DE3108859C2

DE3108859C2 - Beheizte Doppelmantelwalze

Info

Publication number: DE3108859C2
Application number: DE3108859A
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: 1985-05-15
Also published as: KR840000555B1; US4252184A; GB2071276A; KR830005440A; JPS56144291A; IT1142763B; NL8101139A; DE3108859A1; AU6820281A; IT8147991A0; GB2071276B; CA1171077A; BR8101361A; AU540985B2; FR2477597A1

Abstract

Es wird ein beheiztes Walzenelement beschrieben, das insbesondere derart beschaffen ist, daß es eine gleichmäßige Temperatur auf der Oberfläche hat und insbesondere dazu bestimmt ist, Cellulose- oder Polymerbahnen mit geringem Grundgewicht zu prägen oder zu kalandrieren. Das Walzen element weist äußere und innere Mäntel auf, zwischen denen sich eine Ringkammer bildet. Ferner sind Öffnungen in dem inneren Mantel vorgesehen, über die das Fluid in die Ringkammer eingeleitet oder aus dieser Ringkammer ausgeleitet werden kann. Speziell beschaffene und ausgebildete Öffnungen, die jeweils mit einer Stromablenkeinrichtung versehen sind, erzeugen eine vollständig turbulente Strömung in einem Heizfluid, das sich in der Ringkammer in Achsrichtung bewegt. Ein geregelter Turbulenzgrad des Fluids wird zu Beginn an der Öffnung eingestellt und dieser wird über die gesamte Ringkammer hinweg aufrechterhalten, so daß sich keine heißen oder kalten Stellen auf der Außenfläche des äußeren Mantels bilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine beheizte Doppelmantelwalze gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei der beheizten Doppelmantelwalze besteht das Erfordernis, das Wärmetransportmedium, z. B. Öl. so einzusetzen, daß über eine vorbestimmte aktive Breite der Doppelmantelwalze eine möglichst gleichmäßige Temperatur erreicht werden kann. Lokale heiße oder kalte Stellen an der Oberfläche der Doppelmantelwalze können aus einem ungünstigen Strömungsbild der Strömung des Wärmeübertragungsmediums resultieren, da die Wärmeübertragungsfähigkeit des Mediums strömungsabhängig ist. Aus zu heißen oder zu kalten Stellen resultieren aber Inhomogenitäten in den bearbeiteten Bahnen.

Bei einer aus der DE-OS 15 04 164 bekannten, beheizten Doppelmantelwalze schwimmt der Ablenkring in der im Querschnitt rechteckigen Nut auf dem Medium, dessen Innendurchmesser größer als der Außendurchmesser des Grundes der Ringnut und dessen Breite kleiner als die Breite der Ringnut sind. Der Ablenkring führt infolge seiner schwimmenden Lagerung in der Ringnut sowohl um die Walzenachse taumelnde Bewegungen als auch Seitwärts-Verschiebebewegungen und tCippbewegungen aus, die dazu führen, daß sich die Spalten, aus denen das Medium zwischen dem Ablenkring und den Flanken der Ringnut austreten will, ständig verlagern und vergrößern und verkleinern. Eine einheitliche und .orientierte Strömungsführung wird dadurch nicht erzielt Speziell außerhalb des Bereiches des Ablenkringes wird die innenfläche des äußeren Mantels schlechter umspült als in den radial auf die Flanken der Ringnut ausgerichteten Bereichen. Zonen unterschiedlicher Temperatur können demzufolge im Außenmantel nicht vermieden werden. Femer werden durch die Bewegungen des Abienkringes beiden axialen Hälften der Doppelmantelwalze sich ständig ändernde Mengen an Medium zugeführt, so daß die Oberflächentemperaturen der beiden axialen Hälften durchaus voneinander verschieden sein können. Schließlich tritt das Medium zwischen jedem Seitenr -nd des Abienkringes und der radial verlaufenden Flanke der Ringnut in annähernd radialer Richtung aus und trifft in dieser Richtung auf die Innenseite des Außenmantels. Dort treten lokal starke Turbulenzen auf, in denen das Medium die Wärme besser überträgt als in den benachbarten Bereichen, wo die Turbulenzen geringer sind. Eine eindeutige Strömungsleitfunktion, etwa annähernd in axialer Richtung der Doppelmantelwalze, kann der Ablenkring nicht ausüben. Er kann infolge seiner schwimmenden Lagerung sogar gegen die Innenseite des Außenmantels zur Anlage kommen und dem Medium dort den Zutritt zur Innenseite des äußeren Mantels verwehren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine beheizte Doppelmantelwalze der eirfcangs genannten Art zu schaffen, bei der eine weitgehende gleichmäßige Oberflächentemperatur über einen aktiven Längsabschnitt der Doppelmantelwalze erreicht wird.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Mit der Strömungssteuerdüse wird die Mediumströmung wünschenswert stark verwirbelt und zudem in eine günstige Richtung geleite' Daraus resultiert eine gleichmäßige Spülung der Innenweite des äußeren Mantels über den ganzen aktiven Längsabschnitt der Doppelmantelwalze. Aus der gerichteten und gleichmäßig turbulenten Strömung resultiert eine gleichmäßige Oberflächentemperatur der Doppelmantelwalze. Loka-Ie Bereiche an der Innenseite des äußeren Mantels, in denen die Strömung /u lange verweilen oder ohne Orientierung strömen könnte, werden von vornherein vermieden. Die günstige Strömungsführung wird über den gesainten Umfang des Innenmantels und damit in der ganzen Ringkammer erreicht, die zwischen den Mänteln gebildet ist Aus der zwangsweise geleiteten Strömung resultiert auch der Vorteil eines großen Medium-Durchsatzes und damit einer guten Ausnutzung der im Medium enthaltenen Wärmeenergie.

Zweckmäßige Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Nachstehend wird ein Aüsführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Darin zeigt

3ί 08 859

F i g. 1 einen Längsschnitt einer beheizten Doppelmantelwalze,

Fig.2 einen vergrößerten Teilschnitt eines Ausschnitts aus F i g. 1, und

Fig.3 einen Querschnitt längs den Linien 3-3 in Fig.l.

In F i g. 1 ist eine Doppelmantelwalze 10 dargestellt, die mit einer anderen Walze (nicht gezeigt) zusammenarbeitet Die Walze 10 ist eine Prägewalze mrt einer Stahloberfläche, die zum Prägen einer Papierbahn mit einer kautschukbeschichteten Walze zusammenarbeitet. Die Walze 10 könnte auch eine Kalandrierwalze mit harter Oberfläche für die Bearbeitung von Polymerfilmen oder Polymerbahnen sein.

Die Walze 10 weist einen Außenmantel 12 mit einer Prägefläche 14 und einen Innenmantel 16 auf, die koaxial um eine Längsachse 18 angeordnet sind. Die Mantel 12 und 16 werden durch Kopfelemente 20 und 22 abgeschlossen. Jedes Kopfelement 20,22 hat einen Lagerabschnitt 24 und 26. Wenigstens ein Kopfelement 20 oder 22 wird angetrieben. Eine Zirkulationseinrichtung 28 für ein Wärmetransportmedium ist mit dem Kopfelement 22 verbunden.

Der Außenmantel 12 hat eine Innenfläche 30 in enger Nachbarschaft zum Außenumfang 40 des Innenmantels 16. Dazwischen liegt eine Ringkammer 42. Der Außenmantel 12 ist auf den Kopfelementen 20,22, bei 44 angeschraubt, wie auch der Innenmantel 16 bei 46. Das Medium wird der Ringkammer 42 über eine Einlaßleitung 48, einen Durchgang 50 im Innenmantel 16, einen radialen Durchgang 52 zwischen dem Kopfelement 20 und einem Endabschnitt 54 des Innenmantels 16 und allgemein bei 62 angeordneten Einlassen (Fig. 1) zugeführt. Zurück strömt das Medium aus der Ringkammer 42 über radiale Auslässe 62a zu einem Durchgang 56 zwischen dem Kopfelement 22 und einem Endabschnitt 58 des Innenmantels 16 und eine Auslaßleitung 60.

Die Einlasse 62 durchsetzen den Innenmantel 16 radial auf der Höhe des Durchgangs 52. Wie in F i g. 2 gezeigt, sind die Einlasse 62 von kreisförmigen Einlaßbohrungen 64 gebildet, die im Innenmantel in einer Ringnut 66 münden. Die Ringnut 66 weist divergierende Flanken auf. von denen die dem Walz^nende abgewandte Flanke mit 94 bezeichnet ist (Fig. 2). Die Mitte der Ringnut 66 ist zur Achse der Einlaßbohrungen 64 vom Walzenende wegversetzt, damit dem Medium eine vorbestimmte Strömungsrichtung aufgezwungen wird, weil es einen flachen Nutgrund 68 und einen Ablenkring 70 entlang und auch in Umfangsrichtung st;ömen muß.

Der Ablenkring 70 ist an einer Seite der Ringnut 66 fest am Innenmantel 16 angebracht und begeht aus einem in Umfangsrichtung verlaufenden Band (Fig. 3). Anstelle eines Bandes könnte bei jeder Einlaßbohrung auch eine eigene Platte vorgesehen sein. Bei den Auslässen 62a ist ebenfalls eine Ringnut und ein Ablenkring 70a vorgesehen, und zwar in spiegelbildlicher Anordnung

Beim Prägen von Polypropylen wird 'las Medium mit einem Durchsatz durch die Doppelmantelwalze 10 gepumpt, bei dem zwischen der Einlaßseite und der Auslaßseite eine Temperaturdifferenz bis zu 14,4°C auftritt. Um einen kleinen aber gleichmäßigen Temperaturgradienten über die aktive Länge der Walze einzuhalten, werden die Ringkammerseite, die Fluidviskosität und die Fluidgeschw'inJigkeit derart aufeinander abgestimmt, daß die Strömung in der Ringkammer 42 turbulent bleibt.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform hat die Walze 10 einen Außenmantel 12 mit einem Außendurchmesser von 609,6 mm, einer Länge vor? 2997 mm und einer Dicke von 762 mm. Der Innenmantel 16 bildet eine gleichmäßige Ringkammerweite von 635 mm. Die Einlaßbohrungen 64 arbeiten mit der Ringnut 66 und dem Ablenkring 70 derart zusammen, daß eine Strömungssteuerdüse 92 zwischen die Flanke 94 und dem Ablenkring 70 gebildet wird, die das Medium zwingt, in die Ringkammer 42 unter einem spitzen Winkel zum

Außenmantel 12 einzutreten. Für eine turbulente Strömung beträgt der Durchsatz 1135,5 l/min bei einer kinematischen Viskosität von 0,00139 m²/s. Die Reynold'sche Zahl für die Strömung der Ringkammer 42 beträgt 17 500 und ist wesentlich größer als der untere

kritische Wert 2000, der für einen Übergang in eine turbulente Strömung erforderlich ist

Die lichte Weite der Strömungss'.euerdüse 92 entspricht etwa 75% der Weite der Ringkanitner 42, wodurch die Geschwindigkeit in der Strömungsdüse 92 um ein Drittel größer als die mittlere <~—schwindigkeit in der RingkaniiTier 42 wird Das Medien wird beim Eintritt in die Ringkammer 42 einer raschen Expansion unterworfen, die einen Geschwindigkeitsverlust erzeugt, der ein Anzeichen für die für die Turbulenz aufge>vandte Energie ist und sich der Reibung pro Längeneinheit der Ringkammer 42 zuordnen läßt. Bei den zuvor angegebenen Abmessungen entspricht diese Energie der Energie, die in einer Ringkammer mit einer Länge von 25. 4 mm aufgebracht werden muß. Es entsteht also ein anfänglicher Turbulenzgrad, der eine nahezu gleichmäßige Wärmeübertragung über die Ringkammer gewährleistet. Damit das Medium gleichmäßig über den Umfang verteilt wird, sollte die Strömungsgeschwindigkeit stromauf zur Düse 92 kleiner als in der Düse sein. d. h.

die Strömungsdurchtrittsfläche sollte stromauf zur Düse größer sein. Bei der Walze 10 sind 48 Einiaßbohrungen 64 mit einem Durchmesser von I 5.9 mm. eine Ringnutbreite von 25.4 mm und eine Tiefe von 6.35 ram gewählt Der Durchgang 50 hat einen Innendurchmesser von 101.6 mm. Die Durchgänge 52 und 56 haben an den Eir.iaßbohrungen 64 eine Strömungsdurchtrittsquerschnittsfläche von jeweils 167,75 cn·.-. Der Durchgang 52 dient als »Beruhigungskammer« zu den Einiaßbohrungen 64. Es werden 48 gleiche Strahlen in der Ringnut 66 mit gegenseitigem Abstand von etwa 30.48 mm erzeugt, die zunächst auf den Ablenknng 70 auftreffen. Die Strahlen werden sowohl in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung umgelenkt, so daß sich eine gleichmäßige Verteilung in Umfangsrichtung in der Ringkammer 42 ergibt. Das Medium tritt aus den Düsen 92 zwar mit einer Radialkompor.ente aus. Es bildet sich jedcch schnell ein axialer Strom, wenn das Medium die schaife Kan*- des Ablenkringes 70 passiert. Die Kante der Flanke 94 ist zweckmäßigerweise mit einer Abrundung 96 versehen, um eine Strömungsablösung zj verhindern. Die Strömung haftet daher an der Außenfläche 40 des Innenmantels IP und trifft in diesem Bereich nicht mit Nachdruck auf die Innenfläche 30 des Außenmantels 12 Es ergibt sich keir.e übermäßige Wärmeübertragung auf den Außeiimantel 12 im Bereich der Fmlaßbohrungen 64.

Die Auslässe 62A entsprechen in der Anzahl und den Abmessungen den Einlaßbohrungen 64, wie auch eine Ringnut 6GA und der Ablenkring 7OA.

Die in F i g. 1 gezeigte Walze 10 kann mit einer Gegenwalze zusammenarbeiten, wobei die Gegenv/alze bis auf die Ausnahme in etwa gleich ausgebildet ist, daß der Einlaß und der Auslaß vertauscht sind, so daß das

Medium über die Leitung 60, den Durchgang 56 und die
. a Auslässe 62/4 einströmt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

'I 15

20

25

30

45

50

= 55

60

65

Claims

Patentansprüche:

1. Beheizte Doppelmantelwalze zum Prägen oder Kalandrieren zeHuloser oder polymerer Bahnen, wobei der Außendurchmesser des inneren Mantels kleiner ist, als der Innendurchmesser des äußeren Mantels, mit im inneren Mantel vorgesehenen, radialen und im Grund einer außenliegenden, umlaufenden Ringnut des inneren Mantels mündenden Einlaßbohrungen und mit Auslässen für ein Wärmetransportmedium, und mit einem in der Ringnut angeordneten Ablenkring für das Medium, dessen Innendurchmesser größer als der Außendurchmesser des Ringnutgrundes und dessen in der Ringnut wirksame Ablenkbreite kleiner als die Ringnutbreite ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablenkring (70) an einer Seite der Ringnut (66) am Innenmantel (16j gefestigt ist, daß die der Befestigungsseite des Abienkringes entgegengesetzte Ranke (94) der Ringnut (66) schräg nach außen zurückweicht, und daß der Ablenkring (70) mit der schrägen Flanke (94) eine Strömungssteuerdüse (92) bildet, deren Ausströmrichtung mit der Innenfläche (30) des Außenmantels (12) einen spitzen Winkel einschließt

2. Beheizte Doppelmantelwalze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichte Weite der Strömungssteuerdüse (92) annähernd 75% der radialen Weite einer zwischen den Mänteln (12,16) mit in Umfängst ^htung gleichbleibender radialer Weite vorliegenden Ringkammer (42) beträgt

3. Beheizte Doppelmantelwalze nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch sekennzeichnet, daß der Übergang von der Flanke (94; zum Außenumfang (40) des Innenmantels (16) als Abrundung (96) ausgebildet ist.

4. Beheizte Doppelmantelwalze nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslässe (62a,/den Einlaßbohrungen (64) entsprechende Bohrungen im Innenmantel (16) sind, die im Grund einer in gleicher Weise durch einen Ablenkring {70a) abgedeckten Ringnut liegen, und daß die Einlaßbohrungen (64) und die Auslaßbohrungen jeweils nahe einem Ende des Innenmantels (16) angeordnet sind.

5. Beheizte Doppelmantelwalze nach den Ansprüchen 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungssteuerdüse zu den Auslaßbohrungen der Auslässe (f>2a) spiegelbildlich zur Strömungssteuerdüse (92) der Einlaßbohrungen (64) angeordnet ist.