EP0814196A2

EP0814196A2 - Walze

Info

Publication number: EP0814196A2
Application number: EP97109726A
Authority: EP
Inventors: Rolf Dr.-Ing. Van Haag
Original assignee: Voith Sulzer Finishing GmbH
Current assignee: Voith Paper GmbH and Co KG
Priority date: 1996-06-21
Filing date: 1997-06-14
Publication date: 1997-12-29
Anticipated expiration: 2017-06-14
Also published as: US6405790B1; JP3373758B2; DE19624737A1; CA2208293A1; EP0814196B1; DE59708042D1; JPH1089825A; EP0814196A3

Abstract

Es wird eine Walze (1) angegeben mit einem Walzenrohr (2), das an seiner Außenseite einen elastischen Belag (22) aufweist. Eine derartige weiche Walze soll auf einfache Art und Weise gekühlt werden können. Hierzu umgibt das Walzenrohr (2) einen geschlossenen Innenraum (11), in dem eine verdampfbare Flüssigkeit (12) und ein Wärmetauscher (14) angeordnet sind. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Walze mit einem Walzenrohr, das an seiner Außenseite einen elastischen Belag aufweist.
Derartige Walzen werden beispielsweise in Superkalandern oder Softkalandern verwendet. Aufgrund der elastischen Oberfläche werden sie vielfach auch als "weiche" Walzen bezeichnet. Die weichen Walzen bilden zusammen mit sogenannten "harten" Walzen einen Walzenspalt, durch den eine Materialbahn, beispielsweise eine Papierbahn, geführt werden kann, deren Oberfläche durch Anwendung von Druck und gegebenenfalls einer erhöhten Temperatur geglättet werden soll.
Im Betrieb erwärmen sich die Oberflächen der Walzen, unter anderem wegen der in dem elastischen Belag geleisteten Walkarbeit. Die sich einstellenden hohen Temperaturen gefährden den elastischen Belag, d.h. die Sicherheit gegen Zerstörung des Belages wird drastisch reduziert.
Wenn das Walzenrohr als Walzenmantel einer Durchbiegeeinstellwalze oder Biegeausgleichswalze eingesetzt wird, bei der der Walzenmantel durch hydrostatische oder hydrodynamische Stützelemente abgestützt ist, kann Wärme durch das Hydrauliköl im Innern der Walze abtransportiert werden. Diese Maßnahme zur Stabilisierung der Temperatur, die sich bei Biegeeinstellwalzen sozusagen nebenbei ergibt, ist jedoch relativ aufwendig.
Es ist ferner bekannt, bei "harten" Walzen periphere Bohrungen im Walzenmantel vorzusehen, die von einem Wärmeträger- oder Kühlmedium durchströmt werden können. Die Wärmeaufnahme oder Abgabe dieses Mediums muß jedoch in relativ engen Grenzen gehalten werden, damit sich keine ungleichmäßige Temperaturverteilung über die Breite der Walze ergibt. Im Fall des Kühlens darf die Temperatur des Kühlmediums beim Durchströmen der peripheren Kanäle höchstens um 1° C, allenfalls um 2° C ansteigen. Dementsprechend groß ist die benötigte Menge an Kühlmedium.
Schließlich gibt es noch die Möglichkeit, die Walze von außen durch Beblasen mit kalter Luft oder Besprühen mit Kühlflüssigkeit zu kühlen. Die Kühlmöglichkeiten sind hierbei jedoch beschränkt. Insbesondere beim Besprühen mit einer Kühlflüssigkeit besteht die Gefahr, daß diese Kühlflüssigkeit auch auf die zu behandelnde Materialbahn gelangt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weiche Walze auf einfache Art zu kühlen.
Hierzu wird eine Walze angegeben mit einem Walzenrohr, das an seiner Außenseite einen elastischen Belag aufweist und das einen geschlossenen Innenraum umgibt, in dem eine verdampfbare Flüssigkeit und ein Wärmetauscher angeordnet sind.
Im Betrieb dreht sich die Walze und damit das Walzenrohr. Unter der Wirkung der Zentrifugalkraft wird die im Innenraum befindliche Flüssigkeit an die Innenwand des Walzenrohres gepreßt. Dort bildet sich dann ein Flüssigkeitsfilm aus. Zweckmäßigerweise sollte soviel Flüssigkeit im Innenraum vorhanden sein, daß sich ein geschlossener Flüssigkeitsfilm mit einer Dicke von wenigen Millimetern bildet. Dieser Flüssigkeit wird nun von außen durch das Walzenrohr Wärme zugeführt, so daß die Flüssigkeit verdampft. Die verdampfte Flüssigkeit, also der Flüssigkeitsdampf, gelangt an den Wärmetauscher und kann dort seine Wärme abgeben. Die Wärme wird dann durch den Wärmetauscher abtransportiert, d.h. aus dem Innenraum entfernt. Der Dampf kann dann am Wärmetauscher kondensieren. Das Kondensat gelangt dann wieder an die Außenwand des Innenraums, d.h. an die Innenseite des Walzenrohres, und der Kühlkreislauf geht wieder von vorne los.
Mit einer derartigen Ausgestaltung erreicht man eine sehr intensive Kühlung des Walzenrohres durch relativ einfache Maßnahmen. Da sich der Flüssigkeitsfilm an der Innenseite des Walzenrohres aufgrund der Zentrifugalkraft gleichmäßig ausbildet, erfolgt auch eine genau so gleichmäßige Wärmeabfuhr, so daß die Temperatur über die axiale Länge und über den Umfang des Walzenrohres in guter Nährung sehr gleichmäßig gehalten werden kann.
Vorzugsweise ist die Temperatur des Wärmetauschers auf eine Temperatur unterhalb der Kondensationstemperatur der Flüssigkeit absenkbar. Man erreicht damit, daß der Dampf nicht nur kondensiert. Das Kondensat wird vielmehr weiter abgekühlt. Hierdurch kann man eine größere Temperaturdifferenz zwischen dem Walzenrohr und dem Wärmetauscher erzeugen. Dies verbessert die Wärmeabfuhr, weil der Wärmetauscher eine größere Wärmemenge abführen kann.
Vorzugsweise ist der Innenraum gasdicht abgeschlossen. In diesem Fall bleibt der Kühlkreislauf geschlossen, d.h. es geht kein "Kältemittel" verloren. Man kann dann nicht nur Wasser als Kältemittel verwenden, sondern auch andere Flüssigkeiten, die beispielsweise einen niedrigeren Siedepunkt haben. Durch die Wahl der jeweiligen Flüssigkeit im Innenraum des Walzenrohres läßt sich die Temperatur, auf die sich das Walzenrohr erwärmen kann, in gewissen Grenzen einstellen.
Vorzugsweise ist die Walze zapfengelagert, wobei die Zapfen oder damit verbundene Teile den Innenraum an den axialen Enden abschließen. Damit erreicht man auf einfache Art und Weise einen ringsum gasdicht geschlossenen Innenraum. Derartige zapfengelagerte Walzen zeichnen sich durch ein sehr niedriges Eigengewicht aus, welches wiederum zu einer gewünschten steilen Kennlinie im Kalander führt. Durch den zusätzlichen Wärmetauscher, der nun im Innenraum einer derartigen Walze angeordnet ist, läßt sich die Walze mit einfachen Mitteln kühlen, so daß die im elastischen Bezug geleistete Walkarbeit keine negativen Folgen im Hinblick auf die Walzentemperatur und die Gefährdung des Belags hat.
Vorzugsweise rotiert der Wärmetauscher gemeinsam mit dem Walzenrohr. Dies hat zwei Vorteile. Zum einen erleichtert es die Abdichtung des Wärmetauschers gegenüber dem Walzenrohr. Wenn der Wärmetauscher gemeinsam mit dem Walzenrohr montiert ist, kann er im Innenraum sozusagen ortsfest gehalten werden, so daß keine Spalte zwischen bewegten Teilen abgedichtet werden müssen. Zum anderen führt der rotierende Wärmetauscher zu einer verbesserten Verteilung der an ihm kondensierenden Flüssigkeit. Flüssigkeitströpfchen, die sich aus dem Dampf am Wärmetauscher bilden, werden relativ schnell wieder an die Wand des Walzenrohres geschleudert, wo sie erneut verdampft werden können. Hierdurch wird in den Kältemittelkreislauf eine Art Pumpe eingesetzt.
Vorzugsweise ist dem Wärmetauscher ein Kühlmedium von außen zuführbar. Die Verwendung eines Kühlmediums ist eine relativ einfache Möglichkeit, um Wärme aus dem Innenraum des Walzenrohres abzutransportieren. Man könnte auch elektrische Bauelemente mit negativen Temperaturkoeffizienten verwenden. Für die abzuführenden Wärmemengen ist der Aufwand, den man treiben muß, allerdings relativ groß. Das Kühlmedium, beispielsweise eine Kühlflüssigkeit, kann in dem Wärmetauscher relativ stark erwärmt werden. Man ist hier nicht darauf begrenzt, eine Erwärmung nur um 1 oder 2° C zuzulassen. Vielmehr kann sich die Kühlflüssigkeit auch um 10° C, 20° C oder mehr erwärmen. Da die Kühlflüssigkeit eine höhere Temperatur annehmen kann, ist zum Abtransport der gleichen Wärmemenge ein entsprechend geringerer Volumenstrom der Kühlflüssigkeit durch den Wärmetauscher notwendig. Dennoch besteht keine Gefahr, daß sich eine ungleichmäßige Temperaturverteilung in dem Walzenrohr ergibt.
Vorzugsweise weist mindestens ein Zapfen eine Dreheinführung für das Kühlmedium auf. Eine derartige Dreheinführung ist allgemein bekannt. Da hier Flüssigkeiten übertragen werden müssen, ist die Abdichtungsproblematik hier nicht so schwierig, wie bei einer Gasübertragung. Die Dreheinführung ist auf einer Seite des Wärmetauschers angeordnet, die nicht mit dem Innenraum in Verbindung steht. Auf diese Weise besteht auch nicht die Gefahr, daß durch diese Dreheinführung Gas oder Dampf aus dem Innenraum entweichen kann.
Mit Vorteil ist der Wärmetauscher als schraubenlinienförmig geführtes Rohr ausgebildet. Damit kann sich der Wärmetauscher über einen gewissen Bereich in Axialrichtung erstrecken. Die Fläche, die für den Austausch der Wärme zwischen dem zugeführten Kühlmedium und dem im Innenraum befindlichen Dampf zur Verfügung steht, wird damit auf einfache Art und Weise vergrößert.
Vorzugsweise ist eine Evakuiereinrichtung für den Innenraum vorgesehen. Mit einer derartigen Evakuiereinrichtung kann der im Innenraum herrschende Druck abgesenkt werden. Damit wird die Siedetemperatur für die im Innenraum befindliche Flüssigkeit abgesenkt. Auch auf diese Weise ist es möglich, die Temperatur des Walzenrohres zu beeinflussen. Je niedriger der Druck ist, desto früher verdampft die Flüssigkeit. Da beim Verdampfen die größte Wärmemenge "verbraucht" wird, kann man nämlich die Temperatur des Walzenrohres mit einer guten Nährung in der Nähe des Siedepunkts der Flüssigkeit im Innenraum ansiedeln.
Bevorzugterweise ist der elastische Belag aus Kunststoff gebildet. Als Kunststoffe kommen beispielsweise Epoxidharze in Betracht. Kunststoffbeläge können hoch elastisch ausgebildet werden.
Bevorzugterweise ist ein Walzendrehantrieb vorgesehen. Dieser Walzendrehantrieb kann die Walze auch dann in Rotation versetzen, wenn noch keine Materialbahn durch den Walzenspalt geführt ist oder der Walzenspalt noch nicht geschlossen ist. In diesem Fall wird der Flüssigkeitsfilm an der Innenseite des Walzenrohres bereits vor der Aufnahme des eigentlichen Kalandrier-Betriebs erzeugt, so daß die Kühlung unmittelbar einsetzen kann.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigt die

einzige Figur: einen schematischen Querschnitt durch eine Walze.

Eine Walze 1 weist ein Walzenrohr 2 auf, das über Zapfen 3, 4 in Lagern 5, 6 in einem nicht näher dargestellten Kalander gelagert ist. Die Lager 5, 6 können gegebenenfalls in vertikaler Richtung angehoben oder abgesenkt oder horizontaler Richtung verstellt werden, um einen Walzenspalt 7 mit einer schematisch dargestellten zweiten Walze 8 zu öffnen oder zu schließen.
Die Zapfen 3, 4 erweitern sich am walzenseitigen Ende bis zum Durchmesser des Walzenrohres 2, so daß sie Wände 9, 10 bilden, die zusammen mit dem Walzenrohr 2 einen Innenraum 11 umgeben oder umschließen.
In diesem geschlossenen Innenraum 11 ist eine vorbestimmte Menge einer verdampfbaren Flüssigkeit 12, beispielsweise Wasser, angeordnet. Die Flüssigkeitsmenge sollte so groß sein, daß sich im Betrieb, also dann, wenn die Walze rotiert, an der Innenwand 13 des Walzenrohres 2 ein Flüssigkeitsfilm mit einer Dicke von wenigen Millimetern bildet. Dies ist in der Figur dadurch dargestellt, daß sowohl an der oberen Innenwand als auch an der unteren Innenwand 13 des Walzenrohres der entsprechende Flüssigkeitsfilm 12 ersichtlich ist. Natürlich wird sich dort keine wellenförmige Oberfläche ausbilden. Diese Darstellung wurde nur gewählt, um den Begriff der "Flüssigkeit" zu verdeutlichen.
Ferner ragt in den Innenraum 11 ein Wärmetauscher 14 hinein, der, wie dies schematisch dargestellt ist, als schraubenlinienförmig geführtes Rohr ausgebildet ist. Dieser Wärmetauscher 14 ragt also über eine gewisse Strecke axial in den Innenraum 11 hinein.
Der Wärmetauscher 14 ist mit Anschlüssen 15, 16 versehen, die durch den linken Zapfen 4 geführt sind. Hier ist eine statische Dichtung 17 vorgesehen, so daß der Innenraum 11 tatsächlich gasdicht abgeschlossen ist. Der Zapfen 4 ist hierbei vorzugsweise an der Nicht-Antriebsseite oder Führerseite angeordnet.
Durch die Anschlüsse 15, 16 kann ein Kältemittel zu- bzw. abgeführt werden, wie dies durch die Pfeile 18 schematisch dargestellt ist. Als Kältemittel kann beispielsweise ebenfalls Wasser verwendet werden. Die Zuund Abfuhr des Kältemittels erfolgt hierbei durch eine an sich bekannte Dreheinführung 19. In dieser Dreheinführung müssen zwar gegeneinander bewegliche Teile abgedichtet werden. Dies ist jedoch unkritisch, da auch über diese Dreheinführung keine Verbindung zwischen dem Innenraum 11 und der Umgebung hergestellt werden kann. Die Dreheinführung 19 erlaubt den Zutritt von Flüssigkeiten oder Gasen nur in das Innere des Wärmetauschers 14, d.h. die Seite des Wärmetauschers 14, die nicht mit dem Innenraum 11 in Verbindung steht.
Der Innenraum 11 ist ferner über ein Evakuierventil 20 mit einem Evakuieranschluß 21 verbunden. Der Evakuieranschluß 21 kann beispielsweise mit einer Vakuumpumpe, gegebenenfalls auch einer manuell betriebenen Vakuumpumpe, verbunden werden. Wenn das Evakuierventil 20 geöffnet wird, kann man den im Innenraum 11 herrschenden Druck herabsetzen, wodurch auch die Siedetemperatur der Flüssigkeit 12 im Innenraum herabgesetzt werden kann.
Die Außenseite des Walzenrohres 2 ist mit einem elastischen Belag 22 versehen, der durch einen Kunststoff, beispielsweise Epoxidharz, gebildet ist. Im Betrieb, d.h. wenn die beiden Walzen 1, 8 zusammenwirken, wird der Belag 22 gewalkt. Hierbei entsteht Wärme, die zu einer Temperaturerhöhung des Belages 22 und auch des Walzenrohres 2 führt.
Im Betrieb dreht sich allerdings die Walze 1, so daß sich unter der Wirkung der Zentrifugalkraft ein geschlossener Flüssigkeitsfilm an der Innenwand 13 des Walzenrohres 2 bildet. Die dort an der Innenwand 13 anliegende Flüssigkeit wird erwärmt und, sobald die Siedetemperatur erreicht ist, verdampft. Die Siedetemperatur kann man durch Wahl einer geeigneten Flüssigkeit und auch durch die Wahl des geeigneten Drucks im Innenraum 11 auf einen geeigneten Wert einstellen.
Wenn die Flüssigkeit 12 verdampft, entzieht sie dem Walzenrohr 2 Wärme, so daß der Innenraum 11 dann mit dem Dampf der Flüssigkeit 12 angefüllt wird. Diese Flüssigkeit kondensiert am Wärmetauscher 14, der zu diesem Zweck mit einem Kältemittel, beispielsweise kaltem Wasser, durchströmt wird. Der Wärmetauscher 14 dreht sich zusammen mit dem Walzenrohr 2, d.h. Flüssigkeit, die sich hier als Kondensat niederschlägt, wird wieder zurück an die Innenwand 13 des Walzenrohres 2 geschleudert, wo sie wieder verdampft werden kann.
Da die den Wärmetauscher 14 durchströmende Flüssigkeit nicht mehr mit der Oberfläche der Walze 1 in Berührung kommt, kann man nunmehr auch zulassen, daß diese Flüssigkeit im Wärmetauscher 14 ganz erheblich erwärmt wird, d.h. um einen Betrag von 10° C, 20° C oder mehr. Dadurch, daß eine derart hohe Erwärmung der Kühlflüssigkeit zugelassen wird, kann der Volumenstrom durch den Wärmetauscher 14 kleingehalten werden. Es muß also nur eine geringere Menge an Kühlflüssigkeit durch die Dreheinführung 19 geleitet werden, was es wiederum einfacher macht, diese Dreheinführung 19 abzudichten.
Der Innenraum 11 ist gasdicht abgeschlossen, so daß sich ein geschlossener Kreislauf Innenwand 13 des Walzenrohres 2 - Wärmetauscher 14 - Innenwand 13 ergeben kann. Man kann hierbei auch andere Flüssigkeiten 12 als Wasser verwenden, beispielsweise Alkohole oder andere Kohlenwasserstoffe.
Ferner ist ein Antrieb 23 vorgesehen, der die Walze 1 in Rotationsbewegung versetzen kann. Dieser Antrieb 23 wirkt beispielsweise auf dem Zapfen 3. Die Rotationsbewegung der Walze 1 kann also schon einsetzen, bevor der Walzenspalt 7 geschlossen wird. Man kann also mit der Kühlung der Walze bereits vor Aufnahme des Betriebes beginnen. Solange an dem Walzenrohr 2 noch keine Flüssigkeit verdampft wird, wird sich die Temperatur der den Wärmetauscher 14 durchströmenden Kältemittelflüssigkeit auch nicht erhöhen, so daß kein Wärmeaustausch stattfindet. Andererseits ist damit auch keine übermäßige Abkühlung des Walzenrohres 2 und damit des Belages 22 verbunden.

Claims

Walze (1) mit einem Walzenrohr (2), das an seiner Außenseite einen elastischen Belag (22) aufweist und das einen geschlossenen Innenraum (11) umgibt, in dem eine verdampfbare Flüssigkeit (12) und ein Wärmetauscher (14) angeordnet sind.
Walze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Wärmetauschers (14) auf eine Temperatur unterhalb der Kondensationstemperatur der Flüssigkeit (12) absenkbar ist.
Walze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (11) gasdicht abgeschlossen ist.
Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie zapfengelagert ist, wobei die Zapfen (3, 4) oder damit verbundene Teile (9, 10) den Innenraum (11) an den axialen Enden abschließen.
Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (14) gemeinsam mit dem Walzenrohr (2) rotiert.
Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wärmetauscher (14) ein Kühlmedium (18) von außen zuführbar ist.
Walze nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Zapfen (4) eine Dreheinführung (19) für das Kühlmedium (18) aufweist.
Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (14) als schraubenlinienförmig geführtes Rohr ausgebildet ist.
Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Evakuiereinrichtung (20, 21) für den Innenraum (11) vorgesehen ist.
Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Belag (22) aus Kunststoff gebildet ist.
Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Walzendrehantrieb (23) vorgesehen ist.