Sprüheinrichtung zum Versprühen verschiedener Medien mit hoher Geschwindigkeit.

Die Erfindung betrifft eine Sprüheinrichtung zur Beaufschlagung von bewegten bahnförmigen Produkten, beispielsweise Papier in Papiermaschinen mit gasförmigen oder flüssigen Medien.

Bei der Herstellung bahnförmiger Produkte ist es bekannt, sie auf verschiedenen Prozessstufen mit gasförmigen oder flüssigen Medien zu beaufschlagen. Bei der Papierherstellung kann dies beispielsweise in einer Pressenpartie, einer Trockenpartie, einem Maschinenkalander, einem Superkalander, einem Softnipkalander oder einem Schuhkalander erfolgen.

Herkömmliche Systeme für diese Zwecke arbeiten allerdings nur mit Dampf mit eventueller Wassereinspritzung in den Dampf vor Eintreten in ein Befeuchtungsaggregat oder mit Wassereinspritzung in den Dampf innerhalb eines Befeuchtungsaggregates .

Weiter besteht bei bisher bekannten Systemen das Problem, dass der von der schnell laufenden Bahn mitgeführte Luftstrom ungenügend durchdrungen wird, so dass das auf die Bahn aufzubringende Medium nur mit einem schlechten Wirkungsgrad eingesetzt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes System zu schaffen, das nicht die Nachteile des Standes der Technik aufweist.

Erfindungsgemäss wird dies durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale erreicht.

Mit der erfindungsgemässen Einrichtung ist es möglich, eine Vielzahl von Medien, wie z.B. überhitzen Dampf, Sattdampf, Wasserfilm, Heissluft, Kaltluft und Chemikalien mit einem hohen Wirkungsgrad von bis zu 90 % auf die Bahn zu bringen. Damit wird die Anzahl einsetzbarer Medien, sowie der Wirkungsgrad gegenüber dem Stand der Technik erheblich erhöht .

Im einzelnen werden beispielsweise bei der Papierherstellung mit ein- und demselben Aggregat gemäss der Erfindung folgende verfahrenstechnischen Applikationsaufgaben erfüllt:

Beaufschlagung einer Papierbahn mittels überhitztem

Dampf

Befeuchtung einer Papierbahn mittels Sattdampf

Befeuchtung einer Papierbahn mittels einem hochauflösenden Wasserfilm ohne Tropfenbildung Befeuchtung einer Papierbahn mittels Kaltwasser Erwärmung einer Papierbahn mittels überhitztem Dampf Erwärmung einer Papierbahn mittels Sattdampf Erwärmung einer Papierbahn mittels Heisswasser - Erwärmung einer Papierbahn mittels Heissluft Kühlung einer Papierbahn mittels Kaltluft Kühlung einer Papierbahn mittels Kaltwasser Beschickung einer Papierbahn mittels Chemikalien

All die vorerwähnten Medien können sowohl in Längsrichtung der Maschine (MD) als auch in Querrichtung der Maschine

(CD) in geregelter Form zonenweise aufgetragen werden. Die kleinsten Zonenabstände in Querrichtung sind 50 mm.

Im folgenden wird anhand der beiliegenden Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine QuerschnittZeichnung einer

Sprüheinrichtung für eine Papiermaschine oder ein Kalandersystem

Fig . 2 eine vergrösserte Frontansicht der Düsenplatte der Sprüheinrichtung

Fig . 3 eine Seitenansicht der Düsenplatte, teilweise längs geschnitten F Fiigg.. 4 4 eine Seitenansicht einer Einspritzkapillare

Fig . 5 einen vergrösserten Querschnitt durch den Bereich der Düsenplatte gemäss einer ersten Variante der Mischkammer

Fig. β einen vergrösserten Querschnitt durch den Bereich der Düsenplatte gemäss einer zweiten

Variante der Mischkammer Fig. 7 einen vergrösserten Querschnitt durch den

Bereich der Düsenplatte gemäss einer dritten Variante der Mischkammer

Die in Fig. 1 im Schnitt gezeigte Sprüheinrichtung besteht im wesentlichen aus einem sich quer über eine Papierbahn 21 erstreckenden Sprühbalken 22. Dieser besteht zum einen aus einem Vorheizvolumen 1 und einem zentralen Funktionsteil, d.h. dem eigentlichen Sprühsystem, das im folgenden detailliert beschrieben wird. Das Vorheizvolumen umfasst eine Anzahl von parallel angeordneten und den zentralen

Funktionsteil umgebenden Rohren oder Vorheizkammern, die aus handelsüblichen Profilrohren oder gebogenen Blechen bestehen.

Das Vorheizvolumen dient dazu, den Sprühbalken auf

Betriebstemperatur von 120... 150°C zu bringen bzw. zu halten. Durch die Anordnung des Rohrsystems des Vorheizvolumens ist sichergestellt, dass das Aggregat in jeder Einbaulage tropfenfrei arbeitet. Andernfalls könnte die Umgebungsluft oder das versprühte Medium am Aggregat kondensieren.

Ausserdem bringt das Rohrsystem des Vorheizvolumens zusätzliche Festigkeit bei Sprühbalken, welche für Bahnbreiten bis zu 10 m in Querrichtung ausgelegt sind. Die Rohre des Vorheizvolumens sind innerhalb einer Schweisskonstruktion untereinander verbunden und mit Vorheizdampf versorgt.

Die Vorheizung funktioniert unabhängig von der

Sprühfunktion und wird separat versorgt. Sie wird mit 0.5... 1,5 barü Dampf oder einem elektrischen Heizsystem versorgt. Ein Sicherheitsventil begrenzt diesen Druck bei max. 1.5 barü.

Im Innern des Vorheizvolumens 1 befindet sich, wie erwähnt, das eigentliche Sprühsystem. Eine Verteilkammer 2 wird mit den Medien Dampf oder Luft (in verschiedenen Zuständen bezüglich Druck und Temperatur) versorgt. Sie erstreckt sich über die gesamte Profilbreite (CD) bzw. die Länge des Sprühbalkens. Die Verteilkammer 2 und die Vorheizkammern

des Vorheizvolumens 1 sind jeweils mit Kondensatableitungen 20 auf beiden Stirnseiten versehen.

Innerhalb der Verteilkammer 2 ist eine Anzahl von in Längsrichtung des Sprühbalkens aneinandergereihten Diffusorkammern 6 angeordnet.

Um das Medium Dampf oder Luft (in verschiedenen Zuständen) einer Diffusorkammer dosiert zuzuführen, ist auf dem Sprühbalken ein Dampf/Luft-Regelventil 3 angeordnet. Dieses umfasst eine Aufnahme für einen Kegelsitz 5 und einen pneumatischen Stellantrieb 4. Eingangsseitig wird dem Dampf/Luft-Regelventil das Medium Dampf oder Luft zugeführt und entsprechend der Kegelsitzstellung in die Diffusorkammer dosiert. Die Bohrungen innerhalb des

Regelventils 3 sind im Bereich von 5,0... 25 mm ausgelegt, idealerweise messen die Bohrungen 15,0 mm.

Zur Aktivierung des Kegelsitzes dient der pneumatische Stellantrieb 4. Der Kegelsitz 5 wird damit linear innerhalb des Dampf/Luft-Regelventils bewegt und erreicht damit seine Dosierfunktion .

Der pneumatische Stellantrieb hat einen Verfahrweg von 18- 20 mm, sein Druckbereich (Ansteuerung) liegt innerhalb 0,5... 3.5 bar. Die hohe Stellgenauigkeit mit minimalem mechanischem Innenwiderstand ist für den Einsatz in der Sprüheinrichtung vorteilhaft.

Der Kegelsitz 5 muss applikationsspezifisch ausgelegt werden. Um den verlangten Massenstrom (Dampf oder Luft) hochauflösend zu dosieren, ist die Kegelkontur vorzüglich

durch Feldversuche ermittelt. Der Bereich der zu dosierenden Menge liegt innerhalb 3 und 80 kg/h (Dampf) . Das Einsatzgebiet der vorliegenden Sprüheinrichtung liegt idealerweise bei rund 8 kg/h.

Um den Sprühbalken in Querrichtung zur Papierbahn zu unterteilen, ist in diesem eine zu bestimmende Anzahl Diffusorkammern 6 angeordnet. Das Trägermedium Dampf oder Luft wird dosiert von der Verteilkammer via Dampf/Luft- Regelventil und entsprechend in jede einzelne

Diffusorkammer geleitet. Die Länge einer solchen Kammer quer zur Papierbahn liegt zwischen 50 und 2000 mm, vorzugsweise bei ca. 300 mm. Die Unterteilung in mehrere Diffusorkammern hat zur Aufgabe, dass bahnförmige Produkte in Querrichtung (CD) geregelt beaufschlagt werden können.

Mit einer Verteilschiene 7 wird das Trägermedium (Dampf oder Luft) von der Diffusorkammer 6 weiter zu einer Düsenplatte 8 geleitet. Die Verteilschiene ist aus Vollmaterial (Edelstahl 1.4571) gearbeitet und weist

Bohrungen 18 auf, die in Profillängsrichtung (CD) verteilt sind. Diese Bohrungen haben einen Durchmesser von zwischen 0.5 und 5,0 mm. Die Anzahl liegt im Bereich von 5 und 20, aufgeteilt auf 50 mm. Idealerweise messen die Bohrungen 2,0 mm, die Lochreihe zählt 11 solcher Bohrungen pro 50 mm Düsenzone.

In der Düsenplatte 8 sind zwei voneinander getrennte Mischkammern 9 angeordnet, die als Nuten ausgebildet sind. Vom Boden der Mischkammer zur Unterseite der Düsenplatte ist eine Vielzahl von Bohrungen 15 angeordnet, die entsprechend einem Düsenbohrmuster verteilt sind, wie es in

Fig. 2 gezeigt ist. Die Länge einer solchen Mischkammer misst idealerweise 50 mm. Die Düsenplatte dient dazu, das zu beaufschlagende Gemisch übergangslos auf das bahnförmige Produkt zu sprühen (atomare Zerstäubung) .

Die Mischkammer (9) ist ein kleinvolumiger Hohlraum von 1000 bis 2500 mm ² . In diesem Volumen wird das Trägermedium (Dampf oder Luft) mit dem Medium (Kondensat, Wasser oder spezielle Chemikalie) zusammengeführt. Die Mischkammer kann unterschiedlich ausgestaltet sein, um applikationsspezifische Effekte zu bewirken. So kann sie beispielsweise, wie in Fig. 4 gezeigt mit einem Saug/Turbulenzgewebe 14, mit einer Prallplatte 16 gemäss Fig. 5 oder mit einer Raumverengung 17 gemäss Fig. 6 ausgestattet sein.

Eine weitere wichtige Komponente ist eine speziell entwickelte Einspritzkapillare 10. Diese hat die Aufgabe, das zu mischende Medium (Wasser und Chemikalien) in der Mischkammer 9 mit dem Trägermedium (Dampf oder Luft) zusammenzubringen. Die Einspritzkapillare ist auf ihrer Unterseite mit einer Anzahl von 5 bis 50 Feinbohrungen 19 versehen. Vorzugsweise liegt die Anzahl dieser Bohrungen bei 15 pro 50 mm Zone. Der Durchmesser dieser mit einem speziell entwickelten Verfahren angebrachten Bohrungen liegt zwischen 0.01 und 0.2 mm, vorzugsweise bei 0.07 bis 0,09 mm. Die Einspritzkapillare wird mit dem zu mischenden Medium bei einem überdruck von 0.2... 10.0 bar betrieben. Das zu mischende Medium muss genau dosiert und vor allem über eine Linie von 50 mm in die Mischkammer eingebracht werden. Die Einspritzkapillare zeichnet sich durch ihre Zuverlässigkeit und ihren grossen Einsatzbereich aus, und

kann applikationsspezifisch eingesetzt und ausgelegt werden.

Die Einspritzkapillare ist in der Sprüheinrichtung mittels einer Wasserverschraubung 11, einer Spannzange 12 und einem Steckanschluss für Wasser 13 befestigt. Damit ist eine einfache Montage der Einspritzkapillare gewährleistet. Die drei Komponenten halten die Kapillare mechanisch fest in ihrer Position zu und führen das zu vermischende Medium absolut dicht und zuverlässig der Einspritzkapillare zu. Die Spannzange 12 klemmt die Kapillare formschlüssig fest und lässt sie genau in die verlangte Position ausrichten. Der Steckanschluss 13 mit Abdichtsystem besteht aus speziellen O-Ring-Dichtungen und ist für den Anschluss eines Teflonschlauches ausgelegt. Durch diesen wird das zu mischende Medium der Einspritzkapillare zugeführt. Das zu mischende Medium wird ausserhalb des Aggregates pro Zonenbreite aufbereitet und fein dosiert

Auf die Ausführung der Düsenbohrungen 15 kommt es an, mit welcher Qualität das Gemisch aus der Düsenplatte 8 austritt und auf das bahnförmige Produkt aufgetragen wird. Folgende Parameter sind bei der Auslegung entscheidend: Die Anzahl der Bohrungen liegt im Bereich von 20 - 500, vorzugsweise bei 154; ihr Durchmesser liegt im Bereich von 0,05 - 1,0 mm und beträgt vorzugsweise ca. 0,15 mm; der Abstand der Bohrungen voneinander liegt im Bereich von 0,05 - 5,0 mm, vorzugsweise ca. 0,8 mm; ihr Neigungswinkel liegt zwischen o und 45°, vorzugsweise bei etwa 20°.

Durch die hohe Auftragsgeschwindigkeit der Beschickungsmedien wird ein hoher Beschickungswirkungsgrad

erreicht, da die laminaren Luftströme der schnell laufenden Papierbahnen mit der Geschwindigkeit der Auftragsmedien problemlos durchbrochen werden. Somit können Medien auf Papierbahnen mit Geschwindigkeiten von bis zu 2.200 m/min aufgebracht werden.

Die Mischkammern 8 können zusätzlich mit verschieden Komponenten als Einlage bzw. Schikanen versehen sein:

In einer ersten Variante ist zwischen der

Einspritzkapillare und den Bohrungen der Düsenplatte ein Saug- und Turbulenzgewebe 15 eingelegt, das die homogene Verteilung und die Vermischung der Medien bewirkt.

Nach einer weiteren Variante ist zwischen der

Einspritzkapillare und den Bohrungen der Düsenplatte eine spezifisch konstruierte Prallplatte 16 eingelegt, welche die homogene Verteilung und die Vermischung der Medien bewirkt. Diese Prallplatte weist eine spezielle Zerstäubungseigenschaft auf.

In einer dritten Variante sind zwischen der Einspritzkapillare 10 und den Bohrungen der Düsenplatte zwei beidseitig angeordnete stromlinienförmige, in Flussrichtung angeordnete Raumverengungen 17 angelegt, welche die homogene Verteilung und die Vermischung der Medien nochmals verbessern. Diese Raumverengung weist eine spezielle Verteileigenschaft auf.

Bei allen drei Varianten sind die Bohrungen vertikal und/oder unter schrägen Winkeln und gemäss einem beliebigen Düsenmuster 15 ausgelegt. Damit wird eine homogene und

adhäsionsfreie Zerstäubung mit äusserst hoher Geschwindigkeit erreicht.

Sprüheinrichtungen der beschriebenen Art sind an verschiedenen Orten einer Maschine oder einem

Kalandersystem einsetzbar. Insbesondere eignen sie sich für den Einsatz in einer Nasspartie, d.h. Langsieb, Former, oder Pressenpartie zur Steigerung der Presseneffizienz (Trockengehaltssteigerung) , den Auftrag von Chemikalien auf eine Papierbahn, für die Regelung des Feuchtequerprofils, sowie an einem Kalander, Maschinenglättwerk, On-line Superkalander, Off-line Superkalander oder Schuhkalander zur Beeinflussung der Oberflächeneigenschaften wie Glanz, Glätte, Porosität, Feuchte, Curl (Flachlage) , Bahntemperatur, Dicke und dergl. gemäss vorherigem Beschrieb des Funktionsprinzips.

Ebenfalls eignen sie sich zum Einbau in einer Trockenpartie zur Wiederbefeuchtung der Papierbahn und somit auch zur Querregelung des Feuchtequerprofils auf der Papierbahn oder der Aufrollung zur Regelung der Flachlage (Curl) .

Die erfindungsgemässe Einrichtung besitzt eine Reihe von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Systemen wie Düsenfeuchtern, Dampfblaskasten und

Dampf/Wassersprühaggregaten. Die Funktion der langgestreckten Düsenanordnung, die einstellbare und justierbare Sprühphysik der Auftragsmedien, die Multifunktionalität der Einrichtung für Beheizung, Kühlung, Befeuchtung, Trocknung, chemische Beaufschlagung, sowie tropfenfreie Arbeitsweise infolge des grossen Vorheizvolumens innerhalb mehrerer in Reihenfolge

eingesetzter Einheiten innerhalb eines Kalander- oder Maschinensystems ermöglichen das Ersetzen von herkömmlichen Systemen wie Wasserrückbefeuchtungssystemen in Trockenpartien, herkömmlichen Dampfblaskästen in Nasspartien (Fourdrynier, Siebsaugwalze, Presse und Zellstoffmaschinen) oder Dampffeuchtern in Kalandersystemen, wie Maschinenkalander, Soft-Nip- Kalandern, Schuhkalandern, Tandemkalandern etc. für alle in der Praxis anwendbaren Papiersorten.

Ein weiterer Vorteil liegt im erhöhten Bereich der Querregelung da alle Beaufschlagungen der vorerwähnten Medien in Querrichtung geregelt werden können.