Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Beaufschlagung einer Materialbahn mit einem Gasstrom, insbesondere mit einem Trocknungsgasstrom zum Trocknen der Materialbahn.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Materialbahnen mittels sog. Prall strahl düsen zu trocknen. Dabei wird ein heißer Luftstrahl aus kleinen Schlitzen, die eine Breite von wenigen Millimetern aufweisen, mit hoher Austrittsgeschwindigkeit auf eine zu trocknende Materialbahn gerichtet, die in einer vorgegebenen Transportrichtung transportiert wird. Die Prallstrahldüsen erzeugen eine turbulente Strömung, mit der sich sehr hohe Trocknungsraten mit guten Wärmeübergängen zwischen Luftstrahl und Materialbahn erreichen lassen. Aufgrund der hohen Austrittsgeschwindigkeit der Strömung aus den schlitzförmigen Düsen kommt es jedoch zu unerwünschten lokalen Wärmeeintragungsspitzen, welche zu Beschädigungen der Materialbahn aufgrund von Defektbildung und unter anderem Rissbildung auf deren Außenschicht führen können. Darüber hinaus kann durch die hohe Austritsgeschwindigkeit auch ein Verblasen des zu trocknenden fluiden Mediums der Materialbahn verursacht werden.

Die Druckschrift DE 10 2018 219 289 B3 zeigt eine Vorrichtung zur Beaufschlagung einer Materialbahn mit einem laminaren Gasstrom unter Verwendung einer Vielzahl von Gasaustrittskörpern, die in Transportrichtung der Materialbahn nebeneinander angeordnet sind, wobei zwischen zwei benachbarten Gasaustritskörper ein Zwischenraum ausgebildet ist. Der Aufbau der Vorrichtung ist derart gewählt, dass an dem Übergang eines jeweiligen Gasaustrittskörpers zu jedem daran angrenzenden Zwischenraum der Wärmeübertragungskoeffizient zwischen Gasstrom und Materialbahn zunimmt. Mit dieser Vorrichtung kann ein verbesserter Wärmeübertrag zwischen Gas ström und Materialbahn erreicht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Beaufschlagung einer Materialbahn mit einem Gasstrom zu schaffen, mit denen ein guter Wärmeaustausch zwischen Gasstrom und Materialbahn erreicht wird und gleichzeitig Beschädigungen und Defektbildung an der Materialbahn vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 bzw. das Verfahren gemäß Patentanspruch 14 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Das erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Beaufschlagung einer Materialbahn mit einem Gasstrom, vorzugsweise mit einem Luftstrom. Insbesondere wird die Vorrichtung zum Trocknen der Materialbahn mit einem Trocknungsgasstrom genutzt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Gasstrom um einen warmen Gasstrom, dessen Temperatur höher als die Temperatur der Materialbahn ist. Insbesondere liegt die Temperatur des Gasstroms oberhalb von Zimmertemperatur, vorzugsweise bei 50 °C oder höher. Einige Anwendungen erfordern eine Temperatur des Gasstromes von in etwa Zimmertemperatur. Gegebenenfalls kann der Gasstrom auch lediglich zur Erwärmung der Materialbahn genutzt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Transporteinrichtung, die dazu konfiguriert ist, die Materialbahn entlang einer Transportrichtung zu transportieren, wobei die Transportgeschwindigkeit vorzugsweise zwischen 0,5 m/min bis 1600 m/min liegt. Zum Beispiel kann die Bewegung über ein Förderband mit entsprechenden Walzen erfolgen.

Die Vorrichtung umfasst ferner eine Strömungseinrichtung, die dazu konfiguriert ist, während des Transports der Materialbahn einem oder mehreren Gasaustrittskörpern jeweils eine Gasströmung zuzuführen und über den oder die Gasaustrittskörper auf eine Oberfläche der Materialbahn zu richten, um einen Wärmeaustausch zwischen der Gasströmung und der Materialbahn zu bewirken. Der oder die Gasaustrittskörper stellen dabei einen Teil der Strömungseinrichtung dar.

Ein jeweiliger Gasaustrittskörper der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst eine als Oberfläche ausgebildete Gasaustrittsfläche zum Austritt eines ersten Teilstroms der zugeführten Gasströmung und einen oder mehrere Gasaustrittsschlitze zum Austritt eines zweiten Teilstroms der zugeführten Gasströmung. Mit anderen Worten enthält die Gasaustrittfläche festes Material entlang einer entsprechenden Oberfläche, wohingegen ein jeweiliger Gasaustrittsschlitz einen geöffneten Bereich darstellt, an dem sich kein Material befindet. Die Gasaustrittsfläche kann z.B. die Fläche eines porösen Körpers, eine Textilgewebeschicht, ein Lochblech und dergleichen umfassen, wie weiter unten noch erläutert wird.

Die Strömungseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist derart ausgestaltet, dass sie in einem vorgegebenen Betriebsmodus als ersten Teilstrom bei dessen Austritt aus der Gasaustrittsfläche eine laminare Strömung und als zweiten Teilstrom bei dessen Austritt aus dem oder den Gasaustrittsschlitzen eine turbulente Strömung erzeugt. Im Gegensatz zu einer turbulenten Strömung enthält eine laminare Strömung keine Turbulenzen oder Verwirbelungen. Laminare Strömung in dem Gasaustrittskörper findet meistens bei Gasströmungsgeschwindkeiten < 8 m/s bei Austritt aus dem Gasaustrittskörper statt, wohingegen turbulente Strömung meistens bei Gasströmungs- geschwindkeiten > 8 m/s bei Austritt aus dem Gasaustrittskörper stattfindet.

Zur Erzeugung der turbulenten Strömung hat ein jeweiliger Gasaustrittsschlitz vorzugsweise eine Öffnungsfläche zum Gasaustritt, die kleiner als die Gasaustrittsfläche zum Austritt der laminaren Strömung ist. Vorzugsweise liegt die Größe der Öffnungsfläche eines jeweiligen Gasaustrittschlitzes bei 50 % oder weniger und besonders bevorzugt bei 10 % oder weniger der Größe der Gasaustrittsfläche zum Austritt der laminaren Strömung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die Behandlung und insbesondere die Trocknung einer Materialbahn mittels einer Kombination aus laminarer und turbulenter Gasströmung. Mit anderen Worten wird eine Gasaustrittsfläche für laminare Strömung mit einem oder mehreren Gasaustrittsschlitzen für turbulente Strömung nach Art von Prallstrahldüsen in einem Gasaustrittskörper kombiniert. Auf diese Weise können die Vorteile einer laminaren Strömung (gleichmäßige Trocknung ohne Defektbildung und unter anderem Rissbildung) mit den Vorteilen einer turbulenten Strömung (hoher Wärmeübertrag) vereint werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein jeweiliger Gasaustrittskörper derart ausgestaltet, dass der erste Teilstrom im Wesentlichen senkrecht auf die Materialbahn gerichtet ist und/oder der zweite Teilstrom schräg auf den ersten Teilstrom gerichtet ist. Hierdurch wird eine effiziente Mischung beider Teilströme erreicht, um einen hohen und gleichmäßigen Wärmeübertrag zur Materialbahn zu gewährleisten.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein jeweiliger Gasaustrittskörper ein länglicher Körper mit einer länglichen Gasaustrittsfläche und einem oder mehreren länglichen Gasaustrittsschlitzen, wobei die Längserstreckung des oder der Gasaustrittsschlitze parallel zur Längserstreckung der Gasaustrittsfläche verläuft. Vorzugsweise verläuft die Längserstreckung der Gasaustrittsfläche quer zu der Transportrichtung der Materialbahn. Vorzugsweise ist die Länge des oder der Gasaustrittsschlitze in der Längserstreckung genauso groß wie die Länge der Gasaustrittsflä- che. Darüber hinaus ist diese Länge vorzugsweise derart gewählt, dass sich der bzw. die Gasaustrittsschlitze und die Gasaustrittsfläche jeweils über mindestens die gesamte Breite der Materialbahn, d.h. deren Erstreckungsrichtung senkrecht zur Transportrichtung, erstrecken

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Strömungseinrichtung derart ausgestaltet, dass jeder Gasaustrittskörper ein länglicher Körper ist und jedem Gasaustrittskörper eine Gasströmung mit einem Volumenstrom zwischen 150 und 2500 m ³ pro Stunde und pro Meter an Ausdehnung in der Längserstreckung des Gasaustrittskörpers zugeführt wird.

In einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in einem jeweiligen Gasaustrittskörper zumindest ein Gasaustrittsschlitz benachbart, vorzugsweise benachbart in Transportrichtung der Materialbahn, zu der Gasaustrittsfläche angeordnet, wobei vorzugsweise zwei Gasaustrittsschlitze vorgesehen sind, zwischen denen sich die Gasaustrittsfläche erstreckt. Diese Variante ermöglicht es, mittels eines einfachen konstruktiven Aufbaus eine Gasaustrittsfläche für laminare Strömung mit zumindest einem Gasaustrittsschlitz für turbulente Strömung zu kombinieren.

In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Strömungseinrichtung ein Einstellmittel zur Veränderung der Aufteilung der einem jeweiligen Gasaustrittskörper zugeführten Gasströmung in den ersten Teil ström und den zweiten Teilstrom. Die Veränderung dieser Aufteilung führt in der Regel auch zu einer Veränderung der Strömungsgeschwindigkeiten der Teil ströme. Je höher der Anteil des entsprechenden Teilstroms ist, desto größer ist in der Regel auch seine Strömungsgeschwindigkeit. Mit dieser Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das Strömungsverhalten der jeweiligen Gasaustrittskörper sehr gut an Eigenschaften der zu behandelnden Materialbahn angepasst werden. Sollen beispielsweise empfindliche Beschichtungen auf der Materialbahn getrocknet werden, wird ein größerer Anteil an laminarer Strömung zur Trocknung genutzt, um Beschädigungen und insbesondere Rissbildung zu vermeiden. Demgegenüber kann im Falle, dass eine unempfindliche Schicht auf der Materialbahn getrocknet werden soll, der Anteil an turbulenter Strömung heraufgesetzt werden, was höhere Wärmeübertragungskoeffizienten und somit eine schnellere Trocknung ermöglicht.

In einer bevorzugten Variante der soeben beschriebenen Ausführungsform ist das Einstellmittel derart ausgestaltet, dass es im Betrieb der Strömungseinrichtung für einen jeweiligen Gasaustrittskörper ausschließlich den ersten Teilstrom und/oder ausschließlich den zweiten Teilstrom erzeugen kann. Wird ausschließlich der erste Teilstrom erzeugt, gibt es keinen zweiten Teilstrom, d.h. es wird nur laminare Strömung auf die Oberfläche der Materialbahn gerichtet. Wird ausschließlich der zweite Teilstrom erzeugt, gibt es keinen ersten Teilstrom, d.h. es wird ausschließlich turbulente Strömung auf die Oberfläche der Materialbahn gerichtet. Mit dieser Ausführungsform können neben dem vorgegebenen Betriebsmodus, in dem sowohl laminare als auch turbulente Strömung erzeugt wird, auch Betriebsmodi realisiert werden, die nur laminare Strömung bzw. nur turbulente Strömung generieren.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Einstellmittel eine Einstelleinrichtung in jedem Gasaustrittskörper, wobei die Einstelleinrichtung vorzugsweise eine oder mehrere verstellbare Klappen und/oder Platten zur Veränderung der Gasmenge aufweist, die pro Zeiteinheit durch die Gasaustrittsfläche und/oder den oder die Gasaustrittsschlitze des jeweiligen Gasaustrittskörpers austritt.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung hat in dem vorgegebenen Betriebsmodus, in dem sowohl ein laminarer als auch ein turbulenter Teilstrom erzeugt wird, der erste Teilstrom bei dessen Austritt aus der Gasaustrittsfläche eine über die Gasaustrittsflä- che gemittelte Strömungsgeschwindigkeit mit einem Wert von 8 m/s oder weniger, insbesondere mit einem Wert zwischen 0,5 m/s und 5 m/s. Dies sind typische Geschwindigkeitswerte für einen laminaren Strömungsaustritt. In einer weiteren bevorzugten Variante ist die Strömungsgeschwindigkeit des ersten Teilstroms bei Austritt über die Gasaustrittsfläche des jeweiligen Gasaustrittskörpers in Richtung senkrecht zur Transportrichtung im Wesentlichen konstant. Die konstante Strömungsgeschwindigkeit des ersten Teilstroms tritt vorzugsweise bei konstanter Gasstromtemperatur auf.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform hat in dem vorgegebenen Betriebsmodus der zweite Teilstrom bei dessen Austritt aus dem oder den Gasaustrittsschlitzen eine über die Öffnungsfläche des oder der Gasaustrittsschlitze gemittelte Strömungsgeschwindigkeit mit einem Wert von über 8 m/s, wobei dieser Wert vorzugsweise 80 m/s nicht überschreitet. Die genannten Werte sind typische Geschwindigkeitswerte für einen turbulenten Strömungsaustritt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bildet in dem vorgegebenen Betriebsmodus mindestens 12 % und vorzugsweise mindestens 15 % der einem jeweiligen Gasaustrittskörper zugeführten Gasströmung den zweiten Teilstrom. In der Regel liegt dann eine Kombination aus einem laminaren ersten Teilstrom und einem turbulenten zweiten Teil ström vor.

Die Abmessungen eines jeweiligen Gasaustrittskörpers können je nach Ausgestaltung unterschiedlich gewählt werden. Vorzugsweise nimmt die Breite der Gasaustrittsflä- che eines jeweiligen Gasaustrittskörpers, die sich in Transportrichtung der Materialbahn und/oder im Falle einer länglichen Gasaustrittsfläche senkrecht zu deren Längserstreckung erstreckt, einen oder mehrere Werte zwischen 30 mm und 150 mm, insbesondere zwischen 70 mm und 100 mm, an. Alternativ oder zusätzlich nimmt die Breite eines jeweiligen Gasaustrittsschlitzes eines jeweiligen Gasaustrittskörpers, die sich in Transportrichtung der Materialbahn und/oder im Falle eines länglichen Gasaustrittsschlitzes senkrecht zu dessen Längserstreckung erstreckt, einen oder mehrere Werte zwischen 1 mm und 20 mm, insbesondere zwischen 2 mm und 5 mm, an.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Breite der Gasaustrittsfläche eines jeweiligen Gasaustrittskörpers, die sich in Transportrichtung der Materialbahn und/oder im Falle einer länglichen Gasaustrittsfläche senkrecht zu deren Längserstre- ckung erstreckt, über die Länge der Gasaustrittsfläche, die senkrecht zu deren Breite verläuft, konstant und liegt beispielsweise bei 90 mm. Vorzugsweise ist auch die Breite eines jeweiligen Gasaustrittsschlitzes eines entsprechenden Gasaustrittskörpers, die sich in Transportrichtung der Materialbahn und/oder im Falle eines länglichen Gasaustrittsschlitzes senkrecht zu dessen Längserstreckung erstreckt, über die Länge des jeweiligen Gasaustrittsschlitzes, die senkrecht zu dessen Breite verläuft, konstant.

In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Gasaustrittskörper in Transportrichtung der Materialbahn nebeneinander angeordnet und zwischen benachbarten Gasaustrittskörpern ist ein Zwischenraum vorgesehen. Durch die Verwendung von mehreren Gasaustrittskörpern kann eine bessere Beaufschlagung der Materialbahn mit dem Gasstrom und somit beispielsweise eine bessere Trocknung erreicht werden. Vorzugsweise wird über die Zwischenräume zwischen benachbarten Gasaustrittskörpern die auf die Oberfläche der Materialbahn gerichtete Gasströmung abgeführt, z.B. in Richtung senkrecht zu der Oberfläche der Materialbahn oder gegebenenfalls auch entlang der Oberfläche der Materialbahn.

Die Breite des oben genannten Zwischenraums, die sich in Transportrichtung der Materialbahn erstreckt, kann unterschiedlich gewählt werden. In einer bevorzugten Variante nimmt die Breite einen oder mehrere Werte zwischen 50 mm und 700 mm, insbesondere zwischen 100 mm und 350 mm, an. In einer bevorzugten Variante ist die Breite eines jeweiligen Zwischenraums, die sich in der Transportrichtung der Materialbahn erstreckt, über die Länge des jeweiligen Zwischenraums in Richtung senkrecht zur Transportrichtung konstant und liegt beispielsweise bei 260 mm.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt der Abstand zwischen den gleichen Bezugspunkten jedes Paars von benachbarten Gasaustrittskörpern zwischen 100 mm und 1000 mm, insbesondere zwischen 250 mm und 500 mm, und besonders bevorzugt bei 350 mm. Mit diesen Werten kann ein besonders guter Wärmeübertrag erreicht werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein jeweiliger Zwischenraum an seinem entfernt zur Materialbahn gelegenen Ende durch eine gasdurchlässige Materialschicht begrenzt. Bei dieser Materi al schicht kann es sich um einen porösen Körper, eine Textilgewebeschicht, ein Gitter und dergleichen handeln.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung nimmt der Abstand zwischen der Seite des Gasaustrittskörpers, über welche der erste und zweite Teilstrom austritt, und der gegenüber liegenden Oberfläche der Materialbahn einen oder mehrere Werte zwischen 3 mm und 50 mm an. Vorzugsweise ist dieser Abstand konstant und liegt beispielsweise bei 5 mm.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Gasaustrittsfläche eines jeweiligen Gasaustrittskörpers eine Fläche bzw. Oberfläche eines porösen Körpers, z.B. aus Metallschaum, und/oder eine Textilgewebeschicht und/oder ein Lochblech und/oder ein Gitter. Vorzugsweise ist die Gasaustrittsfläche entweder die Fläche eines porösen Körpers oder eine Textilgewebeschicht oder ein Lochblech oder ein Gitter, wobei im Falle, dass mehrere Gasaustrittskörper vorgesehen sind, die einzelnen Gasaustrittskörper unterschiedlich ausgestaltet sein können. Im Falle, dass die Gasaustrittsfläche die Fläche eines porösen Körpers umfasst, liegt die Permeabilität dieses porösen Körpers vorzugsweise zwischen 10' ¹² m ² bis 10' ⁴ m ² Die Permeabilität ist dabei eine dem Fachmann hinlänglich bekannte Größe zur Beschreibung der Durchlässigkeit eines porösen Mediums.

Neben der oben beschriebenen Vorrichtung betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Beaufschlagung einer Materialbahn mit einem Gasstrom, insbesondere mit einem Trocknungsgasstrom zum Trocknen der Materialbahn, wobei die Beaufschlagung mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. einer oder mehrerer bevorzugter Varianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt wird. Die Materialbahn wird mittels der Transporteinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung entlang einer Transportrichtung transportiert, wobei während dieses Transports die Strömungseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dem oder den Gasaustrittskörpern jeweils eine Gasströmung zuführt und über den oder die Gasaustrittskörper auf die Oberfläche der Materialbahn richtet, um einen Wärmeaustausch zwischen der Gas Strömung und der Materialbahn zu bewirken.

Im Rahmen der Beaufschlagung der Materialbahn tritt ein erster Teilstrom der zugeführten Gasströmung über die Gasaustrittsfläche eines jeweiligen Gasaustrittskörpers aus. Ferner tritt ein zweiter Teilstrom der zugeführten Gasströmung über den oder die Gasaustrittsschlitze eines jeweiligen Gasaustrittskörpers aus. Dabei erzeugt die Strömungseinrichtung als ersten Teilstrom bei dessen Austritt aus der Gasaustrittsfläche eine laminare Strömung und als zweiten Teilstrom bei dessen Austritt aus dem oder den Gasaustrittsschlitzen eine turbulente Strömung.

Die Erfindung umfasst darüber hinaus einen Gasaustrittskörper zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. in einer oder mehreren bevorzugten Varianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Gasaustrittskörper hat somit die Merkmale eines jeweiligen Gasaustrittskörpers der erfindungsgemäßen Vorrichtung und kann gegebenenfalls auch Merkmale bevorzugter Varianten dieser Vorrichtung umfassen, sofern diese Merkmale den Gasaustrittskörper betreffen. Der Gasaustrittskörper ist dazu eingerichtet, eine ihm zugeführte Gasströmung auf eine Oberfläche einer Materialbahn zu richten und umfasst hierzu eine als Oberfläche ausgestaltete Gasaustrittsfläche zum Austritt eines ersten Teilstroms der zugeführten Gasströmung als laminare Strömung und einen oder mehrere Gasaustrittsschlitze zum Austritt eines zweiten Teilstroms der zugeführten Gas Strömung als turbulente Strömung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.

Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfmdungsgemä- ßen Vorrichtung in der Form einer Trocknungsvorrichtung;

Fig. 2 eine Detailansicht des in Fig. 1 schematisch wiedergegebenen Trocknungsmoduls;

Fig. 3 eine geschnittene perspektivische Detailansicht eines Gasaustrittskörpers der Vorrichtung aus Fig. 1;

Fig. 4 eine Schnittansicht des Gasaustrittskörpers aus Fig. 3, wobei die durch den Gasaustrittskörper fließenden Teilströme angedeutet sind;

Fig. 5 ein Diagramm, welches den Verlauf des Wärmeübertragungskoeffizienten entlang eines Gasaustrittskörpers für den Betrieb einer Ausführungsform der er- findungsgemäßen Vorrichtung mit unterschiedlichen Betriebsparametern zeigt; und

Fig. 6 ein Diagramm, das die Abhängigkeit des mittleren Wärmeübertragungskoeffizienten bzw. der Varianz des Wärmeübertragungskoeffizienten für einen Gasaustrittskörper von dem Anteil an durch den Gasaustrittskörper fließender laminarer Strömung zeigt.

Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand einer Trocknungsvorrichtung beschrieben, mittels der eine Materialbahn über einen Gasstrom in der Form eines Luftstroms getrocknet wird. Die Vorrichtung kommt insbesondere zur Trocknung eines Fluidfilms auf einem Substrat zum Einsatz. Zum Beispiel kann mit der Vorrichtung Lack oder Klebstoff auf einem Substrat in der Form einer Folie, wie z.B. einer Kunststofffolie, getrocknet werden. Ebenso kann ein Fluidfilm auf einem Substrat aus Papier getrocknet werden. Neben Lack oder Klebstoff kann der Fluidfilm auch ein Lösungsmittel mit darin gelöstem Feststoff sein. Bei dem Feststoff kann es sich beispielsweise um Graphit oder Polymermaterial handeln. Das Lösungsmittel kann z.B. Wasser, Aceton, Ethanol und dergleichen sein.

Die Trocknungsvorrichtung der Fig. 1 umfasst eine Strömungseinrichtung 1 mit einem Trocknungsmodul 8. Im Betrieb der Trocknungsvorrichtung wird eine Materialbahn 5 unter dem Trocknungsmodul 8 transportiert, welches einen Luftstrom zur Trocknung der Materialbahn auf diese richtet. Die Materialbahn wird über eine geeignete Transportvorrichtung in die Transportrichtung W transportiert. In Fig. 2 ist diese Transportvorrichtung durch zwei Walzen 6 angedeutet. Die Breite der Materialbahn in Richtung senkrecht zur Blattebene der Fig. 1 kann unterschiedlich gewählt sein und liegt üblicherweise im Bereich von in etwa 0,1 m bis 3 m.

Das Trocknungsmodul 8 ist oberhalb der Materialbahn 5 angeordnet und beinhaltet eine Vielzahl von Gasaustrittskörpem 2, die in Transportrichtung W nebeneinander angeordnet sind. Zwischen benachbarten Gasaustrittkörpem befinden sich dabei Zwischenräume 7. In Fig. 1 sind aus Übersichtlichkeitsgründen nur drei Gasaustrittskörper gezeigt. Oft beinhaltet das Trocknungsmodul eine größere Anzahl von Gasaustrittskörpern 2. Die Gasaustrittskörper weisen eine längliche Form auf, deren Längsrichtung sich in Richtung senkrecht zur Transportrichtung W über die gesamte Breite der Materialbahn 5 erstreckt.

Die Gasaustrittskörper 2 sind wesentliche Komponenten der hier beschriebenen Ausführungsform der Erfindung. Diese Körper sind in Fig. 1 und auch in der weiter unten beschriebenen Fig. 2 lediglich schematisch wiedergegeben. Der genaue Aufbau dieser Gasaustrittskörper wird später anhand der Detailansichten der Fig. 3 und Fig. 4 erläutert. Ein jeweiliger Gasaustrittskörper 2 zeichnet sich dadurch aus, dass er auf seiner Unterseite 3 zum einen eine Gasaustrittsfläche 17 (siehe Fig. 3 und Fig. 4) zum Austritt einer laminaren Teilströmung und zum anderen zwei Gasaustrittsschlitze 18 (siehe Fig. 3 und Fig.4) zum Austritt einer turbulenten Teilströmung aufweist. Die Gasaustrittsschlitze sind in Transportrichtung W auf beiden Seiten der Gasaustrittsfläche vorgesehen und erstrecken sich zusammen mit der Gasaustrittsfläche senkrecht zur Transportrichtung W entlang der gesamten Länge des Gasaustrittskörpers 2. Die Gasaustrittsschlitze weisen jeweils eine deutlich geringere Flächenausdehnung als die entsprechende Gasaustrittsfläche auf.

Die aus der Unterseite 3 der jeweiligen Gasaustrittskörper 2 austretenden Teil Strömungen werden gemäß Fig. 1 auf die Oberseite der Materialbahn 5 gerichtet und bewirken einen Wärmeübertrag, der durch den Wärmeübertragungskoeffizienten a charakterisiert ist, der entlang der Transportrichtung W variiert. Nach dem Wärmeübertrag wird der Luftstrom über die jeweiligen Zwischenräume 7 abgeführt, die nach oben durch eine luftdurchlässige Schicht begrenzt sind, bei der es sich in der hier beschriebenen Ausführungsform um ein Gitter 4 handelt. Anstatt des Gitters kann als luftdurchlässige Schicht auch eine Schicht aus porösem Material, eine Textilgewebeschicht, ein Lochblech und dergleichen genutzt werden.

Zur Erzeugung des Luftstroms wird in der Ausführungsform der Fig. 1 ein Gebläse 10 genutzt, das an eine umlaufende Leitung 11 angeschlossen ist, die in Fig. 1 schematisch als Rechteck angedeutet ist. Das Gebläse 10 saugt durch eine Zuluftleitung 12 Luft aus der Umgebung an, wie durch den Pfeil PI angedeutet ist. Diese Luft wird in der Leitung 11 gegen den Uhrzeigersinn durch eine Heizung 9 geführt und dort erwärmt, z.B. auf eine Temperatur von 50 °C oder mehr. Die erwärmte Luft wird dann dem Trocknungsmodul 8 zugeführt. Dort tritt die Luft als entsprechende Luftströmung in die einzelnen Gasaustrittskörper 2 ein. Nach Durchlaufen des entsprechenden Gasaustrittskörpers entstehen an dessen Unterseite 3 eine laminare Teilströmung sowie eine auf zwei Gasaustrittsschlitze (siehe Fig. 3 und 4) aufgeteilte turbulente Teilströmung, die hin zu der Oberseite der Materialbahn 5 gerichtet sind, so dass eine Trocknung der Materialbahn durch die warme Luft bewirkt wird. Anschließend wird die Luft über die Zwischenräume 7 abgesaugt. Über eine Abluftleitung 14 kann die zirkulierende Luft mittels des weiteren Gebläses 13 wieder abgelassen werden, was durch den Pfeil P2 angedeutet ist. Fig. 2 zeigt eine Detailansicht des Trocknungsmoduls 8 aus Fig. 1. Im Unterschied zu Fig. 1 sind nunmehr beispielhaft vier Gasaustrittskörper 2 mit entsprechenden Unterseiten 3 wiedergegeben. Zusätzlich ist aus Fig. 2 ein weiteres optionales Trocknungsmodul 8 ersichtlich, das an der Unterseite der Materialbahn 5 angeordnet ist und weitere Gasaustrittskörper 2 umfasst, die ebenfalls einen Wärmeeintrag in die Bahn ermöglichen. Alle Gasaustrittskörper in Fig. 2 sind identisch aufgebaut und weisen einen konstanten Abstand zueinander auf. Der Abstand zwischen benachbarten Gasaustritts- körpem ist in Fig. 2 mit a bezeichnet. Dieser Abstand wird zwischen gleichen Bezugspunkten der benachbarten Gasaustrittskörper gemessen, wobei in Fig. 2 die Mitten der Gasaustrittskörper als Bezugspunkte gewählt wurden. Der Abstand a wird auch als Pitch bezeichnet. Die Breite eines jeweiligen Gasaustrittskörpers 2 in Transportrichtung W ist in Fig. 2 mit b bezeichnet. Demgegenüber wird durch das Bezugszeichen c der Abstand zwischen der Unterseite 3 der jeweiligen Gasaustrittskörper 2 und der gegenüber liegenden Oberfläche der Materialbahn 5 spezifiziert und der Abstand d bezeichnet die Breite der jeweiligen Zwischenräume 7 in Transportrichtung W.

Fig. 3 zeigt eine perspektivische geschnittene Detailansicht eines entsprechenden Gasaustrittskörpers 2 aus Fig. 1 bzw. Fig. 2. In Fig. 3 und auch in der weiter unten beschriebenen Fig. 4 ist nochmals die Transportrichtung der Materialbahn durch einen entsprechenden Pfeil W angedeutet. Wie man in Fig. 3 erkennt, ist auf der Unterseite des Gasaustrittskörpers 2 ein Körper bzw. eine Platte 16 aus porösem Material vorgesehen, über welche laminare Strömung austritt. Die Unterseite 17 der porösen Platte stellt dabei eine Gasaustrittsfläche im Sinne der Patentansprüche dar. Links und rechts neben der Gasaustrittsfläche 17 befinden sich zwei Gasaustrittsschlitze bzw. Gasaustrittsöffnungen 18, die jeweils eine wesentlich geringere Flächenausdehnung als die Gasaustrittsfläche 17 aufweisen und die Funktion von Prallstrahldüsen übernehmen. Die Gasaustrittsfläche hat in der hier beschriebenen Ausführungsform in Transportrichtung W eine Breite bl von 90 mm, wohingegen die Gasaustrittsschlitze 18 in Transportrichtung nur 2 mm breit sind. Die Breiten bl und b2 sind in Fig. 4 mit den entsprechenden Bezugszeichen angedeutet. Die genannten Werte für die Breiten bl und b2 sind lediglich beispielhaft. Über die beiden Gasaustrittsschlitze 18 tritt im Gegensatz zur Gasaustrittsfläche 17 eine turbulente Teilströmung aus, die eine schnellere Trocknung der darunter liegenden Materialbahn ermöglicht. In Kombination mit der aus der Gasaustrittsfläche 17 austretenden laminaren Teilströmung wird jedoch weiterhin ein gleichmäßiger Wärmeübertrag hin zur Materialbahn unter Vermeidung von Rissbildung erreicht. Diese Rissbildung entsteht häufig bei der Verwendung von reinen Prallstrahldüsen.

Gemäß Fig. 3 enthält der Gasaustrittskörper 2 einen nach unten geöffneten länglichen Kasten 19 mit einer Oberseite 19a, auf der eine Öffnung 19b zur Zufuhr der entsprechenden Luftströmung vorgesehen ist. An die Oberseite schließen sich zwei kontu- rierte Seitenwände 19c an. Die Kontur am unteren Ende dieser Seitenwände bildet eine Hinterschneidung, die an eine entsprechende Kontur des porösen Körpers 16 angepasst ist, so dass der Körper über Formschluss zwischen den beiden Seitenwänden 19c gehalten wird. Die jeweiligen Seitenwände 19c umfassen ferner einen schrägen Abschnitt, in dem eine Vielzahl von Schlitzen 20 ausgebildet ist, die aus Übersichtlichkeitsgründen nur teilweise mit diesem Bezugszeichen bezeichnet sind. Darüber hinaus ist benachbart zu jeder Seitenwand 19c eine entsprechende Außenwand 21 vorgesehen, die am oberen Ende jeder Seitenwand befestigt ist und die Schlitze 20 abdeckt. Das untere Ende jeder Außenwand 21 weist eine Abkantung auf, die zusammen mit der gegenüber liegenden Kante der benachbarten Seitenwand 19c den jeweiligen Gasaustrittsschlitz 18 bildet.

Im Inneren des Kastens 19 befindet sich eine zentrale vertikale Wand 22, die den Innenraum des Kastens in zwei Kammern bzw. Kanäle Kl und Kl' einteilt. Darüber hinaus werden durch die Paare aus Außenwand 21 und gegenüber liegender Seitenwand 19c zwei weitere Kammern bzw. Kanäle K2 und K2' gebildet. In den beiden Kammern Kl und Kl' befinden sich jeweilige drehbare Klappen 25, die über eine nicht gezeigte Aktorik um eine horizontale Achse verdreht werden können, um hierdurch den Anteil der Luftströmung zu erhöhen, der durch die Schlitze 20 geführt wird, sofern die Schlitze über eine Platte 23 geöffnet sind. Eine entsprechende Platte ist dabei benachbart zu den Schlitzen 20 an der Außenseite jeder Seitenwand 19c vorgesehen.

Die Platte 23 weist entsprechende Schlitze auf, die mit den Schlitzen 20 korrelieren, wobei die Platte und hierdurch deren Schlitze über einen lediglich schematisch angedeuteten Schiebemechanismus 24 gegenüber den Schlitzen 20 in horizontaler Richtung verschoben werden können. Auch für diesen Schiebemechanismus ist eine nicht gezeigte Aktorik vorgesehen. Über den Schiebemechanismus und die Aktorik kann die Platte 23 zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position verschoben werden. In der ersten Position decken sich die Schlitze der Platte mit den Schlitzen 20, wodurch ein Lufteinlass in die Kanäle K2 und K2' erreicht wird. Die Menge der eingelassenen Luft kann dabei über die Klappen 25 variiert werden, wobei umso mehr Luft eingelassen wird, je kleiner der Winkel der Klappen gegenüber der Horizontalen ist. Liegen die Klappen 25 in der horizontalen Ebene, wird Luftströmung nur über die Kanäle K2 und K2' geleitet. In diesem Fall hat der Gasaustrittskörper die Funktion von zwei Prallstrahldüsen, ohne dass zusätzlich laminare Strömung über den porösen Körper 16 nach unten austritt. In der zweiten Position der Platte sind die Schlitze 20 durch die Platte verdeckt. In diesem Fall tritt die Luft ausschließlich über den porösen Körper 16 als laminare Strömung aus. Bei dieser Betriebsart werden die Klappen 25 so verdreht, dass sie sich in der vertikalen Ebene befinden. Gegebenenfalls kann die Platte zur Beeinflussung der Strömung auch in weitere Positionen angeordnet werden, in denen die Schlitze 20 nur teilweise verdeckt sind.

In Fig. 3 und Fig. 4 ist ein Betriebsmodus gezeigt, bei dem sowohl ein laminarer Teilstrom als auch ein turbulenter Teilstrom aus dem Gasaustrittskörper 2 austritt. Die Schlitze 20 sind dabei geöffnet und die Klappen 25 befinden sich in einer schrägen Position. In diesem Betriebsmodus fließt ein Teil des über die Öffnung 19b zugeführten Luftstroms durch die Schlitze 20 in die Kanäle K2 und K2' und tritt anschließend aus den Gasaustrittschlitzen 18 aus. Der restliche Luftstrom fließt durch die Kanäle Kl und Kl' nach unten und tritt über den porösen Körper 16 aus. Die dem Gasaustrittskörper 2 zugeführte Luftströmung weist eine Geschwindigkeit auf, so dass aus der Gasaustrittsfläche 17 laminare Luftströmung austritt, wohingegen an den Gasaustrittsschlitzen 18 turbulente Luftströmung entsteht.

Fig. 4 zeigt nochmals in einer Schnittdarstellung den Verlauf der Luftströmung durch den Gasaustrittskörper 2 der Fig. 3. Wie man erkennt, wird ein erster Teilstrom der über die Öffnung 19b einströmenden Luft, der durch die gestrichelten Pfeile TI angedeutet ist, direkt über die Kanäle Kl und Kl' dem porösen Körper 16 und damit der Gasaustrittsfläche 17 zugeführt. Dabei entsteht an der Gasaustrittsfläche laminare Strömung. Darüber hinaus wird ein zweiter Teilstrom der über die Öffnung 19b zugeführten Luft über die Schlitze 20 (in Fig. 3 gezeigt) in die Kanäle K2 und K2' geleitet. Dieser zweite Teilstrom, der durch entsprechende Pfeile T2 angedeutet ist, wird durch die Gasaustrittschlitze 18 verengt, so dass seine Strömungsgeschwindigkeit an den Gasaustrittsschlitzen deutlich höher als diejenige des ersten Teilstroms TI bei dessen Austritt aus der Gasaustrittsfläche 17 ist. Die höhere Strömungsgeschwindigkeit führt zu Verwirbelungen, so dass an den Gasaustrittsschlitzen 18 turbulente Strömung entsteht. Aufgrund der Abkantungen an den Gasaustrittsschlitzen 18 wird diese turbulente Strömung hin zur laminaren Strömung unterhalb des porösen Körpers 16 gerichtet.

Durch die Kombination der turbulenten Strömung an den Gasaustrittschlitzen 18 mit der laminaren Strömung an der Gasaustrittsfläche 17 entsteht ein deutlich verbesserter Wärmeübertrag im Vergleich zu einem Gasaustrittskörper, der nur laminare Strömung erzeugt. Ferner wird durch die Kombination dieser beiden Strömungen eine Rissbil- dung in der zu trocknenden Materialbahn vermieden, wie sie bei einer Trocknung rein mittels Prallstrahldüsen öfters auftritt.

Die Erfinder konnten die vorteilhaften Effekte der Gasaustrittskörper der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand von Simulationen nachweisen. Ergebnisse dieser Simulationen sind in Fig. 5 und Fig. 6 für einen Volumenstrom an Luft von 1300 m ³ pro Stunde und pro Meter an Ausdehnung des Gasaustrittskörpers in der Längserstreckung wiedergegeben. Fig. 5 zeigt ein Diagramm, das den Wärmeübertragungskoeffizienten a zwischen austretendem Luftstrom und Materialbahn in Abhängigkeit von der Position x entlang eines Gasaustrittskörpers in Transportrichtung W wiedergibt. Die Position von 0 cm entspricht dabei der Mitte des entsprechenden Gasaustrittskörpers in Bezug auf die Transportrichtung W.

Der Wärmeübertragungskoeffizient ist eine dem Fachmann bekannte Größe in der Form eines Leistungswerts pro Fläche und Temperatur (SI-Einheit W/(m ² K)). Der Wärmeübertragungskoeffizient beschreibt den Wärmeübertrag an der Grenzfläche zwischen zwei Medien, im vorliegenden Fall zwischen dem Luftstrom und der Materialbahn. Es gilt dabei folgender Zusammenhang:

Q = a A (T1-T2) At.

Dabei ist Q die übertragene Wärmemenge zwischen den Medien, a ist der Wärmeübertragungskoeffizient, A ist die betrachtete Kontaktfläche, Ti und T2 sind die Temperaturen der beteiligten Medien und At ist das betrachtete Zeitintervall. Wie sich aus obiger Formel ergibt, ist der Wärmeübertrag umso größer, je größer der Wärmeübertragungskoeffizient ist.

Das Diagramm der Fig. 5 bezieht sich auf einen Gasaustrittskörper, dessen Gasaus- trittsfläche 17 eine Breite bl von 9 cm aufweist. Der Abstand zwischen der Seite des Gasaustrittskörpers, über welche der erste und zweite Teilstrom austritt, und der gegenüber liegender Oberfläche der Materialbahn beträgt 5 mm. Die sich an beide Seiten der Gasaustrittfläche anschließenden Hinterschneidungen sind 5 mm breit und die Gasaustrittsschlitze 18 haben eine Breite b2 von 2 mm. Die Mitte der Gasaustrittsschlitze befindet sich somit bei x = 5,1 cm und x = -5,1 cm. Mit den in Fig. 5 dargestellten Linien werden unterschiedliche Einstellungen für die Anteile an laminarer und turbulenter Strömung wiedergegeben. Die Linie LI 00 zeigt eine Einstellung, bei der zu 100 % nur laminare Strömung (d.h. nur Strömung über die Gasaustrittsfläche 17) aus dem Gasaustrittskörper austritt. Demgegenüber zeigt die Linie L75 einen Betrieb, bei dem 75 % der aus dem Gasaustrittskörper austretenden Gasströmung laminar ist und der restliche Anteil (d.h. der über die Gasaustrittschlitze austretende Anteil) turbulent ist. Entsprechend zeigt die Linie L62 den Fall von einem Anteil von 62 % an laminarer Strömung (d.h. 38 % turbulente Strömung) und die Linie L25 den Fall von einem Anteil von 25 % an laminarer Strömung (d.h. 75 % turbulente Strömung). Wie man erkennt, wird für die Fälle, bei denen neben laminarer Strömung auch turbulente Strömung entsteht (Linien L75, L62 und L25), ein deutlich höherer Wärmeübertragungskoeffizient a als für den Fall rein laminarer Strömung (Linie L100) erreicht. Die Peaks der Wärmeübertragungskoeffizienten für die Linien L25, L62 und L75 liegen aufgrund der Erzeugung der turbulenten Strömung 5,4 cm links und rechts von der Mitte des Gasaustrittskörpers.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Diagramm, das in Abhängigkeit vom prozentualen Anteil P an laminarer Teilströmung (d.h. an durch die Gasaustrittsfläche 17 fließender Strömung) den durchschnittlichen bzw. mittleren Wärmeübertragungskoeffizienten a _av sowie die Varianz a _va r des Wärmeübertragungskoeffizienten wiedergibt. Die Mittelung des Wärmeübertragungskoeffizienten erfolgt dabei über die Gesamtfläche aus Gasaustrittsfläche 17 und Gasaustrittschlitzen 18. Die Linie L bezieht sich dabei auf die linke Ordinate des Diagramms und repräsentiert den durchschnittlichen Wärmeübertragungskoeffizienten a _av , wohingegen sich die Linie L' auf die rechte Ordinate des Diagramms bezieht und die Varianz a _var des Wärmeübertragungskoeffizienten darstellt.

Wie man aus dem Diagramm der Fig. 6 erkennt, nimmt der durchschnittliche Wärmeübertragungskoeffizient bei entsprechender Erhöhung des laminaren Teilstroms ab. Gleichzeitig wird jedoch die Varianz des Wärmeübertragungskoeffizienten geringer, da weniger turbulente Strömung auftritt. Im Unterschied hierzu kommt es bei kleineren Anteilen an laminarer Strömung zu einem Anstieg des Wärmeübertragungskoeffizienten, der jedoch mit einer höheren Varianz aufgrund des größeren Anteils an turbulenter Strömung einhergeht.

Für die Simulationen der Fig. 5 und Fig. 6 sind in der nachfolgenden Tabelle auch nochmals für entsprechende Anteile an laminarer/turbulenter Strömung die Geschwindigkeit VL der laminaren Strömung, die Geschwindigkeit VT der turbulenten Strömung sowie der mittlere Wärmeübertragungskoeffizient OLAV und dessen Varianz U.VAR wiedergegeben.

Wie man aus obiger Tabelle erkennt, liegt die Strömungsgeschwindigkeit für die laminare Strömung in einem Bereich zwischen 0,5 m/s und 4 m/s, wohingegen die turbulente Strömung Geschwindigkeiten zwischen 18 m/s und 72 m/s einnimmt.

Die im Vorangegangenen beschriebene Ausführungsform der Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere werden erstmalig in einer Vorrichtung zur Trocknung einer Materialbahn Gasaustrittskörper verwendet, welche einen laminaren Luftaustritt mit einem turbulenten Luftaustritt nach Art von Prallstrahldüsen kombiniert. Hierdurch kann ein sehr guter Wärmeübertrag ohne Beschädigungen der zu trocknenden Materialbahn erreicht werden.

Darüber hinaus ermöglicht die hier beschriebene Ausführungsform eine Einstellung der Anteile an laminarer und turbulenter Strömung. Auf diese Weise kann die Vorrichtung an Eigenschaften der zu trocknenden Materialbahn angepasst werden. Dabei wird ein höherer Anteil an turbulenter Strömung für solche Materialbahnen verwendet, deren Beschichtungen unempfindlich gegenüber Defekt- und Rissbildung sind. Im Gegensatz dazu wird der Anteil an laminarer Strömung für Materialbahnen mit empfindlicheren Beschichtungen erhöht, um hierdurch Defektbildung und unter anderem Rissbildung zu vermeiden. Es kann somit ein für die entsprechende Materialbahn optimierter Luftstrom zu deren Trocknung erreicht werden.