Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trocknen einer feuchten Papier- oder Pappenbahn.
Durch die Erfindung wird eine sehr wirksame und schnelle Trocknung, d. h. die Entfernung von Wasser, durchgeführt, wodurch eine erhebliche Erhöhung der Trocknungsgeschwin digkeit im Vergleich zu anderen Arten von Trocknungsvorrichtungen ermöglicht wird. Im Zusammenhang mit der Herstellung von Papier auf einer Papiermaschine kann mit der Erfindung entweder eine erhebliche Erhöhung der Geschwindigkeit der Papiermaschine erzielt werden oder es kann auch die sogenannte Trockenpartie der Papiermaschine erheblich kürzer, d. h. mit weniger Platzbedarf als eine übliche Trockenpartie, ausgeführt werden.
Bekanntlich erfolgt die Papierherstellung oder Pappenherstellung derart, dass die gebildete feuchte Papierbahn zunächst durch eine sogenannte Presspartie geführt wird, in der das Wasser abgepresst wird, sofern dies mit Rücksicht auf die Qualität möglich ist. Die feuchte Papierbahn wird dann durch die sogenannte Trockenpartie geführt, die hauptsächlich aus einer Anzahl erhitzter, umlaufender Zylinder besteht. Diese Zylinder werden gewöhnlich durch überhitzten, unter Druck stehenden Wasserdampf erhitzt und sie sind in der Regel in zwei über einander liegenden Reihen angeordnet. Die Papierbahn wird durch die Trockenpartie geführt, so dass sie abwechselnd in Berührung mit einem unteren Zylinder und einen oberen Zylinder gelangt. Bei der Berührung wird die Papierbahn in der Regel gegen die umlaufende Zylinderfläche mittels sogenannter Trockenfilze oder Trockensiebbänder gepresst.
Bei dieser Ausführungsform wird somit die Papierbahn abwechselnd an ihren beiden Seiten beim Durchlauf durch die Trockenpartie getrocknet.
In einer anderen Ausführungsform einer üblichen Trockenpartie wird die feuchte Papierbahn, nachdem sie die Presspartie verlassen hat, auf die Oberfläche eines einzigen grossen, umlaufenden, erhitzten Zylinders überführt. Wenn der grösste Teil der Zylinderumdrehung vollendet ist, ist die Papierbahn getrocknet und wird von der Zylinderoberfläche entfernt.
Es ist leicht einzusehen, dass der Nachteil des oben beschriebenen Trockenverfahrens darin liegt, dass das beim Trocknen aus der Papierbahn durch Verdampfung abzutreibende Wasser durch die von der erhitzten Zylinderoberfläche abgewandte Seite des Papiers hindurchtreten muss. Dies deswegen, weil der gebildete Wasserdampf durch die homogene Zylinderoberfläche nicht hindurchtreten kann. Bei dem abwechselnden Trocknen über eine ganze Reihe erwärmter Zylinder tritt ausserdem der Nachteil hinzu, dass ein auf der von dem erhitzten Zylinder bei der Überführung zum darauffolgenden Zylinder abgewandten Fläche gebildeter Dampffilm nunmehr nach diesem hingewandt ist und eine gute Wärme übertragung von der Zylinderoberfläche auf die Papierbahn verhindert.
Es sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden, um eine erhöhte Trockenwirkung herbeizuführen. So kann die Bahn z. B. dadurch getrocknet werden, dass die Trocknungszylinder durch perforierte Trommeln ersetzt werden, über welche die Bahn geleitet wird, wobei Wärme von aussen in Form von z. B. warmer Luft zugeführt wird und der gebildete Dampf aus dem Inneren der Trommeln durch Unterdruck abgesaugt wird.
Bei einem anderen Verfahren wird die feuchte Bahn über hohlen Zylindern getrocknet, deren Mantelflächen aus porösem Material mit einer grossen Anzahl Kanälen bestehen, die von der Aussenseite zur inneren Fläche verlaufen, wobei Wärme von einer trockenen Heizquelle im Inneren der Zylinder radial in Richtung von innen nach aussen durch das poröse Material auf die feuchte Bahn überführt wird, so dass der von der Wärme gebildete Wasserdampf in entgegengesetzter Rich tung durch die Löcher in den Zylinderwänden zu den Hohlräu men der Zylinder getrieben wird.
Dadurch, dass die Atmosphäre im Inneren der Zylinder trocken gehalten wird, was durch geeignete Wahl der Wärmequelle (z. B. Elektrizität, trockenes Gas oder Öl) erreicht werden kann, wird eine Kondensation des eintretenden Dampfes verhindert, der dann in geeigneter Weise aus dem Inneren der Zylinder abgeleitet werden kann. In einer anderen Ausführungsform werden massive Zylinderflächen, z. B. aus rostfreiem Stahl, benutzt, die mit Löchern durchbohrt sind, um eine ähnliche Wirkung herbeizuführen.
Das zuletzt genannte Verfahren besitzt gewisse Nachteile.
Das Verfahren beschränkt z. B. die Art der verwendbaren Wärmequellen, so dass überhitzter Wasserdampf nicht benutzt werden kann. Dies ist einerseits von der feuchten Atmosphäre und andererseits von dem bei Verwendung von überhitztem Wasserdampf herrschenden Überdruck abhängig, der im Inneren des Zylinders vorhanden ist. Ein solcher tberdruck würde ein Herauslecken von Wasserdampf mit sich führen und die Möglichkeit verhindern oder begrenzen, dass von der feuchten Bahn herrührender Dampf von aussen nach innen aus der porösen Fläche dringen kann. Ausserdem würden Probleme hinsichtlich des Erhaltens einer porösen Mantelfläche mit ausreichender Festigkeit für einen Widerstand gegen den inneren Dampfdruck von überhitztem Wasserdampf entstehen.
Die Ausführungsform mit durchgehenden Löchern in einer massiven Mantelfläche bringt ausserdem den Nachteil mit sich, dass derartige Löcher, die aus praktischen Gründen verhältnismässig grob sein müssen, Markierungen auf der Bahn herbeiführen und verstopft werden können, da verschiedene Partikel sich in den Löchern leicht absetzen können.
Die Erfindung beseitigt die oben genannten Nachteile. Sie besteht aus einem Verfahren zum Trocknen einer feuchten Papier- oder Pappenbahn, bei welchem die notwendige Wärme im wesentlichen nur einer Seite der Bahn über eine zylindrisch geformte poröse, wärmeleitende, dampfdurchlässige Schicht zugeführt und die in der Bahn enthaltene Feuchtigkeit in Dampfform hauptsächlich aus ihrer auf der dampfdurchlässigen Schicht aufliegenden Oberfläche entgegen der Wärmezu fuhr abgezogen wird und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme über eine poröse, wärmeleitende und dampfdurchlässige Schicht und über eine homogene Sperrschicht der Bahn zugeführt wird, und dass der sich aus der Bahnfeuchtigkeit bildende Dampf nach Durchquerung der dampfdurchlässigen Schicht durch Kanäle abgeführt wird,
die in dieser Schicht im Abstand von ihrer Kontaktfläche mit der Bahn und/oder in der homogenen Sperrschicht vorhanden sind.
Die zur Durchführung dieses Verfahrens vorgesehene erfindungsgemässe Vorrichtung, mit einer zum Anliegen an die feuchte Papier- oder Pappenbahn vorgesehenen zylindrisch geformten porösen, wärmeleitenden, dampfdurchlässigen Schicht ist dadurch gekennzeichnet, dass ihre von der Kontaktfläche mit der Manterialbahn abgekehrte Seite von einer homogenen zusammen mit der Schicht die Ummantelung eines drehbar gelagerten Zylinders bildende Sperrschicht getragen ist, die von innen her beheizbar ist, wobei Kanäle zur Aufnahme und Ableitung des in der porösen Schicht kontinuierlich aufgenommenen Dampfes im Abstand von der Kontaktfläche der porösen Schicht in dieser porösen Schicht und/oder in der dieser porösen Schicht zugekehrten Fläche der Sperrschicht vorhanden sind.
Die poröse Schicht kann gesintert sein und zwecks Bildung einer glatten Fläche aus feinem Pulver, vorzugsweise aus Metallpulver, bestehen, während das Innere der porösen Schicht zwecks Erzielung eines niedrigen Strömungswiderstandes für den Dampf aus gröberem Pulver, vorzugsweise Metallpulver, gebildet ist.
Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt eines Trocknungszylinders gemäss einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2, 3, 4 und 5 in grösserem Masstab Teile der Vorrichtung gemäss Fig. 1;
Fig. 6-9 in grösserem Masstab Teile eines Trocknungszylinders bei verschiedenen Ausführungsformen, u.a. betreffend die Wärmezufuhr, die Dampfableitung sowie die Vorrichtung zur Erzeugung eines besonders hohen Kontaktdruckes zwischen der Materialbahn und der Trocknungsfläche.
Fig. 10 und 11 weitere Möglichkeiten zur Durchführung des Verfahrens.
Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 1 besteht die Trocknungsvorrichtung aus einem Tragzylinder oder Mantel (Trennwand) 1, der in geeigneter Weise, z. B. durch Zufuhr von überhitztem Wasserdampf in den Hohlraum des Zylinders erhitzt wird. Dieser Zylinder besitzt Stirnwände, Achszapfen für den Umlauf des Zylinders sowie Einrichtungen für die Zufuhr von Dampf und für die Abströmung von Dampf und Kondensat. Der homogene, aus wärmeleitendem Material, z. B. Gusseisen, bestehende Mantel ist von einem Aussenmantel 2 umgeben, der durch Wärmeleitung vom Mantel 1 erhitzt wird. Die zu trocknende Papierbahn 3 liegt gegen den Aussenmantel 2 an. Dieser ist aus porösem Material mit feinen dampfleitenden Poren, d. h. aus Sintermaterial, z. B.
Sintereisen oder Sintermetall, hergestellt und derart ausgebildet, dass seine äussere Fläche genügend eben ist, um keinerlei Markierungen an die Oberfläche der Papierbahn zu übertragen oder das Festhalten von Fasern aus der Papierbahn in etwaigen Vertiefungen zu verhindern. Durch die Wahl eines geeigneten Sintermaterials können diese Forderungen an die Glätte der Mantelfläche 2 erfüllt werden, während gleichzeitig die Forderung an eine gute Porosität und Festigkeit aufrechterhalten werden kann. Ausserdem kann die Oberfläche unter Beibehaltung der genannten Eigenschaften hart gemacht werden.
Infolge der Eigenschaften der Mantelfläche 2 kann eine Dampfabgabe auch durch die poröse Schicht hinein bei Erwärmung der Papierbahn 3 erfolgen, wie es schematisch in Fig. 5 dargestellt wird. Die beiden Pfeile deuten die beiden Hauptwege an, die der Dampf beim Abdunsten nimmt, d. h. einerseits aus der Schicht 2 und andererseits in diese hinein, wobei der Dampf entlang der den geringsten Strömungswiderstand darbietenden Wege strömt. Mit runden Kreisen wird schematisch die poröse Schicht 2 angedeutet, die jedoch in Wirklichkeit kein so regelmässiges Aussehen besitzt. Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung (Fig. 1) wird dann der in die poröse Schicht 2 eingetretene Dampf durch eine Anzahl parallel zur Achsrichtung des Zylinders verlaufender Kanäle 4 abgeleitet. Diese Kanäle sind erheblich gröber als die feinen Poren der Schicht 2.
In dieser Weise wird der Dampf mit dem geringstmöglichen Strömungswiderstand nach dem einen oder beiden Enden oder Stirnseiten des Zylinders abgetrieben. Dadurch dass die Wärmezufuhr völlig oder teilweise durch die poröse Schicht 2 erfolgt, tritt keine Kondensation des durch diese Schicht hindurchgetretenen Dampfes ein. Gemäss Fig. 1, 2 und 4 liegen die Kanäle 4 im homogenen Mantel 1 in Form von parallelen Nuten. Natürlich können die Kanäle auch in der porösen Schicht 2 angebracht werden, wie aus Fig. 7 ersichtlich ist.
Die Wärmezufuhr zum Trocknen der Materialbahn 3 kann in verschiedener Weise erfolgen. Einige Ausführungsformen sind in den Fig. 6-9 dargestellt. Fig. 6 zeigt die gleichzeitige
Wärmezufuhr von aussen und innen gemäss den Pfeilen E. Die
Wärmezufuhr von aussen kann natürlich in verschiedenen Formen durch Strahlung und/oder Konvektion erfolgen. Dies kann durch infrarote Strahlen, brennendes Gas, erwärmte Luft oder Gas erreicht werden. Von innen kann die Wärmezufuhr durch beispielsweise überhitzten Wasserdampf, brennende Gase, heisses Öl oder eine andere heisse Flüssigkeit erfolgen.
Die Dampfabzugskanäle 4 sind in diesem Beispiel im homogenen Innenmantel angebracht. Das Heizmittel, z. B. überhitzer Wasserdampf, kann z. B. durch den oder die für den Umlauf des Zylinders dienenden Achszapfen zugeführt werden und durch diese abströmen.
Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform mit Wärmezufuhr nur von innen, die beispielsweise durch überhitzten Wasserdampf erfolgen kann. Die Dampfabzugskanäle 4 sind hier in der porösen Schicht 2 angebracht.
Fig. 8 stellt eine Ausführungsform dar, bei der eine äussere poröse Fläche 5, z. B. ein Trocknungsfilz oder ein Trocknungssiebband, die Materialbahn 3 gegen die poröse Schicht 2 presst. In dieser Weise erhält man eine bessere Wärmeübertragung. Die Wärmezufuhr kann zusätzlich auch von aussen erfolgen. Das Abdampfen erfolgt sowohl durch die poröse Fläche (Filz) 5 wie durch die poröse Schicht 2 hindurch. Die Dampfabzugskanäle 4 sind hier sowohl in der porösen Schicht 2 wie in dem homogenen Innenmantel 1 angeordnet.
Fig. 9 zeigt eine äussere Fläche 6, die dicht ist (z. B. ein Stahlband) und die die Materialbahn 3 gegen die poröse Schicht 2 presst. Die Wärmezufuhr kann in verschiedener Weise erfolgen. Die Dampfabgabe erfolgt in diesem Fall nur nach der porösen Schicht 2 hin. Diese Ausführungsform ist bei der Papierherstellung von Interesse, da man dadurch in gewissen Fällen ein Papiermaterial mit sehr gleichartigen Seiten und mit guter Flächenebenheit erhalten kann.
Fig. 10 zeigt, wie eine Materialbahn 3 um eine Trocknungsvorrichtung geleitet wird, die der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung entspricht, bei der jedoch eine äussere, den Schichten 5 und 6 in Fig. 8 bzw. Fig. 9 entsprechende Fläche die Materialbahn gegen die poröse Schicht 2 presst.
Wie bereits früher dargelegt worden ist, erfolgt auch die Trocknung von z. B. Papierbahnen derart, dass die nasse Bahn gegen eine einzige umlaufende Zylinderfläche gepresst wird.
Gemäss der Erfindung kann auch ein solcher Zylinder mit einer porösen Aussenhülle sowie mit Dampfabzugskanälen versehen werden. Fig. 11 stellt ein derartiges Trockenverfahren mit einer Presswalze 7 dar, die die Papierbahn 3 auf die poröse Schicht 2 mit den Dampfabzugskanälen 4 überführt.
Wärmezufuhr kann sowohl von innen durch die tragende innere Mantelfläche 1 wie von aussen gemäss den Pfeilen E erfolgen. Ein Schaber 8 und eine Abzugswalze 9 für die getrocknete Papierbahn können angeordnet werden. Natürlich kann eine besondere Wärmezufuhr von aussen unmittelbar gegen die poröse Fläche in dem von der Papierbahn nicht bedeckten Bereich des Trocknungszylinders erfolgen. Das gleiche gilt für die Ausführungsformen nach Fig. 1 und 10.
Als Material für die poröse Schicht wählt man zweckmässig Sintermetall von z. B. Kupfer, Legierungen aus Kupfer, Messing, Sintereisen, Stahl oder Legierungen aus Eisen oder Stahl.
Wesentlich ist, dass diePorosität ausreichend ist, um einen guten Dampfdurchgang zuzulassen, während gleichzeitig die Festigkeit ausreichend ist, und dass die Aussenfläche so glatt ist, dass irgendwelche Markierungen auf der Materialbahn, insbesondere auf einer Papierbahn nicht entstehen. Weiterhin ist es wichtig, dass die Oberfläche so eben ist, dass Absetzungen in Form von Faserfragmenten und dgl. nicht erfolgen. Die poröse Fläche wird zweckmässig durch Abschaben mittels eines Schabers, z. B. aus Kunstfasern, rein gehalten. Zur Herstellung derartiger Sintermetalle wird eine zweckmässige Korngrösse für das zum Sintern gewählte Material verlangt. In der Praxis hat es sich gezeigt, dass eine zweckmässige Korngrösse für eine sogenannte 10%Fig Bronze geringer als 75 ist.
Dies wird als Beispiel angegeben; es können jedoch auch gröbere oder feinere Partikelgrössen, je nach den übrigen Umständen bei der Herstellung des Sintermaterials angewendet werden.
Um die Forderung an gute Oberflächenglätte und Flächenfestigkeit mit einem niedrigen Strömungswiderstand für den gebildeten Dampf zu kombinieren, kann das poröse Material aus mehreren verschiedenen Schichten mit verschiedenen Eigenschaften zusammengesetzt sein. So kann zweckmässig die Aussenschicht des porösen Materials derart hergestellt werden, dass sie eine Menge feiner Poren sowie eine glatte Fläche besitzt, während eine oder mehrere Innenschichten aus erheblich gröberem Sintermaterial bestehen, um den geringstmöglichen Strömungswiderstand für den Dampf zu ergeben. Die verschiedenen Schichten können vor dem Sintern zusammen gepresst werden. Die äussere Schale kann gegebenenfalls verchromt oder mit einer anderen Aussenbelegung versehen werden, um eine zweckmässige Aussenhärte zu erhalten.
Die verschieden grossen Kreise in Fig. 5 sollen verschieden Schichten des Sintermaterials darstellen. Durch diese Ausbildung kann in gewissen Fällen ein sehr geringer Strömungswiderstand in Richtung nach den Zylinderstirnseiten erreicht werden.
Der durch das Sintermaterial und/oder durch die Dampfabzugskanäle strömende Dampf kann natürlich an den Zylinderstirnseiten in geeigneter Weise gesammelt werden, um für die Vorwärmung von Luft o. dgl. beispielsweise in dem Trocknungssystem der Papiermaschine verwertet zu werden.
Es sind schon einige Messergebnisse für die Verdampfung durch eine Vorrichtung gemäss der Erfindung im Vergleich zu einer üblichen Trocknung einer Papierbahn genannt worden.
Es wurde ein Vergleich an verschiedenen Papierqualitäten, vorgenommen, wobei von einem 40 %gen Trockengehalt der Papierbahn ausgegangen wurde, die auf 95% Trockenendgehalt getrocknet wurde. Die untenstehende Tabelle zeigt, wie die Trocknungszeiten bei einigen Papierqualitäten verkürzt werden. Die Aussentemperatur war in sämtlichen Fällen 1200C.
Qualität Trocknungszeit in Sekunden Zeitherab bei Trockung mit erhitzter setzung in % homogener poröser
Fläche Fläche Kraftpapier, 80 g 6,5 3,7 43 Fluting, 127 g 20,5 15,5 24 Schreibpapier, 70 g 5,7 3,5 39 Sackpapier, 90 g 9,7 5,6 42
Anstatt oder zusammen mit den in Fig. 1-4 und 6-11 gezeigten axiellen Kanälen 4 können auch Dampfabzugkanäle, die sich beispielsweise schraubenlinienförmig oder kreisförmig um den Zylinder 1 und/oder um den Umkreis der porösen
Schicht 2 erstrecken, verwendet werden. Diese etwaigen weiteren Kanäle können auch als Verbindungspassagen zwischen den angrenzenden Kanälen 4 ausgebildet sein.
PATENTANSPRUCH 1
Verfahren zum Trocknen einer feuchten Papier- oder Pappenbahn, bei welchem die notwendige Wärme im wesentlichen nur einer Seite der Bahn über eine zylindrisch geformte poröse, wärmeleitende, dampfdurchlässige Schicht zugeführt und die in der Bahn enthaltene Feuchtigkeit in Dampfform hauptsächtlich aus ihrer auf der dampfdurchlässigen Schicht aufliegenden Oberfläche entgegen der Wärmezufuhr abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme über eine poröse, wärmeleitende und dampfdurchlässige Schicht und über eine homogene Sperrschicht der Bahn zugeführt wird und dass der sich aus der Bahnfeuchtigkeit bildende Dampf nach Durchquerung der dampfdurchlässigen Schicht durch Kanäle abgeführt wird, die in dieser Schicht im Abstand von ihrer Kontaktfläche mit der Bahn und/oder in der homogenen Sperrschicht vorhanden sind.
PATENTANSPRUCH II
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, mit einer zum Anliegen an die feuchte Papieroder Pappenbahn (3) vorgesehenen zylindrisch geformten porösen, wärmeleitenden, dampfdurchlässigen Schicht (2), dadurch gekennzeichnet, dass ihre von der Kontaktfläche mit der Materialbahn (3) abgekehrte Seite von einer homogenen zusammen mit der Schicht (2) die Ummantelung eines drehbar gelagerten Zylinders bildende Sperrschicht (1) getragen ist, die von innen her beheizbar ist, wobei Kanäle (4) zur Aufnahme und Ableitung des in der porösen Schicht (2) kontinuierlich aufgenommenen Dampfes im Abstand von der Kontaktfläche der porösen Schicht (2) in dieser porösen Schicht (2) und/oder in der dieser porösen Schicht (2) zugekehrten Fläche der Sperrschicht (1) vorhanden sind.
UNTERANSPRÜCHE
1. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Schicht zwecks Bildung einer glatten Fläche aus gesintertem feinem Pulver, vorzugsweise aus Metallpulver, besteht, während das Innere der porösen Schicht zwecks Erzielung eines niedrigen Strömungswiderstandes für den Dampf aus gesintertem gröberem Pulver, vorzugsweise Metallpulver, besteht.
2. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der Kanäle (4) grösser ist als die jenige der Poren der porösen Schicht (2).
3. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass Kanäle (4) parallel zur Achsrichtung des Trok- kenzylinders verlaufen, um bei Vorrichtungsbetrieb eine Ableitung von abziehendem Dampf gegen eine oder beide Stirnseiten des Zylinders zu ermöglichen.
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