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Verfahren und Anordnung zur Kühlung einer Walze.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kühlung einer Walze,
insbesondere einer Kunststoffwalze beispielsweise zum Behandeln von Papier-, Textil-
und ähnlichen Bahnen, sowie eine entsprechende Kühlanordnung.
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Eine unerwünschte Aufheizung einer Walze kann dadurch entstehen,
daß sie gegen eine heiße Gegenwalze oder eine heiße Bahn läuft bzw. dadurch, daß
im Falle nachgiebiger Walzenoberflächen durch die während des Umlaufs durch die
fortlaufende Verformung des Walzenmaterials die Walkarbeit zum Teil in Wärme umgesetzt
wird, die im Innern des Walzenmaterials anfällt. Eine Kühlung kann erforderlich
sein, weil entweder das Bahnmaterial oder das Material des arbeitenden Walzenumfangs
die auftretenden Temperaturen nicht vertragen.
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Als "Walzen" im Sinne der Erfindung sollen sowohl massive Walzen,
Walzen mit einem Oberzug aus einem anderen, insbesondere Kunststoffmaterial und
auch sogenannte Manchons verstanden sein, d. h. Hohlwalzen, die um eine Innenwalze
geringfügig geringeren Durchmessers lose mitumlaufen und vornehmlich aus Kunststoff
bestehen.
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Es ist bereits bekannt, die Oberfläche von umlaufenden Walzen durch
Aufsprühen von Wasser zu kühlen.
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Hierbei wird die Walzenoberfläche aber feucht, was in manchen Fällen,
z. B. bei der Druckbehandlung von Papier-, Textil- oder ähnlichen Bahnen nicht zugelassen
werden kann, weil die Feuchtigkeit den Behandlungseffekt der Walze in unzulässiger
Weise beeinflußt. Es wird auch bereits Luft auf die Walzenoberfläche aufgeblasen,
wodurch allerdings wegen des begrenzten Wärmeübergangs mit vertretbarem Aufwand
nur begrenzte Kühlleistungen erreichbar sind. Schließlich gehört es zum Stand der
Technik, im Innern der Walze Kanäle vorzusehen, durch die ein flüssiges oder gasförmiges
Kühlmedium umgewälzt wird. Hierbei ist allerdings nachteilig, daß die Kühlwirkung
zwangsläufig in einiger Entfernung von der kühlbedürftigen Zone, nämlich der Walzenoberfläche,
am stärksten ist. Dieses Problem ist besonders bei den Manchons ausgeprägt, bei
denen die an der Oberfläche anfallende Wärme bei Innenkühlung der Innenwalze durch
die gesamte Wandstärke des aus schlecht wärmeleitendem Kunststoff bestehenden Manchons
hindurchtransportiert werden muß.
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Die Erfindung hat die Aufgabe, eine wirksame trokkene Walzenkühlung
zu schaffen, bei der die Wärme dort abgeführt wird, wo sie entsteht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß die Walze an ihrer
Oberfläche mit einem kälteren, bei Ätmosphärendruck bei der Temperatur der Walze
subliaierenden festen Stoff in Berührung gebracht.
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Die Wärme geht von der Walzenoberfläche in den festen Stoff über
und wird für die Erwärmung und Sublimation desselben verbraucht. Da die sublimation
einen
Übergang des Stoffes vom festen in den gasförmigen Zustand
ohne Auftreten einer flüssigen Zwischenphase bedeutet, erfolgt die Kühlung ohne
Befeuchtung der Walzenoberfläche. Durch die unmittelbare Berührung der Walzenoberfläche.
und des Stoffes erfolgt ein recht guter Wärme übergang, und es wird die Wärme von
dort abgeführt, wo sie auftritt.
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Die Erfindung verkörpert sich auch in einer Kühlanordnung zur Durchführung
des vorgenannten Verfahrens und ist dann dadurch gekennzeichnet, daß sie einen am
Umfang der Walze angeordneten, feststehenden, gegen den Walzenumfang offenen Behälter
umfaßt, in dem sich ein kälterer, in einem wählbaren Breitenbereich mit der Walzenobefläche
in Berührung stehender, unter Atmosphärendruck bei der Temperatur der Walzenoberfläche
sublimierender fester Stoff befindet.
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Als "Behälter" soll alles verstanden werden, was in der Lage ist,
eine bestimmte Menge des Stoffes fest-und zusammenzuhalten und gegen die Walzenoberfläche
anliegen zu lassen.
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Der Stoff ist in der bevorzugten Ausführungsform als Granulat ausgebildet,
weil dieses am leichtesten handhabbar ist und sich mit dem Fortschritt der Sublimation
von selbst immer wieder der Gestalt der Walzenoberfläche anpaßt. Es ist aber auch
möglich, daß der Stoff als kompakter Block oder als eine Art Schnee, d. h.
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pulverförmig, ausgebildet ist.
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Das bevorzugte Beispiel für einen Stoff" der angesprochenen Art ist
festes C02 (Kohlendioxyd), welches als sogenanntes Trockeneis in den erforderlichen
Mengen im Handel erhältlich ist. Festes CO2 geht bei -790C Sublimationstemperatur),
ohne zu schmelzen oder flüssige Rückstände zu hinterlassen, direkt in gasförmiges
CO2 über.
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Die Supplimationswärme ist erheblich und beträgt bei -790C 573 kJ/kg.Die
Kühlleistung hängt von der Temperatur ab und beträgt bei 200C 657 kJ/kg.Sie setzt
sich zusammen aus der Sublimationswärme und der für die Aufheizung der Kohlensäure
auf die betreffende Temperatur verbrauchte Wärme. Das entstehende Kohlendioxydgas
ist untoxisch und kann leicht abgeleitet werden.
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Der Behälter für die Aufnahme des Stoffes kann als sich über mindestens
einen Teil der Höhe der Walze erstreckende, an den Seiten und unten gegen die Walze
gegen den Übertritt des Stoffes abgedichtete Schürze ausgebildet sein.
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Wenn der Stoff, beispielsweise das feste CO2, als Granulat ausgebildet
ist, wird der Raum zwischen der Walzenoberfläche und der Schürze mit dem Granulat
vollgeschüttet. Nach Maßgabe des Verbrauchs des Granulats durch Sublimation sackt
die Menge nach, wobei der Kontakt zur Walzenoberfläche erhalten bleibt. Die verbrauchte
Menge wird oben nachgeschüttet. Die Abdichtung gegen die Walzenoberfläche braucht
nicht hermetisch zu sein; es genügt, wenn die Stoffteilchen nicht herausfallen können.
Die Abdichtung kann also berührungsfrei erfolgen, was z. B. wichtig ist, wenn es
sich um eine Kunststoffwalze handelt und ein Verkratzen der Oberfläche bzw. die
Ausbildung von Spuren vermieden werden muß. Das Granulat selbst verkratzt die Oberfläche
nicht, weil sich in unmittelbarem Kontakt durch das Leydenfrost'sche Phänomen eine
Gaszwischenschicht bildet und also keine direkte mechanische Einwirkung der Granulatteilchen
auf die Oberfläche mehr möglich ist.
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Um die Anordnung für unbeaufsichtigten Dauerbetrieb geeignet zu machen,
empfiehlt es sich, eine Einrichtung
zur automatischen Zuführung
des Stoffes nach Maßgabe seines Verbrauchs vorzusehen.
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Bei der vorerwähnten Ausführungsform wird das feste C02 unabhängig
von der Walzenanordnung hergestellt und dann dieser zugeführt. Es ist aber auch
möglich, das feste C02 in der Kühlanordnung selbst entstehen und sogleich danach
auf die Walzenoberfläche einwirken zu lassen.
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Dies kann dadurch geschehen, daß der Behälter als außerhalb des Walzenspalts
die Walze auf mindestens einem Teil ihres Umfangs mit Abstand umgebender feststehender,
gegen die Walzenoberfläche seitlich und in Umfangsrichtung abgedichteter Mantel
ausgebildet ist, daß der Mantel an den Eingang eines CO 2-KomPressors angeschlossen
ist und daß der Ausgang des Kompressors mit über den Umfang und die Länge der Walze
verteilten, innerhalb des Mantels gegen die Walzenoberfläche gerichteten Entspannungsdusen
in Verbindung steht.
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Das C02 tritt aus den Entspannungsdüsen unter hohem Druck aus und
wird durch die mit der Entspannung verbundene Abkühlung sogleich zu dem sogenannten
Kohlensäureschnee, der gegen die Walzenoberfläche geschleudert wird und dort abkühlen
wirkt. Der bei der Abkühlung der Walze sublimierende Schnee wird aus dem Mantel
von dem Kosr pressor sogleich wieder abgesaugt und erneut verdichtet.
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Das C02 verbleibt also in einem Kreislauf, wodurch die verbrauchten
Kohlensäuremengen geringer werden.
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Mit dem Ausdruck ~Kompressor" sollen nicht nur der reine Verdichter,
sondern die gesamte Anlage verstanden sein, die erforderlich ist, um die aus dem
Mantel abgesaugte gasförmige Kohlensäure in einen Zustand zu bringen, aus dem sie
durch Entspannung zu Schnee wieder verfestigbar ist. Es sollen also auch eventuelle
Wärmetauscher u. dgl. dazugehören.
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Die Erfindung erstreckt sich auch auf die Verwendung von festem CO
2zur Oberflächenkühlung einer Walze, insbesondere einer Kunststoffwalze, speziell
einer Polyamidwalze mit Glätten von Papier-, Textil- und ähnlichen Bahnen.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch
dargestellt.
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Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Walzenpaar; Fig. 2 zeigt
ein Diagramm, welches die mit der Erfindung erreichbare Tem£)eraturerniedrigung
erkennen läßt; Fig. 3 zeigt eine Fig. 1 entsprechende Ansicht einer weiteren Ausführungsform.
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In Fig./1 ist ein Walzenpaar aus einer Unterwalze 1 und einer Oberwalze
4 dargestellt. Die Unterwalze 1 umfaßt eine Innenwalze 3, die einen äußeren Walzenumfang
aus Stahl haben kann, sowie einen sogenannten Manchon 2, der in dem Ausführungsbeispiel
aus Polyamid besteht. Mit solchen Polyamidwalzen können bei Papier und Textilien
besondere Glättungseffekte erzielt werden. Der Manchon 2 ist eine Hohlwalze, deren
Innendurchmesser etwas größer als der Außendurchmesser der Innenwalze 3 ist und
die sich über die Arbeitsbreite erstreckt. Der Manchon 2 läuft also lose mit. Diese
Ausführung dient dazu, Schwierigkeiten zu vermeiden, die bei einem fest auf die
Innenwalze 3 aufgebrachten Polyamidüberzug an der Obergangsstelle sonst auftreten
können.
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Die Oberwalze 4 ist eine beheizte Stahlwalze. Zwischen dem Manchon
2 und der Oberwalze 4 wird eine Papierbahn 5 hindurchgeleitet, die auf der dem Manchon
2 zugewandten Seite eine besondere Glättung erfährt.
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Im Betrieb erfährt nun der Manchon 2 eine Aufheizung. Diese ist einerseits
auf die Wärmeübertragung von der beheizten Oberwalze 4, andererseits aber auf die
Walkarbeit zurückzuführen, die sich zum Teil in Wärme umsetzt. Der aus Polyamid
bestehende Manchon 2 besitzt eine gewisse Nachgiebigkeit und wird bei jedem Umlauf
im Walzenspalt zusammengedrückt und anschließend wieder entlastet. Hierbei entsteht
im Material Wärme, die bei höheren Drücken und höheren Geschwindigkeiten erhebliche
Beträge annehmen kann. Im stationären Zustand wird nun von der durch die Walkarbeit
entstehende Wärme ein Teil in die Bahn 5, ein Teil in die Innenwalze 3 abgeleitet.
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Die Ableitungsverhältniase sind im Innern des Manchons am ungünstigsten,
so daß sich die höchste Temperatur nicht unmittelbar an der Oberfläche, sondern
in einem etwas darunter gelegenen Bereich einstellt. Es ergeben sich Temperaturverteilungen,
wie sie aus Fig. 2 erkennbar sind, wo also das Temperaturmaximum in einem bestimmten
Abstand von der Walzenoberfläche radial innen vorliegt. Diese Temperaturverteilung
ist aber nur bei Vorliegen einer nachgiebigen Walze vorhanden. Bei Metallwalzen,
für die die Erfindung gleichermaßen in Betracht kommt, ergibt sich bei einer beheizten
Gegenwalze eine Temperaturverteilung, die kein Maximum im Innern aufweist, weil
eben im Innern keine Wärme erzeugt wird.
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Die von der Gegenwalze 4 übertragene Wärme im Verein mit der im Innern
des Manchons 2 erzeugten Wärme kann zu Temperaturen führen, die der Kunststoff nicht
mehr ohne Zerstörungen aushalten kann. Es bilden sich vom
Innern
her Blasen und Ablösungen, die die Walze 1 unbrauchbar machen.
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Um dies zu verhindern, ist am Umfang des Manchons 2 eine Schürze
6 vorgesehen, die sich von einem Bereich t2 in Höhe des oberen Scheitels der Walze
1 bis zu einer Stelle 8 in der Nähe ihres unteren Scheitels erstreckt.
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In dem Zwischenraum zwischen der Oberfläche des Manchons 2 und der
Schürze 6 befinden sich feste Kohlendioxydpartikel 7, die unter Berührung an der
Walzenoberfläche anliegen und diese kühlen. Das durch Sublimation verbrauchte Granulat
wird ständig nachgeliefert, was durch die Rutsche 9 angedeutet ist.
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Bei einem Versuch wurde bei einer Anordnung der in Fig. 1 wiedergegebenen
Art bei einer Arbeitsbreite von 50 cm ein Liniendruck von 270 kp bei einer Geschwindigkeit
von 50 m/min. gefahren, wobei die Oberwalze 4 ohne Bahn unmittelbar gegen die Unterwalze
1 anlag und auf eine Oberflächentemperatur von 2100C geheizt wurde. Dies sind sehr
scharfe Bedingungen, denen ein Polyamid-Manchon normalerweise nicht standhält. Durch
Kühlung mit CO Granulat konnte jedoch die Oberflächentemperatur im Dauerbetrieb
auf 70 bis 740Cabgesenkt werden. Das Versuchersergebnis ist in Fig. 2 dargestellt.
Auf der Abszisse ist der radiale Abstand d von der Oberfläche des Manchons nach
innen, auf der ordinate die Temperatur T aufgetragen.
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Die Kurve 10 ist eine mehr theoretische Kurve, die die Temperaturverteilung
ohne Kühlung wiedergibt. Sie wird aber in der Praxis im Dauerbetrieb nicht erreicht,
weil das Polyamidmaterial vorher zerstört wird. Mit der erfindungsgemäßen Kühlung
ergibt sich ein Temperaturverlauf entsprechend der Kurve 11, der sich in Bereichen
bewegt, die ohne weiteres von dem Polyamidmaterial ertragen werden. Der Verbrauch
an C02 während einer Belastungszeit von 1,5 Stunden unter den oben angegebenen Bedingungen
betrug etwa 30 kg.
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In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform dargestellt, bei der das
Walzenpaar 1, 4 dem Walzenpaar 1, 4 der Fig. 1 entspricht. Die Walze 1 ist auf einem
wesentlichen Teil ihres Umfangs von einem Mantel 16 umgeben, der gegenüber der Walze
1 im wesentlichen abgedichtet ist. Die Abdichtung braucht indessen nicht hermetisch
zu sein, da gasformig austretendes C02 keine Schäden anrichtet. Sie soll lediglich
den Kohlensäure schnee zusammenhalten.
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In dem Mantel 16 sind über den Umfang und über die Länge der Walze
1 verteilte Düsen 17 angeordnet, die über eine gemeinsame Zuführleitung 18 mit einem
Kompressor 19 verbunden sind,der unter Druck stehendes Kohlesäuregas an die Düsen
17 liefert. Beim Austritt aus den Düsen 17 wird das Kohlesäuregas durch die Entspannung
und die damit verbundene Abkühlung zu einem Schnee, der auf den Umfang der Walze
1 gelangt und diesen abkühlt. Dabei sublimiert der Schnee zumindest teilweise sogleich
wieder zu Kohlesäuregas, welches aus dem Innern des Mantels 16 über die zum Eingang
des Kompressors 19 führende Leitung 20 abgesaugt wird. Etwa nicht abgesaugtes C02
wird von der Oberfläche der Walze 1 durch einen Abstreifer 21 abgestreift, so daß
es nicht nach außen gelangt.
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Bei dieser'Ausführungsform ist wesentlich, daß das CO, im Kreislauf
verbleibt und der Verbrauch geringer ist.
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Lediglich das entweichende C02 muß fortlaufend ergänzt werden.
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