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Mahleinrichtung zum Aufbereiten von Faserstoffaufschwemmungen z. B.
zur Papierherstellung Die Erfindung betrifft eine Mahleinrichtung zum kontinuierlichen
Aufbereiten von Faserstoffaufschwemmungen, z.B. zur Papierherstellung, mit koaxial
angeordneten und relativ zueinander umlaufenden Mahlkränzen, die mit ineinandergreifenden
Zähnen ausgestattet sind, welche in der Stoffaufschwemmung durch das Öffnen und
Schließen der zwischen ihnen befindlichen Durchflußkanäle Druckimpulse hervorrufen.
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Die moderne schnellaufende Papiermaschine hat kontinuierliche Prozesse
für die Stoffaufbereitung notwendig gemacht. Die hierfür verwendeten Mahlmaschinen,
deren Hauptvertreter Kegelstoffmühlen sind, ergeben eine ziemlich ungleichmäßige
Bearbeitung der Fasern. Unter normalen Bedingungen wird nämlich in der Kegelmühle
in intensiver Weise nur ein kleinerer Teil der Stoffschicht in dem Spalt zwischen
der Kegelfläche, die von der Umfangsoberfläche der Rotormesser beschrieben wird,
und der korrespondierenden inneren Kegelfläche, die von der Umfangsoberfläche der
Statormesser gebildet wird, bearbeitet. Der Großteil des Stoffes tritt praktisch
ohne oder nur mit einer kleinen Bearbeitung der Fasern durch Reibung durch die Statorspalte
hindurch.
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Das Resultat ist, daß der Bearbeitungseffekt auf die Fasern bei einem
Durchgang durch die Maschine nur gering ist und daß es zu einer vollkommen ungleichmäßigen
Bearbeitung der Fasern kommt, wodurch sich eine unzulängliche Qualität des Endprodukts
ergibt. Außerdem ist eine Fibrilierung nicht ohne starke Faserkürzung zu erzielen.
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Die Bemühung, die Fibrillierungsphase besser zu beherrschen, hat zur
Einführung der Konstruktion von Scheibenmühlen zur Stoffaufbereitung geführt. Ihr
charakteristisches Merkmal ist die relativ große wirksame Oberfläche der Messer
im Verhältnis zur gesamten Fläche der Mahleinrichtung. Die geringe Tiefe der Nuten
der Mahlorgane und ihre Formgestaltung haben zur Folge, daß der Hauptdurchgangsweg
des Stoffes durch die Spalte zwischen den Oberflächen der Messer gebildet wird.
In der Arbeitsstellung der Scheiben ist der Spalt zwischen ihnen wesentlich größer,
als dies bei den Kegelmühlen der Fall ist. Die Scheibenmühle beansprucht die Faser
im bearbeiteten Stoff vor allem durch Reibung, des weiteren durch Druck und Biegung.
Bei höheren Dichten wird die Scherbeanspruchung eingeschränkt. Mit diesen Maschinen
läßt sich ebenfalls die Fibrillierungsphase des Mahlprozesses nicht beherrschen,
da beim Anstreben einer stärkeren Fibrillierung auch wiederum der Kürzungseffekt
größer wird. Nachteilig ist ferner, daß wie bei der Kegelmühle ein Teil der Fasern
unbehandelt durch die Maschine hindurchtritt.
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Ferner sind für die erste Phase des Mahlprozesses, nämlich das Entstippen,
z. B. von Zellstoff, Spezialmaschinen bekannt, bei denen die Rotororgane (Rotorzähne)
mit einem Spiel in der Größenordnung von 1 mm in Ausnehmungen des Stators
bzw. eines gegenläufigen Rotors und umgekehrt hineinreichen. Durch die Begegnung
der jeweils benachbarten Organe von Rotor und Stator werden in dem verarbeiteten
Stoff positive Druckimpulse oder Druckstöße hervorgerufen, welche in erster Linie
das Entstippen und nur in untergeordnetem Maß eine Oberflächen-Fibrillierung bewirken.
Diese Druckimpulse entstehen, wenn der Durchflußkanal zwischen zwei Zähnen des einen
Mahlkranzes ganz oder weitgehend von einem Zahn des benachbarten Mahlkranzes abgedeckt
und hierdurch die hindurchströmende Flüssigkeitssäule verzögert wird. Die Zahl der
Druckimputse ist durch die Zahl der Organe des Rotors und des Stators und durch
die Drehzahl der Maschine bestimmt. Nachteilig ist hierbei, daß diese Maschinen
nur für die Entstippung geeignet, für andere Phasen des Mahlprozesses dagegen nicht
brauchbar sind, weil weder eine nennenswerte Fibrillierung noch eine Faserkürzung
auftritt.
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Es ist ferner aus Laboratoriumsversuchen bekannt, in einem Behälter,
der mit einem Ultraschallgenerator ausgestattet ist, Fasern in wäßrigem Milieu
mehrere
Stunden lang mit Ultraschall zu behandeln, wonach man eine gewisse innere Fibrillierung
der Fasern feststellen kann. Dieses Verfahren ist jedoch wegen der langen Zeiten
für die Praxis ungeeignet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mahleinrichtung zur
kontinuierlichen Stoffaufbereitung für Papier und andere Stoffe anzugeben, mit der
sich ein sehr starker Fibrillierungseffekt erreichen läßt, ohne daß dabei eine beachtenswerte
Faserkürzung auftreten muß. Ferner soll die Möglichkeit bestehen, diesen Vorgang
gleichzeitig mit dem Entstippen durchzuführen, wobei auch der Entstippungseffekt
verstärkt wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Mahleinrichtung der eingangs
genannten Art dadurch gelöst, daß bei mindestens einem Paar in Durchströmrichtung
aufeinanderfolgender Zahnkränze die Frequenz der durch die Zähne des nachfolgenden
Zahnkranzes zwischen den Zähnen des vorangehenden Zahnkranzes hervorgerufenen Druckimpulse,
d. h. also die Zahnteilung und Drehzahl der Zahnkränze, so gewählt ist, daß
auf die Zähne des vorangehenden Zahnkranzes periodische Erregerkräfte wirken, die
mit der Eigenschwingungszahl oder einer harmonischen Schwingungszahl dieser Zähne
in Resonanz stehen.
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Weil die Zähne des nachfolgenden Zahnkranzes für die Erzeugung der
Druckimpulse und damit der periodischen Erregerkräfte verantwortlich sind, werden
nachstehend aus Gründen der kürzeren Ausdrucksweise die Zähne des nachfolgenden
Zahnkranzes als »Erregerzähne« und der Zahnkranz selbst als »Erregerkranz« bezeichnet.
Da die Zähne des vorangehenden Zahnkranzes durch die periodischen Erregerkräfte
in Resonanzschwingungen gebracht werden, sind diese Zähne nachstehend kurz als »Resonanzzähne<,i
und der zugehörige Kranz als »Resonanzkranz« bezeichnet.
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Jeder einzelne Resonanzzahn wird durch die periodischen Erregerkräfte
derart in Schwingung gesetzt und gehalten, daß er selbst als Schwingungserreger
wirkt und sich von ihm aus ein Schallwechseldruck (je nach den Konstruktionsdaten
im Schall-oder Ultraschallbereich) in die Umgebung ausbreitet. Dieser Schallwechseldruck
ruft infolge der abwechselnden positiven und negativen Drücke Kavitation und daher
in starkem Maß eine Fibrillierung, vor allem eine innere Fibrillierung hervor. Die
von den Resonanzzähnen ausgehenden mechanischen Schwingungen ergeben eineDruckbeanspruchung
derFasern zusätzlich zu den hydraulischen Druckimpulsen, so daß sich auch die bisher
nur von den Druckimpulsen bewirkten Effekte, insbesondere der Entstippungseffekt,
erhöhen.
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Wesentlich ist hierbei die Abstimmung zwischen den konstruktiven Daten
der Resonanzzähne und den durch die Druckimpulse hervorgerufenen Erregerkräfte dergestalt,
daß die Zahn-Eigenfrequenz oder eine Harmonische davon mit der Frequenz der periodischen
Erregerkräfte übereinstimmt. Die Erregerkräfte müssen daher in jeder Schwingungsperiode
zu den gleichen Zeitpunkten, und zwar jeweils in einer die Schwingungsbewegung unterstützenden
Richtung auf die Zähne einwirken. Bei den bekannten Maschinen (Entstippern) mit
ineinandergreifenden Mahlkränzen treten solche mechanischen Schwingungen nicht auf,
weil die Druckimpulse mangels entsprechender Abstimmung keine Erregerkräfte im Sinn
der Erfindung entwickeln und die Zähne nicht in Schwingungen versetzen können.
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Bei der erfindungsgemäßen Mahleinrichtung erfolgt eine Beanspruchung
der Fasern auf dreierlei Weise: erstens sind die Fasern einer intensiven m&-chanischen
Schwingung mit ihren Begleiterscheinungen ausgesetzt, zweitens werden sie durch
die hydraulischen Druckimpulse beansprucht, welche durch das plötzliche Abschließen
des Durchflußkanals zwischen benachbarten Zähnen durch einen Zahn des nachfolgenden
Mahlkranzes entstehen, und drittens treten direkte mechanische Wirkungen der Zähne
auf die Fasern auf, wobei es sich insbesondere um Reibung, Druck und Biegung handelt.
All- diese Einwirkungen sind in erster Linie auf eine Fibrillierung gerichtet,
nicht dagegen auf eine Faserkürzung. Außerdem sind die Wirkungen auch für das Enstippen
nutzbar.
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Die Resonanzzähne können einseitig an einem Kranz befestigt sein.
Hierbei bildet sich in bekannter Weise der Schwingungsknoten an der Einspannstelle
und der Schwingungsbauch am freien Ende des Zahnes. Sehr vorteilhaft ist es jedoch,
die einseitig an einem Kranz angebrachten Resonanzzähne am anderen Ende mit
einem zweiten Kranz zu verbinden. Hierbei ergeben sich Schwingungsknoten an beiden
Einspannstellen und der Schwingungsbauch in der Mitte des Zahnes. Hierdurch ergibt
sich eine besonders gute Halterung der Zähne, die wegen der Erregung bis in den
Resonanzzustand günstig ist.
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Einen besonders guten Effekt erreicht man, wenn die Breite der Zähne
des nachfolgenden Zahnkranzes, also des Erregerkranzes, so groß ist, daß die Lücken
zwischen den Zähnen des vorangehenden Zahnkranzes, also des Resonanzkranzes, periodisch
gänzlich abgedeckt werden. Durch eine 100%ige Abdickung erhält man einen sehr steilen
Anstieg des Druckes (Druckimpuls) mit einem entsprechenden Effekt hinsichtlich der
Schwingungsanregung und der Faserbeanspruchun'-.
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Ahnliches gilt für das weitere vorteilhafte Merkmal, daß die Zähne
benachbarter Zahnkränze längs einer Rotationsfläche einen verhältnismäßig engen
Spalt besitzen. Hierdurch wird der Raum zwischen zwei Resonanzzähnen plötzlich und
vollständig abgeschlossen, was einen kräftigen Druckimpuls ergibt. Außerdem ist
die mechanische Einwirkung auf die Fasern zur Erhöhung der Fibrillierung größer.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Rotationsfläche
- im Axialschnitt - eine Konusfläche. Dies bedeutet, daß man durch
eine Axialverschiebung des Rotors den Spalt zwischen benachbarten Zahnkränzen ändern
kann. Durch eine Änderung der Spaltbreite werden alle drei Beanspruchungsweisen
(mechanische Schwingungen, Druckimpulse, mechanischer Einfluß der Zähne) der Fasern
geändert, so daß man den Bearbeitungseffekt nach Wunsch einstellen kann.
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Sodann ist es in manchen Fällen zweckmäßig, die Zähne schräg zur Umlaufbahn
zu stellen. Auf diese Weise kann man mit verhältnismäßig schmalen Zähnen, wie sie
für Eigenschwingungen im Schall-und Ultraschallbereich zweckmäßig sein können, trotzdem
recht breite Flächen zum Abdecken der Lücken zwischen Zähnen eines benachbarten
Mahlkranzes erzeugen. Außerdem kann durch die Schrägstellung eine Erhöhung der Förderwirkung
erzielt werden. Sodann läßt sich der Kürzungseffekt noch stärker vermindern, indem
die stumpfwinkligen
Zahnkanten gegeneinander wirken, oder bei umgekehrter
Drehrichtung nach Wunsch auch erhöhen.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Fig. 1 stellt ein Ausführungsbeispiel im Achsenschnitt des
Aufrisses dar; F i g. 2, 4, 6 zeigen im Aufriß die Vorderansicht eines
Teiles je eines Rotors und F i g. 3, 5, 7 jeweils den dazu gehörenden Grundriß;
F i g. 8 und 9 veranschaulichen die Biegungslinien zwei- und einseitig
eingespannter Resonanzzähne, und F i g. 10 zeigt eine bevorzugte Querschnittsform
der Zähne.
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Bei der in F i g. 1 gezeigten Maschine wird der Stoff durch
einen Eintrittsstutzen 1 zugeführt. Die Stoffbewegung in der Maschine wird
durch die Umlaufschaufeln 5 des Rotors 2 unterstützt, durch welche der Stoff
auch gleichzeitig in die Arbeitszone der Mahleinrichtung gebracht wird. Der Rotor
2 trägt zwei Mahlkränze 3. Der Stator 8 bzw. ein gegenläufiger Rotor
trägt drei Mahlkränze 4. An jedem Rotorkranz 3 sitzen Zähne 6, die
am anderen Ende mittels eines weiteren Kranzes 9 verbunden sind. An jedem
Statorkranz 4 sitzen Zähne 7, die am anderen Ende durch einen Kranz
10 miteinander verbunden sind. Zwischen den Rotorzähnen 6 werden Durchflußkanäle
11, zwischen den Zähnen 7 Durchflußkanäle 12 gebildet.
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Die Zähne 6 des Rotors sind so ausgelegt, daß sie eine Biegeschwingungs-Eigenfrequenz
im Schall- oder Ultraschallbereich haben. Ihre Schwingungslinie entspricht der eines
beidseitig eingespannten Trägers. Sie greifen in Aussparungen zwischen den Mahlkränzen
4 des Stators und bilden mit Flächen, die auf einem Konus liegen, einen verhältnismäßig
engen Spalt 1 mit den Zähnen 7 des Stators. Infolgedessen werden bei
einer Drehung des Rotors die Durchflußkanäle 11 in bestimmten Zeitabständen
durch angrenzende Zähne 7 abgeschlossen. Die hierdurch entstehenden hydraulischen
Stöße führen bei der erfindungsgemäßen Auslegung der Maschine zu einer Anregung
der Rotorzähne 6 mit ihrer Eigenfrequenz.
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Die F i g. 2 und 3 bzw. 4 und 5 zeigen zwei Ausführungsformen
für zwischen zwei Kränzen gehaltene Resonanzzähne. Die F i g. 6 und
7 zeigen einen Resonanzzahnkranz mit an einem Ende freien Zähnen. Die Form
der Biegungslinien der Zähne ist strichpunktiert in den F i g. 8 und
9 dargestellt. Hierbei entspricht die Biegungslinie der F i g. 8 derjenigen
eines beidseitig eingespannten Trägers, während die Biegungslinie der F i
g. 9 derjenigen eines einseitig eingespannten Trägers entspricht.
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Durch die Schrägstellung der Zähne nach F i g. 10
ergibt sich
eine erhöhte Förderwirkung und eine größere Länge des Spaltes zwischen den benachbarten
Zähnen.
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Die Kombination der beschriebenen Wirkungen ermöglicht eine intensivere
Bearbeitung der Fasern als bisher. Dies gestattet unter sonst gleichen Voraussetzungen
eine Verringerung der Zahl der Durch-gänge des zu verarbeitenden Stoffes
durch die Maschine, eine Verminderung der benötigten Maschineneinheiten undioder
eine Verkleinerung der Maschinenabmessungen. Die Durchtrittswege in der Maschine
ermöglichen die Zerlegung des gesamten Stofflaufes durch die Maschine in kleine
Gebiete, welche Bereiche bilden, in denen nur praktisch gleiche Arten der Beanspruchung
der Faser auftreten.
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Durch die Verarbeituno, des Stoffes in Bereichen wird eine hohe Homogenität
des verarbeiteten Stoffes erzielt. Durch die Kombination verschiedener Arten der
Beanspruchung der Faser werden eine feine Regulierbarkeit und Beherrschung des Mahlprozesses
und hierdurch vorher genau festgelegte Eigenschaften des verarbeiteten Stoffes erreicht.