DE19823637C2

DE19823637C2 - Verfahren zum Kühlen einer Materialbahn

Info

Publication number: DE19823637C2
Application number: DE1998123637
Authority: DE
Inventors: Christian Muench
Original assignee: Voith Paper Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 1998-05-27
Filing date: 1998-05-27
Publication date: 2002-07-18
Anticipated expiration: 2018-05-28
Also published as: DE19823637A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen einer Materialbahn mit Hilfe einer gekühlten Walze, bei dem die Materialbahn über die Walze geführt wird.

Die gekühlte Walze weist eine geringere Temperatur als die Materialbahn auf und soll die Materialbahn kühlen.

DE 44 15 581 C2 beschreibt eine Papier-Streichvorrich tung, bei der die Papierbahn hinter der Streichvorrich tung, d. h. der Auftrag-Einrichtung zum Auftragen eines flüssigen Streichmediums auf die laufende Papierbahn, eine Trocknungseinrichtung angeordnet ist. Die Trock nungseinrichtung umfaßt mindestens eine Umlenkwalze und darüber hinaus kontaktlose Trockner, beispielsweise In frarot-Trockner oder Gas- oder Elektrotrockner. Zwi schen der Papierbahn und der Umlenkwalze wird ein Luft polster geschaffen, das sich mit der Umlenkwalze be wegt.

Haeßner, Winfried: "Trocknungstechnik und deren Ent wicklung", in DE-Z Das Papier, 44. Jahrgang, Heft 10A, 1990, S. V155-163 beschreibt die Entwicklung der Trocknungstechnik in den letzen Jahrzehnten. Aus diesem Artikel geht hervor, daß die Wärmezufuhr zu einer Pa pierbahn, die zum Trocknen erforderlich ist, überwie gend über den Kontakt der Papierbahn mit den entspre chenden Heizwalzen erfolgt. An den Walzen, an denen die Papierbahn nur unter Zwischenlage eines Siebes anliegt, können gerillte oder besaugte Walzen vorgesehen sein. Dort erfolgt aufgrund des Siebes zwischen der Papier bahn und der Trommel ohnehin nur ein schwächerer Wärme übergang.

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.

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 Kühlung der Materialbahn zu bewirken.

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, in dem die Walze mit einer Umfangsgeschwindigkeit gedreht wird, die sich von der Bahngeschwindigkeit der Ma terialbahn unterscheidet.

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 Kühlleistung. Wenn man nun aber eine Luftbewegung zwischen der Materialbahn und der Walze erzeugt, dann erhält man ei nen Wärmetransport durch eine Konvektion. Diese Konvek tion ist ausgesprochen wirksam, d. h. es kann eine ent sprechend große Wärmemenge von der Papierbahn an die Walze übertragen werden. Wenn eine derartige Strömung erzeugt wird, ist es nicht notwendig, die Dicke des Luftspaltes zu verkleinern, wenngleich dies eine weite re Verbesserung des Wärmeübergangs ermöglichen würde. Die Erzeugung der Konvektion reicht aus, um auch bei höheren Bahngeschwindigkeiten die notwendige Kühllei stung der Walze auf die Materialbahn zu übertragen. Wenn die Walze mit einer Umfangsgeschwindigkeit gedreht wird, die sich von der Bahngeschwindigekit der Ma terialbahn unterscheidet, erzeugt man zwischen der Ma terialbahn und der Oberfläche der Walze eine Relativge schwindigkeit. Damit wird mit einfachen Mitteln die ge wünschte Luftbewegung erzeugt. Der Wärmetransport muß dann nicht mehr durch ein stationäres Luftkissen bzw. ein Luftpolster oder eine Luftschicht erfolgen, sondern die Wärme wird durch die Luft selbst transportiert, die sich aufgrund der Relativbewegung zwischen der Materi albahn und der Oberfläche der Walze ergibt. Eine höhere Beanspruchung der Materialbahn 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 Materialbahn wird also nach wie vor von einer Luftschicht oder einem Luftkissen abge stützt und gleitet dementsprechend nahezu berührungslos über die Walze. Gerade bei einer Kühlwalze kann der Wärmeübergang drastisch verbessert werden. Dies wird auf die relativ geringen Temperaturunterschiede zwi schen der Materialbahn und der Kühlwalze zurückgeführt.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die Bahngeschwin digkeit der Materialbahn größer ist als die Umfangsgeschwindigkeit 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.

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 U_Bahn. Die Kühlwalze 1 weist eine Oberflächengeschwindigkeit U_KW 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 S_L läßt sich nach einer empirisch entwic kelten Formel wie folgt berechnen:

wobei
S_L: Spalthöhe [m]
h: Viskosität Luft [Pa.s]
T: Bahnzug [N/mm]
r: Radius Kühlwalze [m]
U_KW: Umfangsgeschwindigkeit Kühlwalze [m/s]
U_Bahn: 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 U_KW kleiner ist als die Bahngeschwindig keit U_Bahn. Dementsprechend entsteht eine Relativge schwindigkeit U_Bahn - U_KW 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 S_L 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

1. Verfahren zum Kühlen einer Materialbahn mit Hilfe einer gekühlten Walze, bei dem die Materialbahn über die Walze geführt wird, dadurch gekennzeich net, daß zwischen der Materialbahn und der Walze eine Luftbewegung erzeugt wird, indem die Walze (1) mit einer Umfangsgeschwindigkeit (U_KW) gedreht wird, die sich von der Bahngeschwindigekit (U_Bahn) der Materialbahn (2) unterscheidet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahngeschwindigkeit (U_Bahn) der Material bahn (2) größer ist als die Umfangsgeschwindigkeit (U_KW) der Walze (1).