DE4211291C3 - Mischeinrichtung und Verfahren zum Mischen von zwei Flüssigkeiten bei konstantem Gemischvolumenstrom zur Versorgung des Stoffauflaufs einer Papiermaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Mischeinrichtung zum Mi­ schen von zwei Flüssigkeiten bei konstantem Gemisch­ volumenstrom zur Versorgung des Stoffauflaufs einer Papiermaschine und ein Verfahren zum Mischen.

Es ist bekannt, daß sich beim Mischen zweier Volu­ menströme 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 Papier­ herstellung, ist es jedoch wünschenswert bzw. notwen­ dig, einen konstanten Gemischvolumenstrom unabhän­ gig vom Mischungsverhältnis der Teilvolumenströme A und B zu erhalten. Dies läßt sich durch eine teuere und aufwendige Regelungstechnik erreichen.

Eine Mischeinrichtung gemäß des Oberbegriffes nach Anspruch 1 ist aus DE 40 05 281 A1 (Fig. 3) bekannt.

Dort wird vorgeschlagen, in dem erweiterten Druck­ stutzen einer Verbindungsleitung zum Stoffauflauf Ver­ dünnungswasser axial einzuleiten. In den Erläuterungen wird beschrieben, daß das Verdünnungswasser in dem am Verteiler befindlichen erweiterten Druckstutzen ei­ nes Verbindungsrohres einzuleiten ist. Im Hauptan­ spruch des Patentes ist sogar die Rede davon, in den separaten, zentralen Verteiler zusätzlich zur Fasersu­ spension Verdünnungswasser zuzuführen. Beide Vor­ schläge setzen voraus, daß die Strömungsrichtung der Verdünnungskomponente axial zur Verbindungsleitung verläuft, da die Verdünnungskomponente ansonsten nicht oder nur zu einem geringen Teil in die Verbin­ dungsleitung gelangt Eingangs- und Ausgangsdruck der Leitungen sind konstant. Das einzige Stellglied zur Ver­ änderung des Teilvolumenstromverhältnisses befindet sich in der Verdünnungswasserleitung.

Dies bringt folgende Probleme mit sich: Da die Ge­ schwindigkeiten beider Teilvolumenströme an der Mischstelle dieselbe Richtung, jedoch in der Regel einen unterschiedlichen Betrag besitzen, wird Energie von ei­ nem auf den anderen Teilvolumenstrom übertragen. Mit dem Impulssatz läßt sich nachweisen, daß dies zu gegen­ seitiger Beschleunigung bzw. Verzögerung der Teilvo­ lumenströme 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. Ver­ zögerung abgeschwächt, weil sich die Teilvolumenströ­ me vor dem Strömungswiderstand gegenseitig verdrän­ gen.

Versuche haben gezeigt, daß bei einem für den prakti­ schen Einsatz noch akzeptablem Druckverlust am Strö­ mungswiderstand bereits bei einem Anteil der Verdün­ nungskomponente von 20% die Beschleunigung des Hauptstromes durch die Verdünnungskomponente so groß ist, daß gegenüber einem Verdünnungskomponen­ tenanteil von 0% der Gemischvolumenstrom - Summe aus Hauptstrom und Verdünnungskomponente - um ca. 1% zunimmt. Steigert man den Anteil der Verdün­ nungskomponente auf Werte von 50% und mehr, was insbesondere im Randbereich des Stoffauflaufes not­ wendig sein kann, ist die Gemischvolumenstromände­ rung größer als 8%. D. h. ein grundlegendes Problem solch einer Mischeinrichtung besteht darin, daß der Ge­ mischvolumenstrom 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 ei­ ne Mischeinrichtung vorgestellt, die ebenfalls dazu dient mehrere Teilvolumenströme derart zu mischen, daß ein konstanter Gemischvolumenstrom entsteht.

Hierzu werden alle Teilvolumenströme durch An­ wendung einer aufwendigen Ventilsteuerung in Abhän­ gigkeit voneinander geregelt. Dies führt zu den Nach­ teilen, daß einerseits ein derartiges Ventil sehr aufwen­ dig in Konstruktion und Herstellung ist, zum anderen, dadurch daß alle Volumenströme geregelt werden müs­ sen. 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 Stellglie­ der Ventile mit einem außerordentlich linearen Verhal­ ten, um den Gemischvolumenstrom unabhängig vom Teilvolumenstromverhältnis konstant halten zu können. Die Forderung nach guter Linearität erfordert entwe­ der Ventile mit hohem Druckabfall oder kostenintensi­ ve regelungstechnische Maßnahmen.

Ein dem Stand der Technik (siehe DE 40 05 281 A1) 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 Sek­ tion steigt das Flächengewicht der Papierbahn an dieser Stelle und umgekehrt.

Da die Faserorientierung der Papierbahn eine Funk­ tion des Winkels ist, unter dem der Strahl aus dem Stoff­ auflauf austritt kann durch Veränderung der Stoffauf­ laufgeometrie, z. B. in Form von Geometrieänderungen am Austrittsspalt, die Faserorientierung gezielt beein­ flußt 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 eben­ falls das Flächengewicht an der Eingriffstelle der Pa­ pierbahn ungewollt ändert.

Die praktische Erfahrung und theoretische Überle­ gungen bezüglich der hydraulischen Verhältnisse im Stoffauflauf, sowie bezüglich des Blattbildungsmecha­ nismus in dar Siebpartie zeigen deutlich, daß Eingriffe ins Faserorientierungsquerprofil weitaus seltener vor­ genommen werden müssen, als solche ins Flächenge­ wichtsquerprofil. Die dargestellte einseitige Kopplung zwischen Faserorientierung und Flächengewicht ist so­ mit beim praktischen Einsatz des erläuterten Konzeptes von untergeordneter Bedeutung.

Die Variation der Stoffdichten in den einzelnen Sek­ tionen kann dadurch erreicht werden, daß jeder Sektion ein Mischer zugeordnet wird, in dem zwei Teilvolumen­ ströme unterschiedlicher Stoffdichte miteinander ge­ mischt werden, und der Gemischvolumenstrom aus­ schließlich der entsprechenden Sektion des Stoffauflau­ fes 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 Teilvolumenstromver­ hältnis am Mischer.

Sind benachbarte Gemischvolumenströme bei Ver­ änderung der Stoffdichte nicht stets gleich groß, so führt dies zu Ausgleichsströmungen quer zur Hauptströ­ mungsrichtung im Stoffauflauf und damit zu Abwei­ chungen des Strahlaustrittswinkels von der Maschinenrichtung. Da ein direkter Zusammenhang zwischen Strahlwinkel und der Orientierung der Faser in der Pa­ pierbahn besteht, müssen die Beträge der einzelnen Ge­ mischvolumenströme über die gesamte Stoffauflauf­ breite absolut gleich und konstant sein, auch dann, wenn Veränderungen der Stoffdichte in den einzelnen Sektio­ nen herbeigeführt werden.

Ein anderes Konzept (siehe DE 40 19 593 A1) zur Be­ einflussung der Faserorientierung- und des Flächen­ querprofils sieht vor, den Gemischvolumenstrom und die Stoffdichte örtlich eng begrenzt zu ändern. Hierbei basiert die Wirkung der Gemischvolumenstromände­ rung auf die Faserorientierung auf den oben beschriebe­ nen Zusammenhängen. Das Flächengewicht wird durch Veränderung der Stoffdichte eingestellt, wobei auch bei diesem Konzept, die Forderung nach absoluter Kon­ stanz des Gemischvolumenstromes bei Stoffdichtenän­ derungen bestehen bleibt, um durch Stoffdichteände­ rungen nicht gleichzeitig das Faserorientierungsprofil zu beeinflussen. Als Stellglied zur Faserorientierungs­ verstellung kann ein Ventil im Gemischvolumenstrom installiert werden.

Die geforderte Konstanz der Gemischvolumenströ­ me der einzelnen Sektionen bei Änderung der Teilvolu­ menstromverhältnisse, wird auch mit erheblichem rege­ lungstechnischen Aufwand nicht befriedigend zu lösen sein, da die Laufzeit der Flächengewichtsmeßsignale zu lang ist, um bei der herrschenden Frequenz der Flächen­ gewichtsänderung, das Flächengewicht konstant zu hal­ ten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kon­ struktiv einfache, kostengüstige und betriebssichere Mischeinrichtung derart zu gestalten, daß der Gemisch­ volumenstrom c, unabhängig von der Größe des Teilvo­ lumenstromes b, konstant bleibt um das Flächenge­ wichts- und Faserorientierungsquerprofil einer Papier­ bahn 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 Er­ findung darin, zwei gegenläufige Effekte der Strö­ mungsmechanik so miteinander zu kombinieren, daß die Summe zweier, in einen Mischer eintretenden Teilvolu­ menströme a und b, unabhängig von dem Verhältnis der Teilvolumenströme zueinander und bei geringem Druckabfall am Mischer stets konstant bleibt.

Führt man die Teilvolumenströme a und b unter ei­ nem Winkel α = 90° und einem Winkel β = 180° im Mischer zusammen, so wird Bewegungsenergie von ei­ nem Strom auf den anderen in Richtung des Gemisch­ volumenstromes übertragen und man erhält die in Fig. 1 dargestellte Kurve I.

Mit zunehmendem Teilvolumenstrom nimmt der Ge­ mischvolumenstrom c ab, was auf die Zunahme der Tur­ bulenzen an der Mischstelle zurückzuführen ist. Dies entspricht dem negativ wirkenden Effekt.

Führt man die Teilvolumenströme a und b unter der Bedingung α = 0° und β = 180° zusammen, so entsteht ein Venturieffekt, der im wesentlichen zu einer Zunah­ me des Gemischvolumenstromes C bei zunehmenden Teilvolumenstrom b führt. Dies entspricht dem positiv wirkenden Effekt, der in Fig. 1, Kurve II dargestellt ist.

Die Erfinder haben nun erkannt, daß eine Kombina­ tion beider Effekt, durch geschickte Wahl der Winkel α und β so zu erreichen ist, daß die Abnahme des Ge­ mischvolumenstromes durch Turbulenz an der Misch­ stelle genau durch den Venturieffekt kompensiert wird. D. h. man erhält unabhängig vom Teilvolumenstromver­ hältnis stets gleiche Gemischvolumenströme.

Die durchgezogene Kurve III in Fig. 1 zeigt die an einem realen Mischer gemessenen Zusammenhänge. Turbulenz und Venturieffekt sind in ihrer Wirkung auf den Gemischvolumenstrom bei geeigneter Wahl des Winkels über einen großen Betriebsbereich gleich, wie Fig. 1 zeigt.

Da die Strömungsgeschwindigkeiten der Teilvolu­ menströme an der Mischstelle die Turbulenz beeinflus­ sen, ist der Winkel des Gleichgewichtszustandes eine Funktion der Mischergeometrie.

Voraussetzung für die Konstanz des Gemischvolu­ menstromes ist die Existenz des Strömungswiderstan­ des W im Verlauf der Ableitung C und ferner, daß der Eingangsdruck des Teilvolumenstromes a in dem kein Stellglied sitzt, sowie der Ausgangsdruck des Mischers konstant gehalten wird.

Zusammenfassend besteht der erfindungsgemäße Gedanke also darin, den zur Beschleunigung bzw. Ver­ zögerung führenden Energieaustausch zwischen den Teilvolumenströmen an der Mischstelle durch geeigne­ te Wahl des Winkels der Teilvolumenströme zueinander und der Rohrdurchmesser so groß zu machen, daß der Gemischvolumenstrom unabhängig vom Teilvolumen­ stromverhältnis stets konstant ist. Die Tatsache, daß der Eingangsdruck eines Teilvolumenstromes und der Aus­ gangsdruck des Gemischvolumenstromes konstant sein muß, stellt für den Betrieb der Mischeinrichtung an eine Papiermaschine keine Einschränkung dar, da im Vertei­ lungssystem vor dem Stoffauflauf und im Stoffauflauf stets stationäre Druckfelder angestrebt werden, um gleichbleibende Papiereigenschaften zu gewährleisten.

Die erzielten Vorteile der Erfindung sind:

• 1. Die erfindungsgemäße Mischeinrichtung ist kon­ struktiv einfach zu verwirklichen, insbesondere da­ durch, daß an das Stellglied, z. B. ein Regelventil, keine besondere Anforderungen nach Linearität gestellt sind.
• 2. Aufgrund der konstruktiv einfachen Gestaltung und des geringen regelungstechnischen Aufwandes ergibt sich eine erhebliche Kosteneinsparung in be­ zug auf Anschaffungskosten und Betriebskosten.
• 3. Da keine Linearitätsforderungen an das Stell­ glied gestellt sind, kann wenn nötig kompromißlos in Richtung Vermeidung von Faserwischbildung konstruiert werden.
• 4. Bedingt durch die Einsparung eines Stellgliedes und konstruktiv einfache Gestaltung verringert sich die Störanfälligkeit erheblich und die Betriebs­ sicherheit steigt.
• 5. Es muß in dem Teilvolumenstrom mit der höhe­ ren Stoffdichte kein Stellglied installiert werden, da die Faserwischbildungsgefahr hier, gegenüber dem Teilvolumenstrom mit geringerer Stoffdichte, deut­ lich größer ist.
• 6. Der Druckabfall an der Mischeinrichtung ist ge­ genüber herkömmlichen Lösungen deutlich gerin­ ger, wodurch Pumpen mit geringerer Drucklei­ stung eingesetzt werden können, was wiederum zur Kostenreduktion führt.

Die bestehende Aufgabe läßt sich demnach durch Einsatz eines einzigen speziell auf die Eigenschaften der Faserstoffsuspension abgestimmten Ventiles, das einen Teilvolumenstrom geringer Stoffdichte steuert, lösen.

Die Ausbildung der beschriebenen Zu- und Ableitun­ gen kann beliebige Querschnittsformen annehmen.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnungen näher er­ läutert, wobei das Merkmal, wonach der Mischwinkel α wählbar ist, nicht dargestellt ist:

Fig. 1 Versuchsergebnisse der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 2 Mischeinrichtung in Verbindung mit einem Steiglied und einem Strömungswiderstand.

Fig. 3 Mischeinrichtung mit einem zusätzlichen Stell­ glied in der Ableitung.

Fig. 4 Mischeinrichtung mit zwei Stellgliedern und zwei Strömungswiderständen.

Fig. 5 Mischeinrichtung in räumlicher Ausführung.

Fig. 1 zeigt die Meßergebnisse einer Mischeinrich­ tung entsprechend des dargestellten Fig. 2. Auf der Ab­ szisse ist das Teilvolumenstromverhältnis a/b aufgetra­ gen, auf der Ordinate ist der Gemischvolumenstrom c abgebildet. Die Kurven I, II und III stellen die Versuchs­ ergebnisse dar. I zeigt die Ergebnisse bei einem Misch­ winkel von 90°. II zeigt die Versuchsergebnisse bei ei­ nem Mischwinkel von α = 0°. III stellt die Ergebnisse bei einem hier optimalen Mischwinkel von 80° dar.

Fig. 2 zeigt eine Mischeinrichtung entsprechend dem Anspruch 2. Es ist eine geradlinig verlaufende Zuleitung A dargestellt, die unter einem Winkel von β = 180° in die Ableitung C übergeht. Am Treffpunkt zwischen Zu­ leitung A und Ableitung C wird die Zuleitung B, eben­ falls eine geradlinige Zuleitung unter einem Mischwin­ kel hinzugeführt. In der Zuleitung B ist ein Stellglied S eingebaut, das die Große des Teilvolumenstromes b re­ gelt. Der Teilvolumenstrom b wird durch das Stellglied über die Zuleitung B zum Mischraum M geführt, indem der Teilvolumenstrom a durch die Zuleitung A kom­ mend mit dem Teilvolumenstrom b zusammentrifft und als Gemischvolumenstrom c durch die Ableitung C ab­ geführt wird. In der Ableitung C ist weiterhin ein Strö­ mungswiderstand W stilisiert, der eine notwendige Vor­ aussetzung für die Funktion der Mischeinrichtung bein­ haltet.

Fig. 3 stellt eine Mischeinrichtung wie unter Fig. 1 beschrieben dar, jedoch existiert neben der im Teilvolu­ menstrom b eingebauten Stelleinrichtung S₁ eine weite­ re Steileinrichtung S₂, die in Verlauf der Ableitung C dem Strömungswiderstand W folgend eingebaut ist.

Fig. 4 stellt eine Mischeinrichtung dar, wie sie in Fig. 3 beschrieben wurde, jedoch ist zusätzlich zu dem in der Ableitung C eingebauten Widerstand W₁ ein zweiter Strömungswiderstand W₂ im Verlauf der Zulei­ tung A eingebaut.

Fig. 5 stellt eine Mischeinrichtung ähnlich Fig. 2 dar, jedoch liegen die Leitungen diesmal nicht in einer Ebe­ ne, sondern sind räumlich angeordnet. Der Teil a der Fig. 5 zeigt eine Draufsicht, in der der Winkel τ, der Winkel zwischen A und C gezeigt ist und der Teil b zeigt die Mischeinrichtung in der Seitenansicht.

Claims (11)

1. Mischeinrichtung zum Mischen von zwei Flüssig­ keiten an der Zuführung zum Stoffauflauf einer Pa­ piermaschine, mit:
einer Zuleitung (A) für den ersten Teilvolumen­ strom (a);
einer Zuleitung (B) für den zweiten Teilvolumen­ strom (b);
einer Ableitung (C) für den Gemischvolumenstrom (c) mit dem Strömungswiderstand (W);
einem Mischwinkel (α) zwischen der Zuleitung (A) und der Zuleitung (B);
einem Hauptstromwinkel (β) zwischen der Zulei­ tung (A) und der Ableitung (C);
einem Stellglied (S), eingebaut in der Zuleitung (B) zur Regelung des Teilvolumenstromes (b);
gekennzeichnet dadurch, daß
der Mischwinkel (α) derart wählbar ist, daß unab­ hängig vom Teilvolumenstrom (b) der Gemischvo­ lumenstrom (c) konstant bleibt, wobei
der Mischwinkel α im Bereich 0° < α < 90° liegt.

2. Mischeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein separater Strömungswider­ stand (W1) im Verlauf der Ableitung (C) für den Gemischvolumenstrom (c) eingebaut ist.

3. Mischeinrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptstromwinkel (β) 180° beträgt.

4. Mischeinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (A), (B) und (C) nicht in einer Ebene liegen, so daß ein zusätzlicher Raumwinkel (τ) gebildet ist.

5. Mischeinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel (α) und/oder (β) und/oder (τ) während des Betriebes veränderbar sind.

6. Mischeinrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ableitung (C) ein Stell­ glied zur Regelung des Gemischvolumenstromes vorgesehen ist.

7. Mischeinrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungswiderstand (W) durch einen Stoffauflauf gebildet ist.

8. Mischeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (A) mit einem zweiten Strömungswiderstand (W2) verse­ hen ist.

9. Mischeinrichtung nach Anspruch 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Strömungswider­ ständen in den Zu- und Ableitungen variabel sind.

10. Mischeinrichtung nach Anspruch 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Leitungen A, B und/oder C im Bereich des Misch­ raumes (M) mit einer variablen Einengung verse­ hen sind.

11. Verfahren zum Mischen eines ersten und eines zweiten Volumenstromes, wobei
der erste Volumenstrom unter konstan­ tem Druck geführt wird;
der zweite Volumenstrom dem ersten Volumenstrom in einem Winkel α zugeführt wird;
der Gesamtvolumenstrom aus erstem und zweitem Volumenstrom gegen einen strö­ mungsmäßig nach dem Mischer angeordneten Widerstand arbeitet; dadurch gekennzeichnet, daß
der Winkel α so gewählt wird, daß der Beschleunigungs- und Verzögerungseffekt sich beim Eindüsen jeweils aufhebt und sich dadurch ein konstanter Gesamtvolumenstrom, unabhängig von der Größe des zugeführten zweiten Volumenstroms, ergibt, wobei
der Winkel α im Bereich 0° < α < 90° liegt.