Beschreibung:

Walzen für die Verwendung in Maschinen zur Herstellung von Papier werden auf Grund verschiedener technischer Bedürfnisse häufig beheizt. Dies geschieht meistens dadurch, daß ein als Wärmeträger verwendetes Medium durch Hohlräume der Walze geschickt wird, wodurch die Wärme auf den Walzenmantel übergeht und diesen aufheizt. Dabei können sowohl ein zentraler Hohlraum in der Walze vorhanden sein als auch ringförmige Hohlräume zwischen einem in der Walzenmitte angeordneten Verdrängerkörper und dem ihn umgebenden Walzenmantel, ebenso aber auch können der Peripherie naheliegende Bohrungen im Walzenmantel angeordnet sein, die achsparallel verlaufen und in radial gleicher Entfernung vom Zentrum der Walze um dieses gleichmäßig angeordnet sind. Als Wärmeträgermedium werden im allgemeinen Flüssigkeiten, zum Beispiel Wasser oder Öle, verwendet. Besonders im sogenannten Glättwerk der papiererzeugenden Maschine an deren Ende, in dem die Oberfläche des Papiers durch Glättung unter Hitzeeinwirkung veredelt wird, bedarf die Wärmeführung der Walze besonderer Sorgfalt. Es werden deshalb erhebliche konstruktive Anstrengungen unternommen, um einen gleichmäßigen, hohen Wärmeübergang zur Walzenoberfläche auf deren ganzer Länge zu erreichen.

Seit neuestem ist erkenntlich geworden, daß es sinnvoll sein kann, Wasserdampf als Wärmeträgermedium zu verwenden. Der besondere Vorteil dieser Wahl liegt darin, daß erheblich geringere Mengen von Wärmeträgermedium erforderlich sind und damit große Energieeinsparungen ermöglicht werden, die zu einer ebenso erheblichen Kosteneinsparung im Gesamtprozeß führen. Auch steht Prozeßdampf bei der Papier¬ erzeugung meist ohnehin ausreichend zur Verfügung. In der DE-Anmeldung Nr. P 44 07 239.2 wird eine solche dampfbeheizte Walze beschrieben. In ihr wird der Dampf durch periphere Bohrungen im Walzenmantel geführt, wobei er kondensiert und seine Wärmeenergie an den Walzenmantel abgibt. An den jeweiligen Enden der Bohrungen befinden sich Siphon-Einrichtungen, durch welche das sich bildende Kondensat beziehungsweise Kondensat-Dampf-Gemisch aus den Bohrungen und endlich aus der Walze abgezogen wird.

Ein Nachteil der mit Dampf beheizten Walzen besteht bisher darin, daß solche Walzen nicht gekühlt werden können. Wird die Maschine zum Auswechseln der Walze oder wegen notwendiger Eingriffe im Umfeld der Walze angehalten, muß bislang darauf gewartet werden, daß sich die Walze durch Konvektion und Abstrahlung der Wärmeenergie auf eine für die Handhabung annehmbare Temperatur abkühlt. Hierfür werden, in Anbetracht der Größe der angesprochenen Walzen, die Gewichte bis zu 100 Tonnen haben können, und der hohen Betriebstemperaturen von bis zu 200 *C längere Zeiträume beansprucht, die als Stillstandzeiten für die üblicherweise kontinuierlich betriebenen Maschinen zur Papierherstellung kaum toleriert werden können. Damit wird der breite Einsatz dampfbeheizter Walzen stark behindert.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, diese Abkühlzeitspanne zu verkürzen. Es hat sich gezeigt, daß die erzielbare Verkürzung eine beachtliche Größe erreicht, zum Beispiel bei einer einschlägigen 70 t-Walze von 15 Stunden auf 150 Minuten. Die Erfindung eröffnet gleichzeitig die Möglichkeit, dampfbeheizte Walzen auch auf einem Tem¬ peraturniveau zu betreiben, das unter der Dampftemperatur liegt, wenn dies aus be¬ stimmten Gründen als wünschenswert oder notwendig erscheint, ohne daß das Behei¬ zungssystem auf einen anderen Wärmeträger umgestellt werden müßte. Eine solche Temperaturführung der Walze ist, bei entsprechender Ausgestaltung der Walzenkonstruktion, auch dauerhaft in der Weise möglich, daß für höhere Betriebstemperaturen Dampf, für niedrigere Temperaturen Kondensat, also Wasser, dessen Temperatur außerhalb der Walze geregelt wird, durch den Walzenkörper geführt wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen Fig. 1 bis Fig. 7b beschrieben.

Fig. 1 , 2, 3 und 5 zeigen dabei Fließschemata für den Heiz- und Kühlkreislauf einer dampfbeheizten Walze, Fig. 4a/4b und 6a/6b und 7a/7b Längsschnitte durch entsprechende Walzen. Die obere Hätte der Längsschnitte 4a und 6a zeigt den Fluß in der Walze während des Heizens, die untere Hälfte 4b und 6b während des Kühlens. Die obere Hälfte des Längsschnitts 7, 7a, zeigt den Fluß in der Walze bei dauerhaftem Dampf-/Wasserbetrieb während des Dampfbetriebs, die untere Hälfte (7b) während des Wasserbetriebs. Soweit darin Flußrichtungen des Temperaturträgermediums dargestellt sind, bedeuten schwarz ausgefüllte Pfeile die Flußrichtung des Kondensats, schwarz umrandete, aber im Inneren weiße Pfeile die Flußrichtung des Dampfes.

In Fig. 1 wird die Walze (1) während des Heizbetriebes von der Dampfleitung (2) über das Regelventil (3) mit Heizdampf versorgt. Das Dreiwegeventil (4) steht dabei in der Stellung A-C. Die Menge je Zeiteinheit des aus der Walze abfließenden Kondensats wird über ein einstellbares Differenzdruckventil (5) geregelt, welches für einen kon¬ stanten Differenzdruck zwischen Walzeneingang und Walzeπausgang sorgt. Im Dampfabscheidebehälter (6) wird der zusammen mit dem Kondensat austretende Überblasedampf vom Kondensat getrennt und über die Leitung (7) in eine Dampflei¬ tung eingespeist. Das im Dampfabscheidebehälter (6) verbleibende Kondensat fließt über den Kondensatabscheider (8) in eine Kondensatleitung zurück.

Wird von Beheizung auf Kühlbetrieb umgestellt, erfolgt dies durch Umschalten des Dreiwegeventils (4) in die Stellung A-B. Damit wird die Dampfzufuhr verschlossen und der Walzeneingang mit dem Kühlapparat (9) - hier ein Kondensator - verbunden. Das Temperaturniveau dort wird durch die Kühlwasserzu- und abfuhr (10) / (11) bestimmt.

Durch die gegenüber dem Walzeninneren niedrigere Temperatur im Kondensator (9) entsteht hier ein Unterdruck, welcher den noch in der Walze vorhandenen Dampf ab¬ zieht. Der sich daraufhin in der Walze entwickelnde Unterdruck zieht Kondensat aus dem Dampfabscheidebehälter (6) in die Walze zurück. Dies wird entweder durch eine entsprechende Öffnung des Ventils (5) oder durch einen - nicht dargestellten - Bypass erleichtert.

Infolge des Unterdrucks in der Walze verdampft das rückgeleitete Kondensat und ent¬ zieht der Walze Wärmeenergie. Der Dampf strömt weiter zurück in den Kondensator (9), wo er kondensiert. Das sich bildende Kondensat wird über den Kondensatableiter (23) abgeleitet.

Die Regelung der Kühlleistung erfolgt beispielsweise einfach durch die Steuerung des Kühlwasserdurchlaufs durch den Kondensator (9).

Ein anderes Verfahren der Kühlung einer im Normalbetrieb dampfbeheizten Walze zeigt Fig. 2. Die entsprechende Walze weist auf der Auslaufseite einen sog. Doppeldichtkopf (13) auf.

Während des Heizbetriebs wird das Kondensat durch die eine der beiden Leitungen (14) des Doppeldichtkopfes (13) über das Differenzdruckventil (5) abgezogen. Das Ventil (23) und damit die zweite Ableitung (15) aus dem Doppeldichtkopf (13) sind bei dieser Betriebsart geschlossen.

3 ERSATZBUTT (REGEL 26)

Zur Umschaltung auf den Kühlbetrieb wird das Dreiwegeventil (4), wie ausgeführt, in die Stellung A-B umgestellt, das Differenzdruckventil (5) geschlossen und das Ventil (23) geöffnet. Damit ist ein Kreislauf über den Kondensator (9) hergestellt, dessen Fluß durch die Kreislaufpumpe (16) aufrecht erhalten wird. Die Regelung der Temperatur ist unterhalb des Dampftemperatur- Niveaus nun entweder durch ein Dreiwegeventil (17) möglich, über welches dem Kreislauf eine bestimmte Menge warmen Kondensats aus dem Dampfabscheidebehälter (6) beigemischt werden kann, oder durch den Kühlwasserdurchfluß im Kühlapparat (9) in den Leitungen (10) / (11).

Bei angetriebenen Walzen steht eine Walzenseite wegen des Antriebes für einen Dichtkopf meist nicht zur Verfügung. Im Falle der Gestaltung nach Fig. 1 kann in diesem Falle ein Doppeldichtkopf eingesetzt werden. Im Falle der Fig. 2 wäre ein Dreifach-Dichtkopf erforderlich. Dieser bereitet technisch keine besonderen Schwierigkeiten, weil der 3. Anschluß für die Kondensatabfuhr nur einen kleinen Durchmesser aufweisen muß und sich in einen Doppeldichtkopf zusätzlich integrieren läßt.

Fig. 3 sowie 4a und 4b zeigen eine weitere erfindungsgemäße Gestaltung der Walze und des Regelkreislaufs für Heizung und Kühlung, in der konstruktive Gestaltungen der Walze bei der Umstellung von der einen zur anderen Vorgangsart mitwirken. Der Heizbetrieb in Fig. 3 (schwarz ausgefüllte Pfeile) entspricht den Beschreibungen zu den Fig. 1 und 2.

Für den Kühlbetrieb wird zunächst das Ventil (4) in Stellung A-B geschaltet und das Ventil (5) geöffnet. Durch den entstehenden Unterdruck fließt Kondensat in die Walze zurück. Indem das Ventil (17) in die Stellung A-B gebracht wird, ist es möglich, durch die Kreislauf pumpe (16) die Füllung zu beschleunigen.

Sodann erfolgt der Kühlbetrieb in Gegenrichtung (helle Pfeile). Das Ventil (17) wird in Stellung B-C gebracht. Die Kreislaufpumpe (16) fördert das Kondensat im Uhrzei¬ gersinn durch die Walze. Die Kühlleistung wird beispielsweise durch den Kühlwasser¬ durchfluß im Kühlapparat (9) in den Zu- und Ableitungen (10) und (11) bestimmt.

In der Walze ergeben sich dabei die Abläufe gem. Fig. 4a (Heizbetrieb) und 4b (Kühl¬ betrieb). Im Heizbetrieb strömt Dampf durch die Einlaßbohrung (28) in den Zapfen (19). Der Dampf gelangt von dort über die Verbindungskanäle (24) in die peripheren Bohrungen (21) im Walzenkörper (18), wo er kondensiert und seine Wärmeenergie

abgibt. Durch einen außerhalb der Walze eingestellten Differenzdruck zwischen Ein¬ laßbohrung (28) und Auslaßbohrung (29) wird das sich bildende Kondensat durch die Siphonrohre (26) und (27) in die Sammelräume (30) und (31) und von dort in die Aus¬ laßbohrung (29) gedrückt. Dabei passiert das im Bereich der Einlaßbohrung (28) an¬ fallende Kondensat noch das Verbindungsrohr (22) und das in diesem Zeitpunkt offene Ventil (33). Die Ventile (32) sind geschlossen und verhindern das Durchströmen des Dampfes über die Verbindungskanäle (25).

Der Kühlbetrieb ist in Fig. 4b dargestellt. Die Flußrichtung innerhalb der Walze ist um¬ gekehrt. Gekühltes Kondensat strömt durch die Auslaßbohrung (29) im Zapfen (20) und drückt die Ventile (32) auf, so daß es über die Verbindungskanäle (25) in die peripheren Bohrungen (21) gelangt. Dort nimmt es Wärme aus dem Walzenkörper (18) auf. Eine geringe Menge Kondensat strömt auch durch die Siphonrohre (27). Das Ventil (33) schließt sich jedoch, so daß kein Kondensat durch das Verbindungsrohr (22) zum Zapfen (19) gelangen kann. Das in den peripheren Bohrungen erwärmte Kondensat fließt über die Verbindungskanäle (24) zur Bohrung (28) und von dort aus der Walze hinaus.

In einer weiteren Ausführung vorzugsweise für angetriebene Walzen wird das Ventil¬ system (32) / (33) im Zapfen (19) integriert, so daß Zu- und Ableitungen von Dampf und Kondensat in diesem einen Zapfen vereinigt sind.

Eine weitere mögliche Ausführung der Erfindung zeigen die Fig. 5 sowie 6a und 6b. In Fig. 5 wird zur Kühlung zunächst das Ventil 4a in der Dampfzuleitung geschlossen und das Ventil 4b geöffnet. Das Dreiwegeventil (17) steht in Stellung C-B. Mit der Kreislaufpumpe (16) wird aus dem Kondensatbehälter (6) heißes Kondensat in die Walze gedrückt. In Abhängigkeit von dem Druck im Kondensatbehälter und dem Höhenunterschied zur Walze wird das Kondensat in der Walze teilweise verdampfen und die Walze auf die Sattdampftemperatur herunterkühlen.

Ist dies geschehen, wird das Ventil (38) geschlossen und das Ventil (37) geöffnet. Der Kondensatbehälter (6) hält dann nur noch den Systemdruck hoch und verhindert ein weiteres Verdampfen im jetzt geschlossenen Kreislauf. Durch Umleitung eines Teil¬ stroms durch den Kühlapparat (9) vermittels des Ventils (17) wird danach das Kreis¬ laufkondensat und somit die Walze geregelt abgekühlt. Die Kreislaufmenge kann dabei wesentlich unter derjenigen liegen, welche für einen Betrieb eines Glättwerks in einer papiererzeugenden Maschine üblicherweise erforderlich ist.

5 ERSATZBUTT (REGEL 26)

Die dem System angehörende Walze weist dazu die in Fig. 6a und 6b dargestellten konstruktiven Einzelheiten auf. Gemäß Fig. 6a sind im Heizbetrieb die Verbindungs¬ kanäle (25) im triebseitigen Zapfen (20) durch vorgespannte Ventile (39a) ver¬ schlossen. Der von einem Ventil außerhalb der Walze eingestellte Differenzdruck reicht nicht aus, um diese Ventile zu öffnen.

Gemäß Fig. 6b wird die Walze im Kühlbetrieb mit Kondensat geflutet, wobei die ein¬ gesetzte Kreislaufpumpe (16) (siehe Fig. 5) eine so hohen Vorlaufdruck erzeugt, daß sich die Ventile (39b) öffnen und den Rücklauf des Kondensats durch die Ver¬ bindungskanäle (25) freigeben. Dadurch kann die Kondensatmenge, welche die Walze durchströmt, soweit gesteigert werden, daß eine wünschenswert schnelle Abkühlung, zum Beispiel für einen Walzenwechsel, ermöglicht wird.

Die Bauart gemäß Fig. 5 und 6a/6b gestattet im übrigen, wie auch die Bauart gemäß Fig. 3 mit 4a/4b, die alternative Beheizung der Walze mit Dampf einerseits und warmem Kondensat andererseits. Werden ausreichend dimensionierte Dichtköpfe verwendet, kann unterhalb eines Dampfdrucks von ca. 3 bar, der für Dampfbetrieb die untere Grenze darstellt, auf Kondensatheizung umgestellt werden. Dazu erforderlich ist es, die Dampfleitung (2) in den Kondensatbehälter (6) zu verzweigen und die Ab- dampfleitung (7) durch ein Ventil zu verschließen.

Für den dauerhaften Wechsel betrieb zwischen Dampf- und Wasserbeheizung hat sich die Ausführung gemäß Fig. 7a/7b als vorteilhaft erwiesen. Es gilt auch hierbei für die Verhältnisse außerhalb der Walze die Darstellung gemäß Fig. 3 (Heiz- oder Dampfbetrieb) bzw. 5 (Kühl- bzw. Wasserbetrieb). Vorgangsablauf und Walzen¬ konstruktion sind in Fig. 7a/7b dargestellt, wobei die obere Hälfte der Zeichnung (Fig. 7a) den Betrieb mit Dampf, die untere Hälfte (Fig. 7b) den Betrieb mit Wasser zeigt.

Im Dampfbetrieb strömt der Dampf am Mittelrohr (35) vorbei durch die Einlaßbohrung (28) und die Verbindungskanäle (24) in die peripheren Bohrungen. Das entstehende Kondensat wird durch die Siphonrohre (26)/(27) in das Mittelrohr (35) gedrückt. Der dazu notwendige Differenzdruck verschließt das Ventil (40) im triebseitigen Zapfen (20) und verhindert, daß frischer Dampf in das Mittelrohr (35) gelangt. Das Kondensat wird durch das Mittelrohr (35) im Zapfen (19) aus der Walze geleitet.

Beim Wasserbetrieb (=Kühlbetrieb) sind Dampfzuleitung (2) und Kondensatableitung (12) außerhalb der Walze verschlossen und die Walze in umgekehrter Flußrichtung an

den Kondensatkreislauf angeschlossen (vgl. Fig. 3). Das durch das Mittelrohr (35) einströmende Kondensat drückt das Ventil (40) auf, so daß es durch die Verbindungskanäle (25) in die peripheren Bohrungen (21) weiter und so dann durch die Verbindungskanäle (24) in die Auslaßbohrung (29) strömen kann. Damit ist ein Heiz- /Kühikreislauf auf Kondensat-(Wasser-)Basis gegeben.

Soweit im Vorstehenden von Ventilen innerhalb der Walze gesprochen ist, die durch den wechselnden Strömungsfluß automatisch geöffnet oder geschlossen werden können, ist ebenso denkbar, geeignete Verschlüsse zu verwenden, die von außerhalb der Walze durch mechanische oder geeignete Femstelleinrichtungen zwangsweise geöffnet oder geschlossen werden können.

Es leuchtet ein, daß die Erfindung nicht auf Walzen der in den Fig. 1 bis 7 dar¬ gestellten Ausführungen beschränkt ist, welche selbsttragend und in Zapfen gelagert sind. Sie ist in gleicher Weise anwendbar bei sog. "schwimmenden" Hohlwalzen, welche auf einer starren Achse durchgehend hydraulisch oder in ähnlicher Weise ge¬ lagert sind, etwa entsprechend der Ausführung gemäß DE-PS 38 38 726. In diesem Fall sind die Verbindungskanäle (24)/(25) der Fig. 4a/4b, 6a/6b bzw. 7a/7b teilweise in der zentralen Achse zu denken, teilweise in einem zwischen dieser und dem Walzen¬ mantel liegenden Ringraum, während das Verbindungsrohr (22) sich in der zentralen Achse befindet.

Die Erfindung ist schließlich nicht beschränkt auf die Verwendung bei Walzen, die in Maschinen zur Herstellung von Papier eingesetzt werden, sondern geeignet für sämt¬ liche Einsatzgebiete von beheizten Walzen, also zum Beispiel in der Folienherstellung, der Behandlung von Textil- und ähnlichen Bahnen sowie bei der Oberflächen¬ veredlung von Trägelmaterialien jeglicher, auch metallischer Art.

Liste der Bezugszeichen

1 Walze

2 Dampfleitung

3 Regelventil

4 Dreiwegeventil

5 Differenzdruckventil

6 Dampfabscheidebehälter

7 Leitung

8 Kondensatabscheider

9 Kühlapparat

10 Kühlwasserzufuhr

11 Kühlwasserabfuhr

12 Kondensatabieiter

13 Doppeldichtkopf

14 1. Ableitung

15 2. Ableitung

16 Kreislaufpumpe

17 Dreiwegeventil

18 Walzenkörper

19 Zapfen

20 Zapfen

21 Periphere Bohrung

22 Verbindungsrohr

23 Ventil

24 Verbindungskanal

25 Verbindungskanal

26 Siphonrohr

27 Siphonrohr

28 Einlaß bohrung

29 Auslaßbohrung

30 Sammelraum

31 Sammelraum

32 Ventil

33 Ventil

35 Mittelrohr

37 Ventil

38 Ventil

39 Ventil

40 Ventil