DE4211290A1 - Mischeinrichtung mit veränderlichen Rohrquerschnitten zum Mischen von zwei Flüssigkeiten bei konstantem Gemischvolumenstrom zur Versorgung des Stoffauflaufs einer Papiermaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Mischeinrichtung zum Mischen von zwei Flüssigkeiten bei konstantem Gemischvolumenstrom zur Versorgung des Stoffauflaufs einer Papiermaschine.

Es ist bekannt, daß sich beim Mischen zweier Volumenströme A und B, wobei A ungeregelt und B geregelt ist, ein Gemischvolumenstrom einstellt, dessen Größe in der Regel abhängig vom Mischungsverhältnis A zu B ist. In manchen technischen Verfahren, z. B. in der Papierherstellung, ist es jedoch wünschenswert bzw. notwendig, einen konstanten Gemischvolumenstrom unabhängig vom Mischungsverhältnis der Teilvolumenströme A und B zu erhalten. Dies läßt sich durch eine teure und aufwendige Regelungstechnik erreichen.

Eine Mischeinrichtung gemäß des Oberbegriffes nach Anspruch 1 ist aus DE-PS 40 05 281 (Fig. 3) bekannt.

Dort wird vorgeschlagen, in dem erweiterten Druckstutzen einer Verbindungsleitung zum Stoffauflauf Verdünnungswasser axial einzuleiten. In den Erläuterungen wird beschrieben, daß das Verdünnungswasser in dem am Verteiler befindlichen erweiterten Druckstutzen eines Verbindungsrohres einzuleiten ist. Im Hauptanspruch des Patentes ist sogar die Rede davon, in den separaten, zentralen Verteiler zusätzlich zur Fasersuspension Verdünnungswasser zuzuführen. Beide Vorschläge setzen voraus, daß die Strömungsrichtung der Verdünnungskomponente axial zur Verbindungsleitung verläuft, da die Verdünnungskomponente ansonsten nicht oder nur zu einem geringen Teil in die Verbindungsleitung gelangt. Eingangs- und Ausgangsdruck der Leitungen sind konstant. Das einzige Stellglied zur Veränderung des Teilvolumenstromverhältnisses befindet sich in der Verdünnungswasserleitung.

Dies bringt folgende Probleme mit sich: Da die Geschwindigkeiten beider Teilvolumenströme an der Mischstelle dieselbe Richtung, jedoch in der Regel einen unterschiedlichen Betrag besitzen, wird Energie von einem auf den anderen Teilvolumenstrom übertragen. Mit dem Impulssatz läßt sich nachweisen, daß dies zu gegenseitiger Beschleunigung bzw. Verzögerung der Teilvolumenströme führt. Strahlpumpen nutzen diesen Effekt zur Förderung von Flüssigkeiten oder Gasen. Befindet sich in der auf die Mischstelle folgenden Leitung ein Strömungswiderstand - z. B. eine Drossel -, so wird der Effekt der gegenseitigen Beschleunigung bzw. Verzögerung abgeschwächt, weil sich die Teilvolumenströme vor dem Strömungswiderstand gegenseitig verdrängen.

Versuche haben gezeigt, daß bei einem für den praktischen Einsatz noch akzeptablem Druckverlust am Strömungswiderstand bereits bei einem Anteil der Verdünnungskomponente von 20 % die Beschleunigung des Hauptstromes durch die Verdünnungskomponente so groß ist, daß gegenüber einem Verdünnungskomponentenanteil von 0 % der Gemischvolumenstrom - Summe aus Hauptstrom und Verdünnungskomponente - um ca. 1 % zunimmt. Steigert man den Anteil der Verdünnungskomponente auf Werte von 50 % und mehr, was insbesondere im Randbereich des Stoffauflaufes notwendig sein kann, ist die Gemischvolumenstromänderung größer als 8 %. D.h. ein grundlegendes Problem solch einer Mischeinrichtung besteht darin, daß der Gemischvolumenstrom sich in Relation zur zudosierten Menge stark ändert.

Weiterhin ist eine Mischeinrichtung zur Erreichung des gleichen Zweckes und bekannt aus der Deutschen Gebrauchsmusteranmeldung G 91 04 609.

Hier wird eine Mischeinrichtung vorgestellt, die ebenfalls dazu dient mehrere Teilvolumenströme derart zu mischen, daß ein konstanter Gemischvolumenstrom entsteht.

Hierzu werden alle Teilvolumenströme durch Anwendung einer aufwendigen Ventilsteuerung in Abhängigkeit voneinander geregelt. Dies führt zu den Nachteilen, daß einerseits ein derartiges Ventil sehr aufwendig in Konstruktion und Herstellung ist, zum anderen, dadurch daß alle Volumenströme geregelt werden müssen. D.h., daß auch in dem mit hoher Faserkonzentration beschickten Teilvolumenstrom ein Ventil eingebaut wird mit allen dadurch auftretenden negativen Effekten wie Faserwischbildung und Neigung zum Verstopfen.

Zudem erfordert die Parallelschaltung der Stellglieder Ventile mit einem außerordentlich linear Verhalten, um den Gemischvolumenstrom unabhängig vom Teilvolumenstromverhältnis konstant halten zu können. Diese Forderung bedingt entweder Ventile mit hohem Druckabfall oder kostenintensive regelungstechnische Maßnahmen.

Ein dem Stand der Technik entsprechendes Konzept besteht darin, den Stoffauflauf über die Arbeitsbreite zu sektionieren und die einzelnen Sektionen mit Suspension unterschiedlicher Stoffdichte zu versorgen. Mit zunehmender Stoffdichte einer Sektion steigt das Flächengewicht der Papierbahn an dieser Stelle und umgekehrt.

Da die Faserorientierung der Papierbahn eine Funktion des Winkels ist, unter dem der Strahl aus dem Stoffauflauf austritt, kann durch Veränderung der Stoffauflaufgeometrie, z. B. in Form von Geometrieänderungen am Austrittsspalt, die Faserorientierung gezielt beeinflußt werden. Geometrieänderungen am Stoffauflauf beeinflussen, je nach Wirkstelle, in unterschiedlichem Maß die Menge der aus dem Stoffauflauf ausgebrachten Suspension in der zugehörigen Sektion. Dies hat zur Folge, daß bei der oben beschriebenen Konzeption bei einem Eingriff ins Faserorientierungsprofil sich ebenfalls das Flächengewicht an der Eingriffstelle der Papierbahn ungewollt ändert.

Die praktische Erfahrung und theoretische Überlegungen bezüglich der hydraulischen Verhältnisse im Stoffauflauf, sowie bezüglich des Blattbildungsmechanismus in der Siebpartie zeigen deutlich, daß Eingriffe ins Faserorientierungsquerprofil weitaus seltener vorgenommen werden müssen, als solche ins Flächengewichtsquerprofil. Die dargestellte einseitige Kopplung zwischen Faserorientierung und Flächengewicht ist somit beim praktischen Einsatz des erläuterten Konzeptes von untergeordneter Bedeutung.

Die Variation der Stoffdichten in den einzelnen Sektionen kann dadurch erreicht werden, daß jeder Sektion ein Mischer zugeordnet wird, in dem zwei Teilvolumenströme unterschiedlicher Stoffdichte miteinander gemischt werden, und der Gemischvolumenstrom ausschließlich der entsprechenden Sektion des Stoffauflaufes zugeführt wird. Unabdingbare Voraussetzung dafür, daß bei Veränderung der Stoffdichte nicht gleichzeitig auch die Faserorientierung der Sektion geändert wird, ist die absolute Konstanz des Gemischvolumenstromes unabhängig vom eingestellten Teilvolumenstromverhältnis am Mischer.

Sind benachbarte Gemischvolumenströme bei Veränderung der Stoffdichte nicht stets gleich groß, so führt dies zu Ausgleichsströmungen quer zur Hauptströmungsrichtung im Stoffauflauf und damit zu Abweichungen des Strahlaustrittswinkels von der Maschinenrichtung. Da ein direkter Zusammenhang zwischen Strahlwinkel und der Orientierung der Faser in der Papierbahn besteht, müssen die Beträge der einzelnen Gemischvolumenströme über die gesamte Stoffauflaufbreite absolut gleich und konstant sein, auch dann, wenn Veränderungen der Stoffdichte in den einzelnen Sektionen herbeigeführt werden.

Ein anderes Konzept zur Beeinflussung der Faserorentierung- und des Flächenquerprofils sieht vor, den Gemischvolumenstrom und die Stoffdichte örtlich eng begrenzt zu ändern. Hierbei basiert die Wirkung der Gemischvolumenstromänderung auf die Faserorentierung auf den oben beschriebenen Zusammenhängen. Das Flächengewicht wird durch Veränderung der Stoffdichte eingestellt, wobei auch bei diesem Konzept, die Forderung nach absoluter Konstanz des Gemischvolumenstromes bei Stoffdichteänderungen bestehen bleibt, um durch Stoffdichteänderungen nicht gleichzeitig das Faserorentierungsprofil zu beeinflussen. Als Stellglied zur Faserorentierungsverstellung kann ein Ventil im Gemischvolumenstrom installiert werden.

Die geforderte Konstanz der Gemischvolumenströme der einzelnen Sektionen bei Änderung der Teilvolumenstromverhältnisse, wird auch mit erheblichem regelungstechnischen Aufwand nicht befriedigend zu lösen sein, da die Laufzeit der Flächengewichtsmeßsignale zu lang ist, um bei der herrschenden Frequenz der Flächengewichtsänderung, das Flächengewicht konstant zu halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine konstruktiv einfache, kostengüstige und betriebssichere Mischeinrichtung derart zu gestalten, daß der Gemischvolumenstrom c, unabhängig von der Größe des Teilvolumenstromes b, konstant bleibt um das Flächengewichts- und Faserorientierungsquerprofil einer Papierbahn weitgehend unabhängig voneinander und örtlich eng begrenzt zu beeinflussen und die obengenannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Demnach besteht ein wesentlicher Gedanke der Erfindung darin, die Veränderung des statischen Druckes im Teilvolumenstrom b im Mischraum mit Teilvolumenstrom a dazu zu nutzen, den Teilvolumenstrom a so zu beinflussen, daß bei Zunahme von Teilvolumenstrom b der Teilvolumenstrom a abnimmt und umgekehrt. Die Beeinflussung des statischen Druckes im Bereich des Mischraumes erfolgt durch Vergrößerung - oder Verkleinerung der Leitungsquerschnitte in diesem Bereich. Die Geometrie an der Mischstelle ist so zu gestalten, daß bei konstantem Gesamtdruck am Eingang des Mischventils in den Teilvolumenströmen a und b und am Ausgang des Mischventils im Gemischvolumenstrom c die Summe der Teilvolumenströme unabhängig vom Teilvolumenstromverhältnis konstant ist.

Die Tatsache, daß der Eingangs- und Ausgangsdruck des Mischventils konstant sein müssen, stellt für den Betrieb der Mischeinrichtung an einer Papiermaschine keine Einschränkung dar, da im Verteilsystem vor dem Stoffauflauf und im Stoffauflauf stets stationäre Druckfelder angestrebt werden, um gleichbleibende Papiereigenschaften zu gewährleisten.

Die erzielten Vorteile der Erfindung sind:

• 1. Das Mischventil und ein zur Faserorientierungsbeeinflussung gegebenenfalls nachgeschaltetes Ventil müssen nicht linear sein, wie dies im Fall der Parallelschaltung von zwei Ventilen notwendig ist. In diesem Fall müssen nämlich die gewünschte Teilvolumenstromänderung und die tatsächliche genau übereinstimmen, damit der Gemischvolumenstrom konstant bleibt. Der Verzicht auf die Linearitätsforderung führt zu Kostensenkung, erhöht die Betriebssicherheit und erlaubt es, bei der Ventilauswahl den Schwerpunkt auf die Vermeidung von Faserwischbildung im Ventil zu legen.
• 2. Falls mit dem dem Mischventil nachgeschalteten Ventil die Faserorientierung nicht "on-line" und fernwirkend durchgeführt werden soll, kann dieses Ventil ohne Antrieb ausgeführt werden. Dies führt zu einer deutlichen Kostensenkung und einer Zunahme der Betriebssicherheit dieses Konzeptes gegenüber dem von zwei parallel geschalteten Ventilen.
• 3. Wird die Faserorientierung weiterhin durch Eingriffe im Bereich der Blende des Stoffauflaufes beeinflußt, so kann auf ein dem Mischventil nachgeschaltetes zweites Ventil verzichtet werden. Es wird somit nur ein einziges Ventil benötigt, das ohne Rücksicht auf die Linearität seines Übertragungsverhaltens in Bezug auf die Vermeidung von Faserwischbildung ausgelegt werden kann.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin ist im übrigen folgendes dargestellt:

Fig. 1 Mischventil mit flexiblem Außenrohr.

Fig. 2 Mischventil mit axial verschiebbarem Innenrohr.

Fig. 1 zeigt eine Mischeinrichtung entsprechend dem Anspruch 1. Es ist eine geradlinig verlaufende, zylinderförmige Zuleitung B dargestellt, die über eine Einschnürung in eine zylinderförmige Ableitung C übergeht. Im Verlauf der Ableitung C ist ein Strömungswiderstand WC eingebaut. Die Einschnürung zwischen der Zuleitung B und der Ableitung C besteht aus einer elastischen Schnittstelle E zwischen der Zuleitung B und einem mit geringerem Durchmesser ausgebildetem Rohrsegment F, das wiederum über einem elastischen Teil G mit der wieder erweiterten Ableitung C verbunden ist. Beginnend am elastischen Teil E bis zum Ende des elastischen Teiles G ist ein druckdichter Kasten D außen um die Einschnürung herumgelegt. In den so gebildeten Innenraum führt eine Zuleitung H, durch die ein Fluid I eingepreßt werden kann, wodurch die elastischen Teile E und G in ihrer Form beeinflußt werden. Axial in der Zuleitung B ist eine weitere Zuleitung A vorhanden, deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Rohrabschnittes F. Die Zuleitung A endet von der Zuleitung B kommend etwa auf der Höhe des ersten Viertels des Rohrsegmentes F.

Fig. 2 zeigt eine Mischeinrichtung entsprechend dem Anspruch 3. Es ist wieder eine rohrförmige Zuleitung B gezeigt, die geradlinig über einen langsam enger werdenden Widerstand WC in die Ableitung C übergeht. Axial innerhalb der Zuleitung B befindet sich eine weitere Zuleitung A, die in Achsrichtung verschiebbar ausgebildet ist und deren Ende variabel im Bereich B, dies ist hier etwa das erste Viertel des Widerstandes WC, endet.

Claims (6)

1. Mischeinrichtung zum Mischen von zwei Flüssigkeiten im Bereich der Zuführung zum Stoffauflauf einer Papiermaschine, mit:
einer Zuleitung (A) für den ersten Teilvolumenstrom (a);
einer Zuleitung (B) für den zweiten Teilvolumenstrom (b);
einer Ableitung (C) für den Gemischvolumenstrom (c) mit dem Strömungswiderstand (W_C);
der Zuleitung (A) axial in der Zuleitung (B) verlaufend;
gekennzeichnet dadurch, daß
die Zuleitung (B) im Endbereich der Zuleitung (A) eine Einschnürung aufweist.

2. Mischeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnürung aus elastischem Material besteht.

3. Mischeinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung vorgesehen ist, die die elastische Einschnürung variabel verändert.

4. Mischeinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen (A) und/oder (B) einen konischen Querschnittsverlauf aufweisen und gegeneinander axial verschieblich ausgebildet sind.

5. Mischeinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungswiderstand (WC) durch den Stoffauflauf der Papiermaschine gebildet ist.

6. Mischeinrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich in den Zuleitungen (A) und/oder (B) Strömungswiderstände (W_A) und/oder (W_B) befinden.