mit der Walze rotiert und einen Schwimmer als Betätigungselement auf­ weist, wobei das Ventil die Verbindung zur Abströmlei­ tung unterbricht und das Ventil derart ausgebildet ist, daß es auch dann funktioniert, wenn die Walze sich dreht.

Das Kondensat aus der Heizraumanordnung kann sich also zunächst im Kondensatsammelraum sammeln. Der Dampfdruck steht über die Verbindung zur Heizraumanordnung auch im Kondensatsammelraum an. Das Kondensat kann aber durch den anstehenden Dampfdruck nicht aus dem Kondensatsam­ melraum verdrängt werden, weil das Ventil die Verbin­ dung zur Abströmleitung unterbricht. Erst wenn das Ven­ til geöffnet wird, kann der Dampfdruck das Kondensat in die Abströmleitung hineindrücken. Der Eingang des Ven­ tils ist hierbei unter der Kondensatoberfläche angeord­ net, also radial möglichst weit außen. Man kann dann das Ventil schließen, bevor auch der Dampf in die Ab­ strömleitung entweicht. Man nutzt den Dampf also nicht zum Mitreißen des Wassers aus, sondern dazu, einen Druck auf eine angesammelte Kondensatmenge auszuüben und diese in die Abströmleitung zu verdrängen. Dampf­ verluste können kleingehalten werden. Ein unkontrol­ liertes Abströmen von Dampf kann durch das Ventil ver­ hindert werden. Durch eine entsprechende Steuerung des Ventils können also auch Druckschwankungen und damit Temperaturschwankungen wirkungsvoll verringert werden.

Durch den Schwimmer als Betätigungselement ist das Ventil selbststeuernd. Das im Kondensatsammelraum anstehende Kondensat betätigt den Schwimmer nach dem archimedischen Prinzip. Wenn das Kondensat einen gewissen Pegel erreicht hat, der weit genug über dem Eingang des Ventils liegt, dann öffnet das Ventil und das Kondensat wird aus dem Kondensatsammelraum herausgedrückt. Dabei sinkt der Pegel ab und mit ihm sinkt der Schwimmer. Wenn der Pegel eine vorbestimmte Höhe unterschreitet, dann schließt der Schwimmer das Ventil. Eingriffe von außen sind dabei nicht notwendig. Die Konstruktion funktioniert auch dann, wenn sich die Walze dreht. In diesem Fall sammelt sich das Kondensat an der radial außen gelegenen Innen­ wand des Kondensatsammelraums. Der Schwimmer wird dann, wenn der Pegel ansteigt, radial nach innen verdrängt.

Vorzugsweise ist der Schwimmer um eine senkrecht zur Radialrichtung der Walze verlaufende Achse verschwenk­ bar. Eine Schwenklagerung ist unproblematisch. Die Ge­ fahr, daß der Schwimmer blockiert, ist relativ gering. Darüber hinaus ergibt sich durch die Orientierung der Achse automatisch die richtige Bewegungsrichtung des Schwimmers im Betrieb.

Dies ist insbesondere dann gegeben, wenn die Achse im wesentlichen parallel zur Rotationsachse der Walze ver­ läuft. Der Schwimmer kann sich dann in Umfangsrichtung erstrecken, wo im Kondensatsammelraum genügend Platz zur Verfügung steht.

Vorzugsweise ist der Schwimmer als zweiarmiger Hebel ausgebildet, dessen Arme sich an der Achse treffen, wo­ bei ein Arm einen Schwimmkörper und der andere Arm ein Gegengewicht aufweist. Der zweiarmige Hebel kann also so ausbalanciert werden, daß er im Betrieb an beiden Hebeln das gleiche Drehmoment erfährt. Der Schwimmer befindet sich dann in einem Gleichgewicht, das nur durch den ansteigenden Kondensatpegel gestört wird. In diesem Fall arbeitet der Schwimmer praktisch drehzah­ lunabhängig, weil die Zentrifugalkraft auf beide Arme des Hebels wirkt. Der Kondensatpegel kann bei höheren Drehzahlen also nicht weiter ansteigen als bei niedri­ gen Drehzahlen.

Bevorzugterweise weist der Schwimmer eine in Schließ­ richtung des Ventils wirkende Rückstellfeder auf. Die Auftriebskraft muß lediglich die Kraft der Rückstellfeder überwinden. Die Rückstellfeder stellt aber sicher, daß das Ventil bei zu geringem Pegel des Kondensats im Kondensatsammelraum geschlossen ist.

Mit Vorteil weist das Ventil einen Drehschieber auf, der mit dem Schwimmer verbunden ist und drehstellungs­ abhängig eine Ventilöffnung in einem Lagerrohr, das mit der Abströmleitung verbunden ist, verschließt oder frei gibt. Man nutzt die durch den Schwimmer verursachte Schwenkbewegung um die Achse unmittelbar aus, um den Drehschieber zu betätigen. Der Drehschieber bietet im geschlossenen Zustand gleichzeitig eine gute Abdicht- oder Schließcharakteristik für das Ventil.

Bevorzugterweise ist die Ventilöffnung schlitzartig ausgebildet und der Drehschieber weist einen Schlitz auf, der mit der Ventilöffnung in Überdeckung bringbar ist. Durch die schlitzartige Ausbildung wird einerseits ein gutes Schließverhalten erreicht, d. h. bereits mit einer geringen Verdrehbewegung des Drehschiebers gegen­ über dem Lagerrohr wird ein Öffnen oder Schließen des Ventils bewirkt. Durch den Schlitz steht beim offenen Ventil aber eine Öffnung mit einer ausreichenden Länge und damit einer entsprechenden Querschnittsfläche zur Verfügung, so daß das Kondensat aus dem Kondensatsam­ melraum schnell entfernt werden kann.

Vorzugsweise liegt die Heizraumanordnung radial weiter innen als der Kondensatsammelraum und ist über geneigte Kondensatzulaufkanäle mit dem Kondensatsammelraum ver­ bunden. Damit ergibt sich aufgrund der Schwerkraft au­ tomatisch eine Abförderung des Kondensats aus der Heizraumanordnung in den Kondensatsammelraum, ohne daß zusätzliche Maßnahmen getroffen werden müssen. Die kleine zusätzliche Strecke, die dann das Kondensat beim Abfördern wieder radial nach innen zurücklegen muß, kann man in Kauf nehmen, weil die Heizraumanordnung mit großer Zuverlässigkeit frei von Kondensat gehalten wer­ den kann.

Vorzugsweise ist das Ventil über mehrere im wesentli­ chen radial verlaufende Kanäle mit der Abströmleitung verbunden. Die Verwendung von mehreren Kanälen vergrö­ ßert den Strömungsquerschnitt. Dementsprechend reicht auch ein niedrigerer Dampfdruck aus, um das Kondensat aus dem Kondensatsammelraum abzufördern.

Vorteilhafterweise ist die Heizraumanordnung über einen Dampfkanal mit dem Kondensatsammelraum verbunden, des­ sen Mündung radial weiter innen als das Ventil liegt. Damit kann der Dampfdruck nicht nur über das in der Kondensatzulaufleitung anstehende bzw. fließende Kon­ densat auf den Kondensatsammelraum wirken, sondern auch über den Dampfkanal. Der Dampfkanal mündet radial rela­ tiv weit innen, so daß der Dampf im Betrieb in dem Rin­ graum zwischen Kondensat und radial innen liegender In­ nenwand des Kondensatsammelraums ansteht. Wenn das Ven­ til öffnet, dann drückt dieser Dampf das Kondensat durch das Ventil heraus.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzug­ ten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeich­ nung näher beschrieben. Hierin zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht eines Kalanders mit dampf­ beheizten Walze,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Endabschnitt der Wal­ ze,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines Teils von Fig. 2 und

Fig. 4 einen Schnitt IV-IV nach Fig. 3.

Ein Kalander 1 zum Behandeln einer Papierbahn 2 oder einer anderen Materialbahn weist eine beheizte Walze 3 auf, die zusammen mit einer Gegenwalze 4 einen Walzen­ spalt oder Nip 5 bildet, in dem die Papierbahn 2 mit einem erhöhten Druck und einer erhöhten Temperatur be­ aufschlagt wird. Bei der Papierbahn 2 führt diese Be­ handlung zum einen zu einer Verdichtung und zum anderen zu einer Glättung der Oberfläche und zu höherem Glanz. Insbesondere für den Glanz ist eine erhöhte Temperatur notwendig, die mit Hilfe von Dampf erzeugt wird, der über eine Speiseanschlußanordnung 6 (Fig. 3) einer Heizraumanordnung 7 zugeführt wird, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch peripher gebohrte Kanäle ge­ bildet ist. Die Heizraumanordnung befindet sich damit relativ dicht unter der Oberfläche 8 der Walze 3.

Der in die Heizraumanordnung 7 eintretende Dampf er­ wärmt die Walze 3, indem er seine thermische Energie an die Walze 3 abgibt. Hierbei kann er so weit abkühlen, daß er kondensiert. Bei Wasserdampf liegt das Kondensat dann als Wasser vor. Zum Entwässern, d. h. zum Abführen des Kondensats ist ein Kondensatsammelraum 9 an minde­ stens einer, vorzugsweise aber beiden Stirnseiten der Walze 3 angeordnet. Der Kondensatsammelraum steht über eine Zulaufleitung 10 mit einem Dampfverteilraum 11 in Verbindung, der zwischen der Speiseanschlußanordnung 6 und der Heizraumanordnung 7 angeordnet ist, um ein gleichmäßiges Verteilen des Dampfes auf alle Kanäle der Heizraumanordnung 7 sicherzustellen. Die Zulaufleitung 10 ist gegenüber der Rotationsachse 12 der Walze leicht nach außen geneigt. Der Kondensatsammelraum 9 liegt dementsprechend radial etwas weiter außen als der Dampfverteilraum 11. Dementsprechend fließt Kondensat aus dem Dampfverteilraum 11 unter der Wirkung der Zen­ trifugalkraft in den Kondensatsammelraum 9.

Der Kondensatsammelraum 9 seinerseits steht über eine Bohrung und mehrere im wesentlichen radial verlaufende Kanäle 13, 14 mit einer Abströmleitung 15 in Verbin­ dung. Die Kanäle 13, 14 gehen hierbei von der axial verlaufenden Bohrung 16 ab. Zwischen den Kanälen 13, 14 und dem Kondensatsammelraum befindet sich allerdings ein Ventil 17. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, sind in Umfangsrichtung verteilt mehrere Ventile 17 vorhanden, im vorliegenden Ausführungsbeispiel acht Ventile 17. Jedes Ventil 17 ist über seine Bohrung 16 mit entspre­ chenden Kanälen 13, 14 verbunden. Wenn das Ventil öff­ net, dann kann, wie weiter unten näher erläutert wird, das im Kondensatsammelraum 9 befindliche Kondensat durch den Dampfdruck aus dem Dampfverteilraum herausge­ drückt werden. Um dies zu erleichtern, ist ein zusätz­ licher Dampfkanal 18 vorgesehen, der radial weiter in­ nen in den Kondensatsammelraum 9 mündet als das Ventil 17 angeordnet ist.

Das Ventil 17 ist als Drehschieberventil ausgebildet. Auf einem Lagerrohr 19, das eine schlitzartige Venti­ löffnung 20 aufweist, ist ein Drehschieber 21 mit einem Schlitz 22 drehbar gelagert. In der in Fig. 4 darge­ stellten Öffnungsstellung kommt der Schlitz 22 in Überdeckung mit der schlitzartigen Öffnung 20.

Der Drehschieber 21 ist dementsprechend um eine zur Ro­ tationsachse 12 parallel verlaufende Achse M verdreh­ bar. Auf einer Seite in Umfangsrichtung ist er mit ei­ nem Schwimmkörper 23 verbunden. Auf der anderen Seite ist er mit einem Gegengewicht 24 verbunden. Schwimmkör­ per 23 und Gegengewicht 24 bilden dementsprechend einen zweiarmigen Hebel, dessen Arme sich an der Drehachse M treffen. Der Einfachheit halber werden beide Teile zu­ sammen als "Schwimmer" bezeichnet.

Der Schwimmkörper 23 liegt in der dargestellten Öff­ nungsstellung an einem Anschlag 25 an. Er wird durch eine Rückstellfeder 27, die auf einen Vorsprung 28 am Drehschieber 21 wirkt, in Schließrichtung belastet, so daß der Schwimmkörper 23 in Schließstellung an einem Anschlag 26 zur Anlage kommt. In diesem Fall ist die Öffnung 20 und der Schlitz 22 nicht mehr in Überdec­ kung. Die Verbindung ist unterbrochen.

Für die Schließstellung sind nun die Abmessungen und Gewichte von Schwimmkörper 23 und Gegengewicht 24 so gewählt, daß bei der Rotation der Walze 3 kein Kippmo­ ment über die Drehachse M entsteht. Wenn man mit S1 die Masse des Schwimmkörpers 23 im Schwerpunkt und mit S2 die Masse des Gegengewichts 24 im Schwerpunkt bezeich­ net, L1 und L2 der Abstand der jeweiligen Schwerpunkte von der Drehachse M und mit R1 und R2 den Abstand der Schwerpunkte von der Rotationsachse 12, dann lautet die Gleichgewichtsbedingung für diesen Zustand:

S1 × R1 × L1 = S2 × R2 × L2.

Bei einer Rotation der Walze hat die Zentrifugalkraft keine Wirkung auf den Schwimmer 23, 24, weil die von der Zentrifugalkraft ausgeübten Momente auf den Schwimmer 23 und auf das Gegengewicht 24 entgegengesetzt gleich sind. Dies ist in Fig. 4 durch die gleichlangen Pfeile F schematisch dargestellt. Zusätzlich wirkt auf den Schwimmkörper 23 noch die Kraft FR, die von der Rückstellfeder 27 hervorgerufen wird.

Wenn nun Kondensat in dem Kondensatsammelraum 9 ein­ fließt, wird auch das Kondensat durch die Zentrifugal­ kraft gegen die radial außen liegende Innenwand des Kondensatsammelraumes 9 gedrückt. In Fig. 4 ist durch eine strichpunktierte Linie 29 der Kondensatpegel dar­ gestellt, der sich ergibt, wenn das Kondensat nicht ab­ geleitet wird.

Das Kondensat erzeugt nun einen "Auftrieb" auf den Schwimmkörper 23. Dieser Auftrieb ist aus dem Kondensat herausgerichtet, d. h. radial nach innen. Dementspre­ chend wirkt auf den Schwimmkörper 23 eine Auftriebs­ kraft FA entgegen der Kraft FR der Rückstellfeder. Wenn die Auftriebskraft FA die Kraft FR übersteigt, dann wird der Schwimmkörper radial nach innen geschwenkt und verdreht den Drehschieber 21, der daraufhin über die Öffnungen 20, 22 und den Innenraum des Lagerrohres 19 eine Verbindung zur Bohrung 16 herstellt. Da in dem Kondensatsammelraum radial innerhalb des Pegels 29 der Dampfdruck herrscht, der auch in der Heizraumanordnung 7 herrscht, wird das Kondensat dann in die Kanäle 13, 14 und schließlich in die Abströmleitung 15 gedrückt. Wenn kein Auftrieb mehr erfolgt, wird der Schwimmkörper 23 über die Rückstellfeder 27 wieder an den Anschlag 26 gedrückt. Das Ventil 17 wird dabei geschlossen und zwar bevor der Pegel 29 die Öffnungen 20, 22 des Ventils 17 erreicht. Dementsprechend kann kein Dampf über das Ven­ til 17 entweichen.

Für die Entwässerung ist lediglich ein Druck in der Heizraumanordnung 7 notwendig, der ausreicht, um das Kondensat, d. h. das kondensierte Wasser, radial nach innen zu bewegen. Dieser Druck steigt etwa quadratisch mit der Drehzahl der Walze, d. h. mit der Arbeitsge­ schwindigkeit der Walze. In der Regel sind bei höheren Arbeitsgeschwindigkeiten aber auch höhere Dampfdrücke erforderlich, um die notwendige Wärmemenge in die Walze eintragen zu können und dementsprechend die gewünschte höhere Temperatur zu erzeugen.

Claims (10)

1. Dampfbeheizte Walze mit einer Heizraumanordnung, die über eine Speiseanschlußanordnung mit Dampf be­ schickbar ist, wobei die Heizraumanordnung mit ei­ nem Kondensatsammelraum verbunden ist, der über mindestens ein Ventil mit einer Abströmleitung ver­ bunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (17) mit der Walze (3) rotiert und einen Schwimmer (23, 24) als Betätigungselement aufweist, wobei das Ventil (17) die Verbindung zur Abströmleitung (15) unterbricht und das Ventil (17) derart ausgebildet ist, daß es auch dann funktioniert, wenn die Walze (3) sich dreht.

2. Walze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwimmer (23, 24) um eine senkrecht zur Ra­ dialrichtung der Walze (3) verlaufende Achse (M) verschwenkbar ist.

3. Walze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (M) im wesentlichen parallel zur Rotati­ onsachse (12) der Walze (3) verläuft.

4. Walze nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schwimmer als zweiarmiger Hebel ausge­ bildet ist, dessen Arme sich an der Achse (M) tref­ fen, wobei ein Arm einen Schwimmkörper (23) und der andere Arm ein Gegengewicht (24) aufweist.

5. Walze nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schwimmer (23, 24) eine in Schließrichtung des Ventils (17) wirkende Rück­ stellfeder (27) aufweist.

6. Walze nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Ventil (17) einen Drehschie­ ber (21) aufweist, der mit dem Schwimmer (23, 24) verbunden ist und drehstellungsabhängig eine Venti­ löffnung (20) in einem Lagerrohr (19), das mit Ab­ strömleitung (15) verbunden ist, verschließt oder frei gibt.

7. Walze nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilöffnung (20) schlitzartig ausgebildet ist und der Drehschieber (21) einen Schlitz (22) auf­ weist, der mit der Ventilöffnung (20) in Überdec­ kung bringbar ist.

8. Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Heizraumanordnung radial wei­ ter innen als der Kondensatsammelraum (9) liegt und über geneigte Kondensatzulaufkanäle (10) mit dem Kondensatsammelraum (9) verbunden ist.

9. Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Ventil (17) über mehrere im wesentlichen radial verlaufende Kanäle (13, 14) mit der Abströmleitung (15) verbunden ist.

10. Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Heizraumanordnung (7) über einen Dampfkanal (18) mit dem Kondensatsammelraum (9) verbunden ist, dessen Mündung radial weiter in­ nen als das Ventil (17) liegt.