DE19823637A1 - Verfahren zum Beeinflussen der Temperatur einer Materialbahn - Google Patents

Verfahren zum Beeinflussen der Temperatur einer Materialbahn

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Beeinflussen der Temperatur einer Materialbahn mit Hilfe einer temperierten Walze angegeben, bei dem die Materialbahn über die Walze geführt wird. DOLLAR A Hierbei möchte man eine effektive Temperaturbeeinflussung der Materialbahn bewirken können. DOLLAR A Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß zwischen der Materialbahn (2) und der Walze (1) eine Luftbewegung erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beeinflussen der Temperatur einer Materialbahn mit Hilfe einer tem­ perierten Walze, bei dem die Materialbahn über die Wal­ ze geführt wird.
Die temperierte Walze kann eine geringere Temperatur als die Materialbahn aufweisen, wenn sie die Material­ bahn kühlen soll. Sie kann auch eine höhere Temperatur als die Materialbahn aufweisen, wenn sie die Material­ bahn erhitzen soll.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Material­ bahnkühlung erläutert. Als Beispiel für die Material­ bahn wird eine Papierbahn verwendet. Die Erfindung ist aber in gleicher Weise auch bei anderen Materialbahnen anwendbar, beispielsweise bei Folien aus Metall oder Kunststoff oder bei Karton- oder Textilbahnen. Ebenso kann man die Erfindung beim Beheizen einer Materialbahn verwenden.
Papierbahnen werden in der Regel satiniert, d. h. sie durchlaufen einen Kalander oder eine andere Walzenma­ schine, wo sie mit einem erhöhten Druck und einer er­ höhten Temperatur beaufschlagt werden. Beispielsweise verläßt eine Papierbahn einen Kalander mit einer Tempe­ ratur von 60 bis 90°C. Vor dem Aufwickeln sollte sie auf eine Temperatur von 40 bis 50°C abgekühlt werden. Wird die Papierbahn nicht genügend abgekühlt, kann es während der Abkühlung der fertigen Wickelrolle, d. h. der aufgewickelten Materialbahn, zu Materialspannungen und gegebenenfalls Platzern kommen.
Es ist aus diesem Grunde bekannt, die Papierbahn über eine Kühlwalze zu leiten. Hierbei umschlingt die Pa­ pierbahn die Kühlwalze über einen vorbestimmten Winkel­ bereich, beispielsweise 180° oder mehr. Die Kühlwalze wird von Kühlwasser durchflossen, das beispielsweise eine Temperatur von etwa 30°C hat. Das Kühlwasser nimmt Wärme auf, die von der Papierbahn an die Kühlwalze ab­ gegeben wird.
Ein gewisses Problem ergibt sich dadurch, daß die Bahn­ geschwindigkeiten der Papierbahnen immer größer werden. Dementsprechend steht ein immer kürzerer Zeitraum zur Abgabe der Wärme von der Papierbahn an die Kühlwalze zur Verfügung. Man hat versucht, die Kühlleistung da­ durch zu verbessern, daß man den Durchmesser der Kühl­ walzen vergrößert. Dies hat jedoch erstaunlicherweise nur eine relativ beschränkte Wirkung gehabt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine effekti­ ve Temperaturbeeinflussung der Materialbahn zu bewir­ ken.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs ge­ nannten Art dadurch gelöst, daß zwischen der Material­ bahn und der Walze eine Luftbewegung erzeugt wird.
Man hat festgestellt, daß die Temperaturbeeinflussungs­ möglichkeit der Walze auf die Bahn durch eine Luft­ schicht oder ein Luftpolster verringert wird, die sich zwischen der Materialbahn und der Walze ausbildet. Kri­ tisch ist dies insbesondere bei Materialbahnen, die luftundurchlässig oder nur schwer luftdurchlässig sind, beispielsweise bei Papierbahnen. Derartige Luftschich­ ten können durchaus Dicken im Bereich von 50 bis 300 µm annehmen. Luft ist bekanntlich ein sehr schlechter Wär­ meleiter, so daß diese Luftschicht als Wärmeisolator wirkt. Die Dicke der Luftschicht nimmt mit einer Ver­ größerung des Walzendurchmessers zu. Dementsprechend ergibt sich mit der Steigerung des Durchmessers der Walze in der Regel keine entsprechende Steigerung der Wärmebeeinflussung, d. h. eine Steigerung der Kühllei­ stung oder der Heizleistung. Wenn man nun aber eine Luftbewegung zwischen der Materialbahn und der Walze erzeugt, dann erhält man einen Wärmetransport durch ei­ ne Konvektion. Diese Konvektion ist ausgesprochen wirk­ sam, d. h. es kann eine entsprechend große Wärmemenge von der Papierbahn an die Walze übertragen werden (oder umgekehrt). Wenn eine derartige Strömung erzeugt wird, ist es nicht notwendig, die Dicke des Luftspaltes zu verkleinern, wenngleich dies eine weitere Verbesserung des Wärmeübergangs ermöglichen würde. Die Erzeugung der Konvektion reicht aus, um auch bei höheren Bahnge­ schwindigkeiten die notwendige Kühl- oder Heizleistung der Walze auf die Materialbahn zu übertragen.
Hierbei ist bevorzugt, daß die Walze mit einer Umfangs­ geschwindigkeit gedreht wird, die sich von der Bahnge­ schwindigekit der Materialbahn unterscheidet. Man er­ zeugt also zwischen der Materialbahn und der Oberfläche der Walze eine Relativgeschwindigkeit. Damit wird mit einfachen Mitteln die gewünschte Luftbewegung erzeugt. Der Wärmetransport muß dann nicht mehr durch ein sta­ tionäres Luftkissen bzw. ein Luftpolster oder eine Luftschicht erfolgen, sondern die Wärme wird durch die Luft selbst transportiert, die sich aufgrund der Rela­ tivbewegung zwischen der Materialbahn und der Oberflä­ che der Walze ergibt. Eine höhere Beanspruchung der Ma­ terialbahn durch eine Reibung an der Walze ergibt sich erstaunlicherweise praktisch nicht bzw. sie bleibt in einem tolerierbaren Bereich. Zurückgeführt wird dies darauf, daß die Luftschicht zwischen der Materialbahn und der Oberfläche der Walzen erhalten bleibt. Die Ma­ terialbahn wird also nach wie vor von einer Luftschicht oder einem Luftkissen abgestützt und gleitet dement­ sprechend nahezu berührungslos über die Walze.
Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die Bahngeschwin­ digkeit der Materialbahn größer ist als die Umfangsge­ schwindigkeit der Walze. Dies bedeutet zwar eine erhöh­ te Beanspruchung eines nachfolgenden Wicklerantriebes und gegebenenfalls auch eine Reduzierung des Bahnzuges stromaufwärts der Walze. Man spart aber Antriebsenergie für die Walze. Experimente haben ergeben, daß man bei einer langsamer laufenden Walze einen besseren Wärme­ übergang erhält als bei einer Walze, deren Umfangsge­ schwindigkeit größer ist als die Bahngeschwindigkeit.
Mit Vorteil wird die Walze gekühlt. Gerade bei einer Kühlwalze kann der Wärmeübergang drastisch verbessert werden. Dies wird auf die relativ geringen Temperatu­ runterschiede zwischen der Materialbahn und der Kühl­ walze zurückgeführt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzug­ ten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeich­ nung näher beschrieben. Hierin zeigt:
Einzige Figur eine schematische Darstellung ei­ ner Kühlwalze.
Eine Kühlwalze 1 dient zum Kühlen einer Papierbahn 2 oder einer anderen Materialbahn. Die Papierbahn 2 um­ schlingt die Kühlwalze 1 hierzu über einen Winkel von 90°. Andere, insbesondere größere Umschlingungswinkel sind natürlich denkbar.
Die Papierbahn 2 steht unter einem Bahnzug T. Sie hat eine Bahngeschwindigkeit UBahn. Die Kühlwalze 1 weist eine Oberflächengeschwindigkeit UKW auf. Durch schema­ tisch dargestellte Luft 3, die in einen Zwickel 4 zwi­ schen der Papierbahn 2 und der Kühlwalze 1 eingerissen oder eingezogen wird, entsteht zwischen der Papierbahn 2 und der Oberfläche 5 der Kühlwalze 1 ein Luftspalt 6. Die Spalthöhe SL läßt sich nach einer empirisch entwic­ kelten Formel wie folgt berechnen:
wobei
SL: Spalthöhe [m]
η: Viskosität Luft [Pa.s]
T: Bahnzug [N/mm]
r: Radius Kühlwalze [m]
UKW: Umfangsgeschwindigkeit Kühlwalze [m/s]
UBahn: Geschwindigkeit Papierbahn [m/s]
Hieraus ist ersichtlich, daß die Spalthöhe oder -dicke mit zunehmendem Radius der Kühlwalze steigt. Dement­ sprechend läßt sich die Kühlleistung durch eine Vergrö­ ßerung des Radius der Kühlwalze nur begrenzt steigern. Je größer die Spalthöhe ist, desto größer ist auch das Luftpolster oder die Luftschicht zwischen der Papier­ bahn 2 und der Kühlwalze 1. Diese Luftschicht ist aber ein sehr wirkungsvoller Wärmeisolator, der den Wärme­ übergang von der Papierbahn 2 an die Kühlwalze 1 wir­ kungsvoll unterbindet.
Man versieht daher die Kühlwalze 1 mit einem elektri­ schen Generator 7, der seine elektrische Leistung an ein Netz abgibt, das beispielsweise wiederum den An­ trieb der Papierbahn 2, beispielsweise in einer Aufwic­ kelstation, speist. Der Generator 7 wird von der Kühl­ walze 1 angetrieben. Die Kühlwalze 1 hingegen wird durch die Papierbahn 2 angetrieben, indem sie mitge­ schleppt wird. Wenn nun dem Generator 7 elektrische Leistung abverlangt wird, dann bremst er die Kühlwalze 1. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Umfangsge­ schwindigkeit UKW kleiner ist als die Bahngeschwindig­ keit UBahn. Dementsprechend entsteht eine Relativge­ schwindigkeit UBahn - UKW zwischen der Papierbahn 2 und der Kühlwalze 1. Der Luftspalt 6 zwischen der Papier­ bahn 2 und der Kühlwalze 1 wird dabei zwar etwas dün­ ner. Die Verringerung der Spalthöhe SL würde an sich aber noch nicht ausreichen, um den Wärmeübergang zwi­ schen der Papierbahn 2 und der Kühlwalze 1 nennenswert zu verbessern. Aufgrund der Relativgeschwindigkeit er­ gibt sich aber eine Verwirbelung oder zumindest eine Bewegung der Luft in dem Luftspalt 6, so daß der Wärme­ transport nicht mehr nur über Leitung und Strahlung, sondern hauptsächlich über Konvektion erfolgen kann. Dies ermöglicht einen sehr wirkungsvollen Wärmetrans­ port.
Selbstverständlich kann man die Kühlwalze 1 auch auf andere Weise bremsen, beispielsweise mit einer herkömm­ lichen mechanischen Bremse, die auf Reibung basiert.
Der Aufbau der Kühlwalze 1 ist an sich bekannt. Bei­ spielsweise kann die Kühlwalze peripher gebohrte Kanäle aufweisen, die in Axialrichtung von Kühlwasser durch­ flossen sind. Auf eine nähere Darstellung des inneren Aufbaus der Kühlwalze wird hier verzichtet.
In gleicher Weise kann man eine Papierbahn 2 (oder eine andere Materialbahn) beheizen, wenn die Walze 1 nicht gekühlt, sondern beheizt wird. Auch hier ergibt sich bei einer Relativgeschwindigkeit zwischen der Papier­ bahn 2 und der Oberfläche 5 der Walze 1 ein verbesser­ ter Wärmeübergang.

Claims (4)

1. Verfahren zum Beeinflussen der Temperatur einer Ma­ terialbahn mit Hilfe einer temperierten Walze, bei dem die Materialbahn über die Walze geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Material­ bahn und der Walze eine Luftbewegung erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Walze (1) mit einer Umfangsgeschwindigkeit (UKW) gedreht wird, die sich von der Bahngeschwin­ digekit (UBahn) der Materialbahn (2) unterscheidet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahngeschwindigkeit (UBahn) der Material­ bahn (2) größer ist als die Umfangsgeschwindigkeit (UKW) der Walze (1).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Walze (1) gekühlt wird.
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