Verfahren zur Behandlung einer Fasersuspension, insbesondere zum Auflösen von Stippen sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zumeist werden Verfahren dieser Art dazu verwendet, um die in der

Fasersuspension vorhandenen Faseragglomerate, sogenannte Stippen aufzulösen, wobei vorzugsweise keine oder nur sehr geringe Veränderungen an den Fasern selbst vorgenommen werden. Bei solchen Verfahren werden die Stippen hydraulisch scherend beansprucht, ohne dass die Papierfasern wesentlich verändert werden. Vorzugsweise wird die Konsistenz in einem wässrig suspendierten Papierstoff so eingestellt ist, dass er sich in pumpfähigem Zustand befindet, wobei die Konsistenz im Allgemeinen zwischen 2 und 6 % beträgt. Zur mechanischen Bearbeitung werden Vorrichtungen verwendet, die mit gegeneinander rotierbaren, Zahnreihen aufweisenden Werkzeugen, sogenannten Garnituren versehen sind. Dabei werden die

Zahnreihen der zusammenwirkenden Garnituren in einem gewissen Abstand aneinander vorbei bewegt, der in der Regel zwischen 0,5 und 2 mm beträgt. Auf Grund der Fließfähigkeit des wässrig suspendierten Papierstoffes kann dieser in der beschriebenen Weise radial von innen nach außen durch die Zahnlücken in den Zahnreihen geführt werden. Dabei erfolgt dann die gewünschte mechanische Behandlung. Durch Beschleunigungs- und Abbremsvorgänge werden die Stippen in einzelne Fasern aufgelöst.

Eine Entstippungsvorrichtung für Verfahren dieser Art ist aus der DE 24 57 701 bekannt.

Die Faserstoffsuspension wird beim Durchgang durch die Entstippungsvorrichtung in sehr viele kleine Einzelströme aufgeteilt, um eine möglichst gute Entstippungswirkung zu erzielen, was aber zur Folge hat, dass eine Vielzahl von Zahnlücken, also Schlitzen, benötigt wird. Das führt zu einer intensiven Verwirbelung der Suspension, was zwar grundsätzlich zur Entstippung beiträgt aber auch den Energiebedarf des Verfahrens erhöht. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren dieser Art zu schaffen, mit dem der geforderte Entstippungseffekt mit einem geringeren Energiebedarf möglich ist oder bei gleichem Energieeinsatz ein besserer Effekt erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Während bisher Garnituren für Verfahren dieser Art mit Zahnreihen versehen waren, die in den Ringraum der Gegengarnitur möglichst vollständig (siehe z. B. DE 24 57 701 hineinpassten, geht die Erfindung einen völlig anderen Weg. Demnach wird für die Suspensionsströmung im Bereich zwischen den Zahnspitzen und der Gegengarnitur ein freies zusätzliches Volumen geschaffen, welches z. B. ringförmig ist. Hier treten nicht die hohen hydraulischen Kräfte auf, wie in den übrigen Bereichen der Garnituren, was den Energiebedarf deutlich senkt. Diese freien Volumina können sowohl im Rotor als auch im Stator vorgesehen werden, wobei auch die Anzahl dieser freien Volumina und deren Lage (radial weiter innen oder weiter außen) Einfluss auf das Verfahren, insbesondere den Energieverbrauch haben. Die spezifische Arbeit, die zur Erzielung des geforderten Entstippungs-Effektes übertragen werden muss, sinkt.

Die Erfindung und ihre Vorteile werden erläutert an Hand von Zeichnungen.

Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt in Seitenansicht durch eine Entstippungsvorrichtung zur

Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. 2 in Draufsicht: Schnitt durch zwei im Eingriff stehende Garnituren, eine

Rotorgarnitur und eine Statorgarnitur; Fig. 3-5 schematisch: Variationen der Anordnung von kurzen und langen

Zähnen,

Fig. 6+7 schematisch: Variationen der Zahnspitzenform, Fig. 8+9 je eine Kombination von erfindungsgemäß ausgestalteten

Entstippungsgarnituren mit je fünf Zahnreihen, Fig. 10 Teil einer Entstippungsgarnitur mit schrägen Zahnflanken, Fig. 1 1 eine erfindungsgemäße Entstippungsgarnitur

In Fig. 1 ist der Teil einer geeigneten Entstippungsvorrichtung im Schnitt und in Seitenansicht dargestellt. Man erkennt, dass auf der zentral angeordneten

Welle 13 ein Rotor 1 befestigt ist, welcher die Rotorgarnitur 2 trägt. Diese ist hier mit insgesamt drei in ringförmigen zur Drehachse konzentrischen Zahnreihen 10, 1 1 und 12 versehen. Man erkennt ebenfalls, dass sich auf der Statorgarnitur 3 drei Zahnreihen 7, 8 und. 9 befinden. Die Statorgarnitur 3 ist auf dem Stator 4 lösbar befestigt z.B. angeschraubt.

Jede Zahnreihe ist mit einer Anzahl von Zähnen ausgestattet, zwischen welchen sich Zahnlücken befinden, was in Fig. 2 etwas besser sichtbar ist. Zwischen den Zahnreihen 10, 11 und 12 befinden sich ringförmige konzentrische Zwischenräume 20 bzw. 21. In diese greifen die Zahnreihen 7 und 8 ein, die zur Statorgarnitur 3 gehören und die ebenfalls Zahnlücken aufweisen. In die zwischen den nicht drehenden Zahnreihen 7, 8 und 9 liegenden ringförmigen Zwischenräume 20 und 21 reichen Zahnreihen 11 und 12 hinein, die zu einer Rotorgarnitur 2 gehören und die ebenfalls Zahnlücken aufweisen.

Je nachdem wie die Zahnspitzen geformt und positioniert sind, wird in einem Teil der Zwischenräume 20 ein relativ kleines freies Volumen gebildet und in anderen Zwischenräumen 21 ein signifikant größeres. Das größere freie Volumen kann z. B. 10 bis 80%, vorzugsweise 15 bis 50% des Volumens sein, das der ringförmige Zwischenraum (20, 21 ) ohne diese Zähne bildet. Dabei sind hier die Zahnspitzen der Zähne in einem axialen Abstand a1 oder a2 vom Grund des ringförmigen Zwischenraumes 20 oder 21 , in den sie hineinreichen, positioniert. Der axiale Abstand a1 bei einem Teil der Zähne ist signifikant, vorzugsweise um 20 bis 50 % größer als der axiale Abstand a2 der übrigen Zähne. Konkret kann das ein 3 bis 10 mm größerer Wert für den Abstand a1 sein.

Eine durch die Mittellinie der Welle 13 gelegte Ebene schneidet die Zähne hier in rechteckigen Querschnitten mit kleinen Abrundungen. Andere mögliche Formen sind z.B.: Trapez (Fig. 10) oder Dreieck, eventuell auch mit deutlichen - A -

Abrundungen. Die Höhe h1 der langen Zähne liegt bei Garnituren dieser Art zumeist zwischen 18 und 40 mm. Zumindest ein Teil der Zähne ist in axialer Richtung signifikant kürzer, z.B. um 3 bis 10 mm, wobei deren Höhe h2 dann zwischen 15 und 30 mm beträgt. Wichtig ist auch ein geringer Abstand b, der zwischen den Zahnflanken der aneinander vorbeibewegten Zähne eingestellt wird, da hier ein großer Teil der Entstippungsarbeit geleistet wird. Dieser Abstand b liegt z. B. zwischen 0,3 und 3 mm, vorzugsweise 0,5 und 1 ,5 mm.

Die Stoffströmung ist so angelegt, dass die Fasersuspension S durch einen zentralen Stutzen 15 in das Innere der Entstippungsvorrichtung gelangt und radial von innen nach außen geführt wird, wobei die Fasersuspension insbesondere durch die Zahnlücken zwischen den Zahnreihen hindurch fließt. Vorzugsweise hat die Fasersuspension S eine Stoffdichte mit einem Wert zwischen 2,5 und 6%, wobei sie mit Kreiselpumpen pumpfähig ist und sich wirtschaftlich gut entstippen lässt. Möglich sind aber auch Werte zwischen 1 und 9%. Der auf diese Weise behandelte und entstippte Fasersuspension S ^' wird durch einen oben liegenden Auslassstutzen 16 wieder aus dem Gehäuse entfernt. In der Regel findet in einer solchen Entstippungsvorrichtung durch die Bewegung des Rotors 1 ein Druckaufbau statt.

Fig. 2 zeigt einen Teil einer Entstippungsvorrichtung in Draufsicht mit Blick auf die Statorgarnitur 3. Dabei wurde ein Schnitt durch die Zähne aller Zahnreihen gelegt. Nur ein Teil der Zähne ist eingezeichnet. Von der Rotorgarnitur sind in Fig. 2 nur die Zahnreihen 10, 11 und 12 sichtbar (geschnitten gezeichnet), die in die ringförmigen Zwischenräume 17, 18, 19 der Statorgarnitur 3 eingreifen.

Die radial äußerste Zahnreihe 7 der Statorgarnitur ist gleichzeitig die äußerste Zahnreihe der ganzen Vorrichtung und weist die engsten Zahnlücken auf. Diese haben z.B. eine Spaltweite w die zwischen 0,5 und 1 ,5 mm liegt.

Das Verfahren lässt sich durch Auswahl von Anzahl und Position der kürzeren

Zähne ausgestalten. Dabei sind folgende Variationen möglich: Kürzere Zähne auf der Rotorgarnitur oder auf der Statorgarnitur; kürzere Zähne bei allen oder nur bei einem Teil Zahnreihen einer Garnitur; kürzere Zähne bei radial innen- oder außen liegenden Zahnreihen; kürzere Zähne bei allen oder nur bei einem Teil der Zähne einer Zahnreihe. Fig. 3 zeigt eine Anordnung, bei der alle rotorseitigen Zahnreihen 10, 11 und 12 kürzere Zähne aufweisen, während die Zähne der statorseitigen Zahnreihen 7 und 8 länger sind, sodass sie mit kleinem Abstand a2 dicht and den Fuß der ringförmigen Zwischenräume der Rotorgarnitur 2 heranreichen. Die Zähne der radial äußersten Zahnreihe 9 in der Statorgarnitur 3 sind zumeist mindestens so lang, dass sie die Zahnlücken der äußerten Rotorgarnitur abdecken, weil sonst möglicherweise der Entstippungseffekt sinkt. In Fig. 4 ist an der Statorgarnitur 3 nur die äußerste Zahnreihe 9 mit Langzähnen versehen und an der Rotorgarnitur 2 die beiden äußersten Zahnreihen 1 1 und 12. Die in Fig. 5 dargestellte Anordnung unterscheidet sich von der gemäß Fig. 3 nur dadurch, dass die rotorseitige äußerste Zahnreihe 12 Langzähne aufweist, also mit einen kleineren Abstand a2 an den Fuß des ringförmigen Zwischenraumes der Statorgarnitur 2 heranreicht.

Eine weitere Variationsmöglichkeit bietet die Form der Zahnspitzen an den Kurzzähnen. Üblicherweise kann man diese als ebene Flächen ausführen, wie es die Figuren 1 bis 5 zeigen. Abweichend davon sind in Fig. 6 die Zahnspitzen der radial äußeren Zahnreihe 12 der Rotorgarnitur 2 mit schrägen Flächen (hier: Prisma) versehen. Auch so lässt sich das freie Volumen im Bereich zwischen Zahnspitzen und dem Fuß des gegenüberliegenden ringförmigen Zwischenraumes vergrößern. Diese Maßnahme ist auch bei anderen Zahnreihen durchführbar, um das Verfahren zu verbessern. Weitere Beispiele für mögliche Zahnspitzenformen zeigt Fig. 7, bei der die Zähne der mittleren Zahnreihe 11 an der Spitze einen Rechteckquerschnitt aufweisen, dessen radiale Erstreckung deutlich kleiner ist ( weniger als 50%) als die des übrigen Zahnes. Auch so kann ein größeres freies Volumen im Bereich der Zahnspitzen gebildet werden. Bei der radial innersten Zahnreihe 10 weisen hier die Zahnspitzen nach innen ausgerichtete Schrägflächen auf, während die radial äußeren Zahnflächen wie bei einem Langzahn ausgebildet sind. Die

Zahnspitzenformen aus Fig. 7 können sowohl rotor- als auch statorseitig angewandt werden.

Die Figuren sind nur als Beispiele anzusehen. Es können auch andere Kombinationen sinnvoll sein, und das Verfahren kann auch mit Garnituren arbeiten, die jeweils weniger oder mehr Zahnreihen als gerade drei enthalten. Große Entstipper haben bis zu sechs Zahnreihen pro Garnitur.

Als weitere Beispiele sind in den Figuren 8 und 9 Kombinationen von zwei Entstippungsgarnituren mit je fünf Zahnreihen dargestellt. Gemäß Fig. 8 weist die Rotorgarnitur 2 an ihren inneren Zahnreihen 10, 1 1 , 12 und 25 Kurzzähne mit einem vergrößerten Abstand a1 zur Gegengarnitur auf, ebenso wie die inneren Zahnreihen 7 und 8 der Statorgarnitur 3. Die übrigen Zahnreihen 9, 23, 24 und 26 sind mit Langzähnen versehen.

Fig. 9 zeigt eine weitere Möglichkeit, die Erfindung zu realisieren, wobei die im Bereich der Zahnspitzen gebildeten freien Volumina gestaffelt variiert werden. Der größte Abstand a1 zwischen Zahnspitzen und Grund des jeweils gegenüberliegenden Zwischenraumes befindet sich hier an den radial innen liegenden Zahnreihen 7, 10 und 1 1. Die in radialer Richtung folgenden

Zahnreihen 8, 12 und 25 weisen einen Abstand a1 ^' auf, der kleiner ist als der Abstand a1 , aber größer als der Abstand a2, den hier die Langzähne 9, 23 und 26 vom jeweils gegenüberliegenden Zwischenraum haben. Es ist leicht möglich, auch eine feinere Abstaffelung vorzunehmen.

Durch diese in Fig. 8 und 9 gezeigten Maßnahmen kann dem jeweiligen Faserstoffzustand, insbesondere dem an der Stelle der Entstippungsgarnitur gerade vorliegendem Stippengehalt und der Stippengröße Rechnung getragen werden. Diese beiden Parameter nehmen in der Regel auf dem Weg durch die Entstippungsgarnitur ab. Unter Umständen ist auch der gegenteilige Weg sinnvoll, wenn also an radial weiter außen liegenden Zahnreihen eher ein kleineres freies Volumen gebildet werden soll.

Die Schnittfläche durch die Zähne muss nicht unbedingt rechteckig sein, günstig sind z. B. auch Trapezprofile (Fig. 10). Der Abstand b an den

Zahnflanken liegt rechtwinklig zu deren Flächen.

Auch wenn fast alle Entstippungsgarnituren so aufgebaut sind, dass die Zahnreihen ringförmig auf einem scheibenförmigen Grundkörper angeordnet sind („Scheibengarnituren"), kann die Erfindung auch dann angewendet werden, wenn die Zahnreihen auf einem Kegelstumpf axial zueinander versetzt sind („Kegelgarnituren").

In Fig. 1 1 ist eine Entstippungsgarnitur zur Durchführung des Verfahrens schematisch dargestellt, bei der zwei radial innen liegende Zahnreihen 10 und

1 1 mit Kurzzähnen versehen sind, deren Höhe h1 signifikant kleiner ist als die Höhe (h2) der radial außen liegenden Zahnreihe 10. Dadurch ergibt sich ein Abstand f zwischen den Zahnspitzen der Kurzzähne und der durch die Zahnspitzen der Langzähne aufgespannten Ebene 22, der z. B. zwischen 3 und 20 mm, vorzugsweise zwischen 4 und 10 mm liegt. Die verwendeten

Bezugszeichen beziehen sich auf eine Rotorgarnitur; dieselbe Ausgestaltung ist aber auch bei einer Statorgarnitur möglich.

Üblicherweise werden für das Verfahren solche Garnituren verwendet, bei denen die Zähne einer Zahnreihe, über den ganzen Umfang betrachtet gleich lang sind, also entweder Kurz- oder Langzähne. Es ist aber auch denkbar, die Zähne einer Zahnreihe verschieden lang zu machen. So kann man auch insbesondere an der Rotorgarnitur eine Minderzahl von Langzähnen (evt. nur einem) mit einer Mehrzahl von Kurzzähnen in derselben Zahnreihe kombinieren. Dadurch ließe sich einer möglicherweise im Bereich der freien

Ringvolumina aufkommenden Verstopfungsgefahr vorbeugen.