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Verfahren zur Regelung der Temperatur des Mantels einer
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bei der Herstellung von Papier oder eines anderen bahnartigen Produktes
verwendeten Walze sowie eine das Verfahren anwendende Walze, insbesondere eine Kalanderwalze
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Temperaturniveaus und/ oder
des in Axialrichtung verlaufenden Temperaturprofils des Mantels einer bei der Herstellung
von Papier oder eines anderen bahnartigen Produktes verwendeten Walze, in welchem
Verfahren Wärmeübertragungsflüssigkeit verwendet wird.
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Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine zur Ausführung des Verfahrens
bestimmt, in der Papierherstellung verwendete Walze, insbesondere eine heizbare
Kalanderwalze, die aus einem zylinderförmigen Mantel besteht, der an seinen Stirnseiten
drehbar gelagert ist und in dem sich eine feststehende Welle befindet, an der Vorrichtungen
angebracht sind, mit denen der Walzenmantel beheizt wird wobei die Walze Einrichtungen
hat, mit denen an der Innenfläche des Mantels eine an der Wärmeübertragung auf die
Walze teilnehmende Flüssigkeitsschicht erzeugt wird.
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Papiermaschinenwalzen, wie z. B. Kalanderwalzen werden in an sich
bekannter Weise aufgeheizt, indem durch einen in der Walzenwelle befindlichen Anschlußstutzen
Heizwasser in das Innere des Walzenmantels eingespeist und Wasser aus einem am entgegengesetzten
Wellenende der Walze befindlichen Stutzen abgeführt wird. Dabei wird der Walze die
Wärmemenge Q = m x c x dt = m x c(te - ta)
zugeführt, wobei m =
Massenstrom -des Heizmediums, c = spezifische Wärme des Heizmediums, te = Temperatur
der Einlaufflüssigkeit und ta = Temperatur der Ablauf-flüssigkeit ist.
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Bei Verwendung von Wasser als Medium ist te maximal ca.
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1200C. Wenn te höher als ca. 1200C liegt, muß Öl verwendet werden,
das jedoch eine kleinere spezifische Wärme c als Wasser hat. Ein Nachteil bei dieser
im vorstehenden beschriebenen Hei-zungsart besteht darin, daß die Walze als Druckbehälter
bemessen und gebaut werd-en muß. Bezüglich der Heizung liegt ein Nachteil darin,
daß das eine Ende der Walze aufgrund der Temperaturdifferenz A dt heißer ist als
das andere Ende. Je stärkere Aufheizung erstrebt wirdr desto größer muß at sein,
aber gleichzeitig steigt auch die Temperaturdifferenz der genannten Walzenenden.
Ein weiterer Nachteil bei der genannten bekannten Heizanordnung besteht darin, daß
sich mit dieser das Temperaturprofil der Walze nicht regeln läßt.
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Zum Stand der Technik bezüglich vorliegender Erfindung wird noch
auf die Schrift DE-OS 29 02 955, Anmelderin Escher Wyss AG, Schweiz, hingewiesen.
In dieser Schrift ist eine im Zusammenhang mit einer durchbiegungskompensierten
Walze verwendete Walzenheizvorrichtung beschrieben, die aus in dem zwischen der
feststehenden Welle der Walze und dem rotierenden Walzenmantel vorhandenen Raum
angebrachten Strahlvorrichtungen besteht, aus welchen Wärmeübertragungsflüssigkeitsstrahlen
gegen den Walzenmantel gerichtet werden.
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Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, ein neues Verfahren und eine
Vorrichtung zur Regelung der Temperatur des Mantels einer bei der Herstellung von
Papier verwendeten Walze, insbesondere einer Kalanderwalze sowie eine das Verfahren
verwirklichende neue Walze zu schaffen, bei der die im vorstehenden beschriebenen
Nachteile nicht auftreten und mit der eine genaue Regelung des in Axialrichtung
der Walze verlaufenden Temperaturprofils möglich ist.
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Zur Erreichung der im vorstehenden beschriebenen Ziele ist für das
Verfahren der Erfindung im wesentlichen charakteristisch, daß aus der Wärmeübertragungsflüssigkeit
durch den Einfluß der durch Drehung entstehenden Zentrifugalkräfte an der Innenfläche
des Walzenmantels eine Schicht von geeigneter Dicke erzeugt wird, daß genannte Schicht
der Wärmeübertragungsflüssigkeit in voneinander getrennte ringförmige Segmente aufgeteilt
ist, und daß in jedem der genannten Segmente Elemente angebracht sind, die auf die
Temperatur der Flüssigkeitsschicht einwirken.
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Für die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Walze, insbesondere
Kalanderwalze, ist im wesentlichen charakteristisch, daß im Inneren des Walzenmantels
zwecks Aufteilung der Flüssigkeitsschicht in einzelne Segmente ringförmige Zwischenwände
befestigt sind, welche die Innenfläche des Walzenmantels in dessen axialer Richtung
in einzelne Segmente, zweckmäßig in gleichmäßigen Abständen, aufteilen, und daß
in jedem der genannten Segmente Elemente angeordnet sind, die auf die Temperatur
genannter Flüssigkeitsschicht Einfluß nehmen.
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Die Erfindung kann z. B. derart verwirklicht werden, daß die-Wärmeübertragungsflüssigkeitsschichten
zur Temperaturregelung in jedem Segment in Kreislauf gebracht werden.
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Dieser Kreislauf erfolgt durch Einbringen von Flüssigkeit in jedes
Segment einzeln und durch Entnahme von Flüssigkeit in den Ablauf aus jedem Segment,
z. B. nach dem Prinzip eines "stehenden Auffängers". Eine andere alternative Ausführung
der Erfindung besteht darin, daß auf die in jedem Sektor befindliche Wärmeübertragungsflüssigkeitsschicht
mit stationären Heizelementen eine regelbare Heizwirkung gerichtet wird und die
genannte Flüssigkeitsschicht dabei lediglich als Wärmeübertragungsmedium dient und
sie nur in geringen Mengen zirkuliert wird zu dem Zweck, daß die in den einzelnen
Seg-
menten vorhandenen Flüssigkeitsmengen konstant bleiben.
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Im folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf einige in den Figuren
der beigefügten Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiele, auf deren Einzelheiten
die Erfindung jedoch in keiner Weise beschränkt ist, ausführlich beschrieben.
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Fig. 1 zeigt als axialen Mittelschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel
einer das erfindungsgemäße Verfahren anwendenden Walze.
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Fig. 2 zeigt nach Art von Fig. 1 ein zweites Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Walze.
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Fig. 3 zeigt den Schnitt III-III aus Fig. 1.
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Fig. 4 zeigt den Schnitt IV-IV aus Fig. 2.
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Fig. 5 zeigt schematisch und teilweise als Blockschema das in Verbindung
mit dem erfindungsgemäßen Heizverfahren verwendete Regelungssystem, mit dem das
Temperaturprofil des Walzenmantels geregelt werden kann.
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Die in Fig. 1 gezeigte Walze ist z. B. eine beheizte Papierkalanderwalze,
die derart ausgeführt ist, daß sich ihr Temperaturniveau an der glatten Oberfläche
10' des Mantels 10 und möglicherweise auch ihr in Axialrichtung K-K verlaufendes
Temperaturprofil mit dem Verfahren und der Geräteanordnung der Erfindung regeln
läßt. Zur Walze gehört ein zylinderförmiger Mantel 10, an dem mit Schrauben Stirnwände
12 befestigt sind. Die Walze ist an den Stirnwänden 12 in Lagergehäusen 14 mit Lagern
16 gelagert. In der Walze befindet sich eine feststehende Innenwelle 17, an deren
Enden 25 Ringdichtungen 15 sind. Die Dichtungen 15 dichten die Enden 25
der
Welle 17 gegen die Innenfläche des Ringteils der Stirnwände 12 ab. An der feststehenden
Innenwelle 17 ist ein rohrförmiges Becken-Teil angebracht, dessen Form aus Fig.
3 hervorgeht.
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An der Innenfläche des Walzenmantels 10 sind ringförmige Zwischenwände
13 angebracht, die in zweckmäßigerweise gleichen Abständen in Axialrichtung über
die Walze verteilt sind. Die Zwischenwände 13 teilen die Innenfläche des Mantels
10 in axialer Richtung in mehrere nebeneinanderliegende Segmente auf. Die Zwischenwände
13 werden abgestützt sowie miteinander und an ihrem Platz durch Leisten 24 befestigt,
von denen sich nach Fig. 3 an der Innenfläche von Mantel 10 4 Stück in gleichen
Abständen voneinander befinden.
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Nach Fig. 1 und 3 ist an der Innenwelle 17 für jedes der durch die
Zwischenwände 13 voneinander getrennten Segmente ein Heizflüssigkeitszulaufrohr
22 befestigt, das an seinem Ende eine Düse 21 hat. Von diesen Zulaufrohren 22 ist
je eines für jedes der durch die Zwischenwände 13 voneinander getrennten Segmente
bestimmt, ebenso wie je eine der Düsen 21. Die Düsen 21 sind z. B. Spaltdüsen, die
die Strömung aus dem Zulauf rohr 22 in axialer Richtung der Walze verteilen. Die
Düsen 21 sind in Richtung des Umfanges des Mantels 10 ausgerichtet derart, daß die
in Richtung des Umfanges verlaufende Komponente der Geschwindigkeit der aus den
Düsen ausströmenden Flüssigkeit in Drehrichtung R der Walze verläuft und ausreichend
groß ist, um die Flüssigkeit durch Zentrifugalkraftwirkung an der Innenfläche 10"
des Mantels 10 zu halten. Außerdem sind an der Innenwelle 17 in jedem Segment zu
beiden Seiten der Düsen 21 feststehende Fänger 20 befestigt, die die abzuleitende
Flüssigkeit abschaben und diese in den behälterartigen Raum 19 der Innenwelle 17
leiten.
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In Fig. 1 und 3 ist die eintretende Heizflüssigkeit, die aus den
Düsen 21 austritt, mit Pfeil F1 und dementsprechend die von der Flüssigkeitsschicht
L abzuschabende Flüssigkeit mit Pfeil F2 bezeichnet (Fig. 3). Die im Behälterraum
19 befindliche Flüssigkeitsoberfläche ist mit S1 bezeichnet. Die an der Innenfläche
10" des Mantels 10 befindliche Oberfläche der Flüssigkeitsschicht ist mit S bezeichnet.
Die Flüssigkeit wird durch ein Absaugrohr 23 aus dem Behälterraum 19 auf später,
im Zusammenhang mit Fig. 4, beschriebene Weise in den Kreislauf abgeführt.
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Zulaufrohr 22 und Absaugrohr 23 sind zweckmäßig derart angebracht,
daß durch beide Stirnseiten 12 des Mantels 10 eine gleich große Anzahl von Zulaufrohren
22 und je ein Ablaufrohr geführt sind. Die Zulaufströmungen der Heizflüssigkeit
sind in Fig. 1 durch Pfeile Fin und die Ablaufströmung durch Pfeil Fout verdeutlicht.
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Bei Verwendung des Verfahrens und der Walze der Erfindung kann die
in'jedem der durch die Zwischenwände 13 voneinander getrennten Segmente befindliche
Heizflüssigkeitsschicht L auf einem eingestellten Temperaturniveau gehalten werden.
Die Flüssigkeitsschicht L ist in Wärmeübertragungskontakt mit der Innenfläche 10"
des Walzenmantels 10.
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In Fig. 2 und 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des Verfahrens
und der Walze der Erfindung gezeigt. Nach Fig. 2 und 4 ist der Raum zwischen der
feststehenden Welle 17 und der Innenfläche 10" des Walzenmantels 10 durch ringförmige
Zwischenwände 13 in im vorstehenden beschriebene Segmente aufgeteilt, wobei sich
in jedem Segment eine Schicht der Wärmeübertragungsflüssigkeit L befindet. Anstelle
des im Zusammenhang mit Fig. 1 und 3 beschriebenen Flüssigkeitskreislaufes sind
in jedem Segment Heiz- und/oder Kühlelemente 29 angebracht, die entweder aus elektrischen
Widerständen
oder aus Heiz-/Kühlflüssigkeit enthaltenden Rohrschlangen
oder -schlangengruppen bestehen.
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Nach Fig. 2 sind als genannte Elemente 29 elektrische Widerstände
verwendet, wobei sich in jeden von diesen durch Stromleitungen 30 ein geregelter
Gleich- oder Wechselstrom speisen läßt derart, daß die Heizleistung in jedem Segment
einzeln geregelt werden kann.
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In der Konstruktion nach Fig. 2 und 4 sind die nach dem Prinzip stehender
Auf fänger arbeitenden Entnahmeelemente nicht unbedingt erforderlich, weil die Heizung
des Walzenmantels 10 nicht auf Flüssigkeitszirkulation beruht sondern die Flüssigkeitsschicht
L lediglich als Wärmeübertragungsmedium dient. Es ist allerdings von Vorteil, alle
Segmente mit einer gemeinsamen kleinen Kreislaufströmung der Wärmeübertragungsflüssigkeit
zu versorgen damit gewährleistet ist, daß in allen Segmenten immer eine konstante
Menge Wärmeübertragungsflüssigkeit vorhanden ist. Dies läßt sich derart ausführen,
daß das Zulaufrohr 31 symmetrisch in die beiden mittleren Segmente geführt wird
und die Flüssigkeit von den Innensegmenten in Richtung der Walzenstirnseiten 12
in die benachbarten Segmente strömt, von denen die Flüssigkeit in Richtung des Pfeiles
F3 in den Raum 33 und von dort mit dem Ablaufrohr 32 abgeführt wird. Der genannte
Flüssigkeitskreislauf ist so klein, daß er keinen Einfluß auf die in den einzelnen
Segmenten möglicherweise herrschenden unterschiedlich hohen Temperaturen hat.
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Wird das erfindungsgemäße Verfahren in einem Kalander zur Regelung
des Dickenprofils des Papieres, d. h. zum Kalibrieren eingesetzt, kann die Temperatur
der in die durch die Zwischenwände 13 voneinander getrennten Segmente strömenden
Flüssigkeiten, z. B. nach dem in Fig. 5 dargestellten Prinzip geregelt werden. Das
Regelungssystem ist derart ausgeführt,
daß die Istwerte TIi der
Temperatur genauso groß sind wie die Sollwerte TSi (i = l...n, wobei n = Anzahl
der Segmente).
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In Fig. 5 ist der Regler durch den Block 35 gekennzeichnet.
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Vom Regler 35 ist ein der Regelungsabweichung entsprechendes Regelsignal
Si erhältlich, welches die Dreiwegeventile 41 steuert. Diesen Ventilen wird durch
das Rohr 36 warmes Wasser W1 und durch das Rohr 37 kaltes Wasser w2 zugeführt. In
den Dreiwegeventilen 41 werden Wasser W1 und W2 in an sich bekannter Weise in dem
Verhältnis gemischt, daß für die in das Inne.re. der Walze gespeisten Strömungen
Fin Istwerte TIi erzielt werden, die den Sollwerten TSi entsprechen. Die Istwerte
TSi der Temperaturen der Strömungen Fin werden mit in dem Rohr 22 befindlichen Temperatur-Meßgebern
43 gemessen.
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Die Ablaufwasserströmung Fout wird dem im vorstehenden beschriebenen
entsprechend von der Heizflüssigkeitsschicht L über ein gemeinsames Rohr 23 durch
eine Pumpe 23 geführt, deren Druckseite an einen Ablaufflüssigkeitsbehälter 38 angeschlossen
ist. Im Ablaufrohr 23 befindet sich auf der Saugseite der Pumpe 39 ein Dreiwegeventil
40, an welches ein Nebenströmungsrohr 44, das vom Behälter 38 kommt, angeschlossen
ist. Mit dem Regelmotor LC des Ventils 40 ka.nn die Strömung Fout in an sich bekannter
Weise geregelt werden.
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Der Vorteil gegenüber einer auf an sich bekannten außenseitigen Kühlluftblasungen
beruhenden Profilregelung besteht bei dem im vorstehenden beschriebenen Profilregelungsverfahren
darin, daß der Wärmeübergangskoeffizient von der Fl.üss.igkeit L auf den Walzenmantel
10 bedeutend größer ist als von der Luft auf den Mantel. Das erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich gut für die Verwendung in der Dickenprofilregelung einer Papier- oder
Kartonbahn selbst dann, wenn an der Heißkalanderwalze eine von außerhalb der Walze
her -erfolgende Heizung verwendet wird.
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Bei Verwendung eines dem im vorstehenden beschriebenen
entsprechenden
Verfahrens zur gleichmäßigen Walzenbeheizung in axialer Richtung der Walze, bei
der keine Regelung des Temperaturprofiles der Walze in deren axialer Richtung erforderlich
ist, ist damit auch kein Regelkreis nach Fig. 5 und sind keine gesonderten Zulaufrohre
erforderlich.