DE3108859A1

DE3108859A1 - Beheiztes walzenelement

Info

Publication number: DE3108859A1
Application number: DE19813108859
Authority: DE
Inventors: David W. Wittenberg Wis. Appel
Original assignee: Kimberly Clark Corp
Current assignee: Kimberly Clark Corp
Priority date: 1980-03-10
Filing date: 1981-03-09
Publication date: 1982-01-28
Also published as: KR840000555B1; NL8101139A; FR2477597A1; JPS56144291A; IT1142763B; CA1171077A; IT8147991A0; BR8101361A; GB2071276B; AU540985B2; US4252184A; AU6820281A; DE3108859C2; KR830005440A; GB2071276A

Description

Beschreibung:

Die Erfindung bezieht sich auf Maschinenwalzen/ die zur Herstellung von Bahnen mit geringem Grundgewicht bestimmt sind, und insbesondere betrifft die Erfindung eine Walze, die mittels heißem öl erwärmt wird und zur Herstellung von Cellulosebahnen oder Polymerbahnen oder -folien bestimmt ist.

Bei einer mit heißem öl beheizten Walze, wie einer Prägewalze, ergibt sich eine Schwierigkeit dadurch, daß heiße oder kalte Stellen auf der Oberfläche der Walze infolge eines unerwünschten Strönuingsbildes gebildet werden, wodurch sich die Wärmeübertragung von dem heißen öl ändert. Hierdurch ergeben sich ungleichmäßige Verbindungsarten in der Cellulose- oder Polymerbahn. Eine erwünschte Methode zum Verteilen der Wärme auf die Oberfläche einer Walze liegt in der Verwendung eines Ringraumes bzw. einer Ringkammer zwischen einer äußeren und einer inneren Walze bzw. einem äußeren und einem inneren Mantel, wobei das heiße öl über diesen Ringraum zwischen den Walzenteilen verteilt wird.

Der eigentliche Zweck für die Verwendung eines erwärmten Fluids, wie öl, besteht darin, daß eine gleichmäßige Temperatur über die vorbestimmte aktive Breite der Oberfläche der Walze erreicht werden soll, an der das Prägen oder Kalandrieren vorgenommen wird. Eine etwa gleichmäßige Temperatur ist nicht nur hinsichtlich den Wärmebedingungen beim Prägen oder Kalandrieren wichtig, sondern auch um ein gesteuertes Walzenprofil und daraus resultierend eine gesteuerte Druckverteilung über die Walzenbreite im Walzenspalt zwischen den Walzen freizuhalten. Lokale heiße Stellen

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in einer Walze bewirken örtliche Ausdehnungen und führen zu Bereichen, bei denen ein übergroßer ' Spaltdruck auftritt. Eine ungleichmäßige Temperatur/ insbesondere ausgehend von den Enden der Walze zu deren Mittelteil, verändert die Passung der jeweiligen Walze mit ihrem Gegenstück und es ergeben sich Flächen mit unerwünschten höheren oder niedrigen Verdichtungsdrücken.

Eine beheizte Walze, wie zum Beispiel eine Prägewalze, hat typischerweise eine etwas größere Breite als die Breite der zu bearbeitenden Bahn, so daß die am Ende liegenden Arbeitsbedingungen der Walze nur einen minimalen Einfluß auf die aktive Länge des Walzenspalts haben. Es hat sich jedoch gezeigt, daß Schwankungen hinsichtlich des Turbulenzgrades zu unterschiedlichen Wärmeübertragungsverhältnissen von dem Heizmedium zu der Walze führen. Deshalb erhält man bei vielen üblichen Einrichtungen eine ungleichmäßige Temperatur, wenn das Heizmedium an einem Ende der Walze eingeführt wird, so daß es sich in Achsrichtung zu dem gegenüberliegenden Ende bewegen kann. Bei anderen Vorschlägen wird das öl in regelmäßigen Abständen über die gesamte Breite der Walze eingeleitet, so daß sich örtliche Bereiche mit hoher Turbulenz ergeben. Auf jeden Fall wird das erwärmte öl senkrecht zur Innenfläche der zu erwärmenden Walze eingeleitet. Dies führt zu einer "heißen Stelle" in dem Bereich, an dem das öl auf die Innenfläche der Walze auftrifft und dazwischen liegen "kalte Stellen".

Eine weitere Schwierigkeit bei üblichen derartigen Einrichtungen liegt darin, daß die Strömungsgeschwindigkeiten an verschiedenen Punkten ausgehend von dem öleintritt bis zu dem ölaustritt ungleichmäßig sind.

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Ein an einem Ende der Walze eingeleitetes öl neigt zur Beschleunigung, wenn es sich in axialer Richtung in Richtung auf den ölausgang bewegt/ wobei das öl in axialen Abständen längs der Walze eingeleitet wird, da die Strömungsgeschwindigkeit des gesamten ölstroms gleich der Summe der Strömungsgeschwindigkeiten an jeder öleirilaßöffnung ist.

Eine übliche Auslegung einer Verfahrensweise zur Beheizung einer Walze ist in der ÜS-PS 3 838 734 beschrieben. Obgleich diese Einrichtung dazu bestimmt ist, einer Kühl- bzw. Abschreckwalze Kühlmittel zuzuführen, wurde diese Auslegung als Grundlage für die Ausbildung von beheizten Walzen verwendet. Bei dieser bekannten Einrichtung wird das Kühlmittel einer inneren Kammer mit einem inneren Mantel zugeführt. Der innere Mantel ist mit axial im Abstand liegenden öffnungen mit unterschiedlichen Durchmessern, ausgehend von dem einen zum anderen Ende versehen, wobei die Auslegung derart getroffen ist, daß sich die Strömungsgeschwindigkeit über die öffnungen an den verschiedenen axialen Stellen ausgleicht. Das Fluid wird über einen Ringraum zwischen dem inneren und äußeren Mantel in axialer Richtung geleitet, um die Außenfläche des äußeren Mantels 2U kühlen.

In der ÜS-PS 4 050 570 ist eine Beheizung für eine Walze angegeben, bei der ein äußerer Mantel eine Vielzahl von axialen Durchgängen hat, die in denselben unterhalb der Außenfläche des Mantels eingebohrt sind. Eine endseitige Anordnung ist vorgesehen, die eine Vielzahl von radialen Durchgängen hat, die mit den axialen Durchgängen in Verbindung stehen, so daß den

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radialen Durchgängen zugeführter Dampf die Walzenaußenfläche über die axialen Durchgänge erwärmen kann.

Obgleich diese Einrichtungen die gewünschte Aufgabe, d.h. das Wärmen oder Kühlen einer Walzenaußenfläche, erfüllen, können sie doch diese Aufgabe nicht in der gewünschten Weise erfüllen. Wenn die Walzen in Verbindung mit relativ dicken Cellulosebahnen oder anderen Bahnen verwendet werden, ist das genaue Einhalten eines Temperaturprofils bzw. Temperaturverlaufes über die Walzenfläche nicht unbedingt erforderlich. Wenn man aber extrem dünne Bahnen oder Bahnen mit niedrigem Grundgewicht bearbeiten, will, wie spinngebundene oder schmelzgeblasene Vliese oder Vliesstoffe oder gewebeähnliche Cellulosebahnen, ist es wichtig, daß die Temperatur Über die Breite der Walze gleichmäßig ist, um zu gewährleisten, daß die Walzen genau aufeinanderpassen, so daß man eine Bahn mit gleichmäßiger Prägung oder Kalandrierung über die Walzenbreite hinweg erhält.

Die Erfindung gibt ein beheiztes Walzenelement an, das beispielsweise zur Verwendung einer Papiermaschine bestimmt ist. Das beheizte Walzenelement hat koaxial angeordnete äußere und innere Mantel und eine Ringkammer, die zwischen einer Innenfläche der äußeren Walze und einer Außenfläche der inneren Walze gebildet wird. Die Außenfläche der inneren Walze ist mit einer Vielzahl von radial verlaufenden öffnungen versehen, über die ein Fluid von dem Innenraum eines Endes des inneren Mantels zu der Ringkammer strömen kann. Jede öffnung ist mit einer Stromablenkeinrichtung versehen, die teilweise über der öffnung liegt und das

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das in radialer Richtung einströmende Fluid in Umfangsrichtung und axialer Richtung umlenkt. Einrichtungen sind vorgesehen, mittels denen das Fluid in ein Ende des inneren Mantels und die Ringkammer eingeleitet werden kann. Ferner sind auch Einrichtungen vorgesehen, mittels denen das Fluid aus einem gegenüberliegenden Ende der Ringkammer und des inneren Mantels abgeleitet werden kann.

Die öffnungen sind in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zur Längsachse der inneren und äußeren Mantel ausgerichtet. Ein Satz von öffnungen-an einem Ende des inneren Mantels bildet die Einlaßöffnungen und ein zweiter Satz von öffnungen an dem anderen Ende des inneren Mantels bilden die Auslaßöffnungen. Ferner sind ümfangsnuten an der Außenfläche des inneren Mantels in derselben Ebene wie die öffnungen an jedem Ende des Mantels vorgesehen. Die öffnungen sind durch den Innenmantel im Bereich der Umfangsnut gebohrt.

Jede öffnung ist mit einer Stromablenkeinrichtung versehen, die in Form eines in ümfangsrichtung verlaufenden Bandes ausgelegt ist, das an der Außenfläche des inneren Mantels angebracht ist. Auch kann die Stromablenkeinrichtung als eine gesonderte Einrichtung ausgelegt sein, die jeder öffnung zugeordnet ist. Das von der Einlaßöffnung einströmende Fluid trifft auf die Stromablenkeinrichtung und wird in beiden Richtungen in ümfangsrichtung umgelenkt, wobei das Fluid auf in Ümfangsrichtung gerichtete Ströme von benachbarten öffnungen trifft. Durch das Zusammenwirken der öffnung und der Stromablenkeinrichtung wird ein Steuerorgan gebildet, das eine Breite hat, die etwa 75 % der Breite der Ringkammer beträgt, so daß das vom Steuerorgan zu der Ring-

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kammer strömende Fluid eine Geschwindigkeitsherabsetzung erfährt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Darin zeigt:

Figur 1 eine Längsschnittansicht einer beheizten Walze nach der Erfindung/

Figur 2 eine vergrößerte Teilschnittansicht eines Ausschnitts von Figur 1,

Figur 3 eine Querschnittsansicht längs den Linien 3-3 in Figur 1, und

Figur 4 eine Ansicht einer typischen üblichen Ausführungsform einer beheizten Walze.

In Figur 1 ist ein Walzenelement insgesamt mit 10 bezeichnet, das die Hälfte eines Walzenpaares darstellt, wobei die andere Walze nicht gezeigt ist. Bei dem Anwendungsgebiet weist die Walze nach der Erfindung eine Prägewalze mit einer Stahloberfläche auf, die als Gegenstück eine kautschukbeschichtete Walze zum Prägen einer Papierbahn aufweist. Es ist auch eine Auslegung möglich, daß die Walze eine Kalandrierwalze mit harter Oberfläche" ist, die zu einer ähnlich ausgebildeten Walze gehört, wobei eine solche Walzenanordnung für die Bearbeitung von Polymerfilmen oder Polymerbahnen bestimmt ist.

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Obgleich die Walze 10 nach der Erfindung zweckmässigerweise bei diesen Anwendungsgebieten verwendet wird, so es ist selbstverständlich/ daß bestehende Eigenschaften und Merkmale der Erfindung auch bei anderen Auslegungsarten oder für andere Verwendungszwecke (wie zum Kühlen anstelle des Erwärmens) geeignet sind. Zu Erläuterungszwecken wird die Walze in Verbindung mit einem Prägevorgang einer polymeren Bahn verwendet.

Die Walze 10 ist mit einem äußeren Mantel 12 mit einer äußeren Prägefläche 14 und einem inneren Mantel 16 versehen. Die Mäntel 12 und 16 sind koaxial drehbeweglich um eine Längsachse 18 angeordnet. Die Mantel 12 und 16 werden von rohrförmigen Elementen gebildet, die an ihren Enden mittels Kopfelementen 20 und 22 geschlossen sind. Jedes Kopfelement 20, hat Lagerabschnitte 24 und 26, die in Lagern gelagert sind, die zur drehbeweglichen Abstützung der Walze dienen. Wenigstens eines der Kopfelemente 20, 22 ist mit einer üblichen Antriebseinrichtung (nicht gezeigt) versehen, um das Walzenelement 10 um seine Achse 18 drehanzutreiben. Eine ölzirkulationseinrichtung 28 kann zweckmäßigerweise mit einem Kopfelement 22 verbunden sein. Die Antriebseinrichtung ist zweckmäßigerweise an dem anderen Kopfelement 20 befestigt. Alternativ kann eine ölzirkulationseinrichtung 28 (entweder der Einlaß oder der Auslaß) und die Antriebseinrichtung auch an ein und demselben Kopfelement befestigt sein.

Der äußere Mantel 12 ist mit einer Innenfläche 30 versehen, die in enger Nachbarschaft zu einer Außenfläche 40 des inneren Mantels 16 liegt. Dazwischen

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bildet sich eine Ringkammer 22, die sich in Breitenrichtung des Walzenelements 20 zwischen den Kopfelementen 20 und 22 erstreckt. Der äußere Mantel 12 sitzt auf den Kopfelementen 20/ 22,wie bei 44 angedeutet, beispielsweise unter Verwendung von Schrauben auf und der innere Mantel 16 ist auf ähnliche Weise fest an den Kopfelementen 20, 22, wie bei 46 angedeutet, angebracht'. Ein Heizfluid wird der Ringkammer 20 über die Einlaßleitung 48, einen axialen Durchgang 50 in dem inneren Mantel 16 und über einen radialen Einlaßdurchgang 52 zugeleitet, der von dem Kopfelement 20 und dem Endabschnitt 54 .des inneren Mantels 16 gebildet wird. Das durch den Durchgang 50 gehende Fluid trifft auf das Kopfelement 20 auf und wird innerhalb des Einlaßdurchganges 52 radial nach allen Richtungen in Richtung auf die Ringkammer 42 abgelenkt, die den inneren Mantel 16 umgibt. Das Fluid wird zu einem Heizelement (nicht gezeigt) in der Ringkammer 42 über einen radialen Auslaßdurchgang 56 zurückgeleitet, der von dem Kopfelement 22 und dem Endabschnitt 58 des inneren Mantels 16 gebildet wird, der dem Endabschnitt 54 gegenüberliegt. Das Fluid wird aus dem Walzenelement 10 über die Auslaßleitung 60 ausgeleitet, um wieder aufgewärmt und wiederum in die Walze 10 zurückgeleitet zu werden.

Das Heizfluid wird in die Ringkammer 42 und aus dieser heraus über Öffnungen geleitet, die in der Zeichnung insgesamt mit 62 bezeichnet sind und die den inneren Mantel 16 radial in der Nähe der Durchgänge 52 und 56 durchsetzen. Diese Öffnungen können irgendeine geeignete. Form haben. Nachstehend wird eine Ausbildungsform beschrieben, mit der man ein besonders gutes

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Leistungsverhalten erreicht. Wie in Figur 2 gezeigt, ist die durch den inneren Mantel 16 gehende öffnung 62 eine kreisförmige öffnung 64, die durch den inneren Mantel an der Stelle einer Umfangsnut 56 durchbohrt ist, die um die Außenumfangsflache des Mantels 16 eingefräst ist.

Die Nut 66 ist zweckmäßigerweise mit Seitenwandungen versehen, die in Winkeln entsprechend Figur 2 angeordnet sind. Die radiale Achse der Nut 16 ist zu der radialen Achse der öffnung 64 versetzt, so daß das öl in ümfangsrichtung in der Nut 66 zwischen dem Lippenabschnitt 68 und der Stromablenkeinrichtung 70 strömen kann.

Die Stromablenkeinrichtung 70 ist fest an dem inneren Mantel 16 angebracht. Die Ablenkeinrichtung 70 hat die Form eines in Umfangsrichtung verlaufenden Bandes 72, wie dies in Figur 3 gezeigt ist. Auch kann die Ablenkeinrichtung 70 eine gesonderte Einrichtung sein, die mit jeder öffnung 62 verbunden ist. Die öffnungen 62 sind radial um den Umfang des inneren Mantels 16 an der Stelle der umfangsnut 66 an jedem den Durchgängen 52 und 56 radial benachbarten Ende derart ausgerichtet, daß die Einrichtung 70 im wesentlichen die Nut 66 umschließt.

Das Arbeiten einer axial durchströmten beheizten Walze mit einem einzigen Durchgang nach der Erfindung muß mit einer solchen Strömungsgeschwindigkeit für das Heizfluid erfolgen, daß diese groß genug ist, daß die gesamte, für die Walze erforderliche Wärmemenge zugeführt wird, ohne daß die Fluidtemperatur

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am Ausflußende um mehr als ein vorbestimmtes zulässiges Maß im Vergleich zu der Temperatur an der Einlaßseite kleiner wird. Beim Prägen von Polypropylen beispielsweise kann man eine Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Fluids an der Einlaßseite und der Auslaßseite der Walze von bis zu 14,4⁰C (6⁰F) als zulässig erachten. Um einen kleinen aber gleichmäßigen Temperaturgradienten über der aktiven Länge der Walze unter Verwendung der zuvor beschriebenen Vorrichtung einzuhalten, müssen konstante Bedingungen für eine optimale Wärmeübertragung von dem Heizfluid zu dem äußeren Mantel eingehalten werden. Dies wird dadurch erreicht, daß man den Ringkammerspalt, die Fluidviskosität und die Fluidgeschwindigkeit derart aufeinander abstimmt, daß sich die Strömung in der Ringkammer 42 zuverlässig im turbulenten Bereich befindet. Wenn alle diese drei Einflußgrößen über die Länge des Ringraums im wesentlichen konstant sind und wenn der Strom bald nach dem Eintritt turbulent wird, dann ergibt sich ein im wesentlichen konstanter Wärmeübertragungskoeffizient für das in der Ringkammer strömende öl.

Bevor die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Einrichtungen bis ins Detail gehende erläutert wird, erscheint es zweckmäßig, eine typische Auslegungsform einer üblichen beheizten Walze näher zu betrachten. Wie in Figur 4 gezeigt, befindet sich das Heizfluid 74 im Inneren des inneren Mantels 76. Von dort strömt das Heizfluid über die öffnungen 78 zu dem Ringraum 80 zwischen dem inneren Mantel 76 und dem äußeren Mantel 82. Das Fluid 74 strömt durch eine öffnung 78 und trifft dann direkt auf der Innenfläche des äußeren Mantels 82, wie bei 84 angedeutet, auf,

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was bedeutet, daß die Wärmeübertragung bzw. der Wärmeübergang von dem Fluid zu der Walzenfläche dort am größten bzw. am stärksten ist, wo das Fluid auf den äußeren Mantel trifft (in der Zeichnung mit gekreuzten Linien eingetragen). Hierbei bildet sich ein "heißer Fleck bzw. eine heiße Stelle" 86 auf der Oberfläche der Walze in der Nähe jedes Auftreffpunktes. Bereiche mit konvergierender Strömung 88 bilden dazu benachbart "kalte Stellen" 90 auf der Walzenfläche, was auf die niedrige Strömungsgeschwindigkeit zurückzuführen ist und wodurch sich schlechte Wärmeübertragungskennwerte ergeben. Diese abwechselnden heißen und kalten Stellen auf der Walzenaußenfläche haben einen nachteiligen Einfluß auf die Bahn beim Prägen oder Kalandrieren.

Eine weitere Einflußgröße, die die effektive Wärmeübertragung von dem öl zu der Walzenfläche verhindert, liegt in den unwirksamen Strömungskennwerten des Fluids beim Eintritt in den Ringraum. Eine optimale Wärmeübertragung ergibt sich bei vollständig turbulenter Strömung. Hieraus ergibt sich, daß, je eher dieser vollständig turbulente Zustand erreicht wird, desto gleichmäßiger der Temperaturverlauf über der Walzenbreite ist. Die meisten beheizten Walzen haben entweder eine unausreichende Turbulenz beim Eintritt zu dem Wärme verteilenden Abschnitt der Walze oder es gibt stark turbulente Stellen mit einem übergang zu einem laminaren Strömungszustand bei der Bewegung des Fluids in. Achsrichtung über die Walzenbreite hinweg. Bei der zuerst genannten Arbeitsbedingung ergibt sich eine größere Erwärmungsräte über die Walzenbreite und bei der zuletzt genannten Arbeits-

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am Ausflußende um mehr als ein vorbestimmtes zulässiges Maß im Vergleich zu der Temperatur an der Einlaßseite kleiner wird. Beim Prägen von Polypropylen beispielsweise kann man eine Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Fluids an der Einlaßseite und der Auslaßseite der Walze von bis zu 14,4°C (6⁰P) als zulässig erachten. Um einen kleinen aber gleichmäßigen Temperaturgradienten über der aktiven Länge der Walze unter Verwendung der zuvor beschriebenen Vorrichtung einzuhalten/ müssen konstante Bedingungen für eine optimale Wärmeübertragung von dem Heizfluid zu dem äußeren Mantel eingehalten werden. Dies wird dadurch erreicht, daß man den Ringkammerspalt, die Fluidviskosität und die Fluidgeschwindigkeit derart aufeinander abstimmt, daß sich die Strömung in der Ringkammer 42 zuverlässig im turbulenten Bereich befindet. Wenn alle diese drei Einflußgrößen über die Länge des Ringraums im wesentlichen konstant sind und wenn der Strom bald nach dem Eintritt turbulent wird, dann ergibt sich ein im wesentlichen konstanter Wärmeübertragungskoeffizient für das in der Ringkammer strömende öl.

Bevor die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Einrichtungen bis ins Detail gehende erläutert wird, erscheint es zweckmäßig, eine typische Auslegungsform einer üblichen beheizten Walze näher zu betrachten. Wie in Figur 4 gezeigt, befindet sich das Heizfluid 74 im Inneren des inneren Mantels 76. Von dort strömt das Heizfluid über die öffnungen 78 zu dem Ringraum 80 zwischen dem inneren Mantel 76 und dem äußeren Mantel 82. Das Fluid 74 strömt durch eine öffnung 78 und trifft dann direkt auf der Innenfläche des äußeren Mantels 82, wie bei 84 angedeutet, auf,,

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was bedeutet, daß die Wärmeübertragung bzw. der Wärme-Übergang von dem Fluid zu der Walzenfläche dort am größten bzw. am stärksten ist, wo das Fluid auf den äußeren Hantel trifft (in der Zeichnung mit gekreuzten Linien eingetragen). Hierbei bildet sich ein "heißer Fleck bzw. eine heiße Stelle" 86 auf der Oberfläche der Walze in der Mähe jedes Auftreffpunktes. Bereiche mit konvergierender Strömung 88 bilden dazu benachbart "kalte Stellen" 90 auf der Walzenfläche, was auf die niedrige Strömungsgeschwindigkeit zurückzuführen ist und wodurch sich schlechte Wärmeübertragungskennwerte ergeben. Diese abwechselnden heißen und kalten Stellen auf der Walzenaußenfläche haben einen nachteiligen Einfluß auf die Bahn beim Prägen oder Kalandrieren.

Eine weitere Einflußgröße, die die effektive Wärmeübertragung von dem öl zu der Walzenfläche verhindert, liegt in den unwirksamen Strömungskennwerten des Fluids beim Eintritt in den Ringraum. Eine optimale Wärmeübertragung ergibt sich bei vollständig turbulenter Strömung. Hieraus ergibt sich, daß, je eher dieser vollständig turbulente Zustand erreicht wird, desto gleichmäßiger der Temperaturverlauf über der Walzenbreite ist. Die meisten beheizten Walzen haben entweder eine unausreichende Turbulenz beim Eintritt zu dem Wärme verteilenden Abschnitt der Walze oder es gibt stark turbulente Stellen mit einem übergang zu einem laminaren Strömungszustand bei der Bewegung des Fluids in. Achsrichtung.über die Walzenbreite hinweg. Bei der zuerst genannten Arbeitsbedingung ergibt sich eine größere Erwärmungsräte über die Walzenbreite und bei der zuletzt genannten Arbeits-

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bedingung ergibt sich eine geringere Erwärmungsrate oder lokale heiße und kalte Zonen, wie dies zuvor beschrieben worden ist. Von daher ist es notwendig, eine solche Auslegung zu schaffen, daß eine Walze eine turbulente Eintrittscharakteristik hat, die eine gleichmäßige Turbulenz über die Walzenbreite unterstützt und aufrecht erhält.

Bei einem Ausführungsbeispiel nach der Erfindung hat eine Walze 10 einen äußeren Mantel 12 mit einem Außendurchmesser von 609,6 mm (24 inch), einer Breite von 2997 mm (118 inch) und einer Dicke von 76,2 ram (3 inch). Der innere Mantel 16 ist derart bearbeitet, daß er eine gleichmäßige Ringkammer 42 mit einer Größe von 6,35 mm (0,25 inch) bildet, also eine solche Abmessung hat, die ausreicht, daß die Ablenkung des äußeren Mantels im wesentlichen keinen Einfluß auf die Strömung in dem Ringraum hat.

Die Öffnung 62 ist insbesondere derart beschaffen, daß sich ein gewünschter Turbulenzgrad in dem Heizfluid (öl) ergibt, das in den Ringraum 42 eintritt. Ein "Steuerorgan" 92 wird entsprechend Figur 2 durch eine Wandung 94 des Abschnittes 66 der Öffnung 62 und durch die Strömungsablenkeinrichtung gebildet. Dieses Steuerorgan 92 zwingt das öl, daß es in den Ringraum 42 unter einem spitzen Winkel zu dem äußeren Mantel 12 eintritt, anstelle daß es senkrecht auf die Innenfläche 30 des äußeren Mantels auftrifft. Um eine turbulente Strömung zu erhalten, wird das öl mit einem Nennstrom von 1135,5 l/min (300 gallons pro Minute) und einer kinematischen Viskosität von 0/00139 m^a/s (0,015 ft^a/s) zugeführt. Die Reynolds¹ Zahl für die Strömung im Ringraum be-

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läuft sich daher auf 17500, die somit wesentlich größer als der untere kritische Wert von 2000 ist, der für den übergang zur turbulenten Strömung erforderlich ist. Von daher wird ein großer Wärmeübertragungskoeffizient im Ringraum erhalten und aufrecht erhalten.

Der Hals des Steuerorgangs 92 beläuft sich etwa auf 75 % der Breite der Ringöffnung 42, so daß sich eine Geschwindigkeit im Bereich des Steuerorgans;: ergibt, die um ein Drittel größer als die mittlere Geschwindigkeit in der Ringkammer 42 ist. Das durch das Organ strömende Öl ist einer abrupten Expansion beim Eintritt in den Ringraum unterworfen, wodurch sich ein Geschwindigkeitsverlust ergibt. Dieser Geschwindigkeitsverlust ist ein Anzeichen für die bei der Turbulenz aufgewandte Energie und er läßt sich dem entsprechenden Reibungsverlust in dem Ringraum pro Wegeinheit zuordnen. Bei den zuvor angegebenen Abmessungen der Walze und des Steuerorgans ist die bei der Turbulenz an dem Organ aufgewandte Energie gleich der Energie, die in einem Ringraum mit einer Länge von 25,4 mm (1 inch) bei der Turbulenz aufgebracht werden muß. Hierbei handelt es sich also um einen geeigneten anfänglichen Turbulenzgrad am Ausgang des Organs, der eine nahezu gleichmäßige Wärmeübertragung über den Ringraum gewährleistet. Um zu erreichen, daß die Vielzahl von Steuerorganen 92 das in dem Ringraum 42 strömende öl gleichmäßig auf den Umfang djer Walze verteilen, sollte die Strömungsgeschwindigkeit stromauf von dem Organ kleiner als die ölgeschwindigkeit in dem Organ sein, d.h. die Stromungsdurchtrittsfläche sollte stromauf von dem Organ größer sein. Für eine Walze mit den zuvor an-

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gegebenen Abmessungen sind daher 48 Öffnungen 62 mit einem Abschnitt 64 vorgesehen/ die einen Durchmesser von 15,9 mm (5/8 inch) hat und die Umfangsnut 66 ist 6/35 mm (1/4 inch) tief und hat einen Durchmesser von 25/4 mm (1 inch). Der Durchgang kann einen Innendurchmesser von 101/6 mm (4 inch) haben und die Durchgänge 52 und 56 haben eine Strömungsdurchtrittsquerschnittsflache von jeweils 167/75 cm² (26 inch²) am Radius der Öffnung 62. Die erste Steuerung bei der gleichmäßigen Strömunosverteilung resultiert aus der Beschleunigung (und dem damit verbundenen Druckabfall) vom Einlaßdurchgang 52 (der als eine "Beruhigungskammer dient) zu den 48 Öffnungen 64. Hierdurch werden 48 gleiche ölstrahlen innerhalb der ümfangsnut 66 in einem Abstand von etwa 30,48 mm (1,2 inch) erzeugt, die auf die Stromablenkungseinrichtung 70 und nicht auf die Innenfläche 30 des äußeren Mantels 12 auftreffen. Der ölstrom wird von der radialen Richtung sowohl in Umfangsrichtung (in der Nut 66) als auch in axialer Richtung gelenkt, wodurch sich eine gleichmäßige Verteilung in ümfangsrichtung um den Ringraum 42 ergibt.

Das öl tritt aus dem Organ 92 mit einer Radialkomponente aus. Es stellt sich jedoch schnell ein axialer Strom ein, wenn das öl an der scharfen Lippe der Stromablenkeinrichtung 70 vorbeigeht. Die Ecke 96, an der sich die Strömung in die Achsrichtung dreht, um in den Ringraum 42 einzutreten, ist zweckmäßigerweise abgerundet (s. Figur 2), um eine Strömungsablösung zu verhindern. Das Fluid folgt daher der Außenfläche 40 des inneren Mantels 16.

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Das öl trifft im wesentlichen gar nicht auf die Innenfläche 30 des äußeren Mantels 12 auf. Somit ergibt sich keine Übermäßige Wärmeübertragung in der Nähe der öffnung 62. Das öl fließt von der öffnung in Umfangsrichtung in der Nut 66 in beiden Richtungen und trifft auf den Strom von benachbarten öffnungen, der sich in Gegenrichtung bewegt,.so daß man eine ständige Ölversorgung für das Steuerorgan erhält, wenn sich die Strömungsrichtung von der umfangsrichtung zur axialen Richtung ändert.

Am Auslaßende des Ringraumes sind Auslaßöffnungen 62A vorgesehen, deren Anzahl und deren Abmessung jenen der Einlaßöffnungen 62 entsprechen. Jede öffnung 62A befindet sich in einer ümfangsnut 66A und ist mit einer Stromablenkeinrichtung 70A versehen. Wenn das öl über die Auslaßöffnungen 62A austritt, erfolgt eine Strömungsbeschleunigung in den Steuerorganen, wodurch erreicht wird, daß das öl in dem Ringraum gleichmäßig verteilt wird.

Die in Figur 1 gezeigte beheizte Walze kann eine Walze eines zusammengehörenden Walzenpaares sein, wobei die andere Walze im wesentlichen bis auf die Ausnahme gleich ausgebildet ist, daß der öleinlaß und der ölauslaß vertauscht sind, so daß das öl über die Leitung 60/ den Durchgang 56 und die öffnungen 62A in die Walze strömt. Die axial gerichtete Strömung wird umgekehrt und das öl tritt über die öffnungen 62, den Durchgang 52 und die Leitung 48 aus. Hierbei dehnt sich das zusammengehörende Walzenpaar an den gegenüberliegenden Enden gleich aus, so daß eine gleichmäßigere Passung erreicht wird.

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Obgleich die Erfindung anhand einer mittels öl beheizten Prägewalze erläutert worden ist/ gibt es selbstverständlich auch eine Vielzahl anderer Anwendungsmöglichkeiten.

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Leerseite -*■

Claims

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A. GRÜNECKER

aPL-PNQ

H. KINKELDEY

OR INS

W. STOCKMAIR

Oft -INa · AuE (CALTECrt

K. SCHUMANN

□Π RER NAt ■ tWL-PHV&

P. H. JAKOB '"

dipl-ing.

G. BEZOLD

DR. RERNAT-

KIKBERLY-CLAEE CORPORATION
Neenah , Wisconsin 54-956
USA

Beheiztes Wal2eneleinent

8 MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSE «3

P 16 016

9. März 1981

Patentansprüche

( 1.jBeheiztes Walζenelernent zur Verwendung bei einer
Papiermaschine oder dergleichen, gekennzeichnet durch:

(a) einen äußeren Mantel (12) , der eine Außenfläche (14) und eine Innenfläche (13) hat, und der um eine
Längsachse (18) drehbeweglich gelagert ist,

(b) einen inneren Mantel (16), der eine Außenfläche (40) und eine Innenfläche (46) hat, und die in der
äußeren Walze bzw. dem äußeren Mantel (12) um

die Längsachse (18) drehbeweglich angeordnet
ist,

TELEFONiQBO) 33 2889

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TELEX OB-293SO TELEGRAMME MONAPAT

TELEKOPIERER

(c) Kopfelemente (20, 22), die jeweils an dem äußeren und inneren Mantel (12, 16) befestigt sind, um die Mäntel (12, 16) in konzentrischer Anordnung zu halten, wobei ein oder beide Kopfelemente (20, 22) derart gelagert sind (bei 24, 26), daß der innere und äußere Mantel (12, 16) um die Achse (18) drehbar sind,

(d) eine Ringkammer (42) mit vorbestimmter Höhe, die zwischen der Innenfläche (30) des äußeren Mantels (12) und der Außenfläche (40) des inneren Mantels (16) gebildet wird,

(e) eine Heizfluidzuführeihrxchtung (28, 49) in dem inneren Mantel (16),

(f> eine Vielzahl von radial ausgerichteten öffnungen (62) an einem Ende des inneren Mantels (16), die ermöglichen, daß das Heizfluid von der Zuführungseinrichtung (28) zu der Ringkammer (42) strömt,

(g) Stromablenkeinrichtungen (70), die jeder öffnung (62) zugeordnet sind und die teilweise über der jeweiligen radial ausgerichteten öffnung (62) liegen und diese jeweils abdecken, und

(h) eine Fluidauslaßeinrichtung (60) an einem Ende der Ringkammer (42) , die axial in .einem Abstand von den radial ausgerichteten öffnungen (62) liegt,

wobei das Heizfluid über die öffnungen (62) unter einem spitzen Winkel zu dem äußeren Mantel (12) in die Ringkammer (42) eintritt.

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2. Beheiztes Walzenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Mantel (16) ferner eine Umfangsnut (66) in seiner Außenfläche (40) im axialen Bereich der Öffnungen

(62) aufweist, und daß die Öffnungen (62) in der Nut (66) vorgesehen sind.

3. Beheiztes Walzenelement nach Anspruch 1, dadurch geken nzeichnet, daß die radial ausgerichteten Öffnungen (62) durch den inneren Mantel (16) in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zur Längsachse (Ϊ8) derart ausgerichtet sind, daß sich die Öffnungen (62, 62A) auf einem von der Fluideinlaßeinrichtung (60) gegenüberliegenden Ende des inneren Mantels (16) befinden.

4. Beheiztes Walzenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Öffnung (62) von zylindrischen Wandungen begrenzt wird, die im wesentlichen radial durch den inneren Mantel (16) ausgerichtet sind.

5. Beheiztes Walzenelement nach einem der Ansprüche . 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Stromablenkungseinrichtung (70) an dem inneren Mantel (16) in der Form ausgerichtet befestigt ist, daß sich ein Steuerorgan (92) bildet, und daß das Steuerorgan (92) von der Öffnung (62) und einem axial nach innen verlaufenden Rand' (68) der Stromablenkeinrichtung (70) gebildet wird, die über der Öffnung (62) liegt.

6. Beheiztes Walzenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

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daß jede Stromablenkeinrichtung (70) an dem inneren Mantel (16) derart ausgerichtet befestigt ist, daß sich ein Steuerorgan (92) bildet, und daß das Steuerorgan (92) zu einer axial nach innen divergierend verlaufenden Wandung (94) der Umfangsnut (66) und einem axial nach innen verlaufenden Rand (68) der Stromablenkeinrichtung (70) gebildet wird, die über der öffnung (62) liegt.

7. Beheiztes Walzenelement nach einem der. Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerorgan (92) eine Breite hat, die sich etwa auf 75 % der Breite der Ringkammer (42) beläuft.

8. Beheiztes Walzenelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidzuführeinrichtung (28, 48) eine Zufuhrleitung (48) mit einer Querschnittsfläche aufweist, die größer als die Summe der Querschnittsflächen der Steuerorgane (92) ist.

9. Beheiztes Walzenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidauslaßeinrichtung (60) eine Vielzahl von radial ausgerichteten öffnungen (62A) aufweist, über die das Heizfluid aus der Ringkammer (42) und anschließend aus dem beheizten Walzenelement (10.) austritt, und daß die radial ausgerichteten öffnungen (62A) mit Stromablenkeinrichtungen (70A) versehen sind, die ein Steuerorgan (92A) am Ausgang bilden.

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10. Beheiztes Walzenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet/ daß die Fluidauslaßeinrichtung (60) an einem Ende des Wal ζ ene leinen ts (10) axial in einem Abstand von der Fluidzuführeinrichtung (28, 48) angeordnet ist.

11. Beheiztes Walzenelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die die Auslaßeinrichtung (60) bildenden radial ausgerichteten Öffnungen (62) in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zur Längsachse (18) ausgerichtet sind.

12. Beheiztes Walzenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die jeder Öffnung (62, 62A) zugeordnete Stromablenkeinrichtung (70) in Form eines in Umfangsrichtung verlaufenden Bandes (72) ausgebildet ist, das fest an der Außenfläche (40) des inneren Mantels (16) angebracht ist.

13. Verfahren zum Beheizen eines Walzenelements, das zur Verwendung bei einer Papiermaschine oder dergleichen bestimmt ist, das einen äußeren Mantel und einen inneren Mantel aufweist, die um eine gemeinsame einzige Längsachse drehbeweglich sind, wobei die inneren und äußeren Mäntel eine dazwischenliegende Ringkammer begrenzen, die in Fluidverbindung mit einer Fluidzuführeinrichtung über Öffnungen steht, die in dem inneren Mantel vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß:

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(a) eine Stromablenkeinrichtung an dem inneren Mantel derart fest angebracht wird, daß die Stromablenkeinrichtung wenigstens teilweise über den öffnungen liegt und .diese abdeckt/

(b) ein Steuerorgan gebildet wird/ das das Fluid von der Fluidzüführeinrichtung zu der Ringkammer lenkt/ und das von den Stromablenkeinrichtungen und der öffnung gebildet wird, und

(c) der Strom des erwärmten Fluids von einer Fluidversorgungseinrichtung über das Steuerorgan in die Ringkammer derart geleitet wird, daß das Heizfluid in die Ringkammer unter einem spitzen Winkel zum äußeren Mantel eintritt.

14. Verfahren nach Anspruch 13/ dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen auf dem inneren Mantel in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zur Längsachse angeordnet sind.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Mantel mit einer Umfangsnut im Bereich der öffnungen versehen ist, die in dem inneren Mantel vorgesehen sind.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Walzenelement mit einem zweiten Walzenelement derart zusammenarbeitet, daß die axiale Strömung des erwärmten Fluids in dem Walzenelement in eine Gegenrichtung zu der axialen Strömungsrichtung des erwärmten Fluids in dem zweiten Walzenelement gerichtet ist.

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