Verfahren und Einrichtung zur Kühlung einer rotierenden Kühlwalze einer Papiermaschine durch Flüssigkeitsverdampfung

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung einer Kühlwalze (1) einer Papiermaschine durch Flüssigkeit.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der erhöhte Energiebedarf eines flüssigen Kühlmittels (7) an den Wärmeübertragungsstellen des zu kühlenden Teils der Kühlwalze (1) beim Sieden dazu genutzt wird eine bestimmtes und gleichmäßiges Temperaturprofil der Walzenoberfläche (4) zu erhalten.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Kühlung einer rotierenden Kühlwalze einer Papiermaschine durch Flüßigkeitsverdampfung.

[0002] Zahlreiche Anwendungsfälle dieser Art treten in Papiermaschinen auf. Zum Schutz von Walzenmantelbezügen aus Gummi oder Kunststoff, z.B. Polyurethan, vor übermäßiger Erwärmung sowie zur lokalbegrenzten Abkühlung der Papierbahn oder einer Abkühlung über die gesamte Papierbahnbreite, werden gekühlte Walzen eingesetzt. Hierbei werden folgende wichtige Anforderungen an eine Kühlung gestellt:

• ausreichende Wärmetransportleistung
• möglichst einheitliche Temperatur der gesamten Walzenoberfläche, im Fall einer Abkühlung über die gesamte Walzenbreite, unabhängig von der Solltemperatur;
• hohe Betriebssicherheit der während des Betriebes nicht zugänglichen Komponenten in der Walze und im Walzenzapfen;
• gute Wärmeübertragung zwischen Walzeninnenmantel und Kühlmedium.

[0003] Zum Stand der Technik wird beispielhaft auf die Patentschriften DE-PS 23 24 611, DE-PS 32 29 471 und US 4,351,386 verwiesen.

[0004] Allen hier offenbarten Kühlwalzen ist gemein, daß als Kühlmittel eine Flüssigkeit verwendet wird, die beim Eintritt in die Kühlwalze eine niedrige Temperatur T₁ besitzt und deren Kühlleistung darin besteht, daß sie die vom Kühlwalzenmantel abgegebene Wärme aufnimmt und ihre Temperatur auf ein höher gelegenes Temperaturniveau T₂ angehoben wird. Die Wärme wird dann aus der Kühlwalze durch das erhitzte Kühlmedium abgezogen und im Gegenzug neues Kühlmittel wiederum mit der Temperatur T₁ zugeführt. Da nun der Wärmeübertrag zwischen Kühlmantel und Kühlmittel proportional zur Temperaturdifferenz zwischen beiden ist und weiterhin das Kühlmittel beim Vorüberstreichen an den abzukühlenden Flächen seine Temperatur erhöht, ist naturgemäß auch ein unterschiedlicher Wärmeübergang gegeben. Nachteilig hierbei ist, daß die Oberflächentemperatur einer derart gekühlten Walze ungleichmäßig ausgebildet ist, bzw. nur mit hohem konstruktiven Aufwand vergleichmäßigt wird.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und im besonderen eine preiswerte und betriebssichere Einrichtung zur Kühlung von rotierenden, dünnwandigen Walzen zu schaffen. Besonderer Wert wird dabei darauf gelegt, daß die Oberflächentemperatur der Walze an jeder Stelle auch bei unterschiedlichem Wärmetransport durch den Walzenmantel bzw. unterschiedlicher Wärmezufuhr an den Walzenmantel gleich ist.

[0006] Diese Aufgaben werden durch die kennzeichnenden Merkmale der Verfahrensansprüche 1, 5 und der Einrichtungsansprüche 5, 10 und 11 gelöst.

[0007] Danach besteht ein wesentlicher Gedanke der Erfindung darin, die Verdampfungswärme einer Flüssigkeit (Differenz der Enthalpie zwischen gasförmiger und flüssiger Phase) zum Wärmetransport zu nutzen. Zur Walzenkühlung wird eine Flüssigkeit in die Walze gefüllt, deren Siedetemperatur der gewünschten Oberflächentemperatur der Walze bei einem vorgegebenen Sättigungsdampfdruck in der Walze entspricht. Durch Rotation der Walze wird die Kühlflüssigkeit ringförmig am Walzeninnenmantel verteilt. Sobald der Kühlflüssigkeit Wärme durch den Walzenmantel zugeführt wird, erwärmt sich diese bis zur Siedetemperatur. Bei weiterer Wärmezufuhr beginnt die Kühlflüssigkeit zu verdampfen, wobei die Temperatur des noch nicht verdampften Kondensats nicht weiter ansteigt. Dies erklärt, daß bei einer erfindungsgemäßen Kühlung einer dünnwandigen Walze die Oberflächentemperatur an jeder Stelle gleich ist. Die zur Verdampfung notwendige Kühlmittelmenge wird der Walze permanent zugeführt.

[0008] Auf diese Weise entsteht ein stationäres konstantes Temperaturprofil auf der Walzenoberfläche. Die zur Verdampfung in der Walze benötigte Kühlmittelmenge kann durch Kondensation des in der Walze entstehenden Kühlmitteldampfes gewonnen werden. Hierzu kann ein in der Walze befindlicher Kondensator eingesetzt werden. Wird der Walzeninnenraum druckdicht gegen die Umgebung abgeschlossen, entsteht ein verlustfreier Kreislauf des Kühlmittels zwischen Walzeninnenfläche und Kondensator in der Walze. Die Siedetemperatur des Kühlmittels kann in einem geschlossenen Kreislauf z.B. durch Veränderung des Kühlwasserdurchsatzes durch den Kondensator geregelt werden.

[0009] Wird ein externer Kondensator eingesetzt, lassen sich ähnlich vorteilhafte Betriebsbedingungen, wie oben beschrieben, erreichen.

[0010] Bei Kühlwalzen, die nicht mit Atmosphärendruck - also als druckdicht abgeschlossenes System - betrieben werden, kann der Sättigungsdruck und somit die Siedetemperatur durch Stellglieder, wie Druckbegrenzungsventile, Verdichter, Saug- oder Druckpumpen, geregelt werden. Auch ist eine direkte Steuerung der Temperatur über den Wärmetauscher möglich, wodurch man eine sehr einfach aufgebaute Regelung erhält und gleichzeitig den Vorteil eines über die Walzenlänge konstanten Temperaturprofils erhält. Ein weiterer Vorteil solcher druckdicht abgeschlossener Systeme ist die Möglichkeit auch toxische bzw. aggresive Kühlmittel einzusetzen.

[0011] Walzen im Sinne der Erfindung können auch sogenannte Flexonip-Pressen-Einheiten in Verbindung mit dem Flexonip-Mantel mit zugehörigen rotierenden Deckeln sein. Hierbei findet als Kühlmedium vorzugsweise ein Ölwassergemisch Anwendung.

[0012] Die Erfindung ist anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

Fig. 1:

Walze mit innenliegendem Kondensator.

Fig. 2:

Walze mit extern liegendem Kondensator und Druckbegrenzungsventil.

Fig. 3:

Walze unterteilt in drei Druckkammern.

[0013] Fig. 1 zeigt eine Walze 1 besteht aus dem zylinderförmigen Walzenmantel 4, der durch einen führerseitigen Walzenzapfen 3 und einen triebseitigen Walzenzapfen 2 getragen wird. Der führerseitige Walzenzapfen 3 ist mit einer Kernbohrung versehen, durch die die Zu- und Ableitung 5 zum innenliegenden Kondensator 6 führt. Der Kondensator ist direkt an der führerseitigen Seite der Walze angebracht.

[0014] Fig. 2 zeigt wiederum eine Walze 1 bestehend aus dem Walzenmantel 4 dem triebseitigen Walzenzapfen 2 und dem führerseitigen Walzenzapfen 3. Der Walzenzapfen 3 ist wiederum mit einer Kernbohrung versehen, durch den die Zu- und Abführleitung 5 für das Kühlmittel hindurch geführt wird. Die Zuleitung endet im Walzeninneren im Kühlmittelring 6. Die Eintrittsöffnung in die Ableitung des dampfförmigen Kühlmittels 7 ist zentral auf der Führerseite des Walzenmantels angebracht. Die Ableitung 5.1 führt vorbei an einem Druckbegrenzungsventil 8 mit einem Auslaß nach außen zu einem extern stehenden Kondensator 9. Das Kondensat wird vom Kondensator 9 über die Zuleitung 5.2 wieder zurück über die Bohrung des Walzenzapfens in das Walzeninnere direkt zum Kühlmittelring 6 geführt. Die Kühlung des Kondensators erfolgt über einen externen Kühlkreislauf 10.

[0015] Fig. 3 zeigt eine weitere mögliche Ausführung der Erfindung in einer Walze 1 mit einem Walzenmantel 4, der durch den triebseitigen Walzenzapfen 2 und den führerseitigen Walzenzapfen 3 getragen wird. In beiden Walzenzapfen 2 und 3 sind zentrale Bohrungen angebracht, durch die Zu- und Abführleitungen 5 in das Walzeninnere geführt werden. Der Walzenzylinder ist durch eingebaute druckdichte Wände 11 in mehrere Kammern unterteilt. In jede Kammer führt jeweils eine Zu- und eine Abführleitung des Kühlmittels. Die Zuführleitungen enden jeweils im Kühlmittelring 6 während die Abführleitungen ihren Eintrittsöffnungen im Bereich der Mittelachse haben.

Ansprüche

1. Verfahren zur Kühlung einer Kühlwalze einer Papiermaschine durch Flüssigkeit, dadurch gekennzeichent, daß die maximale Temperatur des flüssigen Kühlmittels an den Wärmeübertragungsstellen des zu kühlenden Teils der Kühlwalze durch Einstellung des Dampfdruckes des Kühlmittels innerhalb der Kühlwalze vorgegeben ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das verdampfte Kühlmittel durch rekondensiertes ersetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfdruck variabel einstellbar ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Siedetemperatur der Flüssigkeit durch Veränderung ihrer Zusammensetzung während des Betriebes variiert wird.

5. Verfahren zur Kühlung einer Kühlwalze einer Papiermaschine durch Flüssigkeit, dadurch gekennzeichent, daß:

5.1 als Wärmeübertragungsmedium im Inneren einer Kühlwalze ein siedendes, flüssiges Kühlmittel verwendet wird;

5.2 das siedende Kühlmittel sich in einem geschlossenen Kreislauf, der sich im Wesentlichen innerhalb der Kühlwalze befindet;

5.3 die Ernergieabfuhr über einen Wärmetauscher stattfindet, der einerseits großflächigen Kontakt zum geschloßenen, inneren Kreislauf des siedenden Kühlmittels hat, andererseits an einen externen Kühlkreislauf angeschlossen ist;

5.4 und die (Siede-) Temperatur des siedenden Kühlmittels über die an den Wärmetauscher je Zeiteiheit übertragene Energie (Wärmedurchsatz) gesteuert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmedurchsatz am Wärmetauscher durch Regelung/Steuerung der externen Kühlmitteltemperatur erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmedurchsatz am Wärmetauscher durch Regelung/Steuerung der externen Kühlmittelmenge je Zeiteinheit erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmedurchsatz am Wärmetauscher durch Regelung/Steuerung wirksamen Wärmeübertragungsfläche am Wärmetauscher erfolgt.

9. Kühlwalze einer Papiermaschine zur Durchführung des unter Anspruch 1 genannten Verfahrens, mit einem führerseitigen und einem antriebsseitigen Walzenzapfen, einem hohlen Walzenmantel der von beiden Walzenzapfen getragen ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

9.1 es ist eine Abdichtung des Walzeninnenraums vorgesehen;

9.2 es ist ein Druckbegrenzungsventil zwischen Walzeninnenraum und Außenwelt vorgesehen;

9.3 es ist eine Zuführleitung in den Walzeninnenraum zur Zufuhr von Kühlmittel vorgesehen.

10. Kühlwalze einer Papiermaschine zur Durchführung des unter Anspruch 2 genannten Verfahrens, mit einem führerseitigen und einem antriebsseitigen Walzenzapfen, einem hohlen Walzenmantel der von beiden Walzenzapfen getragen ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich innerhalb der Kühlwalze ein Kondensator befindet, der die verdampfte Kühlflüssigkeit rückkondensiert.

11. Kühlwalze einer Papiermaschine zur Durchführung des unter Anspruch 2 genannten Verfahrens, mit einem führerseitigen und einem antriebsseitigen Walzenzapfen, einem hohlen Walzenmantel der von beiden Walzenzapfen getragen ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

11.1 es ist eine Ableitung vorgesehen, durch die die verdampfte Kühlflüssigkeit nach außen geführt ist;

11.2 es befindet sich außerhalb des Kühlzylinders ein Kondensator, in dem die Kühlflüssigkeit rückkondensiert;

11.3 es ist eine Zuleitung zur Rückführung des rückkondensierten Kühlmittels ins Innere der Kühlwalze vorgesehen.

12. Kühlwalze nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Kühlkreislauf eine Druckbegrenzungsvorrichtung installiert ist.

13. Kühlwalze nach Anspruch 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkreislauf geschlossen ist.

14. Kühlwalze nach Anspruch 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel Flüssigkeiten in reiner Form oder in Form von Gemischen bzw. Lösungen eingesetzt werden

15. Kühlwalze nach Anspruch 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche Kondensatortypen, wie z.B. Rohrbündelwärmetauscher, Spiralrohrwärmetauscher, Schlangenwärmetauscher oder Plattenwärmetauscher, eingesetzt werden.

16. Kühlwalze nach Anspruch 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Walzeninnenraum und/oder der Kühlkreislauf druckdicht abgeschlossen ist.

17. Kühlwalze nach Anspruch 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlwalze in mindestens zwei Kammern unterteilt ist, um eine sektionierte Temperatureinstellung zu erreichen und für jede Kammer ist eine eigene Druckbegrenzungsvorrichtung vorgesehen.

18. Kühlwalze nach Anspruch 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Innentemperatur abhängige Regel-/Steuereinrichtung vorgesehen ist, die die übertragene Wärmemenge am Kondensator steuert.

Zeichnung