DE4441217C2

DE4441217C2 - Verfahren zur Dämpfung von Druckstößen sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4441217C2
Application number: DE4441217A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Muench
Original assignee: Voith Sulzer Papiermaschinen GmbH
Current assignee: Voith Sulzer Papiermaschinen GmbH
Priority date: 1993-12-17
Filing date: 1994-11-19
Publication date: 1998-09-10
Anticipated expiration: 2014-11-20
Also published as: FI945905A0; US5785815A; FI945905A; DE4441217A1; JPH07198087A; CA2137646A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dämpfung von Druckstößen gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie Vorrichtungen zu seiner Durchführung.

Das gattungsbildende Verfahren hat bei der Strömung von Faserstoffsuspension im Bereich eines Papiermaschinen-Stoffauflaufes eine besondere Bedeutung und wird im folgenden an diesem Beispiel beschrieben und erläutert.

Faserstoffsuspensionen werden zum Zwecke der Papiererzeugung mit Hilfe eines Stoffauflaufes auf ein oder zwei umlaufende Siebe gebracht. Dabei wird die Faserstoffsuspension in einem geschlossenen System geführt, was bedeutet, daß sie im wesentlichen von allen Seiten durch Wandungen umgeben ist und unter einem Druck steht, der vom Umgebungsdruck abweicht. Wenn, durch welche Gründe auch immer, innerhalb eines solchen geschlossenen Systems Druckstöße vorhanden sind, breiten sich diese in dem System aus und führen beim Austritt der Flüssigkeit aus dem geschlossenen System, also im vorliegenden Beispiel am Austrittsspalt des Stoffauflaufes zu Geschwindigkeitsdifferenzen, die bei dem sich dann anschließend bildenden Blatt nachteilig sein können. Um diese Nachteile zu vermeiden, verwendet man normalerweise einen sogenannten Dämpfungsbehälter, der mit einem beträchtlichen Aufwand, dafür aber wirksam, die Druckstöße so weit dämpft oder gar eliminiert, daß sie die Papierqualität nicht mehr negativ beeinflussen können.

Es ist ohne weiteres einzusehen, daß auch bei anderen Anwendungen von geschlossenen Systemen Druckstöße unerwünscht sein können.

Ein Vorschlag zur Dämpfung von Druckstößen wird in der Patentschrift US 4,750,523 gemacht. Demgemäß werden die Druckstöße gemessen und mit Hilfe dieses in einem Regler verarbeiteten Meßsignals eine Membran, die in Verbindung mit der Flüssigkeit steht, so bewegt, daß dadurch die Druckimpulse wieder kompensiert werden. Derartige Systeme werden meistens als aktive Dämpfungssysteme bezeichnet. Dieses bekannte Verfahren könnte zwar den apparativen Aufwand eines Dämpfungsbehälters in den Zuführungen zum Stoffauflauf einsparen, ist aber regeltechnisch sehr kompliziert und in dem für einen Papiermaschinen-Stoffauflauf besonders wichtigen Frequenzbereich nicht ausreichend wirksam.

Ein anderes aktives Dämpfungssystem zeigt die JP 1-283498 (Patent Abstracts of Japan M-930). Bei diesem Vorschlag liegen Meßstelle und Korrekturstelle im selben hydraulischen Raum, z. B. in einer Rohrleitung. Dadurch läßt sich jedoch eine Rückwirkung des Korrekturimpulses auf die Meßstelle nicht ganz ausschließen. Ähnlich wird auch gemäß DE 35 23 385 A1 vorgegangen, wobei zusätzlich ein weiterer Meßwertaufnehmer und eine entsprechende Signalverarbeitung vorgesehen sind. Eine weitere Publikation, DE 25 27 642 A1, betrifft ein Verfahren zur Dämpfung von Longitudinaldruckwellen in Gasleitungen, ist also für kompressible strömende Medien bestimmt. Bei Anwendung auf Druckstöße in einer im geschlossenen System strömenden Flüssigkeit sind trotz des hohen Aufwandes keine befriedigenden Ergebnisse zu erwarten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Dämpfung von Schwingungen zu schaffen, um die Wirksamkeit der bekannten Dämpfungssysteme weiter zu verbessern und dabei einen möglichst geringen Aufwand treiben zu müssen.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Maßnahmen erfüllt. Die Unteransprüche 2 bis 9 beschreiben besonders vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und die Unteransprüche 10 bis 18 vorteilhafte Vorrichtungen zu seiner Durchführung.

Durch das erfinderische Verfahren werden die Messung und die Dämpfung der ungewollten Druckstöße in verschiedenen Räumen des geschlossenen Systems durchgeführt, zwischen denen ein beträchtlicher Druckverlust, in Strömungsrichtung gesehen, auftritt. Die Flüssigkeit innerhalb des Raumes, in dem sich die Korrekturstelle befindet, wird bei dem hier betrachteten Frequenzbereich der Druckstöße im wesentlichen einheitlich schwingen. Damit ist gemeint, daß die Druckwerte innerhalb dieses Raumes zur selben Zeit überall etwa gleich sind, also die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Druckstöße keine große Rolle spielt. Solche Bedingungen liegen zum Beispiel dann vor, wenn die Wellenlänge der störenden Druckstöße mindestens 3 mal größer ist als die lineare Erstreckung des Raumes mit der Korrekturstelle in Strömungsrichtung. In technischen Anwendungen auf einem Papiermaschinen-Stoffauflauf ist das bei Störfrequenzen unter 60 Hz erfüllt, welche gerade auf die Papierqualität einen hohen Einfluß haben. Die an der Korrekturstelle einsetzende Kompensation wirkt im ganzen Raum gleichzeitig. Da die Wellenlänge nicht nur von der Frequenz, sondern auch von der Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit abhängt, kann auch diese gemessen und im Regler verarbeitet werden, um ein noch genaueres Ergebnis zu erhalten. Wesentlich ist, daß infolge des Druckverlustes zwischen Meßstelle und Korrekturstelle nur eine geringe Rückwirkung der Maßnahmen an der Korrekturstelle auf die Messung an der Meßstelle vorhanden ist, die ansonsten die Messung verfälschen würde. Fließt die Flüssigkeit weiter, gelangt sie in den Bereich des Austrittsspaltes des Stoffauflaufes, an dem ein weiterer Druckverlust stattfindet. Der Austritt aus dem geschlossenen System erfolgt am Ende einer Öffnung oder Düse. Dort ist dann die Suspension von den störenden Druckstößen befreit.

Die an der Korrekturstelle eingebrachten Druckimpulse erfolgen zu einem Zeitpunkt, der gleichzeitig oder geringfügig später als der des gemessenen, zu kompensierenden Druckstoßes ist, wobei dieser Zeitverzug etwa dem Wert entspricht, der sich ergibt aus der Entfernung der Korrekturstelle von der Meßstelle, dividiert durch die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit.

Vorteilhaft ist, daß in modernen hydraulischen Stoffaufläufen ohnehin oft ein hydraulischer Turbulenzerzeuger vorhanden ist, der zu einem beträchtlichen Druckverlust führt. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die Meßstelle vor und die Korrekturstelle hinter dem Turbulenzerzeuger, in Strömungsrichtung gesehen, anzuordnen. Der Aufwand wird dadurch vergleichsweise gering. Üblicherweise folgt in dem Raum des Stoffauflaufs, der hinter dem Turbulenzerzeuger liegt, eine Austrittsdüse, die wiederum einen Druckverlust bewirkt, da der Druck in Geschwindigkeit umgewandelt wird. Daher sind gerade bei einem hydraulischen Stoffauflauf die Bedingungen zur Anwendung des erfinderischen Verfahrens besonders günstig.

Es ist davon auszugehen, daß das Dämpfungsverfahren besonders wirksam ist, wenn der Druckverlust zwischen der Meß(3)- und Korrekturstelle (4) bei 0,3 bis 3 bar liegt; der übliche Druckverlust in Papiermaschinen-Stoffaufläufen ist hier um 0,5-1 bar.

Es gibt spezielle Stoffaufläufe, bei denen auch die Einbringung der Dämpfung an der Korrekturstelle besonders einfach ist. Das sind solche Stoffaufläufe, die im Bereich der Oberwand des Düsenraumes wegen des dort herrschenden großen Druckes und der großen Fläche spezielle ansteuerbare Durchbiegungsausgleichsvorrichtungen, z. B. durch befüllbare flexible Körper aufweisen. Hier ist es denkbar, durch entsprechende Gestaltung und Ansteuerung dieses Durchbiegungsausgleiches Korrekturimpulse in die Stoffsuspension zu übertragen, also dem nur wenig oder gar nicht zu ändernden Druck zur Aufnahme der stationären Kräfte zusätzlich Druckimpulse zu überlagern.

Man kann auch mit Piezo-Kristallen zwischen Düsenwand und Abstützvorrichtungen arbeiten, da diese weniger träge auf das Korrektursignal reagieren können. Eine weitere Möglichkeit zur Dämpfung der Druckstöße ist die Einbringung bzw. Ableitung von Medien an der Korrekturstelle. Es ist einleuchtend, daß durch Zuführung oder Abführung von einer Flüssigkeit dort die Drücke sehr leicht verändert werden können.

Eine weitere Möglichkeit ist die Anbringung einer Membran an der Korrekturstelle, wobei die Membran in Schwingungen versetzt wird, die durch die Meßgröße der Meßstelle gesteuert werden.

Die Erfindung wird erläutert und beschrieben anhand von Zeichnungen. Dabei zeigen die

Fig. 1 Schema eines erfindungsgemäßen Verfahrensbeispieles

Fig. 2 schematisch: Stoffauflauf als Beispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens

Fig. 3 schematisch: Teil eines weiteren Stoffauflaufes

Fig. 4 schematisch: Teil eines weiteren Stoffauflaufes

Fig. 5 ein Schema zur Anwendung des Verfahrens in einem Zuführungssystem zum Stoffauflauf.

In Fig. 1 erkennt man ein geschlossenes System 1, das von einer Flüssigkeit 2 durchströmt wird. An der Meßstelle 3 wird der Druck festgestellt und als Meßsignal zu einem Regelkreis 5 geleitet, der in diesem Beispiel eine Druckversorgungseinrichtung 6 ansteuert, mit deren Hilfe eine Flüssigkeit 7 so in den Zylinder 8 eingebracht oder abgeführt wird, daß ein Kolben 9 über eine Membran 10 Druckimpulse an der Korrekturstelle 4 in die Flüssigkeit übertragen werden können. Zwischen der Meßstelle 3 und der Korrekturstelle 4 erfährt die Strömung einen Druckverlust, wobei zur Erzeugung eines solchen Druckverlustes eine Drosselstelle 11 angedeutet ist.

Fig. 2 zeigt anhand eines Stoffauflaufes für eine Papiermaschine eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Man erkennt einen als Zuführraum dienenden Querstromverteiler 12, in dem die strömende Flüssigkeit, hier also die Stoffsuspension, über die ganze Breite des Stoffauflaufes verteilt wird. Sie gelangt von dort über einen Turbulenzerzeuger 13 in den als Sammelraum dienenden Düsenraum 14. Der Turbulenzerzeuger ist hier mit einer Vielzahl von Stufendiffusoren 20 versehen, die die Turbulenz in der Strömung sehr stark erhöhen, sogenannte Mikroturbulenzenerzeuger, aber auch einen beträchtlichen Druckverlust hervorrufen. Da die Druck-Meß-Vorrichtung 3' und die Vorrichtung 4' zur kontrollierten Einbringung von Druckimpulsen danach liegt, alles in Strömungsrichtung betrachtet, ermöglicht diese Anordnung das erfindungsgemäße Verfahren. Das Meßsignal aus der Druck-Meß-Vorrichtung 3' wird zur Verarbeitung an die Vorrichtung 4' zur kontrollierten Einbringung von Druckimpulsen weitergeleitet. Dort werden in diesem Beispiel die zur Dämpfung dienenden Druckimpulse mit Hilfe eines Piezoelementes 21 erzeugt. Bekanntlich kann ein Piezoelement elektrische Spannungen in Formänderung umwandeln. Diese Formänderungen werden durch die Oberwand 17, die Teil des Stoffauflaufes ist, auf die darunter befindliche Suspensionsströmung übertragen. Wegen der großen auftretenden Kräfte wird alles über einen Doppel-T-Träger 18 abgestützt. Die Suspension verläßt den Stoffauflauf anschließend durch den Austrittsspalt 15. Eine Feinregulierung kann, muß aber nicht, durch die Blende 16 erfolgen.

Fig. 3 zeigt zunächst, daß der Druckverlust auch mit einer einfacheren Lochplatte 13' hervorgerufen werden kann, und ferner ist als Vorrichtung 4' zur kontrollierten Einbringung von Druckimpulsen anstelle des Piezoelementes ein befüllbares, flexibles Element 22 gezeigt, das ebenfalls in der Lage ist, Druckstöße zu erzeugen und über die Oberwand 17 des Stoffauflaufes an die Suspension zu übertragen.

In Fig. 4 wird der Druckimpuls durch Zu- oder Ableiten eines Fluides über eine Anzahl von Ventilen 23, von denen nur eines gezeigt ist, durchgeführt.

Zu den Zeichnungen ist noch anzumerken, daß sie als Seitenansicht relativ breiter Maschinenteile zu verstehen sind. Um die Korrektur über die ganze Breite wirksam durchzuführen, kann die Korrekturstelle selbst sehr breit sein, oder es werden mehrere nebeneinander angeordnet.

Fig. 5 zeigt ein Schema mit der Dämpfung im Stoffzuführungssystem eines Stoffauflaufes. Die Flüssigkeit 2 gelangt durch eine Rohrleitung 26 zum Querstromverteiler 12. Dabei passiert sie eine Schallgeschwindigkeits-Meßstelle 24, die Meßstelle 3 für die Druckstöße, eine Drosselstelle 11 zur Druckabsenkung und die Korrekturstelle 4. Da hier in der Regel ein Kreisquerschnitt vorliegt, kann eine einzige Korrekturstelle genügen. Die Verteilung auf die ganze Breite findet erst danach im Querstromverteiler 12 statt. Die Strömung wird dann durch den Turbulenzerzeuger 25 zum Austrittsspalt 15 geführt.

Claims

1. Verfahren zur Dämpfung von Druckstößen in einer im geschlossenen System (1) strömenden Flüssigkeit (2), insbesondere einer Fasersuspension, bei dem an mindestens einem Ort des Systems, der Meßstelle (3), die zu dämpfenden Druckstöße gemessen werden, an mindestens einem weiteren Ort des Systems, der Korrekturstelle (4), Druckimpulse in die strömende Flüssigkeit eingebracht werden, wobei diese Druckimpulse nach Zeit, Vorzeichen und Stärke von dem Meßsignal der Druckstoß-Messung beeinflußt werden und jeweils entgegengesetzt zu dem an der Meßstelle (3) gemessenen Druckstoß sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckverlust in der Flüssigkeitsströmung zwischen der Meßstelle (3) und der Korrekturstelle (4) wenigstens halb so groß ist wie der zwischen der Korrekturstelle (4) und dem Austritt aus dem geschlossenen System (1) und daß der eingebrachte Druckimpuls zu einem Zeitpunkt erfolgt, der gleichzeitig oder geringfügig später als der des gemessenen, zu kompensierenden Druckstoßes ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturstelle (4) in Strömungsrichtung hinter der Meßstelle (3) angeordnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckverlust zwischen der Meßstelle (3) und der Korrekturstelle (4) auf einen Wert von 0,3 bis 3 bar eingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckimpulse durch Formänderung einer die Flüssigkeit an der Korrekturstelle (4) begrenzenden Wand erzeugt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckimpulse durch Zugabe oder Abnahme eines Fluids an der Korrekturstelle (4) erzeugt werden.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsströmung nach Passieren der Korrekturstelle (4) einen weiteren Druckabfall von mindestens 1 bar erfährt.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckverlust in einem zwischen der Meßstelle (3) und der Korrekturstelle (4) befindlichen Turbulenzerzeuger auftritt.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung des Zeitverzuges von dem Wert, der sich ergibt aus der Entfernung der Korrekturstelle (4) von der Meßstelle (3), dividiert durch die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit, betragsmäßig höchstens 30% ist.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallgeschwindigkeit der Flüssigkeit im geschlossenen System (1) gemessen und zur Steuerung des Zeitpunktes der Druckimpulse mit herangezogen wird.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Flüssigkeitszuführraum mit der Meßstelle (3) und einem Flüssigkeitssammelraum mit der Korrekturstelle (4), wobei eine Druck-Meß-Vorrichtung (3') für den Flüssigkeitszuführraum, ein Regler (19) zur Verarbeitung dieser Meßwerte und eine Vorrichtung (4') zur kontrollierten Einbringung von dem gemessenen Druckstoß entgegengesetzten Druckimpulsen in den Flüssigkeitssammelraum vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Flüssigkeitszuführraum und dem Flüssigkeitssammelraum eine hydraulische Drosselstelle (11) vorhanden ist und daß die Korrekturstelle (4) in Strömungsrichtung hinter der Meßstelle (3) liegt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Flüssigkeitszuführraum und Flüssigkeitssammelraum ein Turbulenzerzeuger (13) mit einer Vielzahl von Stufendiffusoren (20) vorhanden ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Flüssigkeitszuführraum und Flüssigkeitssammelraum ein Turbulenzerzeuger (13) in Form eines statischen Mischers vorhanden ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine kontrolliert formveränderbare Wand (17) angeordnet ist, die die an der Korrekturstelle eingebrachten Druckimpulse an die Flüssigkeit überträgt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die kontrolliert formveränderbare Wand (17) als eine sich auf der der Flüssigkeit entgegengesetzten Seite der formveränderbaren Wand (17) anschließenden, vom Regler angesteuert befüllbaren Druckkammer (22) ausgebildet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß für die Formveränderung ein hydraulisches, vom Regler angesteuertes Zylinder-Kolben-System (8, 9) angeordnet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß für die Formveränderung ein elektrisch vom Regler angesteuertes Piezo-Element (21) angeordnet ist.

17. Vorrichtung nach Ansprüchen 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstelle (3) bei einem hydraulischen Stoffauflauf am als Flüssigkeitszuführraum dienenden Querstromverteiler (12) und die Korrekturstelle (4) an einer Begrenzungswand des als Flüssigkeitssammelraum dienenden Düsenraumes (14) liegt und der Düsenraum (14) einen Austrittsspalt (15) für die Flüssigkeit aufweist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturstelle (4) an der Oberwand des als Flüssigkeitssammelraum dienenden Düsenraumes (14) liegt und die Einbringung der Druckimpulse mit Hilfe von zur Aufnahme der statischen Druckkräfte dienenden Maschinenteilen erfolgt, deren auf die Flüssigkeit einwirkenden Kräfte veränderbar sind.