DE9205110U1 - Mixing device with variable pipe cross-sections for mixing two liquids at a constant mixture volume flow to supply the headbox of a paper machine - Google Patents
Mixing device with variable pipe cross-sections for mixing two liquids at a constant mixture volume flow to supply the headbox of a paper machineInfo
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Description
Anwaltsakte: P 4949Attorney file: P 4949
J.M. Voith GmbHJ.M. Voith GmbH
Kennwort: "Mischventil II"Password: "Mixing valve II"
zum Mischen von zwei Flüssigkeiten beifor mixing two liquids at
konstantem Gemischvolumenstrom zur Versorgungconstant mixture volume flow to supply
des Stoffauflaufs einer Papiermaschinethe headbox of a paper machine
Die Erfindung betrifft eine Mischeinrichtung zum Mischen von zwei Flüssigkeiten bei konstantem Gemischvolumenstrom zur Versorgung des Stoffauflaufs einer Papiermaschine.The invention relates to a mixing device for mixing two liquids at a constant mixture volume flow to supply the headbox of a paper machine.
Es ist bekannt, daß sich beim Mischen zweier Volumenströme A und B, wobei A ungeregelt und B geregelt ist, ein Gemischvolumenstrom einstellt, dessen Größe in der Regel abhängig vom Mischungsverhältnis A zu B ist. In manchen technischen Verfahren, z.B. in der Papierherstellung, ist es jedoch wünschenswert bzw. notwendig, einen konstanten Gemischvolumenstrom unabhängig vom Mischungsverhältnis der Teilvolumenströme A und B zu erhalten. Dies läßt sich durch eine teure und aufwendige Regelungstechnik erreichen.It is known that when two volume flows A and B are mixed, where A is unregulated and B is regulated, a mixture volume flow is created, the size of which is generally dependent on the mixing ratio A to B. In some technical processes, e.g. in paper production, however, it is desirable or necessary to obtain a constant mixture volume flow independent of the mixing ratio of the partial volume flows A and B. This can be achieved using expensive and complex control technology.
Eine Mischeinrichtung gemäß des Oberbegriffes nach Anspruch 1 ist aus DE-PS 40 05 281 (Fig.3) bekannt.A mixing device according to the preamble of claim 1 is known from DE-PS 40 05 281 (Fig.3).
Dort wird vorgeschlagen, in dem erweiterten Druckstutzen einer Verbindungsleitung zum Stoffauflauf Verdünnungswasser axial einzuleiten. In den Erläuterungen wird beschrieben, daß das Verdünnungswasser in dem am Verteiler befindlichen erweiterten Druckstutzen eines Verbindungsrohres einzuleiten ist. Im Hauptanspruch des Patentes ist sogar die Rede davon, in denThere it is proposed to introduce dilution water axially into the expanded pressure nozzle of a connecting pipe to the headbox. In the explanations it is described that the dilution water is to be introduced into the expanded pressure nozzle of a connecting pipe located on the distributor. The main claim of the patent even mentions introducing dilution water into the
separaten, zentralen Verteiler zusätzlich zur Fasersuspension Verdünnungswasser zuzuführen. Beide Vorschläge setzen voraus, daß die Strömungsrichtung der Verdünnungskomponente axial zur Verbindungsleitung verläuft, da die Verdünnungskomponente ansonsten nicht oder nur zu einem geringen Teil in die Verbindungsleitung gelangt. Eingangs- und Ausgangsdruck der Leitungen sind konstant. Das einzige Stellglied zur Veränderung des Teilvolumenstromverhältnisses befindet sich in der Verdünnungswasserleitung.separate, central distributor to supply dilution water in addition to the fiber suspension. Both proposals assume that the flow direction of the dilution component is axial to the connecting line, since otherwise the dilution component will not reach the connecting line or only a small part of it will reach the connecting line. The inlet and outlet pressure of the lines are constant. The only actuator for changing the partial volume flow ratio is located in the dilution water line.
Dies bringt folgende Probleme mit sich: Da die Geschwindigkeiten beider Teilvolumenströme an der Mischstelle dieselbe Richtung, jedoch in der Regel einen unterschiedlichen Betrag besitzen, wird Energie von einem auf den anderen Teilvolumenstrom übertragen. Mit dem Impulssatz läßt sich nachweisen, daß dies zu gegenseitiger Beschleunigung bzw. Verzögerung der Teilvolumenströme führt. Strahlpumpen nutzen diesen Effekt zur Förderung von Flüssigkeiten oder Gasen. Befindet sich in der auf die Mischstelle folgenden Leitung ein Strömungswiderstand - z.B. eine Drossel -, so wird der Effekt der gegenseitigen Beschleunigung bzw. Verzögerung abgeschwächt, weil sich die Teilvolumenströme vor dem Strömungswiderstand gegenseitig verdrängen.This causes the following problems: Since the speeds of both partial volume flows at the mixing point are in the same direction, but usually have a different amount, energy is transferred from one partial volume flow to the other. Using the law of momentum, it can be proven that this leads to mutual acceleration or deceleration of the partial volume flows. Jet pumps use this effect to pump liquids or gases. If there is a flow resistance - e.g. a throttle - in the line following the mixing point, the effect of mutual acceleration or deceleration is weakened because the partial volume flows displace each other in front of the flow resistance.
Versuche haben gezeigt, daß bei einem für den praktischen Einsatz noch akzeptablem Druckverlust am Strömungswiderstand bereits bei einem Anteil der Verdünnungskomponente von 20 % die Beschleunigung des Hauptstromes durch die Verdünnungskomponente so groß ist, daß gegenüber einem Verdünnungskomponentenanteil von 0 % der Gemischvolumenstrom - Summe aus Hauptstrom und Verdünnungskomponente - um ca. 1 % zunimmt. Steigert man den Anteil der Verdünnungskomponente auf Werte von 50 % und mehr, was insbesondere im Randbereich des Stoffauflaufes notwendig sein kann, ist die Gemischvolumenstromänderung größer als 8 %. D.h. ein grundlegendes Problem solch einer Mischeinrichtung besteht darin, daß der Gemischvolumenstrom sich in Relation zur zudosierten Menge stark ändert.Tests have shown that, with a pressure loss at the flow resistance that is still acceptable for practical use, even with a proportion of the dilution component of 20%, the acceleration of the main flow through the dilution component is so great that, compared to a dilution component proportion of 0%, the mixture volume flow - the sum of the main flow and the dilution component - increases by approx. 1%. If the proportion of the dilution component is increased to values of 50% and more, which may be necessary in particular in the edge area of the headbox, the mixture volume flow change is greater than 8%. This means that a fundamental problem with such a mixing device is that the mixture volume flow changes significantly in relation to the amount added.
Weiterhin ist eine Mischeinrichtung zur Erreichung des gleichen Zweckes und bekannt aus der Deutschen Gebrauchsmusteranmeldung G 91 04 609. Hier wird eine Mischeinrichtung vorgestellt, die ebenfalls dazu dient mehrere Teilvolumenströme derart zu mischen, daß ein konstanter Gemischvolumenstrom entsteht.Furthermore, a mixing device for achieving the same purpose is known from the German utility model application G 91 04 609. Here, a mixing device is presented which also serves to mix several partial volume flows in such a way that a constant mixture volume flow is created.
Hierzu werden alle Teilvolumenströme durch Anwendung einer aufwendigen Ventilsteuerung in Abhängigkeit voneinander geregelt. Dies führt zu den Nachteilen, daß einerseits ein derartiges Ventil sehr aufwendig in Konstruktion und Herstellung ist, zum anderen, dadurch daß alle Volumenströme geregelt werden müssen. D.h., daß auch in dem mit hoher Faserkonzentration beschickten Teilvolumenstrom ein Ventil eingebaut wird mit allen dadurch auftretenden negativen Effekten wie Faserwischbildung und Neigung zum Verstopfen.For this purpose, all partial volume flows are regulated in dependence on one another by using a complex valve control system. This leads to the disadvantages that, on the one hand, such a valve is very complex to design and manufacture, and, on the other hand, because all volume flows have to be regulated. This means that a valve is also installed in the partial volume flow with a high fiber concentration, with all the negative effects that this entails, such as fiber wiping and a tendency to become clogged.
Zudem erfordert die Parallelschaltung der Stellglieder Ventile mit einem außerordentlich linear Verhalten, um den Gemischvolumenstrom unabhängig vom Teilvolumenstromverhältnis konstant halten zu können. Diese Forderung bedingt entweder Ventile mit hochem Druckabfall oder kostenintensive regelungstechnische Maßnahmen.In addition, the parallel connection of the actuators requires valves with an exceptionally linear behavior in order to be able to keep the mixture volume flow constant regardless of the partial volume flow ratio. This requirement requires either valves with a high pressure drop or cost-intensive control measures.
Ein dem Stand der Technik entsprechendes Konzept besteht darin, den Stoffauflauf über die Arbeitsbreite zu sektionieren und die einzelnen Sektionen mit Suspension unterschiedlicher Stoffdichte zu versorgen. Mit zunehmender Stoffdichte einer Sektion steigt das Flächengewicht der Papierbahn an dieser Stelle und umgekehrt.A state-of-the-art concept consists in sectioning the headbox across the working width and supplying the individual sections with suspensions of different stock densities. As the stock density of a section increases, the basis weight of the paper web at this point increases and vice versa.
Da die Faserorientierung der Papierbahn eine Funktion des Winkels ist, unter dem der Strahl aus dem Stoffauflauf austritt, kann durch Veränderung der Stoffauflaufgeometrie, z.B. in Form von Geometrieänderungen am Austrittsspalt, die Faserorientierung gezielt beeinflußt werden. Geometrieänderungen am Stoffauflauf beeinflussen, je nach Wirkstelle, in unterschiedlichem Maß die Menge der aus dem Stoffauflauf ausgebrachten Suspension in der zugehörigen Sektion. Dies hat zur Folge, daß bei der oben beschriebenen Konzeption beiSince the fiber orientation of the paper web is a function of the angle at which the jet exits the headbox, the fiber orientation can be specifically influenced by changing the headbox geometry, e.g. in the form of geometry changes at the exit gap. Depending on the point of action, geometry changes at the headbox influence the amount of suspension discharged from the headbox in the corresponding section to varying degrees. This means that with the concept described above,
einem Eingriff ins Faserorientierungsprofil sich ebenfalls das Flächengewicht an der Eingriffstelle der Papierbahn ungewollt ändert.If the fibre orientation profile is intervened, the basis weight at the point of intervention of the paper web also changes unintentionally.
Die praktische Erfahrung und theoretische Überlegungen bezüglich der hydraulischen Verhältnisse im Stoffauflauf, sowie bezüglich des Blattbildungsmechanismus in der Siebpartie zeigen deutlich, daß Eingriffe ins Faserorientierungsquerprofil weitaus seltener vorgenommen werden müssen, als solche ins Flachengewichtsquerprofil. Die dargestellte einseitige Kopplung zwischen Faserorientierung und Flächengewicht ist somit beim praktischen Einsatz des erläuterten Konzeptes von untergeordneter Bedeutung.Practical experience and theoretical considerations regarding the hydraulic conditions in the headbox, as well as regarding the sheet formation mechanism in the wire section, clearly show that interventions in the fiber orientation cross-section have to be made far less frequently than those in the basis weight cross-section. The one-sided coupling between fiber orientation and basis weight shown is therefore of secondary importance in the practical application of the concept explained.
Die Variation der Stoffdichten in den einzelnen Sektionen kann dadurch erreicht werden, daß jeder Sektion ein Mischer zugeordnet wird, in dem zwei Teilvolumenströme unterschiedlicher Stoffdichte miteinander gemischt werden, und der Gemischvolumenstrom ausschließlich der entsprechenden Sektion des Stoffauflaufes zugeführt wird. Unabdingbare Voraussetzung dafür, daß bei Veränderung der Stoffdichte nicht gleichzeitig auch die Faserorientierung der Sektion geändert wird, ist die absolute Konstanz des Gemischvolumenstromes unabhängig vom eingestellten Teilvolumenstromverhältnis am Mischer.The variation of the material densities in the individual sections can be achieved by assigning a mixer to each section in which two partial volume flows of different material densities are mixed together, and the mixture volume flow is fed exclusively to the corresponding section of the headbox. An essential prerequisite for ensuring that the fiber orientation of the section is not simultaneously changed when the material density changes is the absolute constancy of the mixture volume flow, regardless of the partial volume flow ratio set on the mixer.
Sind benachbarte Gemischvolumenströme bei Veränderung der Stoffdichte nicht stets gleich groß, so führt dies zu Ausgleichsströmungen quer zur Hauptströmungsrichtung im Stoffauflauf und damit zu Abweichungen des Strahlaustrittswinkels von der Maschinenrichtung. Da ein direkter Zusammenhang zwischen Strahlwinkel und der Orientierung der Faser in der Papierbahn besteht, müssen die Beträge der einzelnen Gemischvolumenströme über die gesamte Stoffauflaufbreite absolut gleich und konstant sein, auch dann, wenn Veränderungen der Stoffdichte in den einzelnen Sektionen herbeigeführt werden.If neighboring mixture volume flows are not always the same size when the stock density changes, this leads to compensating flows across the main flow direction in the headbox and thus to deviations of the jet exit angle from the machine direction. Since there is a direct connection between the jet angle and the orientation of the fiber in the paper web, the amounts of the individual mixture volume flows must be absolutely equal and constant across the entire headbox width, even if changes in the stock density are brought about in the individual sections.
Ein anderes Konzept zur Beeinflussung der Faserorentierung- und des Flächenquerprofils sieht vor, den Gemischvolumenstrom und die Stoffdichte örtlich eng begrenzt zu ändern. Hierbei basiert dieAnother concept for influencing the fiber orientation and the cross-sectional area profile involves changing the mixture volume flow and the material density in a very localized manner.
Wirkung der Gemischvolumenstromänderung auf die Faserorentierung auf den oben beschriebenen Zusammenhängen. Das Flächengewicht wird durch Veränderung der Stoffdichte eingestellt, wobei auch bei diesem Konzept, die Forderung nach absoluter Konstanz des Gemischvolumenstromes bei Stoffdichtenänderungen bestehen bleibt, um durch Stoffdichteänderungen nicht gleichzeitig das Faserorentierungsprofil zu beeinflussen. Als Stellglied zur Faserorentierungsverstellung kann ein Ventil im Gemischvolumenstrom installiert werden.Effect of the mixture volume flow change on the fiber orientation on the relationships described above. The basis weight is adjusted by changing the material density, whereby even with this concept, the requirement for absolute constancy of the mixture volume flow remains in place when the material density changes, in order to avoid the fiber orientation profile being influenced by changes in the material density. A valve can be installed in the mixture volume flow as an actuator for adjusting the fiber orientation.
Die geforderte Konstanz der Gemischvolumenströme der einzelnen Sektionen bei Änderung der Teilvolumenstromverhältnisse, wird auch mit erheblichem regelungstechnischen Aufwand nicht befriedigend zu lösen sein, da die Laufzeit der Flächengewichtsmeßsignale zu lang ist, um bei der herrschenden Frequenz der Flächengewichtsänderung, das Flächengewicht konstant zu halten.The required constancy of the mixture volume flows of the individual sections when the partial volume flow ratios change cannot be satisfactorily achieved even with considerable control engineering effort, since the runtime of the basis weight measurement signals is too long to keep the basis weight constant at the prevailing frequency of the basis weight change.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine konstruktiv einfache, kostengüstige und betriebssichere Mischeinrichtung derart zu gestalten, daß der Gemischvolumenstrom c, unabhängig von der Größe des Teilvolumenstromes b, konstant bleibt um das Flächengewichts- und Faserorientierungsquerprofil einer Papierbahn weitgehend unabhängig voneinander und örtlich eng begrenzt zu beeinflussen und die obengenannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.The invention is based on the object of designing a structurally simple, cost-effective and reliable mixing device in such a way that the mixture volume flow c remains constant, regardless of the size of the partial volume flow b, in order to influence the basis weight and fiber orientation cross-profile of a paper web largely independently of one another and in a locally limited manner and to avoid the above-mentioned disadvantages of the prior art.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.This object is achieved by the features characterized in patent claim 1.
Demnach besteht ein wesentlicher Gedanke der Erfindung darin, die Veränderung des statischen Druckes im Teilvolumenstrom b im Mischraum mit Teilvolumenstrom a dazu zu nutzen, den Teilvolumenstrom a so zu beinflussen, daß bei Zunahme von Teilvolumenstrom b der Teilvolumenstrom a abnimmt und umgekehrt. Die Beinflussung des statischen Druckes im Bereich des Mischraumes erfolgt durch Vergrößerung - oder Verkleinerung der Leitungsquerschnitte in diesem Bereich. Die Geometrie an der Mischstelle ist so zu gestalten, daßAccordingly, a key idea of the invention is to use the change in the static pressure in the partial volume flow b in the mixing chamber with partial volume flow a to influence the partial volume flow a in such a way that when the partial volume flow b increases, the partial volume flow a decreases and vice versa. The static pressure in the area of the mixing chamber is influenced by increasing or reducing the pipe cross-sections in this area. The geometry at the mixing point is to be designed in such a way that
bei konstantem Gesamtdruck am Eingang des Mischventils in den Teilvolumenströmen a und b und am Ausgang des Mischventils im Gemischvolumenstrom c die Summe der Teilvolumenströme unabhängig vom Teilvolumenstromverhaltnis konstant ist.at constant total pressure at the inlet of the mixing valve in the partial volume flows a and b and at the outlet of the mixing valve in the mixture volume flow c, the sum of the partial volume flows is constant regardless of the partial volume flow ratio.
Die Tatsache, daß der Eingangs- und Ausgangsdruck des Mischventils konstant sein müssen, stellt für den Betrieb der Mischeinrichtung an einer Papiermaschine keine Einschränkung dar, da im Verteilsystem vor dem Stoffauflauf und im Stoffauflauf stets stationäre Druckfelder angestrebt werden, um gleichbleibende Papiereigenschaften zu gewährleisten.The fact that the inlet and outlet pressure of the mixing valve must be constant does not represent a restriction for the operation of the mixing device on a paper machine, since stationary pressure fields are always aimed for in the distribution system before the headbox and in the headbox in order to ensure consistent paper properties.
Die erzielten Vorteile der Erfindung sind:The advantages achieved by the invention are:
1. Das Mischventil und ein zur Faserorientierungsbeeinflussung gegebenenfalls nachgeschaltetes Ventil müssen nicht linear sein, wie dies im Fall der Parallelschaltung von zwei Ventilen notwendig ist. In diesem Fall müssen nämlich die gewünschte Teilvolumenstromänderung und die tatsächliche genau übereinstimmen, damit der Gemischvolumenstrom konstant bleibt. Der Verzicht auf die Linearitätsforderung führt zu Kostensenkung, erhöht die Betriebssicherheit und erlaubt es, bei der Ventilauswahl den Schwerpunkt auf die Vermeidung von Faserwischbildung im Ventil zu legen.1. The mixing valve and a valve connected downstream to influence the fiber orientation do not have to be linear, as is necessary when two valves are connected in parallel. In this case, the desired partial volume flow change and the actual one must match exactly so that the mixture volume flow remains constant. Eliminating the linearity requirement leads to cost reductions, increases operational reliability and allows the focus to be placed on avoiding fiber wiping in the valve when selecting the valve.
2. Falls mit dem dem Mischventil nachgeschalteten Ventil die Faserorientierung nicht "on-line" und fernwirkend durchgeführt werden soll, kann dieses Ventil ohne Antrieb ausgeführt werden. Dies führt zu einer deutlichen Kostensenkung und einer Zunahme der Betriebssicherheit dieses Konzeptes gegenüber dem von zwei parallel geschalteten Ventilen.2. If the fiber orientation is not to be carried out "on-line" and remotely with the valve downstream of the mixing valve, this valve can be designed without a drive. This leads to a significant reduction in costs and an increase in the operational reliability of this concept compared to two valves connected in parallel.
3. Wird die Faserorientierung weiterhin durch Eingriffe im Bereich der Blende des Stoffauflaufes beeinflußt, so kann auf ein dem Mischventil nachgeschaltetes zweites Ventil verzichtet werden. Es wird somit nur ein einziges Ventil benötigt, das ohne3. If the fiber orientation is further influenced by interventions in the area of the headbox orifice, a second valve downstream of the mixing valve is not necessary. Only a single valve is therefore required, which can be used without
Rücksicht auf die Linearität seines Übertragungsverhaltens in Bezug auf die Vermeidung von Faserwischbildung ausgelegt werden kann.Considering the linearity of its transmission behavior in relation to the avoidance of fiber wiping, it can be designed.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin ist im übrigen folgendes dargestellt:The invention is explained in more detail with reference to the drawings. The following is also shown therein:
Fig. 1: Mischventil mit flexiblem Außenrohr.Fig. 1: Mixing valve with flexible outer pipe.
Fig. 2: Mischventil mit axial verschiebbarem Innenrohr.Fig. 2: Mixing valve with axially movable inner tube.
Figur 1 zeigt eine Mischeinrichtung entsprechend dem Anspruch 1. Es ist eine geradlinig verlaufende, zylinderförmige Zuleitung B dargestellt, die über eine Einschnürung in eine zylinderförmige Ableitung C übergeht. Im Verlauf der Ableitung C ist ein Strömungswiderstand WC eingebaut. Die Einschnürung zwischen der Zuleitung B und der Ableitung C besteht aus einer elastischen Schnittstelle E zwischen der Zuleitung B und einem mit geringerem Durchmesser ausgebildetem Rohrsegment F, das wiederum über einem elastischen Teil G mit der wieder erweiterten Ableitung C verbunden ist. Beginnend am elastischen Teil E bis zum Ende des elastischen Teiles G ist ein druckdichter Kasten D außen um die Einschnürung herumgelegt. In den so gebildeten Innenraum führt eine Zuleitung H, durch die ein Fluid I eingepreßt werden kann, wodurch die elastischen Teile E und G in ihrer Form beeinflußt werden. Axial in der Zuleitung B ist eine weitere Zuleitung A vorhanden, deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Rohrabschnittes F. Die Zuleitung A endet von der Zuleitung B kommend etwa auf der Höhe des ersten Viertels des Rohrsegmentes F.Figure 1 shows a mixing device according to claim 1. A straight, cylindrical supply line B is shown, which passes through a constriction into a cylindrical outlet line C. A flow resistance WC is installed in the course of the outlet line C. The constriction between the supply line B and the outlet line C consists of an elastic interface E between the supply line B and a pipe segment F with a smaller diameter, which in turn is connected to the expanded outlet line C via an elastic part G. A pressure-tight box D is placed around the outside of the constriction, starting at the elastic part E and ending at the end of the elastic part G. A supply line H leads into the interior thus formed, through which a fluid I can be pressed in, thereby influencing the shape of the elastic parts E and G. Axially in the supply line B there is another supply line A, the diameter of which is smaller than the diameter of the pipe section F. The supply line A ends coming from the supply line B at approximately the height of the first quarter of the pipe segment F.
Figur 2 zeigt eine Mischeinrichtung entsprechend dem Anspruch 3. Es ist wieder eine rohrförmige Zuleitung B gezeigt, die geradlinig über einen langsam enger werdenden Widerstand WC in die Ableitung C übergeht. Axial innerhalb der Zuleitung B befindet sich eine weitere Zuleitung A, die in Achsrichtung verschiebbar ausgebildet ist undFigure 2 shows a mixing device according to claim 3. A tubular supply line B is again shown, which passes straight through a slowly narrowing resistance WC into the discharge line C. Axially within the supply line B there is another supply line A, which is designed to be displaceable in the axial direction and
deren Ende variabel im Bereich B, dies ist hier etwa das erste Viertel des Widerstandes WC, endet.whose end variably ends in area B, which is approximately the first quarter of the resistance WC.
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