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Verfahren und Gerät zur Aufbereitung der Stoff aufschlemmung, die
vom Stoff auflaufkasten auf das Sieb einer Papiermaschine gefördert wird Die Erfindung
behandelt ein verbessertes Verfahren und Gerät für den Stoffauflauf einer wäßrigen
Holzcelluloseaufschlemmung auf das. Langsieb oder Metalltuch einer schnell laufenden
Papiermaschine.
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Bei schnell laufenden Papiermaschinen ist es bekannt, den aufgeschlemmten
Papierbrei vor der Fördereiig auf den Stoffauflaufkasten zu unterteilen und einzuschränken,
ein den Breifluß mit der richtigen Geschwindigkeit und in richtiger Verteilung auf
<las Langsiel) zu überführen. Die bekannten l@.inrichtungen benutzen dazu Luft-
oder Dampfströme oller auch sich drehende Schrauben oder Föi derschnecken. Das Verfahren
nach der Erfindung bringt die IIolzstoffaufschleminung speziell in ihrer physikalischen
Beschaffenheit in einen solchen Zustand, (1aß sie unter den günstigsten Strömungsbedingungen
auf (las Langsieb oder Metalltuch der Papierinaschine gefördert wird. Hierzu wird
zugleich ein neues Gerät behandelt, das beim Verfahren den "iinstigen physikalischen
Konsistenzzustand der Stoffaufscülcmmting hcrbeiführt. Die neue Lösung besteht darin,
(laß die Strömungseigenschaften des in Fluß befindlichen Stoffdruckstromes derart
ge-:indert werden, daß die für den geänderten Strön1t?ngszustand gültige Reynoldsche
Zahl nicht über 2000 liegt und daß dabei Zustandsbedingungen
geschaffen
weiden, die eine erstarrte Strömung der in Fluß befindlichen Stoffaufschlemmung
gewährleisten.
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Dieses neue Verfahren hat folgende Vorteil..: Die aufgeschlemmten
Fasern des Papierbreies verteilen sich bei Annäherung an die Schaumlatte über die
größere Querschnittsfläche des Papierflusses in einem relativ festen gegenseitigen
Konsistenzverhältnis. Die Stoffaufschlemmung wandelt sich fortschreitend von einem
turbulenten Strömungszustand in einen im wesentlichen erstarrten Ströinungszustand
um, wobei der erstarrte Zustand vor dem Durchlauf an der Schaumlatte erreicht wird.
Sofern in der Stoffmasse zugleich mit der Bildung des Erstarrungsströmungszustandes
eine stärkere Flockenbildung auftritt, läßt sie sich ohne Aufreißen der verbesserten
Stoffbildung beim Durchgang unter der Schaumlatte wieder aufbrechen.
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Das Gerät zur Durchführung des Verfahrens enthält einen Stoffauflaufkasten
für hochtourige Papiermaschinen; er ist so konstruiert, daß er die Strömungsverhältnisse
der in den Stoffauflaufkasten einlaufenden Holzcelluloseaufschlemmung fortschreitend
vom turbulenten Zustand in einen erstarrter. Zustand umwandelt. Hierzu hat das Gerät
mehrere Verteilerrohre, die alle in eine Aufnahmekammer einmünden. Die Aufnahmekammer
sitzt im Eingangsteil eines Stoffauflaufkastens von im allgemeinen rechteckigem
Querschnitt. Im Eingangsteil sind dicht an der Aufnahmekammer eine Reihe von gedrängt
aneinanderliegenden weiteren Röhren untergebracht, die zusammen so abgedichtet sind,
daß die gesamte Stoff aufschlemmung durch sie hindurchgehen muß. Die Röhren stehen
weiterhin mit einem im allgemeinen horizontal verlaufenden geraden Kanalteil des
Stoffauflaufkastens in durchgehender Verbindung. Der Kanalteil hat einen oder mehrere
Lufteinlässe und Vorrichtungen zur Regelung der Spiegelhöhe der Strömungsmasse und
hält dadurch die durch den horizontalen Kanalteil fließende Stoffmasse unter im
wesentlichen konstantem Druck und konstanter Spiegelhöhe. Die am Auslaßende des
geradlinigen Kanalteiles liegende Schaumlatte ist verstellbar. Man kann so die Stoffmasse
bequem regelbar auf das Sieb oder das Metalltuch der Papiermaschine vorschicken.
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Die Zeichnungen zeigen Einzelheiten der Erfindung. Dabei ist Fig.
i eine teilweise im Schnitt :gezeigte Seitenansicht eines gemäß Erfindung entwickelten
Stoffauflaufkastens, Fig. 2 ein Querschnitt längs der Linie 2-2 in Fig. i, in Blickrichtung
der dabei mit eingezeichneten Pfeile, Fig.3 ein Querschnitt längs der Linie 3-3
in Fig. i, in Blickrichtung der dabei eingezeichneten Pfeile, Fig. 4 ein von oben
gesehener Grundriß des Stoff -auflaufkastens, Fig. 5 ein in vergrößertem Maßstab
dargestellter Einzelteilquerschnitt längs der Linie 5-5 ,in Fig. i, worin die genauere
Anordnung der kleinkalibrigen Röhren gezeigt ist, Fig. 6 ein in vergrößertem Maßstab
dargestellter Einzelteilquerschnitt längs der Linie 6-6 in Fig. 4, worin die genaue
Anordnung der an den Einlaßenden der kleinkalibrigen Röhren angesetzten Mündungs-
oder Stauscheiben gezeigt ist, Fig. 7 ein horizontaler Einzelteilquerschnitt längs
der Linie 7-7 in Fig. i, Fig.8 eine perspektivische Ansicht einer Entflockungswalze,
wie sie in Verbindung mit der hierin gezeigten Ausführungsform eines Stoffauflaufkastens
verwendet werden kann.
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Hinsichtlich des physikalischen Verhaltens von Wasser und anderer
ähnlicher homogener Strömungsmittel ist seit langem bekannt, daß deren Fluß oder
Strömung in einem langen geradlinigen Rohr oder in einem ähnlichen Leitungskanal
von einheitlichem Querschnittsflächeninhalt entweder turbulent oder stromlinienförmig
sein kann; die Strömungsart hängt dabei hauptsächlich von der Strömungsgeschwindigkeit,
dem Querschnittsflächeninlialt des Leitungskanals und von der Zähflüssigkeit oder
Viskosität des in Frage stehenden Strömungsmittels ab. Die Neigung einer Flüssigkeit,
entweder eine stromlinienförmige oder eine turbulente Strömung zu entwickeln, kann
durch Bestimmung der Reynoldschen Zahl rechnerisch ermittelt werden. Verschiedene
Forscher sind zu dem Ergebnis gelangt, daß bei Reynoldschen Zahlen unter 2ooo die
Strömung normalerweise stromlinienförmig ist, während hingegen bei Reynoldschen
Zahlen, die den Wert 4000 überschreiten, die Strömung -normalerweise turbulent verläuft.
Bei den dazwischenliegenden Zahlenwerten ist die Neigung einer Flüssigkeit, entweder
die stromlinienförmige oder die turbulente Form anzunelcmen, in der Regel unbestimmt.
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In der Papierindustrie, auf die sich die vorstehende Erfindung speziell
bezieht, besteht die durch den Stoffauflaufkasten auffließende Stoffmasse aus einer
Aufschlemmung von für die Papierherstellung geeigneten Fasern in Wasser, und es
handelt sich dabei infolgedessen um ein nichthomogenes Strömungsmittel. Da die normale
Verdünnung für die bei Papiermaschinen verwendete Stoffmasse in der Größenordnung
von 3 bis io kg Fasern auf je iooo kg Wasser liegt, wurde in der Praxis bei der
Konstruktion der Papiermaschinen die Annahme zugrunde gelegt, daß die durch den
Stoffauflaufkasten hindurchgehende Strömungsmasse sich fast genau so wie Wasser
verhält; demgemäß wurden auch die Prüfversuche an der Stoffauflaufkasten- und Schaumlattenkonstruktion
normalerweise mit Wasser durchgeführt, dem geringe Mengen von Aluminiumstaub oder
irgendeines anderen Materials zugesetzt wurden, um dadurch die Strömungscharakteristik
einzuhalten.
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Demgegenüber konnte jedoch festgestellt werden, daß unter geeignet
gesteuerten Betriebsbedingungen das Verhalten einer Papierstoffaufschlemmung gänzlich
verschieden von demjenigen von Wasser ist; das Verhalten dieser letzteren Stoffaufschleinmung
entspricht vielmehr eher demjenigen gewisser gallertartiger Kolloide, die bei Schüttelung
eine
flüssige und im Ruhezutand wieder eine konsistente Form annehmen,
d: h. diese Stoffaufschlemmung ist ihrer Natur nach reversibel kolloidal (thixotrop),
und der sich hierbei ergebende Strömungszustand kann unter physikalischen Eigenschaften
zustande kommen. die sowohl von der turbulenten als auch von der stromlinienartigen
Strömungsform verschieden sind; dieser Strömungszustand wird im folgenden als erstarrte
oder Erstarrungsströmung angesprochen.
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Da die durch den Stoffauflaufkasten hindurchgehende Stoffmasse üblicherweise
einen überschuß von 99% Wasser hat, schwankt die Viskosität einer derartigen Stoffmasse
mit der Temperatur in der Weise, wie dies auf Grund der physikalischen Gesetze für
die Viskosität von Wasser zu erwarten ist. Hierbei überschreiten jedoch die Schwankungen
in der Viskosität des Wassers entsprechend den Schwankungen der in . dem Stoffauflaufkasten
üblicherweise verwendeten Temperatur nicht den Bereich von 0,3 bis i,o cp
(Zentipoisen = 1/1.. Poisen; i Poise = t Dyn-Sekunde je Quadratzentimeter). Eine
genaue Messung der Schwankungen in der Viskosität der in Fluß befindlichen Stoffmasse
ist bei den jeweils auftretenden Geschwindigkeitsschwankungen schwierig; es sind
jedoch genügend Messungen gemacht worden, die eindeutig zeigen, daß es bei einer
bestimmten Temperatur und Konsistenz der Stoffmasse (Konsistenz = Verhältnis der
Stoffmasse in Kilogramm zu der Stoffmasse plus Wasser in Kilogramm) eine kritische
Geschwindigkeit gibt, oberhalb derer die Strömung turbulent ist, wobei die in Erscheinung
tretende Viskosität sehr nahe bei derjenigen von Wasser liegt; andererseits ist
die Strömung unterhalb dieser kritischen Geschwindigkeit stromlinienförmig oder
erstarrt, wobei die in Erscheinung tretende Viskosität im umgekehrten Verhältnis
zur Geschwindigkeit schwankt. Die ini unigekehrten Verhältnis zur Geschwindigkeit
auftretenden Schwankungen der in Erscheinung tretenden Viskosität der durch den
Stoffaufläufkasten hindurchströmenden Stoffmasse wurden zwischen i,o und
27,0 cp gemessen, wenn die Viskosität des Wassers allein auf o,9i cp konstant
gehalten wurde; hierbei ergibt sich Eins einer Überprüfung der Versuchsresultate
ganz klar, daß lediglich die physikalische Unzulänglichkeit des Prüfgerätes eine
Vornahme von Messungen bei sehr niedriger Geschwindigkeit verhindert, welch letztere
Messungen zweifellos vorkommende Viskositäten zeigen wurden, die erheblich unter
27,0 cp liegen. Dieser sehr bemerkenswerte Anstieg an in Erscheinung tretender
Viskosität bei Geschwindigkeiten, die unterhalb der kritischen Geschwindigkeit liegen,
ist wahrscheinlich auf das seitens der Fasern dargebotene Ausmaß an Oberflächeninhalt
zurückzuführen, und dementsprechend zeigt die in Erscheinung tretende Viskosität,
wie dies nicht anders zu erwarten ist, das Bestreben, mit zunehmender Konsistenz
anzusteigen, wobei alle übrigen Zustandsbedingungen konstant bleiben. Ebenso ließ
sich feststellen, daß die kritische Geschwindigkeit, bei der sich die jeweils auftretende
Viskosität derjenigen von Wasser nähert, mit abnehmender Konsistenz ebenfalls abnimmt;
jedoch kann die bei mäßig niedrigen Geschwindigkeiten, wie beispielsweise von etwa
15 cm/sec, in Erscheinung tretende Viskosität noch io- bis 2omal so groß
wie diejenige von Wasser sein, wenn die Konsistenz auf angenähert o,5 °,/o abgesunken
ist.
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Die im vorhergehenden erwähnte Reynoldsche Zahl wird nach folgender
Formel berechnet:
hierbei ist R = Reynoldsche Zahl, D = Durchmesser, h = Geschwindigkeit, p
= Dichtigkeit, u = Viskosität.
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Bei Strömungen von nichtkreisförmigem Querschnitt lautet die Formel:
hierbei ist ff = die auf das Gewicht bezogene Durchflußgesehwindigkeit,
L p = der benetzte Umfang des Querschnitts des Durchgangskanals, u = Viskosität.
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Vor dieser Erfindung war bei der Zubringung von Wasser oder einer
Stoffaufschlemmung, deren Viskosität sich derjenigen von Wasser näherte, mittels
Röhren oder mittels Stoffauflaufkastenkanäle praktisch üblicher Abmessungen und
bei Geschwindigkeiten, wie sie normalerweise verwendet werden, der Strömungsfluß
stets turbulent, und die dabei ermittelte Reynoldsche Zahl zeigte diesen Strömungszustand
durch einen Zahlenwert von 5o ooo und mehr an. Wenn jedoch entsprechend vorstehender
Erfindung das reversibel kolloidale (thixotrope) Verhalten von Stoffaufschlemmung
bei Geschwindigkeiten ausgenutzt wird, die je nach Konsistenz und Temperatur unter
30,5 cm/sec bis 91,5 cm/sec liegen, dafin hat, wie festgestellt wurde, die
Tendenz der Flüssigkeit entweder eine turbulente oder eine stromartige Form anzunehmen,
was jeweils in der Reynoldschen Zahl zum Ausdruck kommt, einen unmittelbaren Einfluß
auf die Arbeitsleistung des Stoffauflaufkastens und der Schaumlatte.
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Wenn die Reynoldsche Formel auf die Konstruktion des Stoffauflaufkastens
angewendet wird, dann muß berücksichtigt werden, daß die Reynoldsche Zahl zum Teil
durch die Viskosität bestimmt ist und daß in einer strömenden Stoffaufschlemmung
die Viskosität hauptsächlich von der Geschwindigkeit abhängt. Wenn daher in einer
Strömung, deren Durchschnittsgeschwindigkeit ein gut Teil oberhalb der kritischen
Geschwindigkeit liegt, eine Wirbelbildung oder Turbulenz vorhanden ist, dann haben
örtlich begrenzte turbulente Strömungsflächen auch ihre örtlich individuellen Geschwindigkeiten,
die ein gut Teil oberhalb der Durchschnittsgeschwindigkeit liegen, wobei die Viskositäten
entsprechend geringer sind. Unter diesen Umständen kann die für den durchschnittlichen
Strömungszustand erinittelte Reynoldsche Zahl nur als Anzeige dafür
gewertet
werden, daß die Strömung das Bestrebest hat, entweder eine stromlinienartige oder
eine turbulente Form anzunehmen, wobei jedoch im Verlauf des Durchflusses der Stoffaufschlemmung
durch einen Leitungskanal gegebenenfalls die Zeit gar nicht ausreicht, daß entweder
der eine oder der andere Zustand tatsächlich erreicht wird.
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Die turbulente Strömung, welche üblicherweise bei Reynoldschen
Zahlen von über 200o auftritt, ist durch unregelmäßige Wirbelbildungen innerhalb
des Strömungsmittels gekennzeichnet, ferner durch einte unstabile und dennoch kontinuierliche
Unibildung. In einer Stoffaufschlemmung, deren durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit
(wie sie durch die Durchflußgeschwindigkeit und den Querschnitt des Leitungskanals
bestimmt ist) niedrig genug ist, um eine hohe in Erscheinung tretende Viskosität
anzuzeigen, kann die Geschwindigkeit innerhalb der Wirbel hoch genug sein, um die
Viskosität nahezu auf diejenige von Wasser zurückzuführen, und die Wirbelstrombildung
zeigt daher eine gewisse Beharrungstendenz.
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Die stromlinienartige Strömungsform, die gewöhnlich bei Reynoldschen
Zahlen von weniger als 2ooo auftritt, ist durch die Strömungsbewegung einer Flüssigkeit
innerhalb eines Rohres in der Weise gekennzeichnet, daß sich jeder Strömungsfaden
der Flüssigkeit geradlinig und parallel zur Rohrachse bewegt, wobei die Geschwindigkeit
der Strömungsfäden fortschreitend nach der Rohrmitte hin zunimmt. Es erscheint sehr
fraglich, ob eine Stoffaufschlemmung, deren Konsistenz für einen Zustand, wie er
im Stoffauflaufkasten gewünscht wird, geeignet ist, überhaupt in einem stromlinienförmigen
Zustand fließen kann.
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Eine erstarrte Strömung einer Stoffaufschlemmung tritt jeweils dann
auf, wenn die Reynoldschen Zahlen unter 2ooo liegen und wenn die von einer vorausgehenden
turbulenten Strömung her noch weiter beharrenden Wirbelströmungen sich beruhigt
haben. Die erstarrte Strömung ist durch eine dünne, nächstliegend irgendeiner von
der Stoffaufschlemmung berührten Oberfläche des Leitungskanals vorhandene Schuh-
oder Scherzone gekennzeichnet, in der die Faseln die Neigung zeigen, aneinander
vorbeizurollen oder vorbeizuscheren, während der gesamte restliche Querschnitt der
in Fluß befindlichen Stoffaufschlemmung in einen Festkörper erstarrt zu sein scheint,
der sich parallel zur Achse des Leitungskanals und mit einer über dessen Gesamtquerschnitt
gleichförmigen Geschwindigkeit bewegt. Da innerhalb einer erstarrten Strömung nur
wenig oder überhaupt keine gegenseitige Bewegung der Fasern stattfindet, geht das
Anhäufen oder Anschuppen der Fasern zu Flocken nur sehr langsam vor sich oder kommt
überhaupt nicht zustande.
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Wenn die bei einer Papiermaschine vorgesehene Stoffmasse unter normaler,
für den Durchgang im Stoffauflaufkasten vorgesehener Konsistenz durch glatte Leitungskanäle
fließt, dann hängt die Tendenz der aufgeschlemmten Fasern, sich anzuschuppen und
Flocken zu bilden, von der Art der Strömung ab. In einer turbulenten Strömung wird
<las Bestreben der Fasern, Flocken zu bilden, ständig durch die Schub- oder Scherwirkung
der Wirbelströmungen unterdrückt. In einer erstarrten Strömung sind die einzigen
Kräfte, die auf die Fasern im Sinne einer :@tihäufung derselben zu Flocken einwirken,
durch die Anwesenheit von Luft bedingt, indem dieselbe einen Luftauftrieb oder Verschiedenheiten
in dein spezifischen Gewicht der Fasern und des Wassers verursacht.
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Die Funktion des bei der Papiermaschine vorgesehenen Stoffauflaufkastens
besteht darin, eine Anzahl Stoffaufschlemmungsströme von einzelnen Strömungsverteilern
oder von einer oder mehreren Röhren aus aufzunehmen und diese Stoffaufschlemmurig
in geeignetem physikalischem Zustand an die Schaumlattenöffnung abzuführen. Es ist
dabei unmöglich, an der Schaunilattenöffnung einen völlig konsistenten oder in sich
stabilen Aufschleinmungsstrahl abzuführen, wenn die Strömung an der Schaumlattenöffnung
noch turbulent ist; andererseits ist ein in sich konsistenter oder stabiler Strahl,
der eine deutlich umrissene Flockenbildung zeigt, für die Herstellung eines gleichmäßigen
Papiers ungeeignet. Die Aufgabe der in Verbindung finit einem Stoffauflaufkasten
benutzten Schaumlatte besteht darin, die Geschwindigkeit der Strömungsmasse in regelbarer
Weise bis zu einem Grad zu steigern, der etwa der Umlaufgeschwindigkeit des Metalltuches
einer Fourdrinier- oder Langsiel>-papierinaschine entspricht, wobei die Strömungsmasse
üblicherweise in Form eines frei abkommenden Strahles von bestimmter Breite und
geregelter Tiefe abgeführt wird. Viele Konstrukteure haben eine Lösung in der Weise
versucht, daß sie einen Stoffstrahl erzeugten, der von der Schaumlattenöffnutig
mehr oder weniger parallel zu dem -Metalltuch und gewöhnlich etwas oberhalb des
letzteren abkommt und der frei von Turbulenzerscheinungen sein soll, was jedoch
schon aus dem Grunde nicht erfolgreich sein konnte, als es sofort anschließend zu
einer neuen Beunruhigung kommt, wenn die Stoffmasse sich auf dem Metalltuch zu einer
einheitlichen Formierung vereinigt. Um eine übermäßige Flockenbildung innerhalb
des Stoffauflaufkastens zu vermeiden, wurde die sich der Schaumlattenmündung nähernde
Strömung unverändert turbulent gehalten, was zur Folge hat, daß die Turbulenz auch
durch die Schaumlattenmündung hindurch sowie in dem frei abkommenden Strahl und
auch beim Auftreffen auf dem Metalltuch noch weiter anhält; hierdurch sind innere
Erschütterungen, Schlierenbildung, Verfilzungen und andere einer einheitlichen Stoffbildung
schädliche Erscheinungen unvermeidlich. Ein einwandfrei in sich stabiler Stoffstrahl
läßt sich nur dann erzeugen, wenn der Schaumlattenöffnung oder Schaumla'ttenmündung
eine erstarrte Strömungsmasse zugeführt wird; ein derartiger Strahl behält auch
als frei schwebend abgeführter Strahl seine innere Stabilität über mehrere Fußlängen
bei, nachdem derselbe von der Schaumlatte mit Strahlgeschwindigkeiten von 2i.3 bis
518 m/min oder mehr abkommt.
Aus dem Vorausgehenden ist sonach zu
ersehen, daß die vorstehende Erfindung speziell ein Verfahren betrifft, bei dem
der Strörnungsfluß einer Papierstoffmasse oder Holzcelluloseaufschlemmung derart
reguliert wird, daß deren Strömungscharakteristik von einem voll turbulenten Strömungszustand
in einen erstarrten Strömungszustand geändert wird. Dies geschieht in der Weise,
daß die Holzcelluloseaufschlemmung von einer Eingangs- oder Aufnahmekammer aus zuerst
durch eine Vielzahl querschnittsmäßig eingeschränkter Durchlaßkanäle geschickt wird,
worauf die gesamte Stoffaufschleinmung dann zwecks Bildung eines erstarrten Strömungszustandes
durch nur mehr einen einzigen Durchgangskanal geleitet wird, um schließlich als
erstarrte Stoffaufschlenimung durch die Schaumlattenmiindung auf das Drahtsieb oder
-Metalltuch einer Papiermaschine ausgestoßen zu werden.
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In den Zeichnungen ist eine bevorzugte Ausführungsform des auf Grund
der Erfindung entwickelten Gerätes im einzelnen dargestellt. Hierbei ist ein Hauptzuleitungsrohr
5, das die ankommende Stoffmasse zuführt, mit dem mittleren Teil eines quer stehend
angeordneten Sammelrohres 6 verbunden, dessen Länge etwas größer als die Breite
des Drahtsiebes oder Metalltuches der zugehörigen Papiermaschine ist. Der durch
den Sammelbehälter 6 fließende Papierbrei wird von diesem Sammelbehälter aus gleichmäßig
durch mehrere, schrägnach aufwärts verlaufende Zuflußrohre 7 (s. Fig. 1 und 7) abgeführt,
von denen jedes mit einer im Durchinesser reduzierten Mündungs- oder Stauscheibe
8 versehen ist, durch die die Strömungsgeschwindigkeit der zugeführten Stoffmasse
in einer im folgenden noch näher zu beschreibenden `'eise richtig reguliert wird.
Die von den Zuflußrohrel17 austretend, Stoffmasse wird in einem turbuleiiteii Strömungszustand
in eine quer zu den Zuflußrohren 7 angeordnete und im Querschnitt rechteckige Kammer
g abgeführt, welch letztere funktionsmäßig den Eingangsteil des eigentlichen Stoffauflaufkastens
darstellt.
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Der Stoffauflaufkasten selbst besteht aus einem schräg nach aufwärts
verlaufenden, im Querschnitt recliteckförmigen Kanalteil lo, der aus Walzblech geformt
ist und dessen Breite angenähert der Breite des 1)rahtsiehes der zugehörigen Papiermaschine
entspricht, während sich die Tiefe des Blechkanals io je nach dem Volumen und der
in der Zeiteinheit durchströmenden Zuflußinenge bei den jeweils vorliegenden Betriebsbedingungen
richtet. Das Innere des Blechkanals io ist mit einer Vielzahl relativ kleinkalibriger
Röhren 11 ausgefüllt, die jeweils zur Längsachse des Kanalteiles 1o parallel verlaufen
und die gegenseitig punktverschweißt sind. Die zwischen den Außenseiten der Röhren
11 vorhandenen Leerräume sind nächst den Röhrenenden etwa durch eine geeignete Zementmasse
12 vollständig ausgefüllt, wie dies in Fig. 2 und 5 der Zeichnungen angedeutet ist.
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Der untere Endabschnitt des Blechkanals lo bildet zusammen finit den
Einlaßenden der Röhren I1 die bereits erwähnte Querkammer g. Jede Röhi e 11 ist
an ihrem Einlaßende mit einer Mündungs- oder Stauscheibe 13 versehen, die eine im
Durchmesser reduzierte Mündungsöffnung 1,4 aufweist (s. Fig. 5 tind 6 der Zeichnungen).
Die Röhren 11 haben entsprechend der Darstellung in Fig. 1 ganz verschie-(ene Längen,
wobei die Röhren der untersten Lage am längsten und die Röhren der obersten Lage
am kürzesten sind; hierbei steht die mittlere Lage sämtlicher Röhren l i in einem
ganz bestimmten Vzr-1,ältnis zu deren Durchmesser, was im folgenden ii:)cli au;fiilii-liclier
erläutert wird.
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=1n (las obere oder Austrittsende des Blechkanals io schließt sich
ein relativ langer und horizontal liegender Kanalteil 15 an, in dem der Erstarrungs7tistand
der Stoffaufschlemmung herbeigeführt wird. Der Kanalteil 15 ist aus mit glatter
Innenfläclie versebenem Walzblech geformt und ist außer-(lern an seinem Abgangs-
oder Auslaßende mit einer verstellbaren Schaumlatten- oder Linealvorrichtung versehen,
die als Ganzes mit 16 bezeichnet ist. Die Schauinlattenvorrichtung 16 kann an sich
irgendeine beliebige geeignete Konstruktionsform aufweisen, uni dieselbe jedoch
bei der hierin dargestelltei!Ausführungsform dem der Erfindung zugrunde liegenden
Prinzip in richtiger Weise anzupassen, ist Gier Einschließungswinkel zwischen dem
flachen "feil der verstellbar eingerichteten Schaumlatten-Zunge 17 und der horizontal
verlaufenden Schürze 18 auf maximal .I5° beschränkt, wenn in dem Mechkanal 15 eine
derartige Tiefe des Papierbreifusses benutzt wird, wie dies im folgenden noch weiter
beschrieben wird. Selbstverständlich sind hierbei Änderungen in dem maximal zulässigen
Einschließungswinkel zwischen der Schaumlattenzunge 17 und der Schürze 18 möglich,
je nachdem wie sich dieEinstellung dieserTeile inAnpassung an dieverschiedenen Betriebsfaktoren
als zweckmäßig ergibt.
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Die mechanischen Einzelheiten der Schaumlatten- oder Linealvorrichtung
sind an sich nicht Gegenstand der vorstehenden Erfindung; es soll daher hinsichtlich
des konstruktiven Aufbaues derselben in der Form, wie sie unter 16 dargestellt ist,
nur so viel gesagt werden, daß dieselbe die ortsfest angeordneten Befestigungselemente
ig enthält, die die Tragkörper 2o für die Schaumlattenzunge 17 gleitbar abstützen,
wobei die Tragkörper 20 in jeder beliebigen Betriebslage gegenüber der Schürze 18
eingestellt und befestigt werden können; letzteres kann durch eine aus Stellschrauben
und einem Handrad bestehende Einbauordnung geschehen, die als Ganzes unter 21 angedeutet
ist.
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Bei der hierin dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist der
Stoffauflaufkasten als unter Druck stehend gezeigt, wobei die Strömungstiefe der
in dem horizontal verlaufenden Blechkanal 15 Befindlichen Holzzellstoffaufschlemmung
kleiner als die Gesamttiefe dieses Blechkanals ist. Bei Verwenduiig einer derartigen
Konstruktionsanordnung ist eine Vorrichtung mit vorgesehen, durch die jeweils der
Druck in demjenigen Teil des Kanals 15, der über der in Fluß befindlichen Holzzellstoffaufschlemmung
liegt, aufrechterhalten wird; diese letztere Vorrichtung umfaßt im vorliegenden
Fall
ein Einlaßrohr 22, das an seinem einen Ende in den Kanal 15
mündet und dessen anderes Ende mit einem hierin nicht gezeigten Druckluftspeicher
verbunden ist. Damit auf die unter Luftdruck durch den Kanal 15 hindurchströmende
Stoffmasse eine richtige Regulierwirkung in dem Sinne ausgeübt werden kann, daß
sowohl die Strömungstiefe als auch die Strömungsgeschwindigkeit der in dem Kanal
fließenden Stoffmasse unter entsprechender Kontrolle gehalten wird, ist an einer
der Wandungen des Kanals 15 ein in den letzteren hineinführendes Anzapf- oder Entnahmerohr
23 von verhältnismäßig kleinem Durchmesser fest aufgebracht, das in einer Höhe angesetzt
ist, die im wesentlichen der konstruktiv vorgesehenen Strömungstiefe der Papierstoffaufschlemmung
entspricht. Hierbei ist im allgemeinen ein Regulierventil 24 mit vorgesehen, durch
das der beabsichtigte Auslaß begrenzt wird, wobei die Auslaßseite des Ventils 24
mit der unter dem Drahtsieb angeordneten Grube der Papiermaschine verbunden sein
kann.
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Es entspricht weiterhin dem Erfindungsprinzip, daß der Kanal 15 nur
so tief bemessen ist, daß bei einer gegebenen Kanalbreite eine Querschnittsfläche
und eine Strömungsleistung vorgesehen wird, die die von der Vielfachröhrenanordnung
I I des Blechkanals io abgeführte Strömungsmasse in richtiger Weise aufnimmt.
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Unter normalen Betriebsbedingungen, wie sie jeweils bei der Herstellung
von Zeitungsdruckpapier, sei es mit oder ohne Entlüftung im Stoffauflaufkasten,
herrschen, kommt jeweils in dem Moment, wo sich die letzten Turbulenzerscheinungen
beruhigt haben und bevor ein gewisser Erstarrungszustan.d der Strömungsmasse eintritt,
eine gewisse Flockung der Fasern zustande; hierbei ergibt sich ein Flockungsmuster,
das beim Durchgang durch die Schaumlattenmündungsöffnung und in dem Papier zurückgehalten
wird. Für den Fall, daß dieses Flockungsmuster etwas zu große Flockungsbestandteile
enthält, ist gemäß Erfindung eine Entflockungsvorrichtung mit vorgesehen, bei der
die Entflockung durch Herbeiführung einer schwachen Turbulenz in der Strömungsmasse
erreicht wird, wobei die Strömungsmasse unmittelbar anschließend an diesen geringfügigen
Turbulenzzustand wieder in den Erstarrungsströmungszustand zurückfällt, bevor dieselbe
die Schaumlattenöffnung erreicht. Zu diesem Zweck ist eine rotierbare, käfigartige
Entflockungswalze 25 mit vorgesehen (s. Fig. 8), die innerhalb des horizontal verlaufenden
Blechkanals 15 und quer zu demselben gelagert ist, wobei dieselbe mit ihrer Drehachse,
wie unter 26 und 27 gezeigt, eingesetzt ist und durch eine geeignete, hierin nicht
gezeigte Kraftantriebsverbindung in Drehung versetzt wird. In jeder der angenommenen
Einsatzstellungen der Entflockungswalze 25 dient die letztere dazu, die Flockenbildung
in der Weise aufzureißen, daß die Stoffmasse noch in der Lage ist, wieder den erstarrten
Strömungszustand anzunehmen, bis dieselbe die Schaumlatten-oder Linealvorrichtung
erreicht und durch dieselbe vorgestoßen wird. Für die Größen- oder Dimensionsbestimmung
der verschiedenen Teile eines nach dem vorstehenden l,.rfindungsprinzip aufgebauten
Stoffauflaufkastens ist eine Reihe von Gesichtspunkten zu berücksichtigen; das gleiche
trifft zu für die jeweils notwendigen Geschwindigkeitseinstellungen und Ströinungseinschränkungen
der nach vorstehendem Verfahren zu behandelnden Stoffaufschlemmung. Folgende Daten
können hierbei als Beispiel angegeben werden: Die wichtigsten Gesichtspunkte für
den konstruktiven Entwurf und die dabei zu berücksichtigenden Betriebsfaktoren,
insoweit dieselben für die Durchführung des Verfahrens nach vorstehender Erfindung
in Betracht kommen, sind folgende: a) Art des zu verarbeitenden Ausgangsstoffes,
besonders hinsichtlich Fasergröße und Oberflächeninhalt; b) Konsistenz der Stoffaufschlemmung
(Gewicht der absolut trockenen Faser im Verhältnis zu dem Gewicht der Faser plus
Wasser) ; c) Grad der Turbulenz und Durchschnittsgeschwindigkeit der in den Stoffauflaufkasten
eintretenden Strömung; d) Durchflußleistung im Stoffauflaufkasten, bezogen auf die
Breiteneinheit; e) die bei Durchgang durch den Stoffauflaufkasten benutzten Durchschnittsgeschwindigkeiten;
f) allgemeine Art der für ein rasches Umsetzen der Stoffmasse von einem turbulenten
Strömungszustand in einen erstarrten Strömungszustand zu benutzenden Vorrichtungen;
g) Höchstgeschwindigkeit des Drahtsiebes und entsprechend gewünschte Strahlgeschwindigkeit
und Gefällhöhe an der Schaumlatte; h) Glätte der mit der Stoffmasse in Berührung
kommenden Oberflächen; i) Temperatur der Stoffaufschlemmung.
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In Berücksichtigung obiger Gesichtspunkte und Betriebsfaktoren lassen
sich bei der speziell hierin beschriebenen Ausführungsform der Erfindung für einige
der oben angegebenen Punkte folgende näheren Angaben machen: Zu a) als Ausgangsprodukt
wird eine Papierbreiaufschlemmung für Zeitungsdruckpapier verwendet, die sich aus
etwa 8o % Holzschliffcellulose und 2010 Sulfitcellulose. zusammensetzt; zu b) die
Konsistenz der Stoffaufschlemmung in dem Stoffauflaufkasten beträgt ungefähr o,6o
%; zu c) bei Verwendung von nur einem Zuleitungsrohr nach dem Sammelrohr 6 hin ist
eine durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit von nicht mehr als 1,82 m/sec vorgesehen;
zu d) die maximal vorgesehene Durchflußleistung im Stoffauflaufkasten und an der
Schaumlatte beträgt 0,0283 cbm/sec, bezogen auf 30,5 cm Schaumlattenbreite;
zu g) die Maximalgeschwindigkeit des Drahtsiebes beträgt 365 m/min bei einer Strahlgeschwindigkeit
durch die Schaumlattenöffnung von etwa 5,5 m/sec und einem Druckgefälle von etwa
1,5 m Wassersäule; zu i) die Temperatur der Stoffaufschlemmung beträgt etwa 38°
C.
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Bei den vorstehenden Betriebsverhältnissen hat beispielsweise das
Hauptzuleitungsrohr 5, das die ankommende Papierstoffaufschlemmung zuerst aufnimmt,
einen Durchmesser von 59,8 cm, während das mit dem Hauptzuleitungsrohr verbundene
Sammelrohr 6 einen Durchmesser von 45,7 cm
aufweist; hierdurch wird
in dem Sammelrohr ein aufgespaltener oder geteilter Strömungsfluß vorgesehen mit
einer durchschnittlichen Maximalgeschwindigkeit von etwa 1,2 m/sec. Die Zuflußrohre
7 haben einen Durchmesser von jeweils 25,4 cm bei einer durchschnittlichen Maximalgeschwindigkeit
der Strömungsmasse von 1,22 m/sec, während die in denselben eingesetzten Mündungs-
oder Stauscheiben 8 dazu dienen, eine gleichmäßige Verteilung der Strömungsmasse
durch die Mündungsöffnungen bei einer durchschnittlichen Maximalgeschwindigkeit
von 1,83 m/sec sicherzustellen. Die zwischen den Mündungsöffnungen der Stauscheiben
und der Querkammer 9 liegende Restlänge der Zuflußrohre 7 darf nicht kleiner als
76 cm sein. Die Stoffmasse wird in die Querkammer 9 in einem hochturbulenten Strömungszustand
abgeführt. Dagegen ist die Durchschnittsgeschwindigkeit der Strömungsmasse im Verhältnis
zu dem Querschnittsflächeninhalt der Querkammer 9 niedrig.
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Von der Querkammer 9 aus wird die Stoffmasse durch die kleinkalibrigen
Röhren i i gedrückt, die unter den vorerwähnten Betriebsbedingungen einen Durchmesser
von io,i6 cm haben, während die an denselben vorgesehenen Mündungs- oder Stauscheiben
13 Mündungsöffnungen 14 von einem derartigen Durchmesser aufweisen, daß dadurch
eine Geschwindigkeit der Strömungsmasse von 1,83 m/sec erreicht wird. Hierzu wird
bemerkt, daß ein Teil des Gescbwindigkeitsdrucks der durch die Mündungsöffnungen
i4 hindurchgehenden Strömung in den Röhren i i in statischen Druck umgewandelt wird,
der sich in diesen Röhren wahrscheinlich über eine Strecke bis zum achtfachen Durchmesser
ausbreitet. Aus Versuchen hat sich ergeben, daß die Röhren i i, wenn sie das Erfindungsprinzip
richtig in die Praxis umsetzen sollen, zweckmäßigerweise eine durchschnittliche
Länge haben müssen, die dem Zwanzig- bis Dreißigfachen des Durchmessers derselben
entspricht. Der in den Röhren i i nicht umwandelbare Teil des Geschwindigkeitsdrucks
tritt als Wirbelbildung oder Turbulenz in Erscheinung, deren kinetische Energie
nahezu vollständig durch die an der Röhrenwandung entstehende Reibung aufgezehrt
ist, bevor die Stoffmasse die Auslaßenden der Röhren verläßt. Der aus den Röhren
i i austretende Strömungsfluß ist zwar noch turbulent, jedoch ist die in diesem
Stadium noch vorhandene restliche kinetische Energie relativ klein, so daß sich
die Strömungsmasse in einem Zustand befindet, bei dem sie leicht erstarren kann
und dies auch tut. Es mag bei dieser Gelegenheit auch interessieren, daß es sehr
fraglich ist, ob unter vorstehenden Betriebverhältnissen irgendwie ein sogenannter
stromlinienförmiger Strömungszustand stattfinden kann; aber selbst wenn dies möglicherweise
der Fall sein sollte, so zielt die Erfindung doch in erster Linie daraufhin ab,
einen Erstarrungsströmungszustand zu stabilisieren, der mindestens in dem Zeitpunkt
sichergestellt ist, wo die Stoffmasse durch die Schaumlattenöffnung vorgetrieben
wird. In dem horizontal verlaufenden Blechkanal 15 ist, wie die Erfahrung gezeigt
hat, jeweils dann die günstigste Vorbedingung für ein Erstarren der Stoffmasse vorhanden,
wenn beim Eintritt derselben in den horizontal verlaufenden Blechkanal eine mäßige
Beschleunigung der Stoffmasse stattfindet; dies wird bei der vorstehenden Konstruktionsanordnung
zweifellos erreicht, obgleich nach wie vor der Schwerpunkt des beabsichtigten Endergebnisses
darin liegt, an der Schaumlatte stets eine erstarrte Strömung zu 'haben, ohne Rücksicht
darauf, ob an der Eintrittsstelle des horizontal verlaufenden Blechkanals 15 eine
Beschleunigung usw. erfolgt oder nicht. Es konnte festgestellt werden, daß unter
den vorausgehend beschriebenen Betriebsbedingungen und bei den angegebenen Geräteabmessungen
der Strömungsfluß der Stoffmasse innerhalb einer durchschnittlichen Entfernung von
1,8 m von den Austrittsenden der Röhren i i erstarrt, wenn die Strömungstiefe der
Stoffmasse in dem Kanal i _q auf 20,3 cm gehalten wird und wenn die entsprechende
durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit 45,7 cm/sec beträgt.
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Aus der letzteren Feststellung ergibt sich, daß bei der hierin gezeigten
Ausführungsform der Erfindung das Anzapf- oder Entnahmerohr 23 gleichfalls etwa
20,8 cm oberhalb der Bodenfläche des Blechkanals 15 zum Ansatz kommt, so
daß dessen Horizontalachse mit der Oberfläche der durchströmenden Stoffmasse etwa
in gleicher Ebene liegt.
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Für den Fall, daß ein Stoffauflaufkasten benutzt wird, bei dem zwar
das vorstehende Erfindungsprinzip zur Anwendung kommt, bei dein aber keine teilweise
in die Stoffmasse eintauchende Entflocktingswalze oder keine Druckluft über der
in dein horizontalen Blechkanal durchströmenden Stoffmasse benutzt wird, dann kann
der Aufbau des Stoff auflaufkastens in der Weise leicht geändert werden, daß in
diesem Betriebsfall die Tiefe des horizontal verlaufenden Blechkanals 15 auf die
Tiefe der durchströmenden Stoffmasse reduziert wird, so daß der ganze Blechkanal
mit Stoffmässe ausgefüllt ist. In diesem Fall bleibt der Flüssigkeitsspiegel der
Stoffmasse innerhalb des Blechkanals 15 konstant, da ja der letztere stets gefüllt
gehalten ist, wobei dann kein Abzapf- oder Entnähmeronr erforderlich ist.
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Aus alledem ist zu ersehen, daß gemäß vorstehender Erfindung ein neuartiges
Verfahren und Gerät entwickelt wurde, wodurch ein in Bewegung befindlicher Strömungsfluß
einer Papier bildenden Stoffinasse derart physikalisch beeinflußt wird, daß die
Zustandsbedingungen für einen erstarrten Strömungsfluß jeweils früher erreicht werden,
als die Stoffmasse dusch die Schaumlattenvorrichtung vorgetrieben wird, und daß
dieselben in eben diesem letzteren Zeitpunkt zur Wirkung kommen.
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Selbstverständlich lassen sich im Rahmen des Erfindungsgedankens noch
diese oder jene Änderungen hinsichtlich der Anordnung und Abmessungen der Einzelteile
treffen; diese Änderungen sind jedoch als Äquivalente in den Umfang der Erfindung
mit eingeschlossen und werden demgemäß von den Patentansprüchen mit erfaßt.