FI112388B

FI112388B - Sekoituslaite kahden nesteen sekoittamiseksi, seoksen tilavuusvirran pysyessä vakiona massaa paperikoneen viiralle syötettäessä

Info

Publication number: FI112388B
Application number: FI931508A
Authority: FI
Inventors: Ulrich Begemann; Thoroee Scherb
Original assignee: Voith Gmbh J M
Priority date: 1992-04-03
Filing date: 1993-04-02
Publication date: 2003-11-28
Also published as: FI931508A; DE4211291C2; JPH0610289A; JP3254035B2; DE4211291C3; EP0565923A1; CA2093366A1; DE59301614D1; ATE134232T1; US5316383A; EP0565923B1; DE4211291A1; FI931508A0

Description

112388

Sekoituslaitteisto kahden nesteen sekoittamiseksi, seoksen tilavuusvirran pysyessä vakiona massaa paperikoneen viiralle syötettäessä

Keksinnön kohteena on sekoituslaitteisto kahden nesteen sekoittamiseksi, seoksen 5 tilavuusvirran pysyessä vakiona massaa paperikoneen viiralle syötettäessä.

On tunnettua, että sekoitettaessa yhteen kahta tilavuusvirtaa A ja B, jolloin A ei ole säädelty ja B on säädelty, asettuu seoksen tilavuusvirta sellaiseksi, jonka suuruus normaalisti riippuu sekoitussuhteesta A:B. Useissa teknisissä menetelmissä, esim. paperinvalmistuksessa, halutaan kuitenkin tahi on tarpeen pitää seoksen tila-10 vuusvirta vakiona riippumatta osatilavuusvirtojen A ja B sekoitussuhteesta. Tämä saavutetaan kalliin ja monimutkaisen säätötekniikan avulla.

Patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukainen sekoituslaitteisto tunnetaan DE-patenttijulkaisusta 4 005 281 (kuvio 3).

Siinä ehdotetaan, että liitosjohdon levitetyllä painemuhvilla johdetaan ohennusvet-15 tä viiralle syötettävään massaan. Selityksessä mainitaan, että ohennusvesi on johdettava levittimessä olevassa liitosjohdon laajennetussa painemuhvissa. Patentin päävaatimuksessa todetaan jopa siten, että erilliseen, keskeiseen levittimeen johdetaan ohennusvettä kuitususpensiota varten. Kummatkin ehdotukset edellyttävät, • · v.: että ohennuskomponentin virtaussuunta kulkee aksiaalisesti liitosjohdon suhteen, 20 koska muutoin ohennuskomponenttia ei pääse tai pääsee vain vähäisessä määrin i liitosjohtoon. Johtojen tulo- ja lähtöpaineet ovat vakiot. Ainoa säätöelin osatila- •: > · * vuusvirtasuhteen muuttamiseksi sij aitsee ohennusvesij ohdossa.

«· · • · · Tämä tuo mukanaan seuraavat ongelmat: Koska kummankin osatilavuusvirran

• * I

'·’ * nopeuksilla on sekoituskohdassa sama suunta, mutta niiden määrät ovat normaa- 25 listi erilaiset, siirtyy siinä energia yhdeltä osatilavuusvirralta toiselle. Pulssijou-: kolia voidaan osoittaa, että tämä johtaa osatilavuusvirtojen keskinäisiin kiihtymi- ',, ’ : siin tai hidastumisiin. Suihkupumput hyödyntävät tätä tehoa nesteiden tai kaasujen , ·, siirrossa. Mikäli sekoituskohdan perässä olevassa johdossa on virtausvastus - esim.

I,, kuristin - niin silloin heikkenee keskinäisen kiihtyvyyden tai hidastuvuuden vaiku- ':' 30 tus, koska osatilavuusvirrat työntävät keskenään toisiaan syrjään ennen virtauksen- « » v,: vastusta.

I t t

Kokeet ovat osoittaneet sen, että käytännölliseen käyttöön vielä hyväksyttävän virtausvastuksessa tapahtuvan painehäviön vallitessa, jo 20 % ohennuskomponen- 2 112388 tin määrällä, on päävirran kiihtyvyys ohennuskomponentin avulla niin suuri, että se kasvaa n. 1 %:lla seoksen tilavuusvirran 0 %:sta ohennuskomponenttiosuutta kohden. Jos ohennuskomponentin osuutta lisätään arvoon 50 % tai enemmän, mikä saattaa olla tarpeen erityisesti viiralle tapahtuvan massan syötön reuna-alueella, 5 niin silloin seoksen tilavuusvirranmuutos on suurempi kuin 8 %. Tämä tarkoittaa sitä, että tällaisen sekoituslaitteiston perusongelma on siinä, että seoksen tilavuus-virta muuttuu voimakkaasti suhteessa annosteltavaan määrään.

Edelleen tunnetaan sekoituslaitteisto saman tarkoituksen saavuttamiseksi saksalaisesta hyödyllisyysmallista G 91 04 609. Siinä esitetään sekoituslaitteisto, jonka 10 tehtävänä on sekoittaa useita osatilavuusvirtoja siten, että tällöin syntyy vakiona pysyvä seoksen tilavuusvirta.

Tällöin säädellään kaikkia osatilavuusvirtoja toisistaan riippuen käyttämällä kallista venttiiliohjausta. Tämä johtaa sellaisiin haittapuoliin, että toisaalta tällainen venttiili on hyvin kallis rakenteeltaan ja valmistukseltaan, ja toisaalta siihen, että 15 kaikkia tilavuusvirtoja on säädeltävä. Tämä merkitsee sitä, että myöskin korkean kuitukonsentraation sisältävään osatilavuusvirtaan on rakennettava venttiili kaikkine siihen liittyvine negatiivisine tekijöineen, kuten kuidunpaakkuuntumisineen ja tukkeutumistaipumuksineen.

Lisäksi vaatii toimielinventtiilien yhdensuuntaiseksi säätäminen erittäin lineaariset 20 olosuhteet, jotta seoksen tilavuusvirta voidaan pitää pysyvänä riippumatta osatila-*. vuusvirtasuhteista. Vaatimus hyvästä lineaarisuudesta edellyttää joko korkean pai- : ·, neenaleneman omaavia venttiileitä tai kustannuksiltaan kalliita säätöteknisiä toi- ! menpiteitä.

| .·’ Tekniikan tasoa vastaava konsepti perustuu siihen, että massan syöttö viiralle on : V: 25 muodostettu lohkoittain ja eri lohkoihin syötetään eri massan sakeuden omaavia suspensioita. Massan sakeuden lisääntyessä jollain lohkolla kasvaa paperirainan j v. neliöpaino tällä kohtaa ja päinvastoin.

’·;** Koska paperirainan kuitujen suuntaaminen on kulman funktio, jonka puitteissa : : : suihku virtaa massasta sitä viiralle syötettäessä, voidaan massan viirallesyöttögeo- : ‘ : 30 metriaa muuttamalla, esim. ulostuloraon geometriaa muuttamalla, vaikuttaa tavoi- tellusti kuitujen suuntaamiseen. Massan viirallesyöttökohdassa tapahtuvat geomet-; t; ’ rianmuutokset vaikuttavat, vaikutuskohdasta riippuen, eri määrin siihen suspensio- ‘ ’ määrään, joka tulee ulos massan viirallesyöttökohdasta, kyseisestä lohkosta. Tästä seuraa se, että edellä selitetyssä konseptissa, jossa vaikutetaan kuitujen suuntaa- 3 112388 misprofiiliin, muuttuu ei-halutulla tavalla myös kyseisellä vaikutusalueella olevan paperirainan neliöpaino.

Käytännön kokemus ja teoreettiset laskelmat massan viirallesyöttötapahtumaan liittyvien hydraulisten olosuhteiden, sekä viiraosalla tapahtuvan rainanmuodostu-5 mismekanismin suhteen osoittavat selvästi, että kuitujen suuntaamisen poikittais-profiiliin kohdistuviin toimenpiteisiin tarvitsee ryhtyä hyvin paljon harvemmin kuin sellaisiin, neliöpainon poikittaisprofiiliin kohdistuviin toimenpiteisiin. Edellä esitetyllä yksipuolisella kuitujen suuntaamisen ja neliöpainon välisellä kytkennällä on näin ollen toissijainen merkitys selitetyn konseptin käytännön toteutuksessa.

10 Yksittäisissä lohkoissa olevien massan sakeuksien muunnokset voidaan saada siten aikaan, että jokaiseen lohkoon sijoitetaan sekoitin, jossa sekoitetaan keskenään kahta eri massan sakeuden omaavaa osatilavuusvirtaa ja seoksen tilavuusvirta syötetään yksinomaan massan viirallesyötön vastaavaan lohkoon. Välttämätön edellytys sille, että massan sakeuden muuttuessa ei samanaikaisesti myöskään 15 lohkon kuitujen suunta muuttuisi, on seoksen tilavuusvirran ehdoton vakiona pysyvyys, riippumatta sekoittimessa suoritetusta osatilavuusvirtasuhteen säädöstä.

Mikäli vierekkäiset seoksen tilavuusvirrat eivät ole massan sakeutta muutettaessa aina yhtä suuret, niin silloin tämä johtaa tasausvirtauksiin poikittain massan viiral-lesyöttökohdassa olevan päävirtauksen suunnan suhteen ja siten suihkun virtaus-: : *: 20 kulman poikkeamiin koneensuunnasta. Koska suihkukulman ja paperirainassa ole- :vien kuitujen suuntauksen välillä vallitsee suora riippuvuus, täytyy yksittäisten : *. seoksen tilavuusvirtojen määrien olla ehdottomasti sama ja pysyvä yli koko mas- san viirallesyöttökohdan, myös silloin kun massan sakeuden muutoksia tapahtuu

» I

.. . yksittäisissä lohkoissa.

• ·

* . I

v · 25 Toinen konsepti, jolla vaikutetaan kuitujen suuntaamisprofiiliin ja pinnan poikit- taisprofiiliin on siinä, että seoksen tilavuusvirtaa ja massan sakeutta muutetaan paikallisesti tiukasti rajaten. Tällöin perustuu seoksen tilavuusvirran muutoksen *". vaikutus edellä selitettyihin riippuvuuksiin. Neliöpaino säädetään massan sakeutta :, muuttamalla, jolloin myös tässä konseptissa säilyy massan sakeuksien muutosten ‘ 30 kohdalla vaatimus seoksen tilavuusvirran ehdottomasta vakiona pysyvyydestä, jotta massan sakeuksien muutosten myötä ei vaikutettaisi samanaikaisesti kuitujen V: suuntaamisprofiiliin. Kuitujen suuntaamisen säädön toimielimeksi voidaan seok- ' . sen tilavuus virtaan asettaa venttiili.

4 112388

Yksittäisten lohkojen seoksen tilavuusvirran vaadittu pysyvyys ei ole tyydytettäväsi ratkaistavissa osatilavuusvirtasuhteita muutettaessa, ei myöskään huomattavin säätöteknisin menetelmin, koska neliöpainon mittaussignaalien kulkuaika on liian pitkä, jotta vallitsevalla taajuudella saataisiin neliöpainon muutos, neliöpaino 5 pidetyksi vakiona.

Keksinnön tavoitteena on aikaansaada rakenteellisesti yksinkertainen, huokea ja käyttövarma sekoituslaitteisto siten, että seoksen tilavuusvirta c, osatilavuusvirran b suuruudesta riippumatta, säilyy vakiona, jotta paperirainan neliöpainoprofiilin ja kuitujen suuntaamisprofiiliin voitaisiin vaikuttaa laajasti toisistaan riippumatta ja 10 paikallisesti tiukasti rajoittaen ja jotta voitaisiin välttää edellä mainitut tekniikan tason haittapuolet.

Tämä tavoite saavutetaan patenttivaatimuksessa 1 esitettyjen tunnusmerkkien mukaan.

Sen mukaan on keksinnön olennainen ajatus siinä, että yhdistetään virtausmekanii-15 kan kaksi vastakkaissuuntaista vaikutusta toistensa kanssa siten, että sekoittimeen virtaavan kahden osatilavuusvirran a ja b summa pysyy vakiona riippumatta osatilavuusvirran toistensa suhteen olevasta suhteesta, ja jolloin sekoittimessa vallitsee vähäinen paineenalenema.

Kun osatilavuusvirrat a ja b johdetaan kulmassa a = 90° ja kulmassa β = 180° ;,; 20 sekoittimessa yhteen, niin silloin johdetaan toisen virran liike-energia toiseen vir- taan seoksen tilavuusvirran suunnassa ja näin saadaan kuviossa 1 esitetty katkais- • : tuna esitetty käyrä I.

» * 5 «· * ·

Osatilavuusvirran kasvaessa vähenee seoksen tilavuusvirta c, mikä johtuu sekoi-tuskohdassa vallitsevien turbulenssien lisääntymisestä. Tämä vastaa negatiivista ♦ » * 25 vaikutusta.

: Kun osatilavuusvirrat a ja b johdetaan yhteen tilanteessa, jossa a = 0° ja β = 180°, :,,,' niin tällöin syntyy venturivaikutus, mikä johtaa olennaisesti seoksen tilavuusvirran • , c kasvuun osatilavuusvirran b kasvaessa. Tämä vastaa sitä positiivista vaikutusta, !.. joka on kuviossa 1 merkitty käyrällä II.

'. . 30 Keksijät ovat nyttemmin havainneet, että kummankin vaikutuksen yhdistelmä on . · * , saavutettavissa valitsemalla kulma aja kulma β siten, että sekoituskohdassa vallit sevan turbulenssin aiheuttama seoksen tilavuusvirran vähentyminen voidaan kom- 5 112388 pensoida tarkoin venturivaikutuksen avulla. Tämä merkitsee sitä, että aina saavutetaan samat seoksen tilavuusvirrat riippumatta osatilavuusvirtasuhteesta.

Kuvion 1 läpipiirretty käyrä III esittää todellisessa sekoittimessa mitattuja riippuvuuksia. Turbulenssi ja venturivaikutus ovat vaikutukseltaan seoksen tilavuusvir-5 taan samat, kulman sopivalla valinnalla suuren käyttöalueen yli, kuten kuvio 1 esittää.

Koska osatilavuusvirtojen virtausnopeudet vaikuttavat sekoituskohdassa vallitsevaan turbulenssiin, on tasapainotilan kulma sekoitusgeometrian funktio.

Seoksen tilavuusvirran vakionapysymisen ehtona on virtausvastuksen W olemas-10 saolo poistojohdossa c ja edelleen se, että osatilavuus virran a tulopaineen puolella ei ole mitään toimielintä, jolloin sekoittimen lähtöpaine pysyy vakiona.

Keksinnön mukaisesta ajatuksesta voidaan yhteenvetona todeta se, että kiihtyvyyteen tahi hidastuvuuteen johtava energian vaihto tehdään niin suureksi sekoituskohdassa olevien osatilavuusvirtojen välillä osatilavuusvirtojen välisen sopivan kul-15 man sekä putkien välisen halkaisijan valinnalla, että seoksen tilavuusvirta on aina vakio osatilavuusvirtasuhteesta riippumatta. Se tosiasia, että osatilavuusvirran tulopaineen ja seoksen tilavuusvirran lähtöpaineen pitäisi olla pysyvä, ei aiheuta paperikoneessa olevan sekoituslaitteiston käytölle mitään rajoituksia, koska ennen . . massan viirallesyöttökohtaa olevassa levitinjärjestemässä ja massan viirallesyöttö- 20 kohdassa pyritään aina muuttumattomiin puristuskenttiin, jotta saataisiin taatuksi [ · ·; * samanlaisina pysyvät paperin ominaisuudet.

*:·*· Keksinnön saavutetut edut ovat: \ 1. Keksinnön mukainen sekoituslaitteisto on rakenteellisesti helppo toteuttaa, ’·’ * erityisesti siten, että toimielimelle, esim. säätöventtiilille ei aseteta mitään erityisiä 25 lineaarisuusvaatimuksia.

• » · • · 2. Rakenteellisesti yksinkertaisesta toteutuksesta ja vähäisistä säätöteknisistä toi-• menpiteistä johtuen saavutetaan huomattavat kustannussäästöt niin hankintahin- * noissa kuin käyttökustannuksissakin.

,\ 3. Koska säätöelimelle ei ole asetettu mitään lineaarisuusvaatimuksia, voidaan, ;'; ’ 30 mikäli se on tarpeen, laite rakentaa sen tapaiseksi, että vältetään kuitupaakkuuntu- · ’ miset.

6 112388 4. Säätöelimen säästöstä ja rakenteen muodon yksinkertaisuudesta johtuen vähenee häiriöalttius huomattavasti ja käyttövarmuus kasvaa.

5. Osatilavuusvirtaan, jossa on korkeampi massan sakeus, ei tarvitse asettaa mitään säätöelintä, koska kuitupaakkuuntumisvaara on tässä selvästi suurempi verrattuna 5 osatilavuusvirtaan, jossa on vähäisempi massan sakeus.

6. Sekoituslaitteistossa tapahtuva paineenalenema on selvästi pienempi verrattuna tähänastisiin ratkaisuihin, jolloin siinä voidaan käyttää pienemmän painetehon omaavia pumppuja, mikä johtaa jälleen kustannussäästöön.

Tämä tavoite saavutetaan sen mukaan käyttämällä yhtä ainoaa, erityisesti kuitusus-10 pension ominaisuuksien mukaan määritettyä venttiiliä, joka ohjaa alhaisemman massan sakeuden omaavaa osatilavuusvirtaa.

Selitetyillä syöttö- ja poistojohdoilla voi olla mikä tahansa poikkileikkausmuoto.

Keksintöä selitetään lähemmin oheisiin piirustuksiin viitaten, joissa muun muassa kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen laitteen koetuloksia, 15 kuvio 2 esittää sekoituslaitteistoa, johon kuuluu säätöelin ja virtausvastus, kuvio 3 esittää sekoituslaitteistoa, johon kuuluu poistojohdossa oleva lisäsäätö-: elin, : ’ ’ ’, kuvio 4 esittää sekoituslaitteistoa, jossa on kaksi toimielintä ja kaksi virtausvas- • * · .!..: tusta, « · *· * • ‘, ί 20 kuvio 5 esittää sekoituslaitteistoa kolmiulotteisena suoritusmuotona.

* * *

Kuvio 1 esittää kuvion 2 mukaisen sekoituslaitteiston mittaustuloksia. Abskissa .. . esittää osatilavuusvirtasuhdetta a/b ja ordinaatta esittää seoksen tilavuusvirtaa c.

Käyrät I, II ja III esittävät koetuloksia. I esittää tuloksia sekoituskulman ollessa ’·;* 90°. II esittää koetuloksia sekoituskulman ollessa a = 0°. III esittää tuloksia opti- : ‘! ‘: 25 maalikulman ollessa tässä 80°.

Kuvio 2 esittää patenttivaatimuksen 2 mukaista sekoituslaitteistoa. Siinä on suora-ν',: viivaisesti kulkeva syöttöjohto A, joka liittyy β = 180° kulmassa poistojohtoon C.

: : Syöttöjohdon A ja poistojohdon C väliseen yhtymispisteseen liittyy syöttöjohto B,

myöskin suoraviivaisena syöttöjohtona tietyssä sekoituskulmassa. Syöttöjohtoon B

7 112388 on rakennettu säätöelin S, joka säätää osatilavuusvirran b suuruutta. Osatilavuus-virta b johdetaan säätöelimen avulla syöttöjohdon B kautta sekoituskaan M, jossa osatilavuusvirta d, joka tulee syöttöjohdosta A, kohtaa osatilavuusvirran b, ja jolloin ne johdetaan pois seoksen tilavuusvirtana poistojohtoa C myöten. Poistojoh-5 toon C on piirretty edelleen virtausvastus W, jolla on tärkeä edellytys sekoituslait-teiston toiminnalle.

Kuvio 3 esittää kuvion 1 mukaisesti selitettyä sekoituslaitteistoa, mutta tässä on kuitenkin osatilavuusvirtaan b rakennetun toimilaitteiston SI rinnalla toinen toimi-laitteisto S2, joka on rakennettu poistojohtoon C, virtausvastuksen W perään.

10 Kuvio 4 esittää kuvion 3 mukaisesti selitettyä sekoituslaitteistoa, mutta tässä on poistojohtoon C rakennetun virtausvastuksen W1 lisäksi rakennettu toinen virtausvastus W2 syöttöjohtoon A.

Kuvio 5 esittää kuvion 2 mukaista sekoituslaitteistoa, mutta tässä eivät johdot ole samassa tasossa, vaan ne on sijoitettu kolmiulotteisesti. Kuviossa 5 oleva osa a 15 esittää päällyskuvaa, jossa kulma γ esittää A:n ja B:n välistä kulmaa, ja osa b esittää sivukuvana sekoituslaitteistoa.

• · > » • « · f > · » * * · · » * « t | · ' » · * ♦ *

I

* f t · · • » I ! • t *

Claims

8 112388
1. Sekoituslaitteisto kahden nesteen sekoittamiseksi syöttökohdassa massaa paperikoneen viiralle syötettäessä, johon kuuluu: syöttöjohto (A) ensimmäistä osatilavuusvirtaa (a) varten; 5 syöttöjohto (B) toista osatilavuusvirtaa (b) varten; poistojohto (C) seoksen tilavuusvirtaa (c) varten, jossa on virtausvastus (W); sekoituskulma (a) syöttöjohdon (A) ja syöttöjohdon (B) kanssa; päävirtauskulma (β) syöttöjohdon (A) ja poistojohdon (C) välillä; toimielin (S), joka on rakennettu syöttöjohtoon (B) osatilavuusvirran (b) 10 säätämiseksi, tunnettu siitä, että sekoituskulma (a) on valittu siten, että osatilavuusvirrasta (b) riippumatta säilyy seoksen tilavuusvirta (c) vakiona ja että sekoituskulma (a) on välillä 0°<oc<90°.
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen sekoituslaitteisto, tunnettu siitä, että 15 poistojohtoon (C) on rakennettu erillinen virtausvastus (W) seoksen tilavuusvirtaa v. (c) varten. » ·
3. Jonkin patenttivaatimuksen 1-2 mukainen sekoituslaitteisto, tunnettu siitä, * ·' : että päävirtauskulma (β) on 180°.
4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen sekoituslaitteisto, tunnettu siitä, 20 että johdot (A), (B) ja (C) eivät ole samassa tasossa, jolloin lisäksi on olemassa » * * avaruuskulma (γ). i V 5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen sekoituslaitteisto, tunnettu siitä, : ’ y että kulmat (a) ja/tai (β) ja/tai (γ) ovat käytön aikana muutettavissa.
6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen sekoituslaitteisto, tunnettu siitä, :: 25 että poistojohdossa (C) on toimielin seoksen tilavuusvirran säätämiseksi. ' · I
7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen sekoituslaitteisto, tunnettu siitä, » * ‘ ‘ että virtausvastus (W) on rakennettu massan viirallesyötön avulla. 112588 9
8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen sekoituslaitteisto, tunnettu siitä, että syöttöjohdossa (A) on toinen virtausvastus (W2).
9. Jonkin patenttivaatimuksen 1-8 mukainen sekoituslaitteisto, tunnettu siitä, että syöttö-ja poistojohdoissa olevat virtausvastukset ovat muuttuvia.
10. Jonkin patenttivaatimuksen 1-9 mukainen sekoituslaitteisto, tunnettu siitä, että ainakin jossakin johdoista A, B ja/tai C on sekoitustilan (M) alueella muuttuva kapeuma.