KUHL, Volker (Lainecker Str. 5, Bayreuth, 95448, DE)
SCHMEKEL, Gerald (Schumacherstrasse 72, Elmshorn, 25337, DE)
FRANKE, Dietmar (Wichernstrasse 55, Bayreuth, 95447, DE)
KUHL, Volker (Lainecker Str. 5, Bayreuth, 95448, DE)
SCHMEKEL, Gerald (Schumacherstrasse 72, Elmshorn, 25337, DE)
Patentansprüche
1. Tabakzerfaserungsvorrichtung mit einer Druckkammer (3), die einen Tabakmaterial- Einlass (5) auf der Niederdruckseite, einen Entspannungs-Spaltauslass auf der Druckseite und eine wellengelagerte Förderschnecke (1) zum Fördern des Tabakmaterials vom Einlass zum Auslass aufweist, wobei die Förderschneckenwelle (19) einlassseitig gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (19) sich hinter dem Auslass weiter erstreckt und dort mittels einer Gegenlagerung (17) nochmals gelagert ist.
2. Tabakzerfaserungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer beheizbar ist.
3. Tabakzerfaserungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenlagerung (17) gegenüber der Druckkammer (3) fixiert ist.
4. Tabakzerfaserungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenlagerung (17) an einem Auslaufkopf (13) angeordnet ist, der sich an die Druckkammer (3) anschließt und an ihrem Auslassende befestigt ist.
5. Tabakzerfaserungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spaltauslass begrenzt wird durch ein erstes Auslassteil (11), das an der Druckkammer oder an dem Auslaufkopf befestigt ist, und ein zweites Auslassteil (9), das drehfest auf der Welle (19) sitzt.
6. Tabakzerfaserungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Auslassteil (9) zur Einstellung der Spaltgröße an verschiedenen Axialpositionen an der Welle (19) fixierbar ist.
7. Tabakzerfaserungsvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Auslassteil (9) zur Einstellung der Spaltgröße axial verschieblich und durch Verschiebeeinrichtungen fixiert auf der Welle gelagert ist.
8. Tabakzerfaserungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Auslassteil ein Außenteil (11) und das zweite Auslassteil ein Innenteil (9) des Spaltauslasses bilden.
9. Tabakzerfaserungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt ein Ringspalt ist, speziell ein Kegelspalt, wobei insbesondere das Außenteil (11) einen Innenkonus aufweist und das Innenteil einen korrespondierenden Außenkonus aufweist.
10. Tabakzerfaserungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltgröße in einem Bereich von 0,01 mm bis 2 mm, insbesondere im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm liegt.
11. Tabakzerfaserungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltwände Aufrauungen oder Profilierungen aufweisen, insbesondere Rillen- oder Kreuzrillenprofilierungen, die vorzugsweise quer zur Spaltwand- Bewegungsrichtung angeordnet sind und insbesondere eine Tiefe von bis zu 2-3 mm aufweisen.
12. Tabakzerfaserungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Antrieb und Lagerung bzw. Gegenlagerung der Vorrichtung ausgelegt sind für Drehzahlen von 0 bis 600 min "1 .
13. Verfahren zur Zerfaserung von Tabak, bei dem das Tabakmaterial auf der Niederdruckseite einer Druckkammer eingebracht und auf der Druckseite der Kammer an einem Spaltauslass entspannt und ausgebracht wird, wobei das Tabakmaterial mittels einer an beiden Endabschnitten wellengelagerten Förderschnecke vom Einlass zum Auslass gefördert wird, und wobei die Förderschnecke in einem Drehzahlbereich von bis zu 600 min "1 betrieben wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Drehzahlbereich der Betriebsdrehzahl im Wesentlichen bei einem der folgenden Werte beginnt: 50 min "1 , 100 min "1 , 150 min "1 , 200 min '1 , 250 min '1 .
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem der Drehzahlbereich der Betriebsdrehzahl im Wesentlichen bei einem der folgenden Werte endet: 300 min "1 , 350 min "1 , 450 min "1 , 500 min "1 , 550 min '1 .
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, das mit im Wesentlichen mindestens einem der folgenden Parameter betrieben wird:
- Eingangsfeuchte des Tabakmaterials: 6 % - 30 %, speziell 9 - 12 %;
- Druck in der Kammer: 5 - 120 bar; speziell 40 - 80 bar;
- Kammertemperatur: 90 - 180°; speziell 130 0 C - 150° C;
- Endfeuchte des Tabakmaterials: 8 % - 25 %; speziell 13 % - 16 %. |
Tabakzerfaserung mit zweiseitig gelagerter Förderschneckenwelle
Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Tabakzerfaserung. Insbesondere betrifft sie das technische Gebiet der Herstellung von zerkleinertem Tabakmaterial durch Zerfaserung, und speziell wird mit der Erfindung ein Tabakrippenmaterial so zerfasert, dass ein Produkt mit ganz besonders vorteilhaften Eigenschaften hergestellt wird, welches letztendlich zur Herstellung von Rauchartikeln verwendet werden kann.
Die Zerfaserung von Tabakmaterialien hat sich als vorteilhaft herausgestellt, weil aus dem Ausgangsmaterial, beispielsweise aus einem Rippenmaterial, ein sehr hochwertiges Produkt erzeugt werden kann, das sensorisch und seiner Struktur nach der Qualität von Schnitttabak kaum nachsteht. Die Druckzerfaserung ist sehr effizient, ermöglicht eine hohe Materialausbeute und liefert einzigartige Produkte.
Aus der DE 10 2004 059 388 ist eine gattungsgemäße Tabakzerfaserungsvorrichtung bekannt, die eine beheizbare Druckkammer hat, welche wiederum einen Tabakmaterial-Einlass auf der Niederdruckseite, einen Entspannungs-Spaltauslass auf der Druckseite und eine wellengelagerte Förderschnecke zum Fördern des Tabakmaterials vom Einlass zum Auslass aufweist. Die Förderschneckenwelle ist einlassseitig gelagert, verläuft bis kurz vor den Auslass und liegt dort freitragend in der Kammer. Während des Normalbetriebs wird die Förderschnecke mit Hilfe des Produktstromes in der Druckkammer relativ gut zentriert. In Betriebszuständen, wo sich wenig oder kein Produkt in der Druckkammer befindet, schlägt aber das freistehende Ende der Förderschneckenwelle innen am Druckkammergehäuse an, so dass beispielsweise beim Anfahren der Anlage Einlaufriefen im Gehäuse und an der Welle ein erhöhter Verschleiß entstehen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die oben genannten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Insbesondere sollen eine Tabakzerfaserungsvorrichtung und ein
Tabakzerfaserungsverfahren vorgeschlagen werden, welche in allen Betriebszuständen optimal funktionieren.
Diese Aufgabe wird durch eine Tabakzerfaserungsvorrichtung gemäß dem Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß dem Anspruch 12 gelöst Die Unteransprüche definieren bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
Erfindungsgemäß erstreckt sich bei der Vorrichtung die Förderschneckenwelle hinter dem Auslass weiter und ist dort mittels einer Gegenlagerung nochmals gelagert. Mit anderen Worten wird die Förderschneckenwelle im Bereich des Auslasses zentriert bzw. ruhig gestellt, indem eine Lagerung auf beiden Seiten der Druckkammer erfolgt. Diese Mehrfachlagerung hat den Vorteil, dass sie die Stabilität der Wellenposition auch im Auslassbereich gewährleistet, und zwar in allen Betriebszuständen; dadurch verringert sich der Verschleiß und die Lebensdauer bzw. die Zuverlässigkeit werden erhöht. Es entstehen aber überraschenderweise auch andere Vorteile, die unmittelbar mit der Produktion zu tun haben. So lässt sich experimentell nachweisen, dass erfindungsgemäße Vorrichtungen im Vergleich zum Stand der Technik sehr viel höhere Materialdurchsätze bei der Verwendung gleicher Entspannungs-Spaltauslässe realisierbar machen. Im Einzelnen wird hierauf später noch detaillierter eingegangen.
Die angesprochene Gegenlagerung kann erfindungsgemäß gegenüber der Druckkammer fixiert sein, und dadurch wird auch die Zentrierung der Welle durch die Gegenlagerung gegenüber der Druckkammer und insbesondere gegenüber dem ortsfest an der Druckkammer angeordneten Auslass wirksam, d.h. genau an der wichtigsten Stelle. Bei einer bevorzugten Ausführungsvariante ist die Gegenlagerung an einem Auslaufkopf angeordnet, der sich an die Druckkammer anschließt und an ihrem Auslassende befestigt ist.
Eine vorteilhafte erfindungsgemäße Ausfuhrungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Spaltauslass begrenzt wird durch ein erstes Auslassteil, das an der Druckkammer oder an dem Auslaufkopf befestigt ist, und ein zweites Auslassteil, das drehfest auf der Welle sitzt. Durch diese Ausgestaltung ergeben sich wiederum große Vorteile, und sie kann auch als separate Erfindung oder als separater Erfindungszweck angesehen werden. Die Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik haben nämlich zwei getrennte Achsen, eine für die Förderschnecke und eine für einen Teil des Spaltauslasses, weil diese beiden Elemente nicht auf einer
gemeinsamen Welle sitzen. Aufgrund von immer vorliegenden Fertigungstoleranzen sind aber diese beiden Achsen nicht wirklich zueinander ausgerichtet und dies fuhrt bei kleinen Spaltabständen zu erhöhtem Verschleiß des Werkzeugs, also der Auslassteile. Wenn aber, wie dies gemäß dem oben beschriebenen Aspekt der Erfindung der Fall ist, das zweite Auslassteil drehfest auf der Förderschneckenwelle sitzt, ist die zentrierte Ausrichtung des zweiten Auslassteils (Werkzeugteils) per definitionem gegeben (auch bei sehr geringen Spaltabständen), und deshalb lassen sich auch geringere Spaltabstände realisieren.
Das zweite Auslassteil kann zur Einstellung der Spaltgröße an verschiedenen Axialpositionen der Welle fixierbar sein, oder aber es wird eine Ausführung gewählt, bei der das zweite Auslassteil zur Einstellung der Spaltgröße axial verschieblich und durch Verschiebeeinrichrungen fixiert auf der Welle gelagert wird. Das erste Auslassteil kann ein Außenteil des Spaltauslasses bilden, während das zweite Auslassteil ein Innenteil des Spaltauslasses bildet. In spezieller Ausführung ist der Spalt des Spaltauslasses ein Ringspalt, speziell ein Kegelspalt, wobei insbesondere das Außenteil einen Innenkonus aufweist und das Innenteil einen korrespondierenden Außenkonus. Außenteil und Innenteil bewegen sich vorteilhafterweise relativ zueinander, speziell bewegt sich natürlich bei der oben vorgeschlagenen Ausführungsvariante das zweite Auslassteil, weil es mit der Welle mit rotiert.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden Spaltgrößen in einem Bereich von 0,01 mm bis 2 mm liegen, insbesondere im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm. Dabei besteht die Möglichkeit, die Spaltwände so zu gestalten, dass sie Aufrauungen oder Profilierungen aufweisen, insbesondere Rillen- oder Kreuzrillenprofilierungen, die vorzugsweise quer zur Spaltwand-Bewegungsrichtung angeordnet sind und insbesondere eine Tiefe von bis zu 3 mm aufweisen.
Mit der vorliegenden Erfindung lassen sich Drehzahlen von 0 bis 600 min "1 erzielen, wenn Antrieb und Lagerung bzw. Gegenlagerung der Vorrichtung (der Förderschneckenwelle) entsprechend ausgelegt werden.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Zerfaserung von Tabak wird das Tabakmaterial auf der Niederdruckseite einer Druckkammer eingebracht und auf der Druckseite der Kammer an einem Spaltauslass entspannt und ausgebracht, wobei das Tabakmaterial mittels einer an
beiden Endabschnitten wellengelagerten Förderschnecke vom Einlass zum Auslass gefördert wird, und wobei die Förderschnecke in einem Drehzahlbereich von bis zu 600 min '1 betrieben wird.
Der Drehzahlbereich der Betriebsdrehzahl kann im Wesentlichen bei einem der folgenden Werte beginnen: 50 min "1 , 100 min '1 , 150 min "1 , 200 min "1 , 250 min '1 . Er kann ferner im Wesentlichen bei einem der folgenden Werte enden: 300 min "1 , 350 min "1 , 450 min "1 , 500 min 1 , 550 min "1 . Zwischenwerte sind möglich, die Auswahl hängt von der jeweilig vorliegenden Vorrichtung und den gewünschten Eingangs- und Ausgangsparametern ab.
In jeweiligen Ausführungsformen wird das erfindungsgemäße Verfahren mit im Wesentlichen mindestens einem der folgenden Parameter betrieben:
- Eingangsfeuchte des Tabakmaterials: 6 % - 30 %, speziell 9 - 12 %;
- Druck in der Kammer: 5 - 120 bar; speziell 40 - 80 bar;
- Kammertemperatur: 90 - 180°; speziell 130°C - 150° C;
- Endfeuchte des Tabakmaterials: 8 % - 25 %; speziell 13 % - 16 %.
Die Erfindung wird im Weiteren anhand einer Ausfuhrungsform näher erläutert. Sie kann alle hierin beschriebenen Merkmale einzeln sowie in jeder sinnvollen Kombination umfassen. In den beigelegten Zeichnungen zeigen:
Figur 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Tabakzerfaserungs- vorrichtung; und
Figur 2 ein Diagramm mit einer Druck-Durchsatz-Kennlinie für die erfindungsgemäße Vorrichtung und eine Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik.
Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform ist eine Förderschnecke 1 , die auf der Welle 19 sitzt, in einem Rohr 3 untergebracht, das als Druckkammer dient. Die Förderschnecke 1 und die Welle 19 können Bestandteile eines einzigen Stückes sein, die sich nur durch ihre Funktion differenzieren; sie können aber auch aus mehreren Stücken bzw. Teilen gebildet oder zusammengesetzt sein. Durch den Einlass 5 kann Tabakmaterial in das Rohr 3 eingebracht werden, und durch die Drehung der Förderschnecke 1 wird das Tabakmaterial gegen das Werkzeug 7 gefördert, das am Auslass des Rohres angebracht ist. Das Werkzeug 7 umfasst einen Innenkegel 11 (Außenteil bzw. erstes Auslassteil), d.h. einen Hohlkegel. Das
zweite Auslassteil oder auch das Innenteil wird durch den Kegel 9 gebildet, und dieser Kegel 9 ist drehfest auf der Welle 19 angeordnet. Zwischen der sich verjüngenden Wand des Kegels 9 und der Innenwand des Innenkegels 11 entsteht ein Spaltauslass.
Der Innenkegel 11 des Werkzeugs 7 ist in einem Auslaufkopf 13 befestigt, der ebenso wie das einlassseitig angeordnete Getriebegehäuse 15 Lager 17 aufweist, die als Gegenlagerung gemäß der vorliegenden Erfindung dienen. Die Lager des Getriebegehäuses 15 tragen das Bezugszeichen 16. Die Gegenlagerung 17 lagert die gemeinsame Welle 19, welche die Förderschnecke 1 und auch den Kegel 9 trägt.
Bei der dargestellten Ausgestaltung der Vorrichtung hat das Werkzeug 7 einen einstellbaren Spalt, der jedoch vor Produktionsbeginn fixiert wird, etwa durch eine Fixierung des Kegels 9 an einer bestimmten axialen Stelle der Welle 19 durch herkömmliche Mittel. Eine solche Ausgestaltung ist dann vor Vorteil, wenn die Betriebsparameter genau bekannt und eingefahren sind und eine Veränderung der Spaltbreite während der Produktion nicht notwendig wird.
Es ist aber im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebenfalls möglich, den Kegel 9 auf der Welle 19 verschieblich fixierbar zu lagern, und zwar so, dass die Spaltbreite gezielt während der Produktion variiert werden kann. Hierzu kann beispielsweise ein Gleitsitz sowie eine Hydraulikzylinder-Kraftbeaufschlagung gewählt werden, entweder gegen einen zweiten Hydraulikzylinder oder gegen eine Federlagerung.
In beiden Fällen werden aber durch die Gegenlagerung 17 die Welle 19 und damit die Förderschnecke 1 und der Kegel 9 sehr gut zentriert und damit wird erfindungsgemäß ein Verschleiß weitgehend reduziert bzw. vermieden.
überraschenderweise wurde bei den experimentellen Versuchen mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen festgestellt, dass höhere Materialdurchsätze bei der Verwendung von gleichen Kegelgeometrien erreicht wurden.
Dies lässt sich wie folgt erklären: je höher die Rotationsgeschwindigkeit des Kegels 9 ist, desto kleiner ist der Druckabfall. Mit höherer Rotationsgeschwindigkeit steigt der dynamische Druck am Kegel 9 und somit wird eine Verstopfung durch Tabakmaterial in den Rillen
vermindert. In diesem Fall ist der effektive freie Querschnitt größer als bei niedriger Rotationsgeschwindigkeit des Kegels 9.
Eine weitere Erklärungsmöglichkeit stellt eine bessere Zerfaserung dar. Damit würde an der entscheidenden Stelle, dem Ringspalt, die Viskosität des geförderten und zerfaserten Tabakmaterials erhöht und dadurch der Durchsatz verbessert.
Zusätzlich bedeuten reduzierte Drehmomente bei der Zerfaserung geringeren Energieaufwand und Schonung der Werkzeuge. Die Rotationsgeschwindigkeit in Vorrichtungen nach dem Stand der Technik ist auf niedrige Werte im Bereich von etwa 50 min "1 begrenzt. Mit der mehrfach gelagerten Welle der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich Rotationsgeschwindigkeiten bis zu 300 min "1 , insbesondere sogar bis zu 600 min '1 erreichen, ohne erhöhten Verschleiß feststellen zu können.
Bei der optimierten, erfindungsgemäßen Vorrichtung kann man mit einer deutlichen Materialdurchsatzerhöhung rechnen, wie in Abbildung 2 dargestellt ist. Dort sind die Verläufe des Materialdurchsatzes gegenüber dem nötigen Druck für Systeme mit mehrfach gelagerter Welle (gestrichelt) und mit einseitig gelagerter Welle nach dem Stand der Technik (durchgezogen) zu sehen. Bei sonst identischen Parametern, jedoch erhöhter Drehzahl, werden erfindungsgemäß an den Punkten maximaler Vorrichtungsleistung ca. 225 kg/h Durchsatz erreicht gegenüber ca. 150 kg/h beim Stand der Technik. Dabei sind positiverweise auch noch deutlich geringere mechanische Drücke nötig.
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