DE4016823C2 - Beheizbare Walze, insbesondere Kalanderwalze - Google Patents

Description

Beheizbare Walzen sind seit langem bekannt. Wenn die Beheizung von innen erfolgt, weist der Walzenkörper Hohl­ räume auf, in denen sich ein fluides Wärmeträgermedium befindet, welches entweder außerhalb der Walze beheizt wird und durch die Walze zirkuliert oder in der Walze verbleibt und durch in der Walze befindliche Heizelemente auf Temperatur gebracht und gehalten wird.

Die Hohlräume können als über den Umfang dicht nebeneinander angeordnete achsparalelle dicht unterhalb der Umfangsfläche der Walze geführte Bohrungen ausgebildet sein oder in einem zylindrischen Zwischenraum bestehen, der bei einer als Hohl­ walze ausgebildeten Walze zwischen deren Innenumfang und einem im Inneren angeordneten zylindrischen Verdränger­ körper verbleibt.

Als Wärmeträgermedium sind heißes Wasser und Dampf be­ kannt, die von außen durch die Walze hindurchgeleitet werden. In der FR-PS 13 43 136 ist eine Walze mit einem inneren Hohlraum beschrieben, in welchem elektrische Heizelemente angeordnet sind, die ein Wärmeträgermedium beheizen. Bei der Elektrodampfheizung wird in der Walze befindliches, einen Salzgehalt aufweisendes Wasser zwischen Elektroden zum Sieden gebracht, wodurch Dampf entsteht, der die als Hohl­ walze ausgebildete Walze von innen beaufschlagt (siehe H. Kopsch: Kalandertechnik "Carl-Hanser-Verlag" München, Wien (1978) Seiten 91-93; DDZ "Plastverarbeiter" 13 (1962) Seiten 268-274). Der Vorteil der beiden letztgenannten Systeme be­ steht darin, daß sie flüssigkeitsmäßig abgeschlossen sind und Drehanschlüsse nur für den Strom erforderlich sind.

Der Nachteil aller vorgenannten Systeme liegt in der Begrenzung der erreichbaren Temperatur. Bei unter atmos­ phärem Druck arbeitenden Systemen mit Wasser ist die Grenze durch die Siedetemperatur gegeben. Wenn das Wärme­ trägermedium Öl ist, ist dessen Zersetzungstemperatur maßgebend, die 300° im allgemeinen nicht wesentlich überschreitet. Geschlossene Systeme mit Dampf können natürlich höhere Temperaturen erreichen, doch ist dies mit der Entstehung sehr hoher Drücke verbunden, die besondere konstruktive Ausbildungen der Walze erfordern und entsprechend aufwendig und unerwünscht sind.

Es sind auch Walzenbeheizungen von außen bekannt, beispielsweise durch Bestrahlen mit Infrarotleuchten oder durch Aufblasen von heißer Luft oder Dampf. Diese Art von Heizungen sind aber nicht für große Wärmeleistungen geeignet und dienen allenfalls zur lokalen Kaliberkorrektur.

In jüngster Zeit haben induktive Beheizungen des Walzen­ mantels an Boden gewonnen, sei es als zusätzliche Beheizung (DE-PS 34 29 695) oder als einzige Beheizung (EP-OS 159 337). Auch hierbei ist die Installation ausreichender Wärmeleistungen mit einem erheblichen Aufwand verbunden und tritt das neue Problem der Gleichmäßigkeit der Beheizung über die Bahn­ breite bzw. die Walzenlänge auf. Gerade wenn besonders hohe Temperaturen gefordert werden, beispielsweise 300°C bei der Verfestigung von thermoplastischen Vliesen oder dergleichen, sind auch die Anforderungen an die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung über eine mehrere Meter lange Walze sehr hoch. Es wird häufig eine Temperaturkonstanz längs der Walze in der Größenordnung von weniger als 1°C gefordert.

Aus der dem Obergriff des Anspruchs 1 zugrundeliegenden US-PS 30 20 383 ist eine beheizbare Walze in Gestalt einer Galette bekannt, die zum Strecken von Kunststoffasern und ähnlichen Behandlungen dient und einen relativ kurzen Walzenkörper aufweist, der mit einer an einem Ende vorge­ sehenen Nabe auf einer Welle gelagert ist. Der Walzenkörper umfaßt zwei konzentrische Wandungen, zwischen denen ein geschlossener innerer Hohlraum kreisringförmigen Quer­ schnitts gebildet ist, der mit einer eutektischen Mischung von Phenyläther und Diphenyl als Wärmeträgermedium gefüllt ist. In den Hohlraum ragen axial elektrische Heizelemente hinein, die das Wärmeträgermedium beheizen. Durch den unmittelbaren Kontakt der Heizelemente mit dem Wärmeträger­ medium geht die Wärme von dem Heizelement unmittelbar, d. h. ohne Überwindung irgendwelcher Trennflächen, in das Wärmeträgermedium über. Die Gleichmäßigkeit der Beheizung läßt jedoch zu wünschen übrig, weil im Betrieb das Wärme­ trägermedium mitumläuft und praktisch keine Relativbewe­ gung zwischen dem Wärmeträgermedium und den Heizelementen stattfindet. Dies birgt auch die Gefahr lokaler Überhitzun­ gen. Hierdurch und durch die Eigenschaften des organischen Wärmeträgermediums ist im übrigen die am Außenumfang erreichbare Temperatur begrenzt.

Höhere Temperaturen sind mit der beheizbaren Walze nach der US-PS 46 29 867 erreichbar, die im wesentlichen der Walze nach der US-PS 30 20 383 entspricht, bei der aber die Heizelemente außerhalb des Wärmeträgermesiums angeordnet sind und die Wärme durch Leitung auf das Wärme­ trägermedium übertragen wird. Bei der US-PS 46 29 867 kann als Wärmeträgermedium ein niedrigschmelzendes Metall vorhanden sein, welches den Hohlraum bis auf ein die Wärmedehnung berücksichtigendes Gaspolster ausfüllt. Durch die Verwendung niedrigschmelzender Metalle entsteht oberhalb der Schmelze bei geeigneter Auswahl des Metalls kein nennenswerter Dampfdruck des Wärmeträgermediums und kann daher die Temperatur des Wärmeträgermediums auf Werte gesteigert werden, die wesentlich über denen der bisher verwendeten Wärmeträgermedien liegen, ohne daß unmäßige Anforderungen an die Druckfestigkeit des Walzenkörpers zu stellen wären. Die Wärmekapazität niedrig­ schmelzender Metalle ist zwar niedriger als diejenige von Wasser, welches insoweit das ideale Wärmeträgermedium darstellt, doch wird dieser Nachteil durch die leichte Erreichbarkeit hoher Temperaturen wieder wettgemacht.

Die Heizelemente sind bei der US-PS 46 29 867 in der radial inneren Wandung des Hohlraums angeordnet. Hierbei ist der durch Wärmeleitung zu überwindende Wärme­ transportweg bis zum Außenumfang der Walze sehr groß und die Transportleistung schon dadurch beschränkt. Der Wärmeübergang von den elektrischen Heizelementen auf das umgebende Material ist durch die vorhandene Trenn­ fläche behindert. Sobald die Walze auf Drehzahl gekommen ist, legt sich das niedrigschmelzende Metall an die äußere Wandung des Hohlraums an und legt die innere Wandung, in der die Heizelemente angeordnet sind, frei, weil ja der Hohlraum wegen der unterschiedlichen Wärmedehnungen des niedrigschmelzenden Metalls und der den Hohlraum bildenden Konstruktion nicht vollständig mit dem nie­ drigschmelzenden Metall gefüllt sein kann. Dadurch wird der Wärmeübergang erst recht verschlechtert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Walzen der in Rede stehenden Art besonders gleichmäßige und hohe Temperaturen zu erzielen.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 wieder­ gegebene Erfindung gelöst.

Als niedrigschmelzende Metalle im Sinne der Erfindung sollen solche Metalle verstanden sein, deren Schmelzpunkt unter etwa 600°C liegt, also beispielsweise Zinn, Blei und entsprechende Legierungen. Auch die sogenannten Wood'schen Metalle (siehe Römpp's Chemie-Lexikon, 8. Auflage (1988) Band 6, Spalte 4647; Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 3. Auflage (1967) Band 18, Seite 643) kommen in Betracht.

Die Heizelemente verbleiben bei der Erfindung stets in unmittelbarem wärmeleitendem Kontakt mit dem niedrig­ schmelzenden Metall, welches mittels der Umwälzeinrichtung in Längsrichtung der Walze zusätzlich umwälzbar ist, so daß sich innerhalb des niedrigschmelzenden Metalls keinerlei Temperaturgefälle ausbilden kann und eine be­ sondere Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung am arbei­ tenden Walzenumfang sichergestellt ist.

Eine solche Umwälzeinrichtung kann im einzelnen in der in Anspruch 2 wiedergegebenen Weise ausgebildet sein.

Hierdurch ergibt sich ein Umlauf des niedrigschmel­ zenden Metalls im Gegenstrom ohne starke Verwirbelung. Der Transporteffekt der mitumlaufenden schraubenförmigen Leitfläche ist am ausgeprägtesten, wenn das niedrig­ schmelzende Metall die Hohlraumanordnung nur zu einem Teil ausfüllt.

Eine alternative Ausführungsform der Umwälzeinrichtung ist Gegenstand des Anspruchs 3. Die nicht mitumlaufende schraubenförmige Leitfläche wirkt im Innern des Hohlraums wie ein Rührer.

Zur Vermeidung von Oxidationsprozessen wird zweckmäßig der freie Raum oberhalb des Spiegels des niedrigschmel­ zenden Metalls mit einem inerten Gas gefüllt (Anspruch 4).

Die Enden der Walze haben in vielen Fällen eine von dem Mitteilteil abweichende Temperatur. Die Temperatur kann niedriger sein, weil durch den Walzenzapfen Wärme abgeführt wird. Die Temperatur kann aber auch höher sein, wenn sich die Heizwirkung der Heizelemente unvermindert bis an die Enden erstreckt und diese Enden nicht mehr von der Bahn bedeckt sind, die im Mittelbereich Wärme abführt.

Um in solchen Fällen eine Temperaturvergleichmäßigung herbeiführen zu können, kann sich die Anbringung zusätz­ licher Temperierelemente (Anspruch 5) empfehlen, die entweder Heizelemente oder Kühlelemente sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind schematisch in der Zeichnung dargestellt.

Fig. 1 und 2 geben Teillängsschnitte durch die Enden erfindungsgemäßer Walzen wieder.

Die in Fig. 1 als Ganzes mit 40 bezeichnete Walze umfaßt eine Hohlwalze 1, deren Außenumfang 2 den arbei­ tenden Walzenumfang bildet und deren Innenumfang 3 einen zur Achse 4 des Außenumfangs 2 konzentrischen zylindrischen Hohlraum 5 begrenzt.

An die Enden der Hohlwalze 2 sind Walzenzapfen 6 angesetzt, die über Lager 7 in einem nicht dargestellten Maschinenständer gelagert sind.

In dem Hohlraum 5 der Hohlwalze 2 ist ein zur der Achse 4 konzentrischer zylindrischer Verdrängerkörper 8 in Gestalt eines Rohres angeordnet, welches an den Enden stumpf gegen jeweils eine in der Nähe des Endes der Hohl­ walze 2 angeordnete, den Hohlraum 5 nach außen abschlie­ ßende Endscheibe 9 gesetzt und dort verschweißt ist.

In dem zwischen dem Außenumfang 11 des Verdränger­ körpers 8 und dem Innenumfang 3 der Hohlwalze 2 bestehenden zylindrischen Zwischenraum 12 erstrecken sich über den Umfang gleichmäßig verteilte, über die Länge des Zwischen­ raums 12 durchgehende achsparallele elektrische Heiz­ elemente 20, die mit der Endscheibe 9 verlötet oder ver­ schweißt sind. Außerhalb der Endscheibe 9 sind die An­ schlüsse der stabförmigen Heizelemente 20 gelegen und können durch die Bohrung 17 des Walzenzapfens 6 über einen geeigneten Drehanschluß mit Strom versorgt werden.

Der Zwischenraum 12 zwischen Hohlwalze 2 und Ver­ drängerkörper 8 ist teilweise mit einem niedrigschmelzen­ den Metall 18 gefüllt, welches zur Vermeidung von zu großen thermischen Spannungen den Zwischenraum 12 nicht völlig ausfüllt. In dem in der Zeichnung dargestellten Zustand, in welchem die Walze 10 nicht umläuft, bildet das niedrigschmelzende Metall 18 also einen Spiegel 19. Beim Umlauf der Walze 10 legt sich das niedrigschmelzende Metall 18 gleichmäßig gegen den Innenumfang 3 der Hohl­ walze 2. Die Menge sollte so bemessen werden, daß in beiden Zuständen die Heizelemente 20 ganz innerhalb des niedrigschmelzenden Metalls 18 sich befinden, um den Wärmeübergang aus den Heizelementen 20 nicht zu beein­ trächtigen.

Oberhalb des Spiegels 19 ist der Zwischenraum mit einem inerten Gas gefüllt, welches Oxidationserscheinungen des niedrigschmelzenden Metalls unterbindet, die sonst besonders angesichts der relativ hohen Temperaturen ein­ treten könnten.

Das niedrigschmelzende Metall 18 besteht in dem ge­ zeigten Ausführungsbeispiel aus Zinn, welches einen Schmelz­ punkt von 232°C hat und gleichzeitig einen besonders niedrigen Dampfdruck sowie keinerlei Aggressivität gegen­ über Stahl aufweist.

Der Verdrängerkörper 8 weist an seinen Enden innen­ seitig der Endscheibe 9 Lochungen 29 auf, durch die flüs­ siges niedrigschmelzendes Metall 18 in das Innere des rohrförmigen Verdrängerkörpers 8 eintreten kann.

Am Außenumfang des Verdrängerkörpers 8 ist eine schrau­ benförmige Leitfläche 25 aus einem um den Verdrängerkörper 8 gelegten Blechstreifen angebracht, dessen Spur in einer durch die Achse gehenden Schnittebene senkrecht zu dieser Achse verläuft. Die Heizelemente 20 durchgreifen die Leitfläche 25 in entsprechenden Lochungen und dienen gleichzeitig zur Halterung der Leitfläche 25. Beim Umlauf der Walze 1 läuft die Leitfläche 25 mit um und übt auf das den Hohlraum 5 nur teilweise ausfüllende niedrigschmel­ zende Metall einen Transporteffekt aus, der, wenn die Walze gemäß Fig. 1 von rechts gesehen sich entgegen dem Uhrzeigersinn dreht, eine Verlagerung des flüssigen niedrig­ schmelzenden Metalls 18 nach rechts ergibt. Das flüssige niedrigschmelzende Metall 18 tritt durch die dortige Öffnung 29 in das Innere des Verdrängerkörpers 8 ein und strömt darin zurück, so daß sich in dem Hohlraum 5 eine Strömung nach rechts, in dem Verdrängerkörper 8 eine Strömung nach links ergibt, die zu einer Vergleichmäßigung der Temperatur längs der Walze 1 führt.

Soweit in Fig. 2 funktionell gleiche Teile vorhanden sind, sind die Bezugszahlen gleich.

Bei der Walze 50 der Fig. 2 fehlt ein Verdrängerkör­ per. Der Hohlraum 5 ist der Länge nach konzentrisch von einer Stange 27 durchsetzt, die von einer schraubenförmigen Leitfläche 26 umwunden ist, deren Spur in einem durch die Achse gehenden Längsschnitt ebenfalls zu der Achse senkrecht ist. Beim Umlauf der Walze 1 steht die Stange 27 mit der Leitfläche 26 fest. Die Endscheibe 9 dreht sich also gegenüber der Stange 27 und ist mittels einer Dichtung 28 abgedichtet.

Das flüssige niedrigschmelzende Metall 18 wird durch die Mitnahme am Innenumfang 3 der Walze 1 in Drehung versetzt und im Bereich der schraubenförmigen Leitfläche in Achsrichtung gefördert, um radial außerhalb dieses Förderbereichs zurückzuströmen. Im übrigen entspricht die Walze 50 der Walze 40.

Claims (5)

1. Beheizbare Walze, insbesondere Kalanderwalze, mit einem zur Achse (4) konzentrischen zylindrischen inneren Hohlraum (5), der mit einem Wärmeträgermedium gefüllt ist und mit diesem ein geschlossenes System bil­ det,
mit in dem Hohlraum (5) angeordneten elektrischen Heizelementen (20) zur Erwärmung des Wärmeträgermediums, die sich mit dem Wärmeträgermedium in wärmeleitender Berührung befinden,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Wärmeträgermedium ein niedrigschmelzendes Metall dient und eine Umwälzeinrichtung vorgesehen ist, mittels deren das flüssige niedrigschmelzende Metall (18) in Längsrichtung der Walze (40, 50) umwälzbar ist.

2. Walze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzeinrichtung eine den Verdrängerkörper (8) schraubenförmig umgebende mitumlaufende Leitfläche (25) umfaßt und der Verdrängerkörper (8) an den Enden Öffnun­ gen (29) aufweist, durch die das flüssige niedrigschmel­ zende Metall (18) in das Innere des Verdrängerkörpers (8) eintreten und dort zurückströmen kann.

3. Walze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzeinrichtung eine in dem Hohlraum (5) ange­ ordnete, beim Umlauf der Walze (10) nicht mitumlaufende schraubenförmige Leitfläche (26) umfaßt.

4. Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (5) oberhalb des Spiegels (19) des niedrigschmelzenden Metalls (18) mit einem inerten Gas gefüllt ist.

5. Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden der Walze (10) zusätzliche Temperierelemente (20′) vorgesehen sind.