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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Hochdruckformgebung für
Tabakmaterial. Speziell betrifft sie die Herstellung von zerkleinertem
Tabakmaterial oder faserförmigem Tabakmaterial welches
als Produkt zur Herstellung von Rauchartikeln verwendet werden kann.
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Bei
der Tabakvorbereitung, das heißt bei denjenigen Verarbeitungsprozessen,
die vor der eigentlichen Zigarettenherstellung und Verpackung stattfinden,
werden die wichtigsten Tabakmaterialien, nämlich Tabakblätter
und Tabakrippen mehreren Prozessschritten unterzogen, bevor sie
für die Herstellung von Rauchartikeln verwendet werden
können. Verwendetes Rippenmaterial, auch grob oder unvollständig
zerkleinerte Rohrippen (Winnowings) sind schwer mit üblichen
Mitteln (Schneiden, Schreddern) so zu verarbeiten, dass ein optimales
Ergebnis, also ein zerkleinertes Tabakmaterial entsteht, das als
Rauchartikelmaterial verwendet werden kann. Es entstehen zu viele
Kleinteile oder Stäube, und/oder es werden lange Zwischenlagerungszeiten
notwendig.
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Rippenverarbeitungsprozesse,
bei denen die Rippen zu Tabakfolie verarbeitet werden, sind beispielsweise
aus der
DE 40 05 656
C2 und der
DE
43 25 497 A1 bekannt. Solche Tabakfolienprozesse erzeugen Produkte
mit mäßiger bis schlechter Füllfähigkeit
und Sensorik. Aus der
DE
100 65 132 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Agglomeraten
bekannt, bei dem größere Teilchenkomplexe aus
kleinsten Tabakpartikeln hergestellt werden. Dabei müssen
Bindemittel verwendet werden, und zur Verarbeitung von gröberem
Tabakmaterial (wie zum Beispiel Rippen oder Winnowings) eignet sich
ein solcher Prozess nicht.
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Die
DE 10 2004 059 388
A1 beschreibt die Zerfaserung von Tabakmaterial, insbesondere
von Rippen- oder Winnowingmaterial. Dabei wird das Tabak-Ausgangsmaterial
erwärmt und auf einen erhöhten Druck gebracht,
und zwar mit einem Schneckenförderer, an dessen Auslass
sich ein Scherspalt befindet. Durch die Materialverarbeitung beim
Austritt aus dem Scherspalt, die mit einer Flash-Verdampfung einhergeht,
entsteht ein zerfasertes Tabakmaterial.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung
von zerkleinertem Tabakmaterial bereitzustellen, welches eine bessere
Produktqualität liefert als dies mit Verfahren gemäß dem Stand
der Technik möglich ist. Insbesondere soll eine Tabakmaterial-Qualität
bereitgestellt werden, die ohne weiteres zur maschinellen Herstellung
von Zigaretten genügt und insbesondere sogar den Anforderungen
an ein Tabakmaterial für die Selbstverfertigung von Zigaretten
entspricht. Speziell soll auch der Verschleiß gegenüber
Vorrichtungen des Standes der Technik minimiert werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren
gemäß dem Patentanspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung
nach dem Patentanspruch 11 gelöst. Die Unteransprüche
definieren bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
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Das
Tabak-Ausgangsmaterial kann vornehmlich ein grobes Tabakmaterial,
insbesondere mit einer Teilchengröße von mehr
als 2 mm aufweisen. Es kann ein Tabakrippenmaterial bzw. ein Winnowing-Material sein,
insbesondere mit einer Rippengröße von mehr als
2 mm. Anzumerken ist hierzu, dass Tabakmaterialien wie Rohrippen,
Winnowings, Short Stems oder Stem Fibres aber auch Scraps (kleine
Blatttabakteilchen), sonstige Tabakkleinteile, Tabakstaub oder eine
Mischung aus den genannten Komponenten zum Einsatz kommen kann.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung
von zerkleinertem Tabakmaterial werden die folgenden Schritte durchgeführt:
Ein Tabak-Ausgangsmaterial wird erwärmt und in einer Verfahrensstufe
auf einen ersten erhöhten Druck gebracht. Hierauf wird
das Tabakmaterial in einer nachfolgenden Verfahrensstufe auf einen
zweiten erhöhten Druck gepumpt, der höher ist
als der erste erhöhte Druck, und schließlich wird
das erwärmte und unter Druck gesetzte Tabakmaterial entspannt
und durch ein Formgebungswerkzeug geführt.
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Der
Pumpvorgang hilft dabei, den Druck (Angaben im Weiteren als Überdruck)
vor der Entspannung und dem Durchgang durch das Formgebungswerkzeug
signifikant zu erhöhen und dabei optimale Prozessbedingungen
für die Herstellung eines in der Qualität noch
verbesserten Produktes zu erzielen. Es können sehr hohe
Drücke erzeugt werden, die mit den im Stand der Technik
beschrieben Maßnahmen (Schneckenförderer) nicht
erzielbar sind, und dies gestattet u. a. eine weitgehende Freiheit
bei der Wahl des Formgebungswerkzeuges. Außerdem wird eine
besonders verscheißarme Betriebsweise möglich.
Einzelheiten zu den erfindungsgemäßen, vorteilhaften
Mechanismen werden später im Detail erörtert.
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Das
Pumpen des Tabakmaterials auf den zweiten erhöhten Druck
erfolgt gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung ohne wesentliche Erhöhung der Temperatur des
Materials. Ein Pumpvorgang gestattet eine solche Vorgehensweise.
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Gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsvariante
wird in der ersten Verfahrensstufe das Tabakausgangsmaterial auf
eine Temperatur von 60 bis 180°C, insbesondere 100 bis
140°C erwärmt und auf einen Druck von 10 bis 200
bar, insbesondere 1 bis 100 bar, speziell 1 bis 50 bar gebracht.
In der zweiten Verfahrensstufe kann dann ein Druck von 100 bis 700
bar gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht
werden, insbesondere 200 bis 700 bar und speziell mehr als 200 bar
bis 700 bar.
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Die
Entspannung des Tabakmaterials erfolgt beim Durchgang durch das
Formgebungswerkzeug auf atmosphärischen Druck und sie geschieht
insbesondere durch eine kontrollierte Flash-Verdampfung.
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Das
Tabakmaterial kann in der zweiten Verfahrensstufe durch eine Verdrängerpumpe,
insbesondere eine Zahnradpumpe geführt werden.
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Vorteilhafterweise
wird das Tabakmaterial beim Durchgang durch das Formgebungswerkzeug
faserförmig geformt, insbesondere zerfasert, und das Formgebungswerkzeug
kann zum Beispiel ein Auslassspalt, einen Scherspalt, eine Matrize
oder eine Düse sein. Aufgrund der Verfahrensumstände,
die durch das Pumpen auf den zweiten erhöhten Druck erreichbar
werden kann die Gefahr von Verstopfungen vermieden werden, und die
Werkzeugauswahl wird freier, was von großem Vorteil ist,
da die einzustellende Tabakmaterialform natürlich ebenfalls
freier gewählt werden kann.
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Das
Tabak-Ausgangsmaterial wird in der ersten Verfahrensstufe insbesondere
mechanisch unter Druck gesetzt, speziell mittels einer Förderschnecke
bzw. Stopfschnecke, die das Material gegen den Auslass eines, insbesondere
beheizbaren, Schneckenförderers presst.
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Das
Tabakmaterial kann unmittelbar nach der Weiterverarbeitung als Rauchartikelmaterial
verwendet werden, speziell wenn das Tabak-Ausgangsmaterial ein Winnowing-Material
ist. Es kann aber auch einer Klassifizierung unterzogen werden,
speziell wenn das Ausgangsmaterial ein grobes Rippenmaterial ist.
Dabei würden die ausgesonderten Materialien nochmals dem
erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen werden
und der nicht ausgesonderte Rest kann unmittelbar der Weiterverarbeitung
als Rauchmaterial zugeführt werden.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von
zerkleinertem Tabakmaterial weist eine, insbesondere beheizbare,
Druckkammer auf, die einen Tabakmaterialeinlass, einen Tabakmaterialauslass
und eine Fördereinrichtung zum Fördern des Tabakmaterials
vom Einlass zum Auslass und zur Erhöhung des Druckes des
Materials auf einen ersten erhöhten Druck umfasst. Sie
hat ferner ein Formgebungswerkzeug, durch welches das erwärmte
und unter Druck gesetzte Tabakmaterial geführt und entspannt
wird, und erfindungsgemäß ist zwischen der Druckkammer
und dem Formgebungswerkzeug eine mechanische Pumpe eingebracht, die
das Tabakmaterial auf einen zweiten erhöhten Druck pumpt,
der höher ist als der erste erhöhte Druck.
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Die
durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erzielbaren
Vorteile entsprechen den Vorteilen, wie sie schon oben für
das erfindungsgemäße Verfahren genannt wurden.
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Die
mechanische Pumpe kann eine hydrostatischer Verdrängerpumpe,
insbesondere eine Zahnradpumpe sein.
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Das
Formgebungswerkzeug ist ein Werkzeug, welches das Tabakmaterial
faserförmig formt, insbesondere zerfasert, und es kann
speziell einen Auslassspalt, einen Scherspalt, eine Matrize oder
eine Düse aufweisen.
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Bei
einer Ausführungsform der Erfindung bildet die Druckkammer
oder umfasst die Druckkammer einen beheizbaren Schneckenförderer,
insbesondere eine Stopfschnecke, die als Fördereinrichtung
zum Fördern des Tabakmaterials vom Einlass zum Auslass
dient.
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Die
Erfindung betrifft noch die Verwendung einer Vorrichtung, wie sie
oben beschrieben wurde, zur faserförmigen Herstellung von
Tabakmaterial, insbesondere zum Zerfasern von Tabakmaterial. Eine
weitere Ausführungsform betrifft die Verwendung einer solchen
Vorrichtung zur Herstellung von Feinschnitt-Tabakmaterial, insbesondere
für den Einsatz bei der Selbstverfertigung von Zigaretten.
Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung noch
eine der oben genannten Verwendungen, bei der ein Verfahren durchgeführt
wird, wie es in verschiedenen Ausführungen einleitend beschrieben
wurde.
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Es
ist noch anzumerken, dass eines oder mehrere der folgenden Merkmale
im Rahmen der Erfindung realisiert werden können:
- – das Tabak-Ausgangsmaterial ist ein
grobes Tabakmaterial, insbesondere mit einer Teilchengröße
von mehr als 2 mm;
- – das Tabak-Ausgangsmaterial ist ein Tabakrippenmaterial
bzw. ein Winnowing-Material, speziell mit einer Rippengröße
von mehr als 2 mm;
- – das Tabak-Ausgangsmaterial wird ohne Zusatz strukturbildender,
tabakfremder Materialien verarbeitet;
- – die Verweilzeit des Tabakmaterials im kontinuierlichen
Durchlauf liegt bei weniger als drei Minuten, insbesondere weniger
als zwei Minuten und vorzugsweise weniger als einer Minute;
- – das Material wird in der Druckkammer während
des Transports zum Formgebungswerkzeug grob vorverkleinert bzw.
vorzerfasert;
- – wenn ein Scherspalt verwendet wird, ist dieser vorgespannt
verschlossen und wird den Druck des Tabakmaterials intermittierend
geöffnet, oder das Tabakmaterial wird kontinuierlich durch
den Scherspalt hindurchgeführt;
- – die Scherspaltwände führen beim
Durchführen des Tabakmaterials eine Relativbewegung (Scherbewegung)
aus;
- – vor oder während der Erwärmung
und Druckerzeugung in der ersten Verfahrensstufe findet eine Tabakmaterial-Konditionierung
bzw. ein Casing statt, wobei die Erhöhung der Materialfeuchte
von 9 bis 12% auf etwa 20 bis 30% erfolgt;
das Tabakmaterial
weist nach der Entspannung und Hindurchführung durch das
Formgebungswerkzeug eine Feuchte von etwa 14 bis 18% auf;
- – das Tabakmaterial wird bei Raumtemperatur und unter
atmosphärischem Druck gekühlt, bis es eine Feuchte
von etwa 12 bis 16% aufweist;
- – wenn ein Scherspalt verwendet wird, weisen die Spaltwände
Aufrauungen oder Profilierungen auf;
- – die Stopfschnecke weist zum Bereich des Auslasses
hin steilere Schneckenwindungen auf; und
- – der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist im gleichen oder in einem vorgeschalteten Druckkammergehäuse eine
Druckkonditionierungsanlage vorangesetzt, insbesondere eine Schneckenkammer-Druckkonditionierungsanlage.
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Die
Erfindung wird im Weiteren anhand theoretischer Überlegungen
und mit Hilfe eines Ausführungsbeispiels näher
erläutert. Sie kann alle hierin beschriebenen Merkmale
einzeln sowie in jedweder sinnvollen Kombination umfassen. In den
beigelegten Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Vorrichtung zur Herstellung von zerkleinertem Tabakmaterial gemäß der
vorliegenden Erfindung;
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2 eine
charakteristische Druck-Durchsatzkurve für ein Formgebungswerkzeug;
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3 eine
Darstellung des Massenstroms in einem Schneckenförderer über
den Druck, wobei verschiedene Strömungsanteile aufgezeigt
sind;
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4 eine
Kurve, welche die Feuchte des Tabakmaterials nach dem Austritt aus
einem Schneckenförderer (Extruder) in Abhängigkeit
von der Temperatur vor dem Extruderaustritt zeigt;
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5 eine
typische Fließkurve eines plastifizierten Tabakmaterials;
und
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6 eine
typische Betriebskurve (Verdichtungsdruck und Betriebszeit) für
eine Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung.
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Die
in 1 gezeigte erfindungsgemäße
Vorrichtung weist einen Scheckenförderer auf, der mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet
ist. Der Schneckenförderer weist eine Förderschnecke 5 auf,
die auf einer Welle 3 gelagert und in einem Gehäuse 2 untergebracht
ist (Druckkammer). Bei einer beispielhaft aufgeführten Ausführungsform
werden Tabakrippen in den Schneckenförderer 1 eingegeben
und durch die Schnecke 5 gefördert, nämlich
nach links zum Auslass 6 des Schneckenförderers 1 hin.
Dabei wird das konditionierte Rippenmaterial vorzerkleinert und
mechanisch am Auslass auf einen erhöhten Druck gebracht,
der bis zu 200 bar betragen kann.
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An
den Auslass 6 des Schneckenförderers 1 schließt
sich die Zahnradpumpe 7 an, die hier als Beispiel für
eine hydrostatische Verdrängerpumpe steht. Das Rippenmaterial
tritt zunächst über den Eingang 8, der
im Gehäuse 9 vorgesehen ist in die Pumpe 7 ein,
und es wird dann durch die beiden Pumpen-Zahnräder 11 und 13 weiter
gefördert und komprimiert. Die Komprimierung, das heißt
die Druckerhöhung findet durch die Verkleinerung der Aufnahmeräume
zwischen den Zahnrädern statt, und so erreicht hoch komprimiertes
bzw. unter sehr hohem Druck (zweiter erhöhter Druck) stehendes
Tabakmaterial den Pumpenausgang 10. Die Drücke
am Pumpenausgang 10 und am Pumpeneingang 8 werden
jeweils durch die Druckmesssensoren 17 und 15 gemessen
bzw. überprüft. Durch die Einstellung der Arbeitsweise
der Pumpe kann auf diese Drücke Einfluss genommen werden
und gegebenenfalls eine Korrektur erfolgen.
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Vom
Pumpenausgang 10 aus tritt das Tabakmaterial in das Formgebungswerkzeug
ein, das in 1 mit dem Bezugszeichen 23 versehen
worden ist. Es besteht aus einem Innenkegel 19, der statisch
angeordnet ist und einem Außenkegel 21, der statisch
aber auch axial verschiebbar gelagert sein kann. Der Innenkegel 19 und
der Außenkegel 21 des Werkzeugs bilden einen Spalt 25,
durch den das unter dem hohen Druck stehende Tabakmaterial aus der
Vorrichtung austreten kann, wobei es durch eine Flash-Verdampfung
entspannt wird und wobei sich die gewünschte Faserstruktur
des Materials einstellt.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft also – so wie sie auf der
dargestellten Vorrichtung durchgeführt wird – die
Zerfaserung (Zerkleinerung) und erneute Formgebung von Tabakmaterialien,
um Tabakteilchen faserförmig auszubringen. Der Prozess
zeichnet sich durch eine besonders verschleißarme Betriebsweise
und eine erhöhte Prozessflexibilität aus. Tabak-Grobteile
werden zerkleinert, gegebenenfalls zusammen mit im Ausgangsmaterial
vorhandenen oder zugegebenen Klein- bzw. Kleinstteilen nach Bedarf
im Werkzeug geformt und als Fasern ausgebracht. Als besonders vorteilhaft
ist die Robustheit einer solchen Apparatur gegenüber verschleißenden
Eigenschaften des zu verarbeitendem Materials anzusehen, insbesondere
weil sich Einschränkungen bezüglich der Rezepturwahl
aufheben lassen. Das Tabakmaterial, das durch ein Verfahren bzw. eine
Vorrichtung der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, kann direkt
zur Herstellung von Rauchartikeln verwendet werden; es unterscheidet
sich in Form und Farbe nicht von Schnitttabak. Deshalb erschließt
sich durch die Erfindung die Herstellung von Rauchartikelprodukten
für die Selbstverfertigung von Zigaretten (im Weiteren
auch Roll-Your-Own-Produkte (RYO) oder Make-Your-Own-Produkte (MYO)
genannt) mit kleiner Schnittbreite, da die Werkzeugwahl flexibel
ist und insbesondere auch Werkzeuge mit sehr kleinen Kanälen benutzt
werden können, die bei besonders hohen Drücken
verwendbar sind.
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Die
Erfindung basiert unter anderem auf den folgenden Überlegungen:
Mit
bekannten Verfahren wie demjenigen, dass beispielsweise oben schon
angesprochenen
DE
10 2004 059 388 A1 bekannt ist, lassen sich nicht oder
nicht ohne weiteres Drücke erzeugen, wie man sie sich für
eine optimierte Tabakmaterialherstellung eigentlich wünschen
würde. Dies liegt – wie bei der Arbeit an der
vorliegenden Erfindung festgestellt wurde – zum einen daran,
dass eine Erhöhung des Druckes auch mit einer Erhöhung der
Temperatur wegen eines größeren Scherenergieeintrags
im vom Material und Schneckenförderer bestimmten Umfang
einhergeht. Andererseits wird die Ausgestaltung des vorgegeben Werkzeuges
durch die Vordruck bestimmt, weil der Druckabfall – definiert
durch den freien Werkzeugquerschnitt – und der Massenstrom
des Tabakmaterials einer proportionalen Beziehung gehorchen, wie
sie beispielsweise in der
2 aufgezeigt
ist. Um Tabakstrukturen höchster Qualitätsanforderungen
zu formen, beispielsweise RYO oder MYO-Tabakstrukturen, benötigt
man einen sehr hohen Werkzeug-Vordruck (Kammerdruck des Schneckenförderers),
weil die Scherspalte sehr kleine Querschnitte aufweisen müssen.
Dies gilt für den Fall, das beispielsweise lediglich ein
Schneckenförderer und ein sich daran anschließendes
Scherspalt-Werkzeug verwendet wird. Um bei gleichen Massenströmen
arbeiten zu können, muss der Kammerdruck deutlich erhöht
werden, wie der
2 zu entnehmen ist.
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Ein
solcher Druck kann grundsätzlich durch einen Schneckenförderer
(Extruder) nicht aufgebracht werden. Ein Grund hierfür
ist, dass die so genannte Rückströmung (Summe
aus Druckströmung und Leckströmung), wie in der 3 dargestellt
ist, gegenüber der Schleppströmung dominant wird
und damit die Förderung abreißen würde.
Eine solche Rückströmung ist aber konstruktiv
nicht zu vermeiden. Das Verhältnis von Produkt-Rückströmung
zu Produkt-Förderung wird aber wesentlich durch den notwendigen
Druck am Kammerausgang, das Verschleißbild der Vorrichtung
(Schnecke) zur Durchströmung des Scherkanals sowie durch die
vorliegenden Materialeigenschaften des Tabakmaterials (Viskosität)
beeinflusst.
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Ein
weiteres Problem liegt in dem mit der Förderung einhergehenden
Energieeintrag durch Scherung und der damit verbundenen Temperaturerhöhung
des Förderguts. Wenn mit herkömmlichen Geräten
Temperaturen von bis zu 200°C bei Verdichtungen auf bis
zu 200 bar realisiert werden, kann dies bereits zur Schädigung
des Produktes führen. Die erwartete hohe Produkttemperatur
bei noch höheren Drücken würde nach einer
isenthalpischen Druckentlastung (nach dem Prinzip der kapazitiven
Trocknung) beim Verlassen des Werkzeugs zur Strukturzerstörung
durch Wasserdampfentwicklung führen, sowie zu einer vollständigen,
nicht gewünschten Übertrocknung. Dieses Verhältnis
ist der 4 zu entnehmen. Übertrocknete
Produkte neigen aber aufgrund des spröden Verhaltens zu
kontraproduktiver Staubbildung.
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Eine
Kühlung ist wegen des sehr geringen Wärmedurchgangskoeffizienten
zwischen Kühlmedium und Produktstrom kaum oder nur unterstützend
möglich, so dass insgesamt festzustellen ist, dass die
herkömmliche Anlage mit dem Schneckenförderer
sich für eine Kammerdruckerzeugung von bis zu 700 bar nicht
eignet. Zwar lassen sich geringere Vordrücke mit einem
Schneckenförderer erzeugen (200 bar oder weniger) jedoch ist
das Parameterfeld was die Rezepturen, das Füllvermögen
oder sehr kleine zu erzeugende Faserdurchmesser betrifft begrenzt.
Die Verwendung einer Pumpe (insbesondere einer mechanischer Pumpe),
zur Erzeugung des zweiten erhöhten Drucks überwindet
die genannten Schwierigkeiten und gestattet die Erzeugung von optimierten
Produkten bei wirtschaftlich akzeptablen Massenströmen
und in besonders verschleißarmer Betriebsweise. Eine solche
Pumpe ist bei der dargestellten Ausführungsform die Zahnradpumpe 7,
und der Schneckenförderer 1 speist diese Pumpe.
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Zahnradpumpen
sind hydrostatische Verdrängerpumpen und arbeiten nach
dem Prinzip der volumetrisch abgeschlossenen Förderung.
Durch dieses Prinzip können sehr hohe Drücke bei
der Förderung viskoser Massen mit moderaten Temperaturanstiegen
erzeugt werden. Das Material sollte der Pumpe (leicht) durckbehaftet
zugeführt werden, damit ein 100%-iger Füllgrad
erreicht wird, und ein Schneckenförderer eignet sich sehr
gut für die Erzeugung dieses Vordrucks.
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Flüssigkeitsähnliche
Materialien wie Pasten, Breie, Teige lassen sich ähnlich
wie Flüssigkeiten durch Viskositäten charakterisieren.
Nun sind Tabakmaterialien Feststoffe, die aber nach einer Wasservermengung, Temperaturanhebung
und Scherung meistens auch pseudoplastische Fließeigenschaften
erhalten und damit in einer Verdrängerpumpe förderbar
werden. Diese Grundfließeigenschaften werden im Schneckenförderer
erzeugt. Eine typische Fließkurve eines plastifizierten
Tabakmaterials ist der 5 zu entnehmen, und die Erfindung
nutzt also diese Pseudo-Viskosität, um das Tabakmaterial
zu fördern und unter Druck zu setzen, obwohl aber tatsächlich
nicht ein homogener Brei erzeugt wird, wie beispielsweise bei der
Tabakfolienherstellung.
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Das
in der
1 gezeigte Werkzeug
23 hat in Achsenrichtung
aufeinander zu- oder wegbewegbare Spaltwände, die einen
Scherspalt bilden. Dabei sind die beiden Werkzeugteile (Innenkegel
19 und
Außenkegel
21) auf einander zu vorgespannt, und
die in der Zeichnung angedeutete Profilierung ist die Grundlage
für die Formgebung und Beeinflussung der sich am Umfang
bildenden Tabakfasern. Eine Rotation der beiden Werkzeugteile gegeneinander
kann zwar durchgeführt werden (wie beim Stand der Technik
gemäß der
DE 10 2004 059 388 A1 ), sie ist überraschenderweise
aber nicht notwendig. Aus dieser Erkenntnis gibt sich, dass erstmals die
Möglichkeit besteht, Matrizen, statische Düsen
und ähnliches als Werkzeug zu benutzen, da eine befürchtete
Verstopfung und damit verbundene Druckanstiege (Reduktion der freien
Querschnitte) beherrschbar werden.
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Durch
die fast ohne Temperaturerhöhung stattfindende Kompression
wird eine Entkopplung von Arbeitstemperatur und Arbeitsdruck erreicht.
Damit ist es möglich, die bereits als vorteilhaft erkannten
Arbeitstemperaturen von 60 bis 180°C bei Enddrücken
von 200 bis 700 bar leicht einzustellen und damit die gefürchtete
Faserzerstörung durch zu intensive Dampfentwicklung zu
vermeiden. Ferner ist anzumerken, dass der spezifische Leistungsbedarf
einer Pumpe bzw. einer Verdrängerpumpe aufgrund des geringen
Temperaturanstiegs ebenfalls geringer ist.
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Durch
die große Verdichtung des Tabakmaterials wird natürlich
die Tabakdichte weiter erhöht. Die kontrollierte Flash-Verdampfung
bei der Entspannung auf atmosphären Druck reversiert aber
die Verdichtung und führt zu einem lockeren Schnitttabak. Überraschenderweise
ist diese Expansion und Wiederherstellung der natürlichen
Füllfähigkeit auch bei der erfindungsgemäßen,
ungewöhnlich großen Verdichtung des Tabakmaterials
noch möglich.
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Die
Kombination von Schneckenförderer und Pumpe, insbesondere
Verdrängerpumpe, kann auch dabei helfen, unvermeidbaren
Verschleiß zu kompensieren. Wie bereits ausgeführt,
ist das Förderverhalten des Schneckenförderers
vom Verschleißzustand, vom Enddruck und von den Materialeigenschaften
abhängig. Es ist durch die vorliegende erfinderische Ausgestaltung
möglich, den notwendigen Druck zur Durchströmung
des Werkzeuges unterschiedlich zwischen Schneckenförderer
und Verdrängerpumpe zu verteilen. Bei einer Verschlechterung
des Verschleißbildes kann beispielsweise der Enddruck des
Schneckenförderers reduziert werden, wobei dann die Verdrängerpumpe
automatisch die notwendige Druckerhöhung zur Durchströmung
des Werkzeuges einbringt. Ein solches Verhalten ist in der Betriebskurve
der 6 dargestellt.
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Hierzu
werden auch die Messungen mit den Sensoren 15, 17 in 1 vorgenommen.
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Positive
Auswirkungen der vorliegenden Erfindung bezüglich des Vorrichtungsbetriebes
und des Massenstroms werden noch durch die im Folgenden aufgeführten
Versuche belegt:
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Versuch 1:
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Bei
diesem Versuch wird der Einfluss auf den Verschleiß bei
unterschiedlicher Druckverteilung (Schneckenförderer/Zahnradpumpe)
und gleichem Enddruck studiert. Eine Rezeptur, bestehend aus 70% Winnowings
+ 30% Tabakstaub wird in der Apparatur gemäß
1 mit
folgenden Parametern behandelt:
Prozess |
Messgröße | Vergleich | Versuch
1 |
Eintrittsfeuchte | [%] | 22 | 22 |
Austrittsfeuchte | [%] | 15 | 17 |
Enddruck
Schneckenförderer | [bar] | 80 | 10 |
Enddruck
Zahnradpumpe | [bar] | 120 | 120 |
Temperatur
Schneckenfördereraustritt | [°C] | 140 | 100 |
Temperatur
Austritt Zahnradpumpe | [°C] | 150 | 110 |
Massenstrom | [kg/h] | 150 | 150 |
Betriebsstunden
bis zum Abriss der Förderung | [Stunden] | 70 | 150 |
|
Produkt |
Füllfähigkeit
korrigiert* (Ausgangsmaterial) [ml/g] | 2,5 | 2,5 |
Füllfähigkeit
korrigiert* (Fertigmaterial) [ml/g] | 4,5 | 4,7 |
- * Korrektur der Tabakfeuchte bei der Messung
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Ergebnis Versuch 1:
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Aufgrund
des geringen Betriebsdruckes, sowie der geringeren Betriebstemperatur
im Schneckenförderer ist der Verschleiß, ermittelt
in Betriebsstunden bis zum Abbruch der Förderung, ca. halbiert
worden. Damit ergibt sich eine längere Standzeit der Vorrichtung.
Natürlich wird aufgrund des geringeren Scherenergieeintrages
die Austrittsfeuchte erhöht, da die Temperaturbeladung
geringer ist.
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Versuch 2:
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Bei
diesem Versuch werden Durchsatzerhöhungen und die damit
in Verbindung stehende Druckerhöhung vor Formgebungswerkzeug
studiert.
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Eine
Rezeptur, bestehend aus 70% Winnowings + 30% Tabakstaub wird in
der Apparatur gemäß
1 mit folgenden
Parametern behandelt:
Prozess |
Messgröße | Vergleich | Versuch
2 |
Eintrittsfeuchte | [%] | 22 | 22 |
Austrittsfeuchte | [%] | 15 | 15 |
Enddruck
Schneckenförderer | [bar] | 50 | 50 |
Enddruck
Zahnradpumpe | [bar] | 120 | 200 |
Temperatur
Schneckenfördereraustritt | [°C] | 140 | 140 |
Temperatur
Austritt Zahnradpumpe | [°C] | 150 | 150 |
Massenstrom | [kg/h] | 150 | 250 |
|
Produkt |
Füllfähigkeit
korrigiert* (Ausgangsmaterial) [ml/g] | 2,5 | 2,5 |
Füllfähigkeit
korrigiert* (Fertigmaterial) [ml/g] | 4,5 | 4,5 |
- * Korrektur der Tabakfeuchte bei der Messung
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Ergebnis Versuch 2:
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Der
Massenstrom konnte aufgrund des zusätzlichen Druckeintrages
durch die Zahnradpumpe mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung um ca. 60% erhöht und dadurch eine Steigerung
der Wirtschaftlichkeit erreicht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4005656
C2 [0003]
- - DE 4325497 A1 [0003]
- - DE 10065132 A1 [0003]
- - DE 102004059388 A1 [0004, 0035, 0041]