DE19826063B4

DE19826063B4 - Kühleinrichtung für eine Materialbahn

Info

Publication number: DE19826063B4
Application number: DE19826063A
Authority: DE
Inventors: Christian MÜNCH
Original assignee: Voith Paper Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 1998-06-12
Filing date: 1998-06-12
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2018-06-13
Also published as: DE19826063A1

Abstract

Kühleinrichtung für eine Materialbahn mit einer Kühlwalze, die über einen vorbestimmten Umfangsabschnitt von der Materialbahn umschlungen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht auf der Kühlwalze (3, 3') aufliegende Seite der Materialbahn (2, 2') in einem vorbestimmten Bereich des Umfangsabschnitts (α) mit gekühlter Luft (10, 11) mit einem über Umgebungsdruck liegenden Luftdruck beaufschlagt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für eine Materialbahn mit einer Kühlwalze, die über einen vorbestimmten Umfangsabschnitt von der Materialbahn umschlungen ist.

Die Erfindung soll im folgenden anhand einer Papierbahn als Beispiel für eine Materialbahn beschrieben werden. Sie ist jedoch in gleicher Weise auch bei anderen Materialbahnen, etwa aus Karton oder Folien aus Metall oder Kunststoff, anwendbar.

Papierbahnen werden im Verlauf ihrer Herstellung in der Regel satiniert, d.h. sie durchlaufen einen Kalander, in dem sie mit erhöhtem Druck und auch mit erhöhter Temperatur beaufschlagt werden. Die Papierbahn verläßt den Kalander mit einer Temperatur, die üblicherweise im Bereich von 65° bis 90°C liegt. Bevor die Papierbahn aufgewickelt werden kann, sollte sie auf eine Temperatur in der Größenordnung von 40°C abgekühlt werden. Hierzu werden Kühlwalzen verwendet, die von Wasser durchflossen sind und dem Papier Wärme entziehen sollen.

In der letzten Zeit sind die Produktionsgeschwindigkeiten stark angestiegen. Dementsprechend steht auch nur eine kürzere Zeit zur Verfügung, in der die Papierbahn an der Kühlwalze anliegt und Wärme abgeben kann. Es ist daher schwierig, die notwendige Kühlleistung zu erbringen, also die notwendige Wärmemenge abzuführen.

Man hat versucht, das Problem dadurch zu lösen, daß man den Durchmesser der Kühlwalzen vergrößert. Diese Maßnahme hat jedoch nicht den gewünschten Erfolg gebracht.

Die nachveröffentlichte DE 198 23 637 A1 beschreibt ein Verfahren zum Beeinflussen der Temperatur einer Materialbahn, die über eine temperierte Walze geführt wird. Um die Temperaturbeeinflussung der Materialbahn effektiv bewirken zu können, wird zwischen der Materialbahn und der Walze eine Luftbewegung erzeugt.

DE 33 24 548 A1 beschreibt ein Verfahren zum Kühlen von Bandstahl mit Hilfe von Kühlrollen. Der Bandstahl umschlingt die Kühlrolle über einen vorbestimmten Umfangsabschnitt. Die Kühlrollen haben einen Durchmesser von mehr als 600 mm, und der Bandstahl hat eine Dicke zwischen 0,2 und 0,6 mm.

WO 90/14216 A1 beschreibt ein Kalandersteuersystem, das den Durchmesser einer Kalanderwalze dadurch bestimmt, daß erwärmte Luft auf eine Bahn geblasen wird, die eine Kalanderwalze teilweise umschlingt. Je höher die Temperatur ist, desto stärker vergrößert sich der Durchmesser der Kalanderwalze. Bei weniger hohen Temperaturen ist auch die Durchmesservergrößerung weniger stark ausgeprägt. Die Einstellung des Durchmessers der Walze wird verwendet, um die Dicke einer Papierbahn einzustellen, die einen Spalt durchläuft der zwi- schen der mit Luft beaufschlagten Walze und einer Nachbar- walze gebildet ist.

Eine ähnliche Einrichtung ist in EP 0 194 010 A2 dargestellt. Hier wird die Luft unmittelbar auf die Oberfläche der Walze gerichtet, deren Durchmesser man einstellen möch te. Diese Luft kann nicht nur beheizt, sondern auch gekühlt sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlmöglichkeiten zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei einer Kühleinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die nicht auf der Kühlwalze aufliegende Seite der Materialbahn in einem vorbestimmten Bereich des Umfangsabschnitts mit gekühlter Luft mit einem über Umgebungsdruck liegenden Luftdruck beaufschlagt ist.

Mit dieser "Luftpressur" wurde überraschenderweise eine Kühlleistung erzielt, die über der Summe der Kühlleistungen der Kühlwalze alleine beziehungsweise einer Kühlluft alleine liegt. Dies ist möglicherweise darauf zurückzuführen, daß sich zwischen der Kühlwalze und der Materialbahn im Betrieb eine Luftschicht ausbildet, die eine Dicke von 50 bis 300 μm haben kann. Diese Luftschicht wirkt als starker Wärmeisolator, der den Übergang der Wärme von der Materialbahn auf die Kühlwalze verhindert. Die Dicke der Luftschicht steigt mit dem Radius der Kühlwalze. Sie steigt auch mit der Bahnge schwindigkeit. Dies würde erklären, warum die Vergrößerung des Kühlwalzendurchmessers nicht den gewünschten Erfolg gebracht hat und die Kühlleistung mit steigender Bahngeschwindigkeit überproportional stark abgenommen hat. Wenn man nun die Materialbahn mit Hilfe eines Luftdrucks gegen die Kühlwalze preßt und gleichzeitig von der "Rückseite" her kühlt, erreicht man zwei Effekte. Zum einen wird der Luftspalt deutlich vermindert. Im Extremfall kann man ihn sogar so weit beseitigen, daß er keinen nennenswerten Wärmewiderstand mehr bietet. Zum anderen wird die Materialbahn nicht nur von der Kühlwalze her gekühlt, sondern auch von der gekühlten Luft auf der Rückseite. Durch das Zusammenwirken beider Maßnahmen ergibt sich eine Wärmeabfuhr von der Materialbahn, die über diejenige hinausgeht, die man eigentlich bei der Einzelbetrachtung beider Maßnahmen, also Kühlwalze und Kühlluft, erwarten könnte.

Vorzugsweise ist der vorbestimmte Bereich dem Beginn des Umfangsabschnitts benachbart angeordnet. Der Luftspalt wird also gleich zu Beginn des Umschlingungswinkels vermindert oder beseitigt. Es hat sich herausgestellt, daß sich der Luftspalt danach nicht mehr oder nicht merklich aufbaut. Zur Beseitigung oder merklichen Verminderung des Luftspalts reicht also die Beaufschlagung am Beginn des Umschlingungswinkels aus.

Vorteilhafterweise weist der vorbestimmte Bereich eine Umfangslänge von mindestens 10 mm auf. Man beschränkt sich also nicht auf einen schneidenartgigen Luftstrahl, der die Materialbahn nach Art einer scharfen Kante auf die Umfangsfläche der Kühlwalze preßt. Vielmehr erzeugt man einen flächigen Druck, der zu einer größeren Gesamtkraft führt, mit der die Materialbahn an die Kühlwalze gedrückt wird. Damit kann man dem Einschleppen von Luft zwischen der Kühlwalze und der Materialbahn entgegenwirken.

Vorzugsweise deckt der vorbestimmte Bereich mindestens 50% des Umfangsabschnitts ab. Je größer der Abschnitt ist, in dem die Luft mit erhöhtem Luftdruck an der Materialbahn anliegt, desto besser ist nicht nur der Andruck der Materialbahn an die Kühlwalze, sondern es steht auch eine größere Fläche zur Verfügung, in der die Materialbahn ihre Wärme an die Kühlluft abgeben kann.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Luft auf der der Kühlwalze abgewandten Seite der Materialbahn klimatisiert ist. Man kann also nicht nur die Temperatur der Luft einstellen, sondern auch ihre Feuchtigkeit. Damit kann man auch beim Kühlen noch einen Einfluß auf den Feuchtegehalt des Materials der Materialbahn nehmen, was insbesondere bei der Papierherstellung einen erheblichen Vorteil bietet.

Vorzugsweise ist auf der der Kühlwalze abgewandten Seite der Materialbahn mindestens eine Luftleiste angeordnet, die mit einer Druckluftquelle verbunden ist. Über eine derartige Luftleiste kann man die Druckluft einerseits quer zur Laufrichtung der Materialbahn verteilen. Andererseits ist es auch möglich, die Luft in Laufrichtung über eine gewisse Fläche hinweg abzugeben. Mit einer derartigen Luftleiste läßt sich also das gewünschte Luftpolster auf einfache Weise aufbauen. Luftleisten dieser Art sind handelsübliche Teile. Sie werden normalerweise zum berührungslosen Abstützen von Materialbahnen verwendet.

Vorteilhafterweise weist die Luftleiste eine Breite in Bahnlaufrichtung von mindestens 40 mm auf. Vielfach hat die Luftleiste eine noch größere Breite von beispielsweise etwa 60 mm. Da sich das Luftpolster, das von der Luftleiste aufgebaut wird, üblicherweise noch in Richtung auf die Materialbahn hin verbreitert, kann das Luftpolster also eine Breite haben, die der Breite der Luftleiste sogar noch etwas übersteigt. Bereits mit einer einzelne Luftleiste wird also eine flächige Anlage der Materialbahn an die Kühlwalze erreicht.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß in Umfangsrichtung mehrere Luftleisten mit geringem Abstand hintereinander angeordnet sind. Mit mehreren Luftleisten vergrößert man auf einfach Weise den Bereich, in dem das Luftpolster die Materialbahn gegen die Kühlwalze drückt. Hierbei müssen die Luftleisten nicht unmittelbar aneinander anstoßen. Ein kleiner Abstand ist einerseits möglich, weil sich, wie gesagt, daß Luftpolster einer jeden Luftleiste in Richtung auf die Materialbahn etwa verbreitert. Mit dem Abstand wird außerdem eine Möglichkeit geschaffen, daß die Luft, die Wärme von der Papierbahn aufgenommen hat, entweichen kann, so daß eine sehr wirkungsvolle Kühlung auch mit Hilfe der Kühlluft realisiert werden kann.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß ein Gehäuse den vorbestimmten Bereich einkapselt. In dem Gehäuse kann man einerseits die Luftleisten lagerichtig zur Materialbahn positionieren. Andererseits kann man in dem Gehäuse auch eine vorbestimmte Luftatmosphäre (andere Gase sind natürlich ebenfalls denkbar) erzeugten. Insbesondere ist es leichter, innerhalb eines Gehäuses eine vorbestimmte Luftfeuchtigkeit aufrechtzuerhalten.

Mit Vorteil ist die Luft mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 50 bis 120 m/s auf die Materialbahn gerichtet. Diese relativ hohe Geschwindigkeit hat zwei Vorteile. Zum einen erzeugt sie den gewünschten Druck auf die Materialbahn, was sich in einem entsprechenden Anpreßdruck auswirkt. Zum anderen wird bei einer derartigen Geschwindigkeit der Luft auch eine höhere Wärmemenge von der Materialbahn abtransportiert.

Vorzugsweise liegt der Luftdruck im Bereich von 5000 bis 6000 Pa. Er liegt daher deutlich über dem Umgebungsdruck. Der Luftdruck kann daher die Luft, die zwischen der Kühlwalze und der Materialbahn mitgerissen wird, zuverlässig herausdrücken.

In einer ganz besonders bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Umfangsabschnitt eine Erstreckung von mindestens 240° aufweist und der vorbestimmte Bereich damit weitgehend übereinstimmt. Die Kühlwalze ist also nahezu über ihren vollen Umfang von der Materialbahn umgeben. Gewisse Bereiche müssen frei bleiben, um die entsprechende Bahnführung zu gewährleisten. Im übrigen kann die Kühlwalze aber von der Druckluft und gegebenenfalls von dem Gehäuse eingekapselt sein. Mit dieser Ausbildung erreicht man ganz beachtliche Kühlleistungen, die auch noch höhere als die bislang gefahrenen Geschwindigkeiten zulassen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Kühlwalze mit Kühlluftzufuhr und
2 einen Aufbau mit Kalander, Kühlwalze und Aufwicklung.
Die Erfindung soll zunächst anhand der schematischen Darstellung der 1 erläutert werden.
1 zeigt eine Kühleinrichtung 1 für eine Materialbahn 2, die mit einer Geschwindigkeit u_Bahn zugeführt wird. In beide Richtungen wirkt eine Bahnzugspannung T. Die Materialbahn 2 kann beispielsweise als Papierbahn ausgebildet sein. Die Materialbahn 2 umschlingt eine Kühlwalze 3, die einen Radius r aufweist, über einen vorbestimmten Umfangsabschnitt, der durch einen Winkel α definiert werden kann. Die Kühlwalze 3 ist in nicht näher dargestellter Weise von einem Wärmeträgermedium, beispielsweise Kühlwasser, durchflossen, so daß ihre Oberfläche 4 gekühlt ist. Dementsprechend sollte die Materialbahn 2 ihre Wärme an die kältere Oberfläche 4 abgeben können.
Die Kühlwalze 3 dreht sich mit einer Umgangsgeschwindigkeit u_K _W, die mit der Bahngeschwindigkeit u_Bahn übereinstimmt. Dabei wird in den Zwickel 5 zwischen der Kühlwalze 3 und der Materialbahn 2 Luft 6 eingerissen, die einen Luftspalt zwischen der Materialbahn 2 und der Oberfläche 4 der Kühlwalze 3 bildet. Diese Luft wirkt als Wärmeisolator.
Es hat sich nun herausgestellt, daß die Dicke der Luftschicht mit dem Radius r der Kühlwalze und auch mit den Geschwindigkeiten u_Bahn und u_KW zunimmt.
Aus diesem Grund ist auf der der Kühlwalze 3 abgewandten Seite der Materialbahn 2 eine Druckpolstererzeugungseinrichtung 7 vorgesehen, die mehrere Luftleisten 8 aufweist, die mit geringem Abstand in Umfangsrichtung der Kühlwalze 3 hintereinander angeordnet sind und sich über die axiale Länge der Kühlwalze 3 erstrecken. Der Druckpolstererzeugungseinrichtung 7 wird über einen Eingang 9 Druckluft in Richtung eines Pfeiles 10 zugeführt. Die Druckluft tritt dann in Richtung auf die Materialbahn 2 aus, was durch Pfeile 11 symbolisiert sein soll, und erzeugt damit ein Luftpolster 12 auf der Materialbahn 2, das gestrichelt dargestellt ist. In Wirklichkeit hat dieses Luftpolster 12 natürlich keine feste Umgrenzung.
Die Geschwindigkeit, mit der die Luft aus den Luftleisten austritt, liegt im Bereich von 60 bis 120 m/s. Damit wird ein Luftpolster 12 mit einem Druck im Bereich von 5000 bis 6000 Pa erzeugt.
Die Luft ist darüber hinaus noch gekühlt. Dementsprechend kann sie zusätzlich von der Rückseite der Materialbahn 2, also von der Seite, die nicht an der Oberfläche 4 der Kühlwalze 3 anliegt, Wärme entfernen. Die Kühlleistung, also die Wärmeabfuhr, übersteigt jedoch die Summe der Wärmeabfuhr einer Kühlwalze ohne Druckpolstererzeugungseinrichtung und einer Luftkühleinrichtung.
Die Luftleisten 8 haben im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Breite von 60 mm. Dementsprechend erstreckt sich das Luftpolster über mehr als 180 mm in Umfangsrichtung, also über eine relativ große Fläche. Damit wird zuverlässig verhindert, daß Luft 6 in einer größeren Menge zwischen der Kühlwalze 3 und der Materialbahn 3 verbleiben kann.
Die der Druckpolstererzeugungseinrichtung 7 zugeführte Luft kann darüber hinaus auch noch klimatisiert sein, d.h. man kann sie nicht nur kühlen, sondern ihr auch eine vorbestimmte Luftfeuchtigkeit vermitteln.
Die Druckpolstererzeugungseinrichtung 7 ist dort angeordnet, wo die Materialbahn 2 auf die Kühlwalze 3 aufläuft. Wenn man bereits hier für eine Eliminierung des Luftspalts zwischen der Materialbahn 2 und der Kühlwalze 3 sorgt, dann baut sich ein derartiger Luftspalt im weiteren Bereich der Umschlingung nicht mehr auf.
2 zeigt den Einsatz einer abgewandelten Ausführungsform einer Kühleinrichtung 1' im Zusammenhang mit der Endphase einer Papierproduktion. Die Papierbahn 2', die hier als Beispiel für die Materialbahn 2 verwendet wird, durchläuft einen Kalander 13 mit mehreren Walzenspalten, in denen die Papierbahn 2' mit erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur beaufschlagt wird. Sie verläßt den Kalander 13 mit einer Temperatur im Bereich von 65° bis 90°C. Damit sie in einer Wickeleinrichtung 14 aufgewickelt werden kann, ohne daß dies später aufgrund einer höheren Temperatur zu Problemen führt, durchläuft sie zwischen dem Kalander 13 und der Wickeleinrichtung 14 die Kühleinrichtung 1'.
Bei der Kühleinrichtung 1' ist die Kühlwalze 3' über nahezu ihren gesamten Umfang von der Papierbahn 2' abgedeckt. Es ist nicht möglich, sie vollständig mit der Papierbahn einzuhüllen. Der Umschlingungswinkel beträgt jedoch mindestens 240°.
Die Luftleisten 8 sind in einem Gehäuse 15 angeordnet, das die Kühlwalze 3' nahezu über den gesamten Bereich einkapselt, in dem die Papierbahn 2' an der Kühlwalze 3' anliegt. Dem Gehäuse 15 wird über den Anschluß 9' Kühlluft, gegebenenfalls mit einer vorbestimmten Luftfeuchtigkeit, zugeführt.
Mit der Kühleinrichtung 1' läßt sich auch bei einer höheren Bahngeschwindigkeit u_Bahn eine wirksame Kühlung der Papierbahn 2' erreichen.

Claims

Kühleinrichtung für eine Materialbahn mit einer Kühlwalze, die über einen vorbestimmten Umfangsabschnitt von der Materialbahn umschlungen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht auf der Kühlwalze (3, 3') aufliegende Seite der Materialbahn (2, 2') in einem vorbestimmten Bereich des Umfangsabschnitts (α) mit gekühlter Luft (10, 11) mit einem über Umgebungsdruck liegenden Luftdruck beaufschlagt ist.
Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Bereich dem Beginn des Umfangsabschnitts (α) benachbart angeordnet ist.
Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Bereich eine Umfangslänge von mindestens 10 mm aufweist.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Be reich mindestens 50% des Umfangsabschnitts (α) abdeckt.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft (10, 11) auf der der Kühlwalze (3, 3') abgewandten Seite der Materialbahn (2, 2') klimatisiert ist.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Kühlwalze (3, 3') abgewandten Seite der Materialbahn (2, 2') mindestens eine Luftleiste (8) angeordnet ist, die mit einer Druckluftquelle (9, 9') verbunden ist.
Kühleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftleiste (8) eine Breite in Bahnlaufrichtung von mindestens 40 mm aufweist.
Kühleinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Umfangsrichtung mehrere Luftleisten (8) mit geringem Abstand hintereinander angeordnet sind.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Gehäuse (15) den vorbestimmten Bereich einkapselt.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft (11) mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 50 bis 120 m/s auf die Materialbahn (2, 2') gerichtet ist.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftdruck im Bereich von 5000 bis 6000 Pa liegt.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangsabschnitt (α) eine Erstreckung von mindestens 240° aufweist und der vorbestimmte Bereich damit weitgehend übereinstimmt.