DE19821576B4

DE19821576B4 - Kühlwalze

Info

Publication number: DE19821576B4
Application number: DE1998121576
Authority: DE
Inventors: Christian MÜNCH
Original assignee: Voith Paper Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 1998-05-14
Filing date: 1998-05-14
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2018-05-15
Also published as: DE19821576A1

Abstract

Papierbahn-Kühlwalze mit einer einer Zylindermantelfläche entsprechenden Oberfläche und einer Oberflächenkühleinrichtung, die mit einer Kühlflüssigkeit gespeist ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (2) mit einem Profil aus Vertiefungen (6) versehen ist, die ein Luftausweichvolumen zur Verfügung stellen oder eine Verbindung damit herstellen, wobei die Vertiefungen schraubenlinienförmig in beiden axialen Walzenhälften gegenläufig um die Walze (1) herum geführt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlwalze mit einer einer Zylindermantelfläche entsprechenden Oberfläche und einer Oberflächenkühleinrichtung.

Kühlwalzen dieser Art werden insbesondere bei der Papierherstellung benötigt. Papierbahnen werden in der Regel durch einen Kalander oder eine andere Walzenmaschine geleitet und dort mit Druck und Wärme beaufschlagt. Die den Kalander verlassende Papierbahn hat dann eine Temperatur im Bereich von etwa 65 bis 90°C und sollte bis zur Aufwicklung auf etwa 40°C abgekühlt werden.

Hierzu sind Kühlwalzen bekannt, die von Wasser durchflossen werden und von der Papierbahn zumindest teilweise umschlungen sind. Diese Kühlwalzen sollen dem Papier Wärme entziehen.

Die erforderliche Kühlleistung richtet sich unter anderem auch nach der Bahngeschwindigkeit der Papierbahn. Je schneller die Papierbahn läuft, desto größer muß die Kühlleistung der Kühlwalze sein, d.h. desto größer muß die Fähigkeit sein, die Wärme abzutransportieren.

Man ist bisher davon ausgegangen, daß man eine Steigerung der Kühlleistung dadurch erzielen kann, daß man den Durchmesser der Kühlwalze und damit die Oberfläche der Kühlwalze vergrößert. Die Papierbahn liegt dann über einen größeren Flächenbereich an der Kühlwalze an. Dies sollte eigentlich zu einem verbesserten Wärmeübergang führen.

Es hat sich allerdings gezeigt, daß die Kühlwalzen die erwarteten Kühlleistungen nicht erbringen. Die Kühlleistung steigt nicht proportional mit der Zunahme des Durchmessers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlleistung bei einer Kühlwalze zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei einer Kühlwalze der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Oberfläche mit einem Profil aus Vertiefungen versehen ist.

Man geht hierbei von der herkömmlichen Vorstellung ab, nach der eine Vergrößerung der Oberfläche der Kühlwalze zu einer Steigerung der Kühlleistung der Kühlwalze führt. Man geht vielmehr den umgekehrten Weg und verkleinert die Oberfläche der Kühlwalze, an der die Materialbahn anliegt, was im Grunde genommen zunächst eine Verringerung der Kühlleistung erwarten läßt. Erstaunlicherweise ergibt sich aber durch die Profilierung der Oberfläche sogar eine verbesserte Kühllei stung. Man führt dies darauf zurück, daß sich bei den herkömmlichen Kühlwalzen zwischen der Materialbahn, z.B. der Papierbahn und der Oberfläche der Kühlwalze eine Luftschicht ausbildet, die einen starken Wärmewiderstand bildet. Messungen haben gezeigt, daß eine derartige Luftschicht durchaus Dicken von 50 bis 300 μm haben kann, je nach Bahngeschwindigkeit. Diese Luftschicht ist der größte Wärmewiderstand zwischen der Papierbahn und der Kühlwalze. Wenn man diese Luftschicht beseitigen oder verkleinern kann, dann kann der Wärmeübergang von der Materialbahn auf die Kühlwalze ganz erheblich verbessert werden. Die Steigerung des Wärmeübergangs ist so groß, daß sie den Verlust an "wirksamer" Oberfläche wieder wett macht und sogar überkompensiert.

Vorteilhafterweise stellen die Vertiefungen ein Luftausweichvolumen zur Verfügung oder eine Verbindung damit her, für das gilt:

wobei V_A: Ausweichvolumen in m³
V_LS: Spaltvolumen bei einer Umdrehung in m³
P_∞: Umgebungsdruck in Pa
p_LS: Spaltdruck in Pa
n: Polytropenexponent, zu wählen aus einem Bereich zwischen 1,15 und 1,35

Das Ausweichvolumen läßt sich anhand dieser Formel berechnen. Es ergibt sich aus der Spaltgeometrie, d.h. dem ohne Vertiefungs-Profil existierenden Luftspalt zwischen der Materialbahn und der Kühlwalze, und der Bahn bzw. Kühlwalzengeschwindigkeit. Zur Berechnung verwendet man die Beziehungen für polytrope Zustandsänderungen. Nach dieser Beziehung ergeben sich für übliche Luftspalte Ausweichvolumina von mehreren hundert 1, die auf der Walzenoberfläche vorgesehen werden müssen. Da der nutzbare Flächenanteil auf einer Walze, der für Profilierungen nutzbar ist, maximal 30 % beträgt und der Profiltiefe durch die Manteldicke der Kühlwalze eine Grenze gesetzt wird, ist es schwierig, auf der Kühlwalzenoberfläche dieses Volumen vorzusehen, das das Luftpolster aufnehmen kann. Man bevorzugt daher die Möglichkeit, daß die Profilierungen lediglich die Verbindung zu dem Luftaufnahmevolumen herstellen. Diese Luftaufnahmevolumen kann dann auch außerhalb der Walze, beispielsweise in der Umgebungsluft, in einem Bereich angeordnet sein, der nicht von der Materialbahn abgedeckt ist.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die Vertiefungen als Nuten ausgebildet sind, die in der Oberfläche einen Verlauf mit einer größeren Komponente in Umfangsrichtung als in Axialrichtung aufweisen. Die Nuten werden einerseits von der Materialbahn abgedeckt, stehen aber andererseits auch mit einem nicht abgedeckten Oberflächenbereich der Kühlwalze in Verbindung, so daß die Luft dorthin verdrängt werden kann. Dies ermöglicht es, daß die Materialbahn ohne störendes Luftpolster unmittelbar an der Oberfläche der Kühlwalze anliegt. Damit wird, wie gesagt, die Kühlleistung verbessert, weil der Wärmewiderstand des Luftpolsters drastisch verringert wird oder sogar entfällt. Von der Herstellung her macht es kein Problem die Nuten offen und durchgehend auszubilden.

Vorzugsweise weisen die Vertiefungen eine größere Tiefe als Breite auf. Die Vertiefungen sind also schmal und tief. Über die Tiefe läßt sich ein relativ großes Volumen bereitstellen, das zum Ausweichen der Luft verwendet werden kann. Wenn die Vertiefungen schmal sind, bleibt das Risiko, daß die Vertiefungen zu Markierungen auf der Materialbahnoberfläche führen, gering.

Vorzugsweise liegt der Anteil der Vertiefungen an der Oberfläche im Bereich von 10 % bis 30 %. In diesem Bereich wird einerseits sichergestellt, daß ein genügend großes Ausweichvolumen zur Verfügung steht, in das die Luft des Luftpolsters zwischen der Materialbahn und der Kühlwalze verdrängt oder abgeleitet werden kann. Andererseits hat die Materialbahn noch genügenden Kontakt mit der gekühlten Oberfläche der Walze, so daß die Wärmeabfuhr in ausreichendem Maße erfolgen kann.

Vorzugsweise überschreitet der Durchmesser der Kühlwalze 500 mm nicht. Insbesondere bei kleineren Walzendurchmessern ist die Profilierung mit Vertiefungen eine sehr wirkungsvolle Maßnahme, um den Wärmeübergang von der Materialbahn auf die Kühlwalze zu verbessern.

Vorzugsweise weisen die Vertiefungen einen trapez- oder V-förmigen Querschnitt auf. Ein derartiges Profil ist leicht zu fertigen. Zwar opfert man diesem Vorteil einen Teil des Luftausweichvolumens. Da es bei dieser Ausgestaltung aber ohnehin bevorzugt ist, daß die Vertiefungen nur zur Verbindung des abgedeckten Oberflächenbereichs mit dem Luftausweichvolumen dienen sollen, kann man diesen kleinen Nachteil für eine verbesserte Fertigungsmöglichkeit in Kauf nehmen.

Vorteilhafterweise sind die Vertiefungen schraubenlinienförmig um die Walze herum geführt. Mit jener Schraubenlinie verhindert man, daß sich parallele Wärmeprofilstreifen auf der Materialbahn ausprägen.

Vorzugsweise ist die Schraubenlinie mehrgängig geführt. Man erzielt damit eine verstärkte Förderwirkung in Umfangsrichtung, was erwünscht ist. Gleichzeitig kann man dafür sorgen, daß auch eine gewisse Förderwirkung in Axialrichtung entsteht.

Vorzugsweise beträgt die Steigung der Schraubenlinie das zehn- bis zwanzigfache der Breite der Vertiefung an der Oberfläche. Damit ergeben sich akzeptable Werte für das Verhältnis von Oberflächenverlust zu Kühlleistungssteigerung. Die Profilierung ist zwar ein Mehraufwand, der die Fertigung der Kühlwalzen verteuert. Dem steht jedoch eine verbesserte Kühlleistung und damit ein verkleinerter und damit wiederum günstigerer Kühlwalzendurchmesser gegenüber.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
1 eine Draufsicht auf eine Kühlwalze und
2 eine vergrößerte Schnittansicht eines Oberflächenbereichs.
1 zeigt eine Kühlwalze 1 mit einer Oberfläche 2. Die Oberfläche 2 entspricht einer Zylindermantelfläche. Die Kühlwalze 1 weist zwei Walzenzapfen 3, 4 auf, durch die eine Kühlflüssigkeit, beispielsweise Kühlwasser, gepumpt werden kann. Hierzu ist eine Pumpe 5 vorgesehen. Der Aufbau derartiger Kühlwalzen an sich ist bekannt. Beispielsweise kann das Kühlwasser durch Kanäle geführt werden, die unterhalb der Oberfläche 2 achsparallel angeordnet sind.
Zur Verbesserung der Kühlwirkung der Kühlwalze 1 sind in der Oberfläche Vertiefungen 6 vorgesehen, die ein schraubenlinienförmiges Profil bilden. Das schraubenlinienförmige Profil ist mehrgängig ausgebildet. Dargestellt ist ein Profil mit sechs Gängen. Das Profil sollte mindestens drei Gänge aufweisen, d.h. drei Vertiefungen sind parallel zueinander um die Kühlwalze 1 herumgeführt. 2 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht. Daraus ergibt sich, daß die Vertiefungen einen V-förmigen Querschnitt aufweisen, bei dem die Kanten 7 abgerundet sind, um eine Markierung einer Materialbahn, die durch die Kühlwalze 1 gekühlt werden soll, zu vermeiden.
Die Vertiefungen sind schmal und tief. Ihre Tiefe t ist größer als ihre Breite b an der Oberfläche. Es ist auch möglich, daß anstelle des dargestellten V-Profils ein trapezförmiges Profil verwendet wird.
Insgesamt sollte die Steigung der Schraubenlinie so gewählt werden, daß sie im Bereich des Zehn- bis Zwanzigfachen der Breite b der Vertiefung 6 an der Oberfläche 2 liegt. Der Oberflächenverlust liegt im Bereich von 10 bis 30 % der Oberfläche 2. Normalerweise würde man annehmen, daß dies auch mit einer entsprechend ver schlechterten Wärmeübertragung einhergeht. Erstaunlicherweise kann man aber feststellen, daß mindestens eine Verdreifachung der Kühlleistung erreicht wird. Man führt dies darauf zurück, daß aufgrund des Vertiefungsprofils ein Verdrängen des Luftpolsters zwischen der Materialbahn und der Oberfläche 2 der Kühlwalze 1 erfolgt. Die Vertiefungen 6 stellen nämlich eine Verbindung zu einem Ausweichvolumen her, das sich wie folgt berechnen läßt
wobei VA: Ausweichvolumen in m³
V_LS: Spaltvolumen bei einer Umdrehung in m³
P_∞: Umgebungsdruck in Pa
p_LS: Spaltdruck in Pa
n: Polytropenexponent, zu wählen aus einem Bereich zwischen 1,15 und 1,35
Dieses Ausweichvolumen steht in der Umgebungsatmosphäre in den Bereichen der Kühlwalze zur Verfügung, die nicht von der Materialbahn abgedeckt sind.
Wie aus 1 ersichtlich ist, verläuft die Steigung der Schraubenlinie in den beiden axialen Walzenhälften gegenläufig, so daß man mit den Vertiefungen 6 auch eine geringe Breitstreckwirkung erzielen kann. Wichtiger ist aber, daß die Vertiefungen 6 eine Komponente in Umfangsrichtung haben, die ausreicht, um die Luft von den Materialbahn abgedeckten Bereichen der Kühlwalze 1 in solche Bereiche zu befördern oder zu verdrängen, in denen die Luft ausweichen kann. Damit wird eine Luft schicht, die im Betrieb durchaus Dicken im Bereich von 50 bis 300 μm erreichen kann, soweit verringert, daß sie keinen nennenswerten Wärmewiderstand mehr bietet. Der Wärmetransport von der Materialbahn auf die Kühlwalze wird dann weniger behindert, was zu einer verbesserten Kühlleistung führt.
Die Profilierung ist zwar ein Mehraufwand, der die Kühlwalzenfertigung verteuert. Dem steht jedoch die verbesserte Kühlleistung gegenüber, so daß man verkleinerte Kühlwalzendurchmesser verwenden kann, die von den Kosten her wieder günstigere Ergebnisse bringen.
Eine in 1 dargestellte Kühlwalze kann beispielsweise im Anschluß an einen Kalander verwendet werden, in dem eine Papierbahn unter erhöhtem Druck und vor allem mit erhöhter Temperatur behandelt wird. Wenn die Papierbahn den Kalander mit Temperaturen im Bereich von 60 bis 95°C verläßt, kann sie mit Hilfe einer oder mehrerer Kühlwalzen auf 40°C herabgekühlt werden, was für weitere Bearbeitungsschritte, beispielsweise das Aufwickeln, erforderlich ist.
Versuche haben ergeben, daß die Dicke der Luftschicht zwischen der Papierbahn und der Kühlwalze 1 um 65 bis 90 %. Umgerechnet auf die Kühlwalze ergibt sich damit trotz einem angenommenen Oberflächenverlust von 20 eine Verdreifachung der Kühlleistung.

Claims

Papierbahn-Kühlwalze mit einer einer Zylindermantelfläche entsprechenden Oberfläche und einer Oberflächenkühleinrichtung, die mit einer Kühlflüssigkeit gespeist ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (2) mit einem Profil aus Vertiefungen (6) versehen ist, die ein Luftausweichvolumen zur Verfügung stellen oder eine Verbindung damit herstellen, wobei die Vertiefungen schraubenlinienförmig in beiden axialen Walzenhälften gegenläufig um die Walze (1) herum geführt sind.
Kühlwalze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, für das Luftaufnahmevolumen gilt:
wobei V_A: Ausweichvolumen in m³ V_LS: Spaltvolumen bei einer Umdrehung in m³ P_∞: Umgebungsdruck in Pa p_LS: Spaltdruck in Pa n: Polytropenexponent, zu wählen aus einem Bereich zwischen 1,15 und 1,35.
Kühlwalze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (6) als Nuten ausgebildet sind, die in der Oberfläche (2) einen Verlauf mit einer größeren Komponente in Umfangsrichtung als in Axialrichtung aufweisen.
Kühlwalze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (6) eine größere Tiefe (t) als Breite (b) aufweisen.
Kühlwalze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Vertiefungen (6) an der Oberfläche (2) im Bereich von 10 % bis 30 liegt.
Kühlwalze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Durchmesser 500 mm nicht überschreitet.
Kühlwalze nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (6) einen trapez- oder V-förmigen Querschnitt aufweisen.
Kühlwalze nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenlinie mehrgängig geführt ist.
Kühlwalze nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der Schraubenlinie das zehn- bis zwanzigfache der Breite (b) der Vertiefung (6) an der Oberfläche.