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Dokumentenidentifikation DE19823637C2 18.07.2002
Titel Verfahren zum Kühlen einer Materialbahn
Anmelder Voith Paper Patent GmbH, 89522 Heidenheim, DE
Erfinder Münch, Christian, 44787 Bochum, DE
Vertreter U. Knoblauch und Kollegen, 60322 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 27.05.1998
DE-Aktenzeichen 19823637
Offenlegungstag 09.12.1999
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 18.07.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.07.2002
IPC-Hauptklasse F16C 13/00
IPC-Nebenklasse B21B 45/02   F26B 13/18   D21G 1/02   D21F 5/06   D21F 5/20   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen einer Materialbahn mit Hilfe einer gekühlten Walze, bei dem die Materialbahn über die Walze geführt wird.

Die gekühlte Walze weist eine geringere Temperatur als die Materialbahn auf und soll die Materialbahn kühlen.

DE 44 15 581 C2 beschreibt eine Papier-Streichvorrichtung, bei der die Papierbahn hinter der Streichvorrichtung, d. h. der Auftrag-Einrichtung zum Auftragen eines flüssigen Streichmediums auf die laufende Papierbahn, eine Trocknungseinrichtung angeordnet ist. Die Trocknungseinrichtung umfaßt mindestens eine Umlenkwalze und darüber hinaus kontaktlose Trockner, beispielsweise Infrarot-Trockner oder Gas- oder Elektrotrockner. Zwischen der Papierbahn und der Umlenkwalze wird ein Luftpolster geschaffen, das sich mit der Umlenkwalze bewegt.

Haeßner, Winfried: "Trocknungstechnik und deren Entwicklung", in DE-Z Das Papier, 44. Jahrgang, Heft 10A, 1990, S. V155-163 beschreibt die Entwicklung der Trocknungstechnik in den letzen Jahrzehnten. Aus diesem Artikel geht hervor, daß die Wärmezufuhr zu einer Papierbahn, die zum Trocknen erforderlich ist, überwiegend über den Kontakt der Papierbahn mit den entsprechenden Heizwalzen erfolgt. An den Walzen, an denen die Papierbahn nur unter Zwischenlage eines Siebes anliegt, können gerillte oder besaugte Walzen vorgesehen sein. Dort erfolgt aufgrund des Siebes zwischen der Papierbahn und der Trommel ohnehin nur ein schwächerer Wärmeübergang.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Materialbahnkühlung erläutert. Als Beispiel für die Materialbahn wird eine Papierbahn verwendet. Die Erfindung ist aber in gleicher Weise auch bei anderen Materialbahnen anwendbar, beispielsweise bei Folien aus Metall oder Kunststoff oder bei Karton- oder Textilbahnen.

Papierbahnen werden in der Regel satiniert, d. h. sie durchlaufen einen Kalander oder eine andere Walzenmaschine, wo sie mit einem erhöhten Druck und einer erhöhten Temperatur beaufschlagt werden. Beispielsweise verläßt eine Papierbahn einen Kalander mit einer Temperatur von 60 bis 90°C. Vor dem Aufwickeln sollte sie auf eine Temperatur von 40 bis 50°C abgekühlt werden. Wird die Papierbahn nicht genügend abgekühlt, kann es während der Abkühlung der fertigen Wickelrolle, d. h. der aufgewickelten Materialbahn, zu Materialspannungen und gegebenenfalls Platzern kommen.

Es ist aus diesem Grunde bekannt, die Papierbahn über eine Kühlwalze zu leiten. Hierbei umschlingt die Papierbahn die Kühlwalze über einen vorbestimmten Winkelbereich, beispielsweise 180° oder mehr. Die Kühlwalze wird von Kühlwasser durchflossen, das beispielsweise eine Temperatur von etwa 30°C hat. Das Kühlwasser nimmt Wärme auf, die von der Papierbahn an die Kühlwalze abgegeben wird.

Ein gewisses Problem ergibt sich dadurch, daß die Bahngeschwindigkeiten der Papierbahnen immer größer werden. Dementsprechend steht ein immer kürzerer Zeitraum zur Abgabe der Wärme von der Papierbahn an die Kühlwalze zur Verfügung. Man hat versucht, die Kühlleistung dadurch zu verbessern, daß man den Durchmesser der Kühlwalzen vergrößert. Dies hat jedoch erstaunlicherweise nur eine relativ beschränkte Wirkung gehabt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine effektive Kühlung der Materialbahn zu bewirken.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zwischen der Materialbahn und der Walze eine Luftbewegung erzeugt wird, indem die Walze mit einer Umfangsgeschwindigkeit gedreht wird, die sich von der Bahngeschwindigkeit der Materialbahn unterscheidet.

Man hat festgestellt, daß die Temperaturbeeinflussungsmöglichkeit der Walze auf die Bahn durch eine Luftschicht oder ein Luftpolster verringert wird, die sich zwischen der Materialbahn und der Walze ausbildet. Kritisch ist dies insbesondere bei Materialbahnen, die luftundurchlässig oder nur schwer luftdurchlässig sind, beispielsweise bei Papierbahnen. Derartige Luftschichten können durchaus Dicken im Bereich von 50 bis 300 µm annehmen. Luft ist bekanntlich ein sehr schlechter Wärmeleiter, so daß diese Luftschicht als Wärmeisolator wirkt. Die Dicke der Luftschicht nimmt mit einer Vergrößerung des Walzendurchmessers zu. Dementsprechend ergibt sich mit der Steigerung des Durchmessers der Walze in der Regel keine entsprechende Steigerung der Wärmebeeinflussung, d. h. eine Steigerung der Kühlleistung. Wenn man nun aber eine Luftbewegung zwischen der Materialbahn und der Walze erzeugt, dann erhält man einen Wärmetransport durch eine Konvektion. Diese Konvektion ist ausgesprochen wirksam, d. h. es kann eine entsprechend große Wärmemenge von der Papierbahn an die Walze übertragen werden. Wenn eine derartige Strömung erzeugt wird, ist es nicht notwendig, die Dicke des Luftspaltes zu verkleinern, wenngleich dies eine weitere Verbesserung des Wärmeübergangs ermöglichen würde. Die Erzeugung der Konvektion reicht aus, um auch bei höheren Bahngeschwindigkeiten die notwendige Kühlleistung der Walze auf die Materialbahn zu übertragen. Wenn die Walze mit einer Umfangsgeschwindigkeit gedreht wird, die sich von der Bahngeschwindigekit der Materialbahn unterscheidet, erzeugt man zwischen der Materialbahn und der Oberfläche der Walze eine Relativgeschwindigkeit. Damit wird mit einfachen Mitteln die gewünschte Luftbewegung erzeugt. Der Wärmetransport muß dann nicht mehr durch ein stationäres Luftkissen bzw. ein Luftpolster oder eine Luftschicht erfolgen, sondern die Wärme wird durch die Luft selbst transportiert, die sich aufgrund der Relativbewegung zwischen der Materialbahn und der Oberfläche der Walze ergibt. Eine höhere Beanspruchung der Materialbahn durch eine Reibung an der Walze ergibt sich erstaunlicherweise praktisch nicht bzw. sie bleibt in einem tolerierbaren Bereich. Zurückgeführt wird dies darauf, daß die Luftschicht zwischen der Materialbahn und der Oberfläche der Walzen erhalten bleibt. Die Materialbahn wird also nach wie vor von einer Luftschicht oder einem Luftkissen abgestützt und gleitet dementsprechend nahezu berührungslos über die Walze. Gerade bei einer Kühlwalze kann der Wärmeübergang drastisch verbessert werden. Dies wird auf die relativ geringen Temperaturunterschiede zwischen der Materialbahn und der Kühlwalze zurückgeführt.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die Bahngeschwindigkeit der Materialbahn größer ist als die Umfangsgeschwindigkeit der Walze. Dies bedeutet zwar eine erhöhte Beanspruchung eines nachfolgenden Wicklerantriebes und gegebenenfalls auch eine Reduzierung des Bahnzuges stromaufwärts der Walze. Man spart aber Antriebsenergie für die Walze. Experimente haben ergeben, daß man bei einer langsamer laufenden Walze einen besseren Wärmeübergang erhält als bei einer Walze, deren Umfangsgeschwindigkeit größer ist als die Bahngeschwindigkeit.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigt:

einzige Figur: eine schematische Darstellung einer Kühlwalze.

Eine Kühlwalze 1 dient zum Kühlen einer Papierbahn 2 oder einer anderen Materialbahn. Die Papierbahn 2 umschlingt die Kühlwalze 1 hierzu über einen Winkel von 90°. Andere, insbesondere größere Umschlingungswinkel sind natürlich denkbar.

Die Papierbahn 2 steht unter einem Bahnzug T. Sie hat eine Bahngeschwindigkeit UBahn. Die Kühlwalze 1 weist eine Oberflächengeschwindigkeit UKW auf. Durch schematisch dargestellte Luft 3, die in einen Zwickel 4 zwischen der Papierbahn 2 und der Kühlwalze 1 eingerissen oder eingezogen wird, entsteht zwischen der Papierbahn 2 und der Oberfläche 5 der Kühlwalze 1 ein Luftspalt 6. Die Spalthöhe SL läßt sich nach einer empirisch entwickelten Formel wie folgt berechnen:





wobei

SL: Spalthöhe [m]

h: Viskosität Luft [Pa.s]

T: Bahnzug [N/mm]

r: Radius Kühlwalze [m]

UKW: Umfangsgeschwindigkeit Kühlwalze [m/s]

UBahn: Geschwindigkeit Papierbahn [m/s]

Hieraus ist ersichtlich, daß die Spalthöhe oder -dicke mit zunehmendem Radius der Kühlwalze steigt. Dementsprechend läßt sich die Kühlleistung durch eine Vergrößerung des Radius der Kühlwalze nur begrenzt steigern. Je größer die Spalthöhe ist, desto größer ist auch das Luftpolster oder die Luftschicht zwischen der Papierbahn 2 und der Kühlwalze 1. Diese Luftschicht ist aber ein sehr wirkungsvoller Wärmeisolator, der den Wärmeübergang von der Papierbahn 2 an die Kühlwalze 1 wirkungsvoll unterbindet.

Man versieht daher die Kühlwalze 1 mit einem elektrischen Generator 7, der seine elektrische Leistung an ein Netz abgibt, das beispielsweise wiederum den Antrieb der Papierbahn 2, beispielsweise in einer Aufwickelstation, speist. Der Generator 7 wird von der Kühlwalze 1 angetrieben. Die Kühlwalze 1 hingegen wird durch die Papierbahn 2 angetrieben, indem sie mitgeschleppt wird. Wenn nun dem Generator 7 elektrische Leistung abverlangt wird, dann bremst er die Kühlwalze 1. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Umfangsgeschwindigkeit UKW kleiner ist als die Bahngeschwindigkeit UBahn. Dementsprechend entsteht eine Relativgeschwindigkeit UBahn - UKW zwischen der Papierbahn 2 und der Kühlwalze 1. Der Luftspalt 6 zwischen der Papierbahn 2 und der Kühlwalze 1 wird dabei zwar etwas dünner. Die Verringerung der Spalthöhe SL würde an sich aber noch nicht ausreichen, um den Wärmeübergang zwischen der Papierbahn 2 und der Kühlwalze 1 nennenswert zu verbessern. Aufgrund der Relativgeschwindigkeit ergibt sich aber eine Verwirbelung oder zumindest eine Bewegung der Luft in dem Luftspalt 6, so daß der Wärmetransport nicht mehr nur über Leitung und Strahlung, sondern hauptsächlich über Konvektion erfolgen kann. Dies ermöglicht einen sehr wirkungsvollen Wärmetransport.

Selbstverständlich kann man die Kühlwalze 1 auch auf andere Weise bremsen, beispielsweise mit einer herkömmlichen mechanischen Bremse, die auf Reibung basiert.

Der Aufbau der Kühlwalze 1 ist an sich bekannt. Beispielsweise kann die Kühlwalze peripher gebohrte Kanäle aufweisen, die in Axialrichtung von Kühlwasser durchflossen sind. Auf eine nähere Darstellung des inneren Aufbaus der Kühlwalze wird hier verzichtet.

In gleicher Weise kann man eine Papierbahn 2 (oder eine andere Materialbahn) beheizen, wenn die Walze 1 nicht gekühlt, sondern beheizt wird. Auch hier ergibt sich bei einer Relativgeschwindigkeit zwischen der Papierbahn 2 und der Oberfläche 5 der Walze 1 ein verbesserter Wärmeübergang.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Kühlen einer Materialbahn mit Hilfe einer gekühlten Walze, bei dem die Materialbahn über die Walze geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Materialbahn und der Walze eine Luftbewegung erzeugt wird, indem die Walze (1) mit einer Umfangsgeschwindigkeit (UKW) gedreht wird, die sich von der Bahngeschwindigekit (UBahn) der Materialbahn (2) unterscheidet.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahngeschwindigkeit (UBahn) der Materialbahn (2) größer ist als die Umfangsgeschwindigkeit (UKW) der Walze (1).






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