DE3130406A1 - Stoffauflauf fuer eine papiermaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Stoffauflauf (head box) für eine Papiermaschine.

Bei einem bisherigen, in Fig. 1 im Schnitt dargestellten Papiermaschinen-Stoffauflauf wird flüssiger Papierstoff durch eine Staukammer 2 geleitet und über eine öffnung an einer Staulippe bzw. -latte 1 ausgestoßen. Der Papierstoff wird dabei von einer Vorstaukammer 3 über öffnungen 5, die in mehreren Reihen in einer Lochplatte 4 vorgesehen sind, zugeführt und in die Staukammer 2 eingeleitet, deren Querschnitt sich unter Begrenzung durch eine Oberplatte 6 und eine Unterplatte 7 in Richtung auf die Stau- oder Austragöffnung (slice opening) verkleinert. Der Innenraum der · Staukammer 2 ist durch Strömungsleitelemente 8 so unterteilt, daß durch Bildung mehrerer verengter Strömungswege 9 eine turbulente Strömung zum Dispergieren der Fasern erzeugt wird. Aufgrund der durch die Strömung des flüssigen Papierstoffs erzeugten hydrodynamischen Wirkung werden die Leitelemente 8 in gegenseitigem Abstand gehalten (vgl. JA-OS 55-6564/1980).

Fig. 2 zeigt eine andere Konstruktion der bisherigen Staukammer, die Strömungsleitelemente TO mit gewellten Oberflächen verwendet. Die Strömungsleitelemente beider Konfigurationen vermögen in dem die verengten Strömungswege durchströmenden Papierstoff Turbulenz zum Dispergieren der Papierstoffasern zu erzeugen.

Die Staukammern beim bisherigen Stoffauflauf gemäß Fig.l und 2 sind jedoch mit folgenden Nachteilen behaftet: Obgleich die bisherigen Vorrichtungen typischerweise die Vorteile bieten, daß an der Stromaufseite entstehende Wirbel sich bei ihrer Bewegung in Strömungsrichtung aufgrund des Vorhandenseins der Strömungsleitelemente (flow _# restraining relements) schnell verkleinern und damit der flüssige Papierstoff stabil und gleichmäßig über die ^

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Breite der Austrag-Öffnung ausgetrieben werden kann, ist die Dispersion der Papier(stoff)fasern nicht zufriedenstellend, so daß zeitweilig Papier mit kleinen Flocken, oder Klumpen hergestellt wird.

Im Fall von Papierstoff, der lange Fasern enthält, neigen zudem die Fasern dazu, sich in Strömungsrichtung auszurichten, so daß die hergestellte Papierbahn stark unterschiedliche Zugfestigkeiten in Längs- und Querrichtung besitzt. Wenn eine Flüssigkeit mit Turbulenz strömt, werden im allgemeinen Wirbel erzeugt; wenn ein solcher Wirbel im Papierstoff entsteht, tritt ein Unterschied- in der Faser-Konzentration auf, weil die Fasern unter der Fliehkraft im Wirbel nach außen verlagert werden. Außerdem sind die Fasern wegen der Drehung im Wirbel einer Verdrehung (twisting) unterworfen. Die einwandfreie Dispersion der Fasern bei Anwendung einer turbulenten Strömung ist daher schwierig zu erreichen. Die Erfindung bezweckt nun die Ausschaltung der vorstehend geschilderten Mängel des Stands der Technik.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung eines verbesserten Stoffauflaufs für eine Papiermaschine, mit welchem die Dispersion der Papierfasern und die mechanischen Eigenschaften einer hergestellten Papierbahn durch Erhöhung ihrer Zugfestigkeit in Querrichtung in solchem Ausmaß verbessert werden können, daß der Unterschied in der Zugfestigkeit gegenüber der Längsrichtung der Papierbahn, d.h. in Strömungsrichtung des Papierstoffs, weitgehend verringert wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Papiermaschinen-Stoffauflauf der angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einer Staukammer, die durch eine Oberplatte und eine Unterplatte festgelegt ist und in Richtung auf eine Staulippe bzw. -latte konvergiert, eine Strömungsbahn mit einer sich

wiederholt und abwechselnd verengenden und erweiternden Querschnittskonfiguration ausgebildet ist.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 Längsschnittansichten zweier bisheriger Papiermaschinen-Stoffauflaufe,

Fig. 3a, 3b, 4, 5 bis · 8 Längsschnitte durch verschiedene Ausführungsformen eines Papiermaschinen-Stoffauflaufs mit Merkmalen nach der Erfindung,

Fig. 9 eine im Längsschnitt gehaltene Aufsicht auf den Stoffauflauf gemäß Fig. 8 und

Fig.10 und 11 Längsschnittansichten weiter abgewandelter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Stoffauflaufs, bei denen eine Staukammer eine einzige Strömungsbahn aufweist.

Die Fig. 1 und 2 sind eingangs bereits erläutert worden.

Bei den in den Fig. 3a, 3b und 4 dargestellten Ausführungsformen der Erfindung ist eine mittels nicht dargestellter Schrauben starr an einer Oberplatte 12 befestigte Staulippe bzw. -latte 11 vorgesehen, die an der mit dem Papierstoff in Berührung stehenden Seite an einer Fuge 13 stufenlos in die Oberplatte 12 übergeht. Die Latte 11 weist zwischen ihrem an der Oberplatte 12 befestigten Teil 11a und ihrem ■ Kantenteil 11b einen eingeschnürten bzw. Halsteil 14 geringerer Steifigkeit auf. Die Lippe oder Latte 11 kann an ihrem Halsteil 14 mittels einer nicht dargestellten Hebestange (jacking rod), die am Kantenteil 11b montiert ist, so aus-

gelenkt bzw. gewölbt werden, daß die Spaltbreite zwischen dem Kantenteil 11b und einer Unterplatte 15 vergrößert oder verkleinert und dabei die Strömungsgeschwindigkeit an den betreffenden Punkten über die Breite dieser Latte geändert wird, um dabei das Verteilungsprofil des Grundgewichts (a profile of basic weight) über die Breite hinweg fein einstellen zu können.

Eine durch die Oberplatte 12 und die Bodenplatte 15 begrenzte Staukammer 16 konvergiert in Richtung auf die Staulatte 11. In der Staukammer 16 sind Strömungsverzögerungs- bzw. -leitelemente 17 angeordnet, die sich in Richtung auf die Latte 11 erstrecken und deren Oberflächen durch glatte bzw. geradlinige Flächensegmente gebildet werden, die gemäß den Fig. 3a und 3b wiederholt bzw. abwechselnd auf die gegenüberliegende Fläche des jeweils benachbarten Leitelements zu und von diesem hinweg verlaufen.

Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 3a und 3b ändern sich die Querschnittsformen der Strömungsleitelemente 17 gleichmäßig in der Weise, daß die zwischen benachbarten Strömungsleitelementen 17 festgelegten Strömungswege 18 sich wiederholend und abwechselnd verengen und verbreitern, wobei die Strömungsleitelemente 17 sowie die verengten Strömungswege 18 insgesamt in Richtung auf die Stau-Latte 11 konvergieren bzw. zusammenlaufen. Zusätzlich sind auch die mit dem Papierstoff in Berührung gelangenden Innenflächen von Oberplatte 12 und Unterplatte 15 in Anpassung an die Querschnittsformen der Strömungsleitelemente 17 wellenförmig ausgebildet.

In Fig. 3b ist eine gegenüber Fig. 3a abgewandelte Ausführungsform dargestellt, bei welcher die Längen der Strömungsleitelemente 17 so variiert sind, daß mehrere verengte Strömungswege 18 stufenweise ineinander über-

gehen können. Bei der weiter abgewandelten Ausführungsform gemäß Fig. 4 werden die verengten, sich wiederholt und abwechselnd verengenden und verbreiternden Strömungswege 18a dadurch festgelegt, daß plattenförmige Strömungsleitelemente 17a wellenförmig gebogen sind. In jedem Fall ist jedoch der Verjüngungswinkel in den Verbreiterungsabschnitten des Strömungswegs so klein, daß keine großen Wirbel entstehen können.

Im folgenden ist die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Stoffauflaufs erläutert. In dem die beschriebenen verengten Strömungswege durchströmenden flüssigen Papierstoff treten in dessen Strömungsrichtung sich wiederholende und abwechselnde Beschleunigungen und Verzögerungen auf. Wenn in einem Beschleunigungsbereich eine Flocke bzw. ein Klumpen vorhanden ist, wird aufgrund der niedrigeren Strömungsgeschwindigkeit an der Stromaufseite und der höheren Strömungsgeschwindigkeit an der Stromabseite ein solcher Klumpen unter einer Zugbelastung aufgebrochen und in der Papierstoffmasse dispergiert. Da in einem Verzögerungsbereich die Beziehung zwischen den niedrigeren und höheren Strömungsgeschwindigkeiten an Stromauf- und Stromabseite umgekehrt ist, wird ein derartiger Klumpen in eine: Richtung senkrecht zur durchschnittlichen Bewegungsrichtung, d.h.. in Richtung der Breite und Dicke des gestauten flüssigen Stroms, unter einer Druckbelastung langgezogen. Aufgrund dieser wechselnden Einwirkungen werden etwaige Klumpen fein zerteilt, so daß die Fasern im Papierstoff gleichmäßig dispergiert werden können ■. Während die dispergierten Fasern in den Beschleunigungsbereichen im wesentlichen in Bewegungsrichtung ausgerichtet sind, sind sie in den Verzögerungsbereichen infolge der Turbulenz der Strömung wahllos ausgerichtet.

Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 3a und 3b bewegen sich die Fasern im Endabschnitt der verengten Strömungswege 18 in wahlloser Orientierung zur Stau-Latte 11. Bei der Ausführungs-

form gemäß Fig. 4 sind dagegen die Endabschnitte der verengten Strömungswege 18a so ausgebildet, daß sie die durch Oberplatte 12 und Unterplatte 15 begrenzte gesamte Strömungsbahn gleichmäßig unterteilen; da die verengten Strömungswege mit Beschleunigungsbereichen und mit Verzögerungsbereichen in dem dem Endabschnitt unmittelbar vorhergehenden Teil einander in lotrechter Richtung abwechseln, strömt in Richtung auf die Stau-Latte 11 insgesamt ein flüssiger Papierstoffstrom in Form von Lagen oder Schichten, in denen Fasern im wesentlichen in Bewegungsrichtung ausgerichtet sind, sowie Lagen oder Schichten, in denen die Fasern wahllos orientiert sind.

Bei beiden Strömungsleitelementen 17 bzw. 17a wird am stromabseitigen Endabschnitt eine gewisse Turbulenz in die Strömung eingeführt, so daß die Papierstoffschichten nach der Strömung durch die jeweiligen verengten Strömungswege in miteinander vermischtem Zustand zur Stau-Latte 11 strömen.

Bei den beschriebenen Ausfuhrungsformen besitzt somit eine Strömungsbahn eine Querschnittsfläche, die sich wiederholt, abwechselnd und stufenlos bzw. sanft erweitert und verengt. Zu diesem Zweck braucht jedoch nicht in jedem Fall die Strömungsbahn mittels der Strömungsleitelemente 17 oder 17a gemäß Fig. 3a, 3b oder 4 in mehrere engere Strömungswege unterteilt zu sein, vielmehr kann auch ein einziger Strömungsdurchgang angewandt werden. Bei der abgewandelten Ausführungsform gemäß Fig. 5 sind insbesondere stromaufseitig mehrere unterteilte Strömungswege vorhanden, während der Papierstoffstrom nach wiederholter, abwechselnder Beschleunigung und Verzögerung in den einzelnen getrennten Strömungswegen am stromabseitigen Ende unmittelbar vor der Stau-Latte 11 durch einen Vereinigungs-Strömungsabschnitt geleitet wird, dessen Querschnitt sich, wie bei 16a angedeutet, ebenfalls wiederholt, abwechselnd und sanft erweitert und verengt.

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Die Strömungsleitelemente zur Unterteilung einer Strömungsbahn in mehrere engere Strömungswege brauchen nicht unbedingt aus den Elementen, deren Dicke sich über ihre Länge hinweg abwechselnd ändert (vgl. 17 in Fig. 3a und 3b), oder aus den Elementen in Form von gekrümmten bzw. gewellten Platten oder Blechen (vgl. 17a in Fig. 4) zu bestehen, vielmehr können gemäß den Fig. 6 und 7 flache bzw. plane, plattenartige Elemente 17b als Strömungsleitelemente jeweils im Wechsel mit den Strömungsleitelementen 17 verwendet werden, deren Dicke sich über die Länge hinweg ändert.

Fiq. 6 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher eine Strömungsbahn in drei engere Strömungswege oder mehr engere Strömungswege entsprechend einer ungeraden Zahl unterteilt ist,, während Fig. 7 eine Ausführungsform zeigt, in welcher die Strömungsbahn in eine gerade Zahl von Strömungswegen, z.B. zwei oder mehr Strömungswege, unterteilt ist. In jedem Fall sind dabei plane, plattenartige Strömungsleitelemente 17b in Kombination mit Strömungsleitelementen 17 mit sich ändernder Dicke vorgesehen. Die Strömungsbahn kann dabei durch die Strömungsleitelemente wahlweise entweder gemäß den Fig. 3a, 3b und 4 bis 7 in Richtung der Dicke einer herzustellenden Papierbahn oder aber gemäß Fig. 8 und Fig. 9 in Richtung der Breite der herzustellenden Papierbahn in einzelne Strömungswege unterteilt sein. Obgleich die Fig. 8 und 9 eine Ausfuhrungsform veranschaulichen, bei welcher die Strömungsbahn durch Strömungsleitelemente 17 mit sich ändernder Dicke unterteilt ist, kann eine derartige Unterteilung der Strömungsbahn auch mittels derartiger Strömungsleitelemente 17 sowie planer, plattenartiger Strömungsleitelemente 17b der Art gemäß Fig. 6 und in Kombination miteinander oder mittels der gewellten, plattenartigen Strömungsleitelemente 17a gemäß Fig. 4 erfolgen. In Flg. 9 sind dabei auf gegenüberliegenden Seiten einer St§ukajnme?r angeordnete Seitenplatten 19 dargestellt, während die Fig. 3a, 4, 8 und 9 weiterhin eine Vorstaukammer

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sowie eine Lochplatte 4 mit öffnungen 5 darstellen.

Wenn der Stoffauflauf mit dem beschriebenen Aufbau in Verbindung mit einer Stau-Lippe bzw. -Latte einer solchen Konfiguration verwendet wird, daß sie keine Turbulenz in den dispergierten Fasern des Papierstoffs und auch keine starke Beschleunigung hervorruft, wird entweder ein Papierstoffstrom, in welchem die Fasern gut dispergiert sind und die Faserorientierung keine bevorzugte Ausrichtung zeigt,oder aber ein Papierstoffstrom mit einem Schichtaufbau aus Schichten erhalten, in denen die Fasern jeweils gut dispergiert und einerseits in Ausströmrichtung orientiert sowie andererseits wahllos orientiert sind. Nach der Entwässerung in einer Siebpartie wird daher entweder eine Papierbahn, in welcher die Fasern gut bzw. gleichmäßig dispergiert sind und der Unterschied in den Eigenschaften zwischen Längs- und Querrichtung klein ist, oder aber eine Papierbahn erhalten, in welcher die Fasern gut bzw. gleichmäßig dispergiert sind und die einen schichtartigen Aufbau besitzt.

In Fig. 10 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei welcher eine Stau-Lippe bzw. -Latte 11 mittels nicht dargestellter Schrauben od.dgl. an einer Oberplatte 12 befestigt ist und an eine Fuge 13 an der mit dem flüssigen Papierstoff in Berührung gelangenden Seite stufenlos in die Öberplatte 1.2 übergeht. Die Stau-Latte 11 weist auf die in der JA-OS 55-28722 beschriebene Weise eine verringerte"Steifigkeit zwischen ihrem an der Oberplatte 12 befestigten Abschnitt 11a und ihrem end- * seitigen Kantenteil 11b auf. Die Stau-Latte 11 kann auf die vorher beschriebene Weise ausgelenkt bzw. durchgewölbt werden, um die Weite der Austrittsöffnung an bestimmten Punkten über die Breite der Stau-Latte hinweg zu variieren und auf diese Weise eine Feineinstellung des Verteilungsprofils der Papierstoffmenge in Querrichtung zu erreichen.

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Außerdem kann die Oberplatte 12 durch Betätigung einer nicht dargestellten Hebestange 04.dgl. um einen Drehpunkt 20 herum gegenüber einer Lochplatte 4 verdreht werden, so daß auf diese Weise der Abstand zwischen dem Kantenteil 11b der Stau-Latte und der Unterplatte 15 verstellt werden kann. Durch die Oberplatte 12 und die ünterplatte 15 wird eine Strömungsbahn festgelegt, die sich in Richtung auf die Stau-Latte 11 verengt und deren Querschnitt sich gemäß Fig. 10 wiederholt mit sanften Übergängen verändert. Insbesondere wird dabei durch Anordnung von Einschnürungsteilen 16a, 16b und 16c längs der Strömungsbahn 16 diese wiederholt und abwechselnd verengt und erweitert. Der Erweiterungswinkel φ der Strömungsbahn 16 (vgl. Fig. 10) ist auf 25° oder weniger begrenzt, so daß die Erweiterung dieser Strömungsbahn jeweils allmählich erfolgt.

Im folgenden ist die Arbeitsweise des Stoffauflaufs gemäß Fig. 10 erläutert. Aufgrund der sich ändernden Querschnittsform der Strömungsbahn 16 wird der diese durchströmende Papierstoff abwechselnd beschleunigt und verzögert. Etwa im Papierstoff enthaltene Flocken oder Klumpen werden auf die vorher beschriebene Weise in den Beschleunigungs- und Verzögerungsbereichen aufgebrochen und dispergiert bzw. auseinandergezogen.

Aufgrund dieser sich wiederholenden Wirkungen werden etwaige Klumpen fein verteilt, und ihre Fasern werden im flüssigen Papierstoff gleichmäßig dispergiert. Während die dispergierten Fasern im Beschleunigungsbereich im wesentlichen in Bewegungsrichtung ausgerichtet sind, sind sie in den Verzögerungsbereichen wahllos orientiert, weil sie einem Gegendruck ausgesetzt sind.

Wenn eine Papierbahn hergestellt werden soll, in welcher die Fasern in Ausströmungsrichtung ausgerichtet sind, kann zu diesem Zweck der Einschnürungswinkel größer gewählt werden

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als der Erweiterungswinkel, während im Fall einer Papierbahn, in welcher die Faserorientierung keine bevorzugte Richtung zeigt, beide Winkel nahezu gleich groß gewählt werden können.

Aufgrund der sich wiederholenden, gleichmäßigen bzw. sanften Verengung und Erweiterung der Strömungsbahn sowie der Wahl des Erweiterungswinkels auf vorstehend angegebene Weise treten in der Papierstoffströmung keine Wirbel auf, wodurch vermieden wird, daß Fasern unter den durch die Wirbel erzeugten Fliehkräften nach außen verlagert werden und dadurch unterschiedliche Faserkonzentrationen im Papierstoffstrom hervorgerufen werden. Die dispergierten Fasern können sich daher nicht wieder zusammenballen bzw. yerklumpen. In der Strömungsbahn 16 gemäß Fig. 10 sind mehrere Einschnürungen 16a bis 16c vorgesehen, so daß als Folge der an diesen Einschnürungen auftretenden Drosselwiderstände ein Papierstoffstrom erzielt wird, in dem nur kleine Strömungsgeschwindigkeitsunterschiede und nur geringe Strömungsrichtungsabweichungen in Querrichtung vorhanden sind. (Das gleiche gilt auch für die in Fig. 11 dargestellte, noch zu erläuternde Ausführungsform)

Wenn bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein flüssiger Papierstoff, in welchem die Fasern durch eine Strömungsbahn 16 mit nahezu gleich großem Einschnürungs-·und Erweiterungswinkel gleichmäßig dispergiert sind, in Kombination mit einer Stau-Latte 11 einer solchen Form verwendet wird, daß sie keine Turbulenz einführt und den Papierstoffstrom nicht wesentlich beschleunigt, wie dies bei der Form dieser Stau-Latte gemäß Fig. 10 der Fall ist, wird ein Papierstoffstrom gewährleistet, in welchem die Fasern gut bzw. gleichmäßig dispergiert sind und ihre Orientierung keine bevorzugte Richtung zeigt.

Wenn dagegen ein flüssiger Papierstoffstrom, in welchem die Fasern durch eine Strömungsbahn 16 mit größerem Einschnürungswinkel und kleinerem Erwexterungswinkel gleichmäßig dispergiert sind, in Verbindung mit einer Stau-Latte 11 mit einer den Papierstoffstrom beschleunigenden Form gemäß Fig. 11 verwendet wird, kann ein Papierstoffstrom erhalten werden, in welchem die Fasern gut dispergiert und in Ausströmungsrichtung orientiert sind.

Bei der Herstellung einer Papierbahn durch Entwässerung des Papierstoffstroms oder -Strahls in der nachfolgenden Siebpartie läßt sich dann entweder eine Papierbahn, in welcher die Fasern ausgezeichnet dispergiert sind und deren mechanische Eigenschaften in Längs- und in Querrichtung nur geringe Unterschiede zeigen, oder aber eine Papierbahn herstellen, in welcher die Fasern ausgezeichnet dispergiert sind und die eine große mechanische Festigkeit in Längsrichtung besitzt. In Fig. 11 sind die den vorher beschriebenen Teilen entsprechenden Teile mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet.

Da mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine ausgezeichnete Disperson der Fasern erzielt wird, kann weiterhin eine Papierbahn aus flüssigem Papierstoff mit höheren Konzentrationen als beim bisherigen Papierstoff, der eine Konzentration von 0,3 bis 0,8 % besitzt, hergestellt werden. Da hierbei die verwendete Wassermenge herabgesetzt ist, kann die Leistung der Pumpen und ähnlicher Teile niedriger sein, so daß die Papierherstellung mit niedrigeren Betriebskosten erfolgen kann. Da weiterhin mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Papierstoffstrom erzielt werden kann, der nur geringe Strömungsgeschwindigkeitsunterschiede und geringe Strömungsrichtungsabweichungen in Querrichtung aufweist, wird audi das Profil der hergestellten Papierbahn über ihre Breite hinweg verbessert.

Claims (3)

Patentansprüche;

1.) Stoff auflauf für eine Papiermaschine, dadurch gekenn- . zeichnet, daß in einer Staukammer (16), die durch eine Oberplatte (12) und eine Unterplatte (15) festgelegt ist und in Richtung auf eine Stau-Lippe bzw. -Latte (11) konvergiert, eine Strömungsbahn mit einer sich wiederholt und abwechselnd verengenden und erweiternden Querschnittskonfiguration ausgebildet ist.

2. Stoffauflauf für eine Papiermaschine, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Staukammer (16), die durch eine Oberplatte (12) und eine ünterplatte (15) festgelegt ist und in Richtung auf eine Stau-Lippe bzw. -Latte (11) konvergiert, Strömungsleitelemente (17) angeordnet sind, deren Flächen durch glatte

Oberflächen gebildet sind, die abwechselnd sich den gegenüberliegenden Flächen jeweils benachbarter Strömungsleitelemente (17) annähern und sich von diesen Flächen entfernen.

3. Stoffauflauf zur Zufuhr eines flüssigen Papierstoffs zu einer Siebpartie in einer Papiermaschine, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Strömungsbahn innerhalb des Stoffaüflaufs zum Dispergieren der Fasern im flüssigen Papierstoff gleichmäßig bzw. sanft (smoothly) und abwechselnd verengt und erweitert und daß der Erweiterungs(kegel)winkel der Strömungsbahn auf 25 oder weniger begrenzt ist.