-
Die
Erfindung betrifft eine Walze mit einem Kern, der einen elastischen
Belag aufweist, der sich über
eine Arbeitsbreite erstreckt, und mit Walzenzapfen an den stirnseitigen
Enden des Kerns. Die Erfindung betrifft auch einen Kalander mit
mehreren derartigen Walzen. Schließlich betrifft die Erfindung
ein Verfahren zum Betrieb einer Walze mit einem Kern, der einen
elastischen Belag aufweist, der sich über eine Arbeitsbreite erstreckt,
und mit Walzenzapfen an den axialen Enden der Walze.
-
Eine
Walze der eingangs genannten Art wird in der Regel als Mittelwalze
in einem Walzenstapel eines Kalanders eingesetzt. Sie wird auch
als weiche oder elastische Kalanderwalze bezeichnet, weil der Belag
eine Oberfläche
der Walze schafft, die bis zu einem gewissen Grad nachgiebig ist.
Eine derartige Kalanderwalze wirkt in der Regel mit einer "harten" Walze zusammen,
um eine Papierbahn oder eine andere Materialbahn zu satinieren.
-
Die
harte Walze ist hierbei in der Regel beheizt, so daß die Papierbahn
in dem zwischen der weichen und der harten Walze gebildeten Nip
oder Walzenspalt mit erhöhtem
Druck und mit erhöhter Temperatur
beaufschlagt werden kann. Der elastische Belag dient hierbei vor
allem zur gleichmäßigen Verdichtung
der Papierbahn.
-
Die
Arbeitsbreite einer derartigen Kalanderwalze entspricht im wesentlichen
der Breite der zu behandelnden Materialbahn. Außerhalb der Arbeitsbreite kann
sich der Belag konisch verjüngen.
Diese Verjüngung
erstreckt sich größenordnungsmäßig über eine
axiale Länge
im Bereich von etwa 20 bis 100 mm. Damit soll verhindert werden,
daß der
nicht von einer Papierbahn abgedeckte Belag mit der Gegenwalze in
Berührung
kommt und beschädigt
wird. Für
die weitere Betrachtung wird nur der Arbeitsbereich des Belags als
Arbeitsbreite bezeichnet.
-
Es
hat sich nun herausgestellt, daß einige Walzen
im Betrieb beschädigt
werden, weil der Belag reißt
oder bricht. Dieser Schaden tritt auch bei solchen Belägen auf,
die eine Temperaturfestigkeit oder -beständigkeit haben, die die Temperaturen
im Betrieb eigentlich aushalten müßte.
-
Eine
Walze, eine Walzenmaschine und ein Verfahren zum Betrieb einer Walze
sind aus
DE 42 02 917
C1 bekannt. Die dort gezeigte Walzenmaschine, beispielsweise
ein Kalander, ist gebildet durch eine untere Walze und eine obere
Walze, die einen Walzenspalt bilden, in dem eine Papierbahn geglättet oder
mit Glanz versehen wird. Die untere Walze trägt einen elastischen Bezug.
Die Breite des elastischen Bezuges unterscheidet sich von der Breite
der Papierbahn. Damit besteht die Gefahr, daß die obere, beheizte Walze
den Belag in den Bereichen, die nicht von der Papierbahn abgedeckt
sind, zu stark beheizt, was den Belag zerstören könnte. Aus diesem Grunde sind
an beiden axialen Enden Kühleinrichtungen
vorgesehen, die mit Hilfe von Sensoren die Kante der Papierbahn
erfassen und die Kühleinrichtungen
so einstellen, daß die
nicht von der Papierbahn abgedeckten Bereiche gekühlt werden,
und zwar unabhängig
davon, wie breit die Papierbahn in Bezug zum elastischen Belag ist.
-
DE 195 12 500 C2 zeigt
eine Walze mit einstellbarer Form, bei der ein Teilstrom eines für die Beheizung
benutzten wärmetragenden
Fluids zwischen dessen Vor- und Rücklauf umgeleitet wird, so
daß der Flanschzapfen
in seinem zentralen Bereich erwärmt oder
gekühlt
wird.
-
DE 38 38 852 C1 zeigt
eine Preßwalze
mit steuerbarer Durchbiegung zur Behandlung bahnförmigen Gutes,
insbesondere zur Behandlung von Papierbahnen. Auch diese Walze weist
eine harte Oberfläche
auf. Die Walze weist einen Walzenmantel auf, der drehbar mit einer
als Biegeträger
wirkenden Achse verbunden ist und mit dieser einen ringförmigen Zwischenraum
einschließt.
Innerhalb dieses Zwischenraumes ist im Bereich der Walzenenden jeweils eine
Querdichtung vorgesehen, und zwar so, daß zwischen dem Ende des Walzenmantels
und der Querdichtung zu beiden Seiten des bahnförmigen Gutes eine freie Randzone
verbleibt. Hier kann ein von einer Wärmeträgerflüssigkeit beaufschlagbarer kanalähnlicher
Hohlraum vorgesehen sein, mit dessen Hilfe man die Walze im Bereich
der Randzone unmittelbar und gezielt thermisch so beeinflussen kann,
daß sich
Durchmesserunterschiede zwischen den Randbereichen der Walze und
dem dazwischenliegenden mittleren Bereich kompensieren.
-
DE 30 14 891 A1 zeigt
eine Vorrichtung mit einer mittels eines Wärmeträgers temperaturgeregelten Hohlwalze.
Die Walze weist mehrere Verdrängerkörper auf,
die mit dem Walzenmantel Spalte bilden, durch die ein Wärmeträgerfluid
geleitet werden kann. Hierbei sieht man in den Randbereichen andere
Strömungspfade
für das
Wärmeträgerfluid
vor, so daß man
die Randbereiche der Walze thermisch anders beaufschlagen kann als
den Ballenbereich.
-
DE 92 06 265 U1 zeigt
eine Zapfenheizung für
Glättwerkswalzen
mit äußerer Wärmequelle,
wobei die Heizeinrichtung die beiden Walzenzapfen wenigstens in
deren mantelnahen Bereich temperiert. Die Heizung kann als Flüssigkeitsheizung,
als elektrische Beheizung oder als Heißluftheizung ausgebildet sein.
Beide Zapfen können
partiell mit einer Isolationsschicht versehen sein.
-
EP 0 661 469 A1 zeigt
eine beheizbare Walze mit Heizkanälen, die jeweils Anschlußsysteme
an ihren Enden aufweisen. Jedes Anschlußsystem umfaßt mindestens
zwei Anschlußkanäle, die
von einem gemeinsamen Raum ausgehen und mit unterschiedlichem Abstand
vom Walzenende in den Heizkanal münden. Mit Hilfe einer Auswahlvorrichtung
kann man die Kanäle
einzeln wirksam machen, um so in Abhängigkeit von der Breite der
zu behandelnden Bahn die Temperatur der Walze zu beeinflussen.
-
DE 43 23 359 A1 zeigt
eine Heiz- oder Kühlwalze
mit peripheren Bohrungen, die über
radiale Kanäle
mit einem Wärmeträgerfluid
beaufschlagt werden. Die radialen Bohrungen können durch Drosselelemente
mehr oder weniger frei gegeben werden. Zusätzlich wird ein weiterer Strömungskanal
für das Wärmeträgerfluid
dadurch bereitgestellt, daß ein
Verdrängerkörper im
Innern der Hohlwalze angeordnet ist.
-
EP 0 567 875 A1 zeigt
eine Einrichtung zur Kühlung
einer rotierenden Kühlwalze
einer Papiermaschine durch Flüssigkeitsverdampfung,
bei der eine verdampfbare Flüssigkeit
im Innern der Kühlwalze
angeordnet ist, die mit Hilfe eines Wärmetauschers, der von einer
anderen Flüssigkeit
durchströmt
ist, abgekühlt
werden kann.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Beanspruchung des Belags
zu verringern.
-
Diese
Aufgabe wird bei einer Walze der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
daß eine
Temperiereinrichtung vorgesehen ist, die die Zapfenbereiche thermisch
anders beaufschlagt als einen Ballenbereich zwischen den Zapfenbereichen
und einen Strömungspfad
für ein
Wärmeträgermedium
aufweist, dessen Temperatur zwischen der Temperatur der Zapfenbereiche
und der Temperatur des Ballenbereichs liegt.
-
Auf
eine derartige Walze wirken im Betrieb verschiedene Einflußgrößen von
außen.
Eine Einflußgröße ist die
von außen
zugeführte
Wärme.
Diese entsteht zum einen durch die Rollreibung der Beläge im Walzenspalt
oder Nip. Ein Großteil
der Wärme
wird auch durch die von der Gegenwalze beheizten Papierbahn an die
elastische Walze übertragen. Schließlich ergibt
sich noch eine Wärmezufuhr
durch die Walkarbeit des Belages. Das gleiche gilt natürlich auch
bei der Verwendung der Walze zum Bearbeiten anderer Materialbahnen,
beispielsweise Folien aus Kunststoff oder Metall oder von Kartonbahnen.
Axial außerhalb
des Belages sieht die Wärmebilanz
anders aus. Hier fehlt die Wärmezufuhr
durch Reibung und Walkarbeit und die Wärmeübertragung durch die beheizte
Papieroder Materialbahn. Dafür
erfolgt hier in stärkerem
Maße eine
Wärmeabstrahlung
durch die vom Belag nicht abgedeckten Bereiche des Kerns. Daraus
ergibt sich, daß sich
im Ballenbereich, also im Bereich der axialen Walzenmitte, eine
höhere
Temperatur einstellt. Dies bedingt ein unterschiedliches radiales
Ausdehnungsverhalten der Walze über
die Länge.
Unter thermischen Gesichtspunkten stellt sich an den axialen Enden
ein geringerer Durchmesser als in Richtung auf die axiale Mitte
ein. Andererseits wirkt auf die Walze im Betrieb eine Streckenlast durch
eine, in der Regel aber zwei Gegenwalzen. Diese Streckenlast bewirkt
eine mechanische Schalenverformung, die einen großen Einfluß auf die
Zylindrizität
der elastischen Walze hat. Vereinfacht ausgedrückt ergibt sich im Ballenbereich
aufgrund der Streckenlast ein kleinerer Durchmesser als in den Zapfenbereichen.
Im Betrieb überlagern
sich nun die beiden Effekte, nämlich
einmal die Durchmesserveränderung
aufgrund einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung
und zum anderen die Durchmesserveränderung aufgrund der Streckenlast.
Hierbei ergibt sich in den sel tensten Fällen das gewünschte Walzenprofil,
bei dem der Außendurchmesser
des Belages über
die axiale Länge
gleich bleibt. In den Randbereichen des Belages bzw. mit einem größeren oder kleineren
Abstand zum axialen Rand des Belages ergibt sich in der Regel der
größte Durchmesser
und damit auch die größte Beanspruchung
des Belages. Dieser Beanspruchung ist der Belag in manchen Fällen nicht
mehr gewachsen. Er bricht dann. Mit der Temperiereinrichtung, die
die Zapfenbereiche thermisch anders beaufschlagt als den Ballenbereich, kann
man nun eine Durchmesserkorrektur über die axiale Länge der
Walze vornehmen. Dies funktioniert aber nur dann, wenn man die Zapfenbereiche
thermisch anders behandelt als den Ballenbereich. Man bewirkt also
in den Zapfenbereichen auf thermischer Weise, also durch Wärmezu- bzw.
-abfuhr eine andere Durchmesserveränderung als im Ballenbereich. Mit
einer entsprechenden Temperatursteuerung läßt sich dann ein Durchmesserverlauf
mit einer wesentlichen besseren Konstanz über die axiale Länge der Walze
erzielen. Dieser wiederum hat eine Vergleichmäßigung der Belastung zur Folge,
so daß der
Belag geschont wird. Mit dem Wärmeträgermedium
kann Wärme
in die Walze hinein bzw. aus ihr heraus transportiert werden. Dies
ist aber, wie unten erläutert wird,
in manchen Fällen
gar nicht notwendig, weil es alleine aufgrund eines durchströmenden Wärmeträgermediums
möglich
ist, die Zapfenbereiche der Walze thermisch anders zu beaufschlagen
als den Ballenbereich. Das Arbeiten mit Wärmeträgermedien an sich ist bekannt,
beispielsweise von Kühl-
oder Heizwalzen. Diese haben aber in der Regel keinen elastischen
Belag. Wenn elastische Walzen bislang temperiert worden sind, erfolgte
diese durch eine Luftkühlung
des Belages von außen.
Im Gegensatz zu den bekannten Kühl-
und Heizwalzen ist es bei der erfindungsgemäßen Lösung aber notwendig, die Temperatur des
Wärmeträgermediums
sehr genau nicht nur an die Temperatur, sondern an die Temperatur-
und Belastungsverteilung der Walze und an die sonstigen Umgebungsbedingungen
anzupassen. Die Temperatur des Wärmeträgermediums
liegt zwischen der Temperatur der Zapfenbereiche und der Temperatur
des Ballenbereichs liegt. Wenn man eine Summenbilanz betrachtet,
dann ist diese Maßnahme sinnlos.
Der Walze wird Wärme
weder zugeführt noch
abgeführt.
Im Grunde genommen ist die Temperatur des Wärmeträgermediums etwa genauso hoch wie
die Temperatur der Walze. Mit dieser Maßnahme läßt sich aber erreichen, daß die Zapfen
beheizt und der Ballen gekühlt
werden. Damit erreicht man eine Durchmesservergrößerung in den Zapfenbereichen und
eine Durchmesserverringerung im Ballenbereich, so daß sich insgesamt
eine Vergleichmäßigung der
Durchmesserverteilung ergibt. Natürlich ist es hierbei nicht
ausgeschlossen, daß geringe
Wärmemengen
der Walze zu- oder von ihr abgeführt
werden. Diese Kühlung
oder Beheizung ließe
sich aber auf andere Weise sicherlich mit geringerem Aufwand bewerkstelligen.
Maßgeblich
für die
Funktionsweise dieser Ausgestaltung ist tatsächlich, daß ein Wärmetransport nur zu den Zapfen
hin und nur vom Ballenbereich weg erfolgt.
-
Vorzugsweise
ist in der Walze eine Verdrängerkörper angeordnet,
der einen Ringraum zum Kern hin bildet. Auf diese Weise wird das
Volumen, das mit dem Wärmteträgermedium
gefüllt
werden muß,
verkleinert. Die Walze kommt mit einer geringeren Menge des Wärmeträgermediums
aus, so daß sich
das Trägheitsmoment
nur in tolerierbaren Maßen ändert. Darüber hinaus
ist es mit einem Verdrängerkörper möglich, nicht
nur gewisse Strömungswege
vorzugeben, sondern diesen Strömungswegen
auch bestimmte Strömungscharakteristika
zu verleihen, die sich über
die axiale Länge
der Walze durchaus verändern
können.
-
Alternativ
oder zusätzlich
dazu kann der Kern eine Vielzahl von in Umfangsrichtung gleichförmig verteilten,
im wesentlichen achsparallel verlaufenden peripheren Bohrungen aufweisen.
Auch durch diese Bohrungen kann das Wärmeträgermedium geleitet werden.
Periphere Bohrungen haben gegenüber
einem Verdrängerkörper den
Vorteil, daß sie die
Temperatur näher
an der Oberfläche
der Walze beeinflussen können
und damit das Wärmeträgermedium
schneller und direkter wirken kann. Ein Verdrängerköprer hat den Vorteil, daß er auch
in bereits bestehenden elastischen Walzen, die als Zapfenwalzen,
d.h. mit einem Rohrkörper,
ausgebildet sind nachgerüstet
werden kann.
-
Mit
Vorteil ist eine Temperatursteuereinrichtung vorgesehen, die die
Temperatur des Wärmeträgermediums
in Abhängigkeit
von der Streckenlast und der Walzentemperatur einstellt. Hierbei
ist es nicht unbedingt notwendig, daß eine Regelung vorgesehen
ist, die als Eingangsgrößen eine
tatsächlich an
der Walzenoberfläche
gemessene Temperatur und eine an der Walze tatsächlich gemessene Streckenlast
erhält.
Man kann vielmehr die Temperatur und die Streckenlast mit ausreichender
Genauigkeit errechnen (beispielsweise aus einer bekannten Vorlauftemperatur
der beheizten Gegenwalze und der Druckgebung an der Ober- und Unterwalze
und den Walzengewichten des Kalanders) und anhand der errechneten
Größen die
Temperatur des Wärmeträgermediums
einstellen. Hierbei fließt
dann auch diese Temperatur, gegebenenfalls iterativ, in die Berechnung
mit ein. Wie oben ausgeführt,
kann man auf diese Weise dafür
sorgen, daß die
thermisch bedingten Durchmesserveränderungen der Walze, die bis
dahin noch nicht durch die Streckenlast kompensiert worden sind,
thermisch kompensiert werden. Hierfür werden die Zapfenbereiche
anders als der Ballenbereich beaufschlagt. Die Temperatursteuereinrichtung muß hierbei
bis auf wenige Grad genau arbeiten.
-
Auch
ist von Vorteil, wenn die Temperaturdifferenz zwischen Eintritt
und Austritt des Wärmeträgermediums
höchstens
3°C beträgt. Dies
hat zwei Vorteile. Zum einen ist damit sichergestellt, daß die beiden
axialen Enden der Walze weitgehend gleich behandelt werden. Zum
anderen wird daraus ersichtlich, daß es nicht Aufgabe des Wärmeträgermediums ist,
die Walze an sich zu beheizen oder zu kühlen. Natürlich ist es zulässig, wenn
das Wärmeträgermedium
etwas Wärme
aus der Walze entfernt. Hauptaufgabe ist es aber, die thermisch
bedingten und durch die Streckenlast nicht kompensierten Durchmes serunterschiede
wieder zu egalisieren oder zu kompensieren, d.h. die Durchmesserverteilung über die
axiale Länge
der Walze, zumindest über
die axiale Länge
des Belages zu vergleichmäßigen.
-
Vorzugsweise
steht in den Zapfenbereichen eine größere Wärmetauscherfläche für das Wärmeträgermedium
zur Verfügung
als im Ballenbereich. Damit kann das Wärmeträgermedium in den Zapfenbereichen
eine größere Wärmemenge
an die Zapfen abgeben bzw. von dort aufnehmen als im Ballenbereich.
Gerade in den Zapfenbereichen ist aber die Notwendigkeit einer thermischen
Korrektur am größten.
-
Alternativ
oder zusätzlich
dazu kann die Strömungsgeschwindigkeit
des Wärmeträgermediums
im Ballenbereich größer als
in den Zapfenbereichen sein. Damit hat das Wärmeträgermedium im Ballenbereich
weniger Zeit um Wärme
aufzunehmen oder Wärme
abzugeben. Die thermische Beeinflussung der Walze im Ballenbereich
bleibt damit kleiner.
-
In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Temperiereinrichtung
die Zapfenbereiche, die frei von Belag sind, von innen kühlt. Diese
Ausgestaltung wird bevorzugt dann verwendet, wenn die Durchmesserveränderungen
aufgrund der durch die Streckenlast bewirkten Schalenverformungen
größer sind
als die thermisch bedingten Verformungen. Normalerweise würde man
zwar vermuten, daß die
Kühlung
der nicht mehr vom Belag abgedeckten Bereiche des Zapfens nichts
bringt, weil es unerheblich ist, ob sich hier Durchmesserveränderungen
einstellen oder nicht. Tatsächlich
strahlen aber sowohl die thermisch bedingten Durchmesserveränderungen
als auch die durch die Durchmesserverkleinerungen bedingten mechanischen
Spannungen so weit in den Bereich unterhalb des Belages aus, daß hier die
gewünschte
Durchmesserverringerung und damit die Spannungsverminderung einhergeht.
-
Bei
einem Kalander wird die eingangs gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß jede Walze
eine eigene Temperiereinrichtung aufweist. Ein Kalander weist hierbei
mehrere übereinander
angeordnete weiche oder elastische Walze auf, zwischen denen gegebenenfalls
harte, beheizte Walzen angeordnet sein können. Hierbei kann sich sowohl
die Temperaturverteilung der Walzen als auch die Druckbelastung oder
Streckenlastverteilung von oben nach unten ändern. Da, wie oben ausgeführt, auch
die Streckenlast in jedem Nip einen entscheidenden Einfluß auf die Verformung
und damit auf die Notwendigkeit einer thermischen Korrektur hat,
sieht man vorteilhafterweise für
jede Walze eine eigene Temperiereinrichtung vor. Jede Walze wird
also individuell korrigiert.
-
Bei
einem Verfahren der eingangs genannten Art wird die Aufgabe dadurch
gelöst,
daß man
einen Temperaturverlauf in Axialrichtung einstellt, der von der
Temperatur in der Umgebung der Walze und einer auf sie wirkenden
Streckenlast abhängt,
in dem man die Walzenzapfen beheizt und den Ballen kühlt.
-
Die
Walze wird also nicht mehr insgesamt einfach nur gekühlt oder
beheizt, man stellt einen Temperaturverlauf gezielt ein. Dieser
Temperaturverlauf hängt
nicht nur von der Temperatur in der Umgebung der Walze ab, sondern
auch von der auf die Walze wirkenden Streckenlast. Die Temperatur
in der Umgebung der Walze, die in der Regel zu einem Aufheizen der
Walze führt,
hat eine thermisch bedingte Durchmesservergrößerung zur Folge.
-
Die
Streckenlast wiederum verkleinert den Durchmesser. Beide Effekte
wirken zwar, wie oben ausgeführt,
gegenläufig
aufeinander. Eine Feinkorrektur mit Hilfe einer gezielten Temperatureinstellung bewirkt
jedoch eine weitgehende Herabsetzung der Druckbelastung des elastischen
Belages. Im Grunde genommen ist es hierzu nicht notwendig, daß man der
Walze insgesamt Wärme
zuführt
oder Wärme von
ihr abführt.
Global betrachtet ist dies eine nutzlose Maßnahme. Eine Beheizung der
Zapfenbereiche führt
jedoch dort zu einer Durchmesservergrößerung, die bei einer entsprechenden
Verringerung des Durchmessers im Ballenbereich insgesamt zu einer Vergleichmäßigung des
Durchmessers führt.
-
Vorzugsweise
beschickt man die Walze mit einem Wärmeträgermedium, dessen Eingangstemperatur
zwischen der Temperatur an den Walzenenden und der Temperatur in
der axialen Walzenmitte liegt. Dies ist eine besonders einfache
Ausgestaltung, um mit Hilfe eines einzigen Wärmeträgermediums das Walzenende zu
beheizen und die Walzenmitte zu kühlen.
-
Alternativ
dazu kann man die Walzenzapfen stärker als die Walzenmitte kühlen. In
diesem Fall wird zwar eine Wärme
aus der Walze entfernt. Es handelt sich aber nicht um eine Kühlwalze.
Die Prozesstemperatur soll im wesentlichen erhalten bleiben. Das
Kühlen
dient der Durchmessergleichmäßigung der
Walze.
-
Die
Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
-
1 eine
schematische Ansicht einer elastischen Walze,
-
2 eine
schematische Darstellung verschiedener Kurven und
-
3 einen
Kalander mit mehreren elastischen Walzen.
-
1 zeigt
eine Walze 1 mit einem Kern 2, der als Rohr ausgebildet
ist und einen Hohlraum 3 umschließt. Auf der Umfangsfläche des
Kerns 2 ist ein elastischer Belag 4 angeordnet,
der in 1 übertrieben
dick dargestellt ist. Der Belag 4 erstreckt sich nicht über die
gesamte axiale Länge
der Walze 1, sondern über
eine Arbeitsbreite, die der Breite einer zu behandelnden Papierbahn
entspricht.
-
Die
Walze 1 wirkt mit einer schematisch dargestellten Gegenwalze 5 zusammen,
die als Heizwalze ausgebildet ist. Die Papierbahn wird durch einen
Nip 6 oder Walzenspalt zwischen den beiden Walzen 1, 5 geleitet
und in diesem Nip 6 mit erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur
beaufschlagt.
-
Der
Belag 4 läßt an den
beiden axialen Enden der Walze 1 Zapfenbereiche 7, 8 frei,
d.h. nicht abgedeckt. Ein Bereich zwischen den Zapfenbereichen 7, 8 wird
als Ballenbereich 9 bezeichnet.
-
Im
Hohlraum 3 befindet sich ein Verdrängerkörper 10, der mit dem
Kern 2 einen Ringspalt 11 bildet. An den Stirnseiten
des Verdrängerkörpers sind Verteilerräume 12, 13 angeordnet.
Im Verteilerraum 12 sind Wärmeleitbleche 14 dargestellt.
Entsprechende Wärmeleitflächen können auch
im Verteilerraum 13 angeordnet sein, wenn dies erforderlich
ist.
-
Anstelle
des Ringraumes 11 können
auch periphere Bohrungen im Kern 2 vorgesehen sein (nicht
dargestellt).
-
Der
Hohlraum 3 ist an beiden Enden durch Walzenzapfen 15, 16 verschlossen.
Durch die Walzenzapfen 15, 16 führt jeweils
ein Kanal 17, 18 für ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser.
Die Kanäle 17, 18 sind
durch eine Ringleitung 19 miteinander verbunden, in der
eine Pumpe 20 und ein Wärmetauscher 21 angeordnet
sind. Sowohl die Pumpe 20 als auch der Wärmetauscher 21 sind
mit einer Steuereinheit 22 verbunden und werden von dieser gesteuert.
Da der Volumenstrom des Wärmeträgermediums
durch die Walze 1 auch konstant gehalten werden kann, ist
die Verbindung der Steuereinheit zur Pumpe 20 nur gestrichelt
dargestellt. In diesem Fall fördert
die Pumpe 20 mit konstantem Volumen.
-
Die
Steuereinheit 22 kann in einer Ausgestaltung mit Temperatursensoren 23-25 verbunden
sein. Die Temperatursensoren 23, 24 ermitteln
die Temperatur der Walze 1 in den Zapfenbereichen 7, 8.
Der Temperatursensor 25 ermittelt die Temperatur der Walze 1 im
Ballenbereich. Die Kraftverläufe
im Nip 6 sind durch die im Kalander herrschenden Kräfte, die durch
die Drücke
an Ober- und Unterwalze und die Walzengewichte erzeugt werden, bestimmbar.
Es sei an dieser Stelle aber betont, daß diese Sensoren in vielen
Fällen
entfallen können,
wenn die Temperatur der Umgebung der Walze, insbesondere die Temperatur
der Gegenwalze bzw., wenn mehrere Gegenwalzen vorhanden sind, die
Temperatur der Gegenwalzen und/oder Papierwalzen, und die eingestellten Walzenlasten
bekannt sind. Aus diesen Informationen lassen sich die Temperaturverteilung
und auch die Streckenlastverteilung und die daraus resultierenden
Verformungen der Walze 1 errechnen. Da auch die durch das
Wärmeträgermedium
bewirkte lokalen Temperaturänderungen
in den Temperaturverlauf einfließen, kann die Berechnung iterativ
erfolgen.
-
Unabhängig davon,
wie die Eingangsinformationen für
die Steuereinheit 22 entstanden sind, stellt die Steuereinheit
den Wärmetauscher 21 so
ein, daß das
durch die Walze 1 strömende
Wärmeträgermedium,
beispielsweise Wasser, eine klar definierte Temperatur aufweist.
Das Wärmeträgermedium
dient hierbei weder zum Beheizen noch zum Kühlen der Walze 1,
d.h. die Prozesstemperatur an der Oberfläche des Belags 4 soll
praktisch nicht verändert
werden. Es ist allenfalls zulässig,
eine kleinere Wärmemenge
aus der Walze 1 abzuführen.
Die Temperaturdifferenz zwischen Einlauf und Auslauf sollte beispielsweise
3°C nicht übersteigen.
-
2 zeigt
nun verschiedene Kurven, mit denen man die Temperatur des Wärmeträgermediums
ermitteln kann, die am Ausgang des Wärmetauschers 21 zur
Verfügung
stehen soll. Hierbei ist nach rechts die Länge l der Walze 1 in
mm aufgetragen. Nach oben und unten ist die Abweichung des Durchmessers
von einem Solldurchmesser 0 in μm
aufgetragen. Ein Pfeil 28 verdeutlicht, auf welchem Bereich die
Papierbahn liegt, d.h. welche Erstreckung der Belag 4 in
Axialrichtung aufweist.
-
Eine
Kurve A zeigt, welche Durchmesserabweichungen durch thermische Einflüsse erzeugt
werden, d.h. durch die im Betrieb herrschenden Temperaturen. Eine
derartige Kurve kann man mit bekannten Rechenverfahren, etwa nach
der Methode der finiten Elemente, ermitteln.
-
Eine
Kurve B zeigt Durchmesserveränderungen
der Walze 1 über
die axiale Länge
l, die durch Streckenlasten bedingt sind. Im Gegensatz zu den thermischen
Wirkungen, die den Durchmesser zum axialen Ende hin verkleinert,
bewirken die Streckenlasten eine Verkleinerung des Durchmessesers
zur axialen Mitte hin, umgekehrt ausgedrückt, eine Vergrößerung des
Durchmessers zum axialen Ende hin.
-
Eine
Kurve C zeigt die entsprechenden Abweichungen für die Gegenwalze 5,
die im vorliegenden Fall als Heizwalze ausgebildet ist.
-
Eine
Kurve D zeigt die Summe der Durchmesserabweichungen, d.h. die Summe
der Durchmesservergrößerungen
der Walzen 1 und 5, die durch Streckenlasten bewirkt
werden, abzüglich
der Durchmesserverringerung der Walze 1, die thermisch
bedingt ist. Man kann daraus erkennen, daß im Randbereich des Belages
ein "Durchmesserfehler" von knapp 30 μm auftritt,
der sich erst relativ weit innen, d.h. relativ weit in Richtung
auf die axiale Walzenmitte, zu Null ausgleicht.
-
Dort,
wo der Durchmesser bzw. die Summe der Durchmesser, zu gering ist,
liegen die Walzen nicht mit dem gleichen Druck aneinander, wie in
der axialen Mitte. Die Streckenlast konzentriert sich dann am Rand
der Bereiche, in denen die beiden Walzen 1, 5 "ordnungsgemäß" aneinander liegen.
Dort kann man vielfach Beschädigungen
beobachten.
-
Man
kann nun aus der "Summenkurve" D erkennen, daß der Durchmesser
der Walze 1 in den Randbereichen oder Zapfenbereichen 7, 8 zu
klein ist. Wenn man nun diesen Zapfenbereichen 7, 8 eine entsprechende
Wärmemenge
zuführt,
dann vergrößert sich
der Durchmesser der Walze 1 in diesen Zapfenbereichen 7, 8,
weil die Temperatur dort steigt. Hierbei muß man allerdings berücksichtigen,
daß die Temperatur
im Ballenbereich nicht in gleichem Maße steigen darf. In diesem
Fall hätte
man nur eine Verschiebung der Summenkurve D nach oben oder nach unten,
ohne daß man
die Durchmesserverteilung über
die axiale Länge
l der Walze 1 vergleichmäßigt. Es ist sogar besser,
den Ballenbereich 9 etwas zu kühlen.
-
Eine
Maßnahme,
um den Zapfen eine größere Wärmemenge
zuzuführen
als dem Ballenbereich 9 wird durch die Wärmeleitbleche 14 gebildet.
Damit steht eine größere Wärmetauscherfläche in der
Walze 1 nur dort zur Verfügung, wo tatsächlich eine
höhere
Wärmemenge
an die Walze 1 abgegeben werden soll.
-
Eine
andere Maßnahme
wird dadurch gebildet, daß der
Ringspalt 11 im Ballenbereich einen geringeren Strömungsquerschnitt
hat als beispielsweise die Verteilerräume 12, 13.
In diesem Fall durchströmt
das Wärmeträgermedium
den Ballenbereich 9, 10 schneller und kann dementsprechend
nicht so gut zu einem Wärmeaustausch
beitragen. Diese Maßnahmen
sind jedoch nur beispielhaft. Selbstverständlich kann man sich auch andere
Maßnahmen überlegen,
um die Zapfenbereiche 7, 8 anders zu temperieren
als den Ballenbereich 9, und trotzdem das gleiche Wärmeträgermedium
zu verwenden.
-
Aus 2 ist
ersichtlich, daß man
bei dieser Konstellation eine Beheizung der Zapfenbereiche 7, 8 und
eine Kühlung
des Ballenbereichs 9 vornehmen kann. Die Temperatur des
Wärmeträgermediums liegt
damit zwischen der Temperatur in den Zapfenbereichen 7, 8 und
der Temperatur im Ballenbereich 9. Die gesamte Wärmebilanz
der Walze 1 wird dadurch praktisch nicht verwendet. Im
Mittel gesehen wird der Walze 1 ein Wärmeträgermedium mit einem Temperatur
zugeführt,
die der Temperatur der Walze 1 entspricht.
-
Wenn
hingegen der Einfluß der
Streckenlast (Kurven B und C) überwiegt,
kann es sein, daß man die
Zapfenbereiche 7, 8 stärker kühlen muß als den Ballenbereich 9.
Dies ist aber von Walze zu Walze unterschiedlich und kann im voraus
berechnet werden.
-
Dementsprechend
kann man, wenn man mehrere Walze 1 in einem in 3 dargestellten
Kalander 26 verwendet, für jede Walze 1 eine
eigene Temperiereinrichtung vorsehen, d.h. einen eigenen Kreislauf 19 mit
Wärmetauscher 21.
Jeder Wärmetauscher 21 kann
dann individuell angesteuert werden. Der Rücklauf der Kreisläufe 19 kann
zusammengefaßt
werden.
-
Zwischen
den weichen oder elastischen Walzen 1 im Kalander 26 sind
jeweils harte, beheizte Walzen 27 angeordnet, die mit der
Walze 5 aus 1 übereinstimmen können. Ferner
ist ersichtlich, daß eine
Oberwalze 28 und eine Unterwalze 29 mit Druckgebern 30, 31 versehen
sind, die für
die Erzeugung der Streckenlasten verantwortlich sind. An der Oberwalze 28 und
der Unterwalze 29 kann man die eingeleiteten Kräften mit
Druckaufnehmern 32 messen und daraus dann die Streckenlastverteilung
in den einzelnen Nips errechnen.
-
Den
Heizwalzen 27 wird über
Leitungen 33 ein Heizmedium zugeführt, beispielsweise Wasser oder
Dampf. Die Temperatur dieses Heizmediums kann mit Hilfe von Temperatursensoren 34 ermittelt werden.
Da die Temperatur der Heizwalzen 27 im Betrieb von der
Vorlauftemperatur des Heizmediums abhängt, reicht die Ermittlung
der Vorlauftemperatur mit Hilfe der Temperatursensoren 34 aus,
um die notwendigen Informationen für die Errechnung der Temperaturverteilung
in den Walzen 1 zu gewinnen. Hierbei reicht es auch aus,
daß man
für die
Berechnung des Temperaturverlaufs in einer Walze 1 die
Temperaturen der jeweils benachbarten Heizwalzen 27 berücksichtigt.