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Anordnung zum Verarbeiten faseriger Suspensionen
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durch mechanisches Einwirken von Messern Die Erfindung betrifft eine
Anordnung zum Verarbeiten faseriger Suspensionen durch mechanisches Einwirken von
Messern, die vorteilhaft einen stabilen Teil (Stator) und einen beweglichen Teil
(Rotor) besitzen.
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Alle derzeitigen Mahlvorrichtungen mit Messern sind dadurch gekennzeichnet,
daß Komponenten des Vektors der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors, die durch Zerlegung
des Vektors der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors in die Richtung der Messerkanten
des Stators und in die Richtung
der Messerkanten des Rotors entstehen,
gegeneinander, was die Größe betrifft, in einem Verhältnis der Rotorkomponente zur
Statorkomponente stehen, das 1 bis 1,4, meist jedoch zwischen 1 und 1,2 beträgt.
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Daraus folgt, daß zwischen Messern des Stators und Rotors nur eine
geringe relative Bewegung in Richtung der Kante eines der Messer zustandekommt,
also nur eine geringe tangentiale oder Schneidebewegung. Es handelt sich mehr um
einen Hieb, mit einem verhältnismässig kurzen Kontakt Faser - Messerkante und diese
Bewegung muß kraftvoll, energisch ausgeführt werden, um ihre Funktionsarbeit zu
verrichten.
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Bestehende konstruktive Anordnungen von Messern haben ferner den Nachteil,
daß die Nuten zwischen einzelnen Messern als Kanäle einer Zentrifugalpumpe mit hohem
Fördereffekt wirken, was für das Verarbeiten der Fasern eine Arbeit vorstellt, die
keinen Nutzen bringt und somit eine überflüssige Arbeit der Anordnung vorstellt.
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Die erwähnten Nachteile werden durch die erfindungsgemäße Anordnung
in hohem Maß behoben, deren Wesen darin beruht, daß die Kanten der Messer oder Messergruppen
des Rotors und Stators miteinander einen Winkel im Bereich von 0 bis 900 einschließen,
wobei die Rotormesser oder Messergruppen von der Radialrichtung des Rotors um 500
bis 900 geneigt sind und Spalte zwischen Messern einer Gruppe sehr eng sind, im
Bereich von 0,1 bis 2,5 mm, so daß unter
anderem die Schöpfwirkung
der Bemesserung zu einem Minimum beschränkt ist. Es handelt sich um eine ungünstige
Lage der Spalte mit Rücksicht auf die Schöpfwirkung und ungünstige Abmessungen der
meisten Spalte für ein Strömen. Ferner wird die Verweilungszeit der Fasern in der
Bemesserung erhöht, die Zahl der Kontakte einer Faser mit Messerkanten und Flächen,
die Gleichförmigkeit des Verarbeitens der Fasern und die Möglichkeit einer schonenden
Behandlung der Fasern werden erhöht, der Kontakt der Faser mit der Messerkante wird
verlängert, die Art des Kontakts der Faser mit dem Messer wird geändert.
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Es ist möglich, durch Versuche zu beweisen und es wurde an einer betriebsmässigen
Anordnung bestätigt, daß die erfindungsgemäße Bemesserung fähig ist, bei einer Fibrillierausführung
einen spezifischen Energieaufwand auch unterhalb 6 kWh/t OSR zu erzielen. Das bedeutet
wenigstens ein 25 %iges Einsparen der Energie für das Mahlen gegenüber derzeitigem
Aufwand in Mahlanordnungen. Die Bemesserung zeigt bei Betriebsdrehzahl 1000 per
Minute einen sogenannten Blindaufwand der Energie etwa 15 % der zugeführten Leistung
der Mahlanordnung (bei maximaler Belastung), das ist etwa die Hälfte gegenüber bestehenden
Stirnmahlanordnungen. Bei Betriebsversuchen wurde festgestellt, daß für den Antrieb
der Mahlanordnung mit der erfindungsgemäßen Bemesserung ein Antriebselektromotor
mit einer etwa 60 % Leistung derzeitiger
Antriebseinheiten genügen
wird. Bei Anwendung für ein bestimmtes Programm der Papierindustrie stellt dies
ein Ersparnis von mehr als 10 Millionen kWh/pro Jahr elektrischer Energie vor. Bei
Anwendung in der ganzen Branche sogar einige Zehner von Millionen kWh/pro Jahr.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist der ruhige
Gang. Der Pegel des Geräuschniveaus der Bemesserung beim Mahlen entspricht dem Pegel
des Geräuschniveaus derzeitiger Antriebselektromotoren. Das Geräusch bestehender
Mahlanordnungen ist wesentlich größer.
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Das Konstruktionsprinzip ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung
der Mahlorgane sowohl für eine Fibrillier- als auch für eine Universal- und Kürzungswirkunq
auszunützen.
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Die Güte der Verarbeitung der Fasern an der erfindungsgemäßen Anordnung
entspricht derzeitiger Spitzenleistung. Das Verhältnis zwischen dem Grad des Mahlens
und den erzielten mechanischen Eigenschaften ist wenigstens am derzeitigen Weltniveau.
Mit Rücksicht auf die geringe Schöpfwirkung kann die Bemesserung mit wesentlich
höheren Messern als bisher versehen werden, was eine längere Lebensdauer der Demesserung
mit sich bringt.
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Die erfindungsgemäße Bemesserung kann mit Vorteil auch für ein Regenerationsmahlen
von gesammeltem Altpapier verwendet
werden, wo mit geringem Energieaufwand
(etwa 3 kWh/t °SR) eine hohe Güte dieses sekundären Faserstoffes erzielt wird (am
besten mit folgendem Abscheiden von Nullfasern).
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Die Konstruktion der Bemesserung ermöglicht auch eine Anwendung im
Bereich erhöhter Dichte der Papierwasserbrühe (ein Doppel der derzeit verwendeten),
wodurch der spezifische Energieaufwand um weitere 30 bis 40 % sinkt.
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Bei der Erzeugung der erfindungsgemäßen Bemesserung ist es möglich,
die modernste und billige Technologie durch Guß anzuwenden, einen maximalen Effekt
erzielt man jedoch bei einer Fibrillier-Bemesserung bei einer anodomechanischen
und weiterer Spanbearbeitung, oder Eingießen von Messern in bituminöse oder andere
geeignete Kunststoffe.
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Der höhere Mahleffekt der erfindungsgemäßen Bemesserung ermöglicht
gleichzeitig die Zahl der Mahleinheiten in einer Fertigungsstraße bei der Vorbereitung
der Papiermasse herabzusetzen und stellt so auch eine Ersparnis an Anschaffungskosten
vor.
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Die Konstruktion kann prinzipiell sowohl bei Scheibenmühlen, als auch
bei Kegelmühlen Anwendung finden.
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Beispiele der erfindungsgemäßen Bemesserung sind in den
beiliegenden
Zeichnungen dargestellt, wo Fig. 1 ein Vektordiagramm zeigt, wo die Umfangsgeschwindigkeit
V des Rotors in Komponenten in Richtung der Stator- und Rotormesser zerlegt wird;
Fig. 2A und 2B zeigen Sektoren von Bemesserungen mit parallelen Messerkanten und
Spalten zwischen Messergruppen; Fig. 2C einen Teilschnitt der Anordnung der Messer;
Fig. 3A und 3B zeigen Sektoren von Bemesserungen mit parallelen Messerkanten in
verschieäenen Messergruppen, wobei jede Messergruppe denselben Winkel gegenüber
der Radialrichtung einschließt; Fig. 4A und 4B zeigen Sektoren der Bemesserung mit
parallelen Messerkanten der Messer, mit Spalten zwischen Messergruppen, die gegen
die Richtung der Messerkanten geneigt sind; Fig. 4C einen Teilschnitt der Anordnung
der Messer; Fig. 5A und 5B zeigen Sektoren der Bemesserung, wo die Messerkanten
in sich geschlossen sind, in diesem
Fall kreisförmig sind, mit
parallelen Spalten zwischen Messergruppen; Fig. 6 ist schließlich ein schematisches
Bild einer Scheibenmahlmaschine für faserige Suspensionen in Längsschnitt an der
die erfindungsgemäße Bemesserung Anwendung finden kann.
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In Fig. 6 ist schematisch eine Scheibenmühle angedeutet an welcher
die erfindungsgemäße Bemesserung angewendet werden kann. In einem Gehäuse 1 ist
eine drehbare und axial verschiebbare Welle 2 gelagert, die einen Rotor 3 trägt,
der sich im Arbeitsraum 5 der Scheibenmühle befindet. Der Rotor 3 besitzt eine auswechselbare
Rotor-Bemesserung 4 bestehend aus einem oder mehreren Teilen, welche jeweils mehr
Messergruppen mit einheitlicher geometrischer Anordnung der Messer in einzelnen
Gruppen enthalten. Der Arbeitsraum 5 ist durch einen festen, oder axial verschiebbaren
Deckel 6 verschlossen, der zusammen mit einer stabilen, jedoch auswechselbaren Stator-Bemesserung
7 den Stator des Arbeitsteiles der Maschine bildet. Ähnlich wie die Rotor-Bemesserung
4 ist auch die Stator-Bemesserung 7 aus einem oder mehreren Teilen ausgeführt, mit
mehreren Messergruppen mit einheitlicher geometrischer Anordnung der Messer in einzelnen
Gruppen. Zwischen der Stator-Bemesserung 7 und der
Rotor-Bemesserung
4 ist ein Arbeitsspalt 8 vorgesehen, wo das eigentliche Verarbeiten des Faserstoffes
durch Kanten und Flächen der Messer vor sich geht, die aneinander vorbeigehen. Der
Faserstoff wird in Form einer wäßrigen Suspension über den Eintritt 9 zugeführt
und nach Durchgang durch die Rotor-Bemesserung 4, Stator-Bemesserung 7 und durch
den Arbeitsspalt 8 verläßt sie die Maschine über een Austritt lO.
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Die erfindungsgemäße Anordnung arbeitet ähnlich wie die Mehrzahl bestehender
Mahlmaschinen nach dem Prinzip der mechanischen Wirkung der Messer auf die Fasern,
welche mit diesen in Kontakt kommen. Die Fasern werden hier gequetscht, an der Oberfläche
abgerieben, gerissen und geschnitten dank dem gegenseitigen Vorbeiführen von Messern
am Stator (fester Teil) und am Rotor (drehbarer Teil), wo die Entfernung zwischen
den Messern des Stators und Rotors in Augenblicken ihrer Beregnung so klein ist,
daß die Zellulose- und Holzfasern auf erwahnte Art verarbeitet werden.
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Alle bestehenden Mahlbemesserungen sind dadurch gekennzeiclmet (siehe
Fig. 1), daß Komponenten v und v des r s Vektors v der Umfangsgeschwindigkeit, die
durch Zerlegen des Vektors der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors in die Richtung
der Kante des Statormessers und Rotormessers bei ihrer Begegnung entstehen, der
Größe nach in einem Verhältnis
Vr : Vs = 1 bis 1,4, überwiegend
jedoch 1 bis 1,2 stehen.
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Daraus folgt, daß zwischen den Messern des Stators und Rotors nur
eine geringe relative Bewegung in Richtung der Kante eines der Messer vor sich geht,
also nur eine kleine Tangential- oder Schneiaebewegung. Es handelt sich mehr um
eine Hiebbewegung.
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Demgegenüber kennzeichnet sich die erfindungsgemäße Anordnung, die
vor allem für eine Fibrillierwirkung bei der Verarbeitung der Fasern bestimmt ist,
und sich von bestehenden Anordnungen dadurch unterscheidet, daß die Bemesserung
für eine Arbeitsweise bei höheren Verhältnissen konstruiert ist, wo vr : vs im Bereich
von 1,5 bis 3 liegt. Es entsteht somit eine wesentliche gegenseitige Tangentialbewegung
der Messer in Richtung einer der Kanten, das ist ein höherer Effekt eines äusseren
Zerreibens und einer inneren Plastifikation der Fasern (innere Fibrillation), ohne
einen grösseren Anspruch auf zugeführte Leistung.
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Ein weiteres Kennzeichen des Unterschiedes bestehender und erfindungsgemäßer
Bemesserungen ist ein sehr scharfer Winkel ß des Vektors v der Umfangsgeschwindigkeit
des Rotors und der Richtung der Messerkante vr des Rotors. Dieser Winkel ist im
Bereich von 0 bis 450 vorteilhaft 10 bis 200.
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Dadurch wird eine geringe Schöpfwirkung der Bemesserung und
somit
auch eine geringe sogenannte Blindleistung der Mühle erzielt, und zwar auch bei
höherer Betriebsdrehzahl, z.B.
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bei 1500 Umdrehungen in der Minute bei einer Bemesserung eines Durchmessers
von 500 mm. Ausserdem wird die Verweilungszeit der Fasern in der Bemesserung erhöht,
es besteht eine längere Durchflußbahn, es wird somit auch die Zahl der Kontakte
einer Faser mit Messerkanten und Flächen bei einem Durchgang erhöht, es steigt somit
die Mahlwirkung und das Verarbeiten der Fasern ist gleichförmiger, da bei der längeren
Verweilungszeit eine geringere Wahrscheinlichkeit besteht, daß die Fasern unverarbeitet
durch die Mühle durch kommen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung, die besonders für eine hohe Kürzungswirkung
bei der Verarbeitung von Fasern bestimmt ist, also für ein Queraufteilen der Fasern,
bleibt, was das Verhältnis vr und vs betrifft, bei der bestehenden Ausführung nahe
dem Wert 1, ist jedoch durch andere Vorteile gekennzeichnet, welche aus dem erwähnten
spitzen Winkel der Richtung der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors und der Messerkante
des Rotors folgen, nimlich die geringe Blindleistung und lange Durchflußbahn der
Fasern.
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Ein weiteres neues Kennzeichen der erfindungsgemäßen Anordnung, das
zwar vorteilhaft, jedoch keines vom Standpunkt der Konstruktion wesentlich ist,
ist die Gruppenanordnung
der Messer zu Gruppen S in einem Kreissektor,
wie dies in Fig. 2 der beiliegenden Zeichnungen angegeben ist. In einem Sektor sind
die Messer vorteilhaft gegeneinander parallel.
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Die Messergruppen werden abwechselnd durch einige kleinere und einen
grösseren Spalt gebildet. Die Spalte zwischen parallelen Messern einer Gruppe dienen
vor allem zum Bilden der Messer kanten und nicht zum Fördern der Suspension durch
die Bemesserung.
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Die Fig. 2 bis 5 zeigen einige Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Anordnung.
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Beispiel 1 Fig. 2A und 2B zeigen einen Teil einer erfindungsgemäßen
Bemesserung und zwar 2A für den Rotor, 2B für den Stator.
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Da die Messer in jedem Sektor Ot gegenseitig parallel sind, ist es
bei Anwendung einer spanabhebenden Bearbeitungstechnologie vorteilhaft, die Bemesserung
zu Sektoren a auf zu teilen und jeden Sektor separat mittels eines Gruppenwerkzeuges
zu bearbeiten. Jeder Sektor wird dabei separat an eine Stator- oder Rotorplatte
oder Kegel befestigt, vorteilhaft mittels von zwei oder mehr Schrauben von der hinteren
Seite der Bemesserung.
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Die Spalte R dienen zum Verteilen der Suspension zwischen den Messergruppen
S und den Messersektoren d und deren Abmessungen entsprechen ordnungsgemäß den Abmessungen
der
Spalte M, die die einzelnen Messergruppen B unterteilen.
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Die Spalte M stellen die Hauptverteilungskanäle der Suspension während
ihrem Durchfluß durch die Bemesserung vor.
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Die Suspension strömt auch teilweise über Spalte H zwischen den Messern
einer Gruppe, vor allem bei einem Typ der Bemesserung für Erzeugung durch Guß und
für eine Kürzungsmahlwirkung und von hier wird der Suspensionsfilm, der zwischen
Messern des Stators und Rotors gebildet wird, ergänzt. Die Entfernung II zwischen
den Messern beträgt 0,3 bis 6 mm, für eine Fibrillierbemesserung beträgt sie vorteilhaft
1 mm. Die Breite T der Messer wird minimal gewählt, da dies der Wirkung nach eine
wenig ausschlaggebende Abmessung ist und beträgt 0,1 bis 2,5 mm, vorteilhaft 1 bis
1,5 mm.
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Die Stator- und Rotormesser schließen miteinander je nach den technologischen
Bedürfnissen einen Winkel von 0 bis 650 ein, bei einer Fibrillierbemesserung vorteilhaft
15 bis 450 in Abhängigkeit von der Stelle, wo gemessen wird.
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Die Messersektoren ffi werden vorteilhaft gleich groß gewählt.
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Beispiel 2 In Fig. 3A und 3B ist ein Teil einer erfindungsgemäßen
Bemesserung in Ausführung A für den Rotor und B für den Stator für eine kreisförmige
Anordnung der Messergruppsen S
dargestellt. Die Spalte zwischen
Messergruppen S werden dann nicht durch parallele, sondern gegeneinander geneigte
Messergruppen 5 gebildet, welche sie begrenzen, wobei die Breite der Spalte M1 bis
M2 ist. Die Messer einer Messergruppe 5 sind vorteilhaft parallel.
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Der Kreisring der Breite v hat vorteilhaft eine unterschiedliche Breite
vl, v2 ... bis vn, wobei vl kleiner als v2 ist, usw.. Der Neigungswinkel der Messer
im ganzen Kreisring des Stators und Rotors ist vorteilhaft gleich.
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Der Kreisring spalt RK dient wieder dem Verteilen der Suspension und
beträgt 3 bis 15 mm, je nach der Größe der Maschine.
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Beispiel 3 Eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung
ist eine segmentartige Anordnung der Bemesserung, wie in Fig. 2B gezeichnet ist,
mit dem Unterschied, daß an der Statorbemesserung weniger Förderspalte M vorhanden,
oder überhaupt ausgelassen sind. Dann sind die Spalte H zwischen Messern vorteilhaft
etwa 50 % größer als bei der Anordnung nach Fig. 2B.
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Beispiel 4 Eine weitere Abänderung der erfindungsgemäßen Bemesserung
ist
eine Ausführung, wo die Abmessungen M, H, T, S und R gemäß Fig. 2A im ganzen Messersektor
Ct nicht gleich sind.
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Beispiel 5 Fig. 4A und 4B zeigen eine Abänderung der Ausführung, wo
die Kanäle M für die Verteilung der Suspension eine andere Neigung als die Messer
haben. Diese Lösung hat den Vorteil, daß auch bei stark radialer Richtung der Messer,
die Verteilerkanäle M in einer Lage bleiben, die mit Rücksicht auf die Schöpfwirkung
und auf die Verweilungszeit der Suspension in der Bemesserung vorteilhaft ist.
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Beispiel 6 Fig. 5A und 5B zeigen ein Ausführungsbeispiel der Bemesserung
mit in sich geschlossenen Arbeitskanten der Messer in Kurvenform, die überwiegend
als geeignete öffnungen oder Erhebungen an der Hauptmasse des Stators oder Rotors
ausgeführt sind.
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Die Messergruppen 5 sind wieder durch Kanäle R und M für die Hauptverteilung
der Suspension in der Bemesserung geteilt. Die Arbeitskanten sind vorteilhaft kreisförmig
mit Durchmessern vorteilhaft bis 5 mm.