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Papiermaschinen faszinierend & herausfordernd
Vortrag Technikforum Göppingen
11. November 2015
Karl Josef Böck
SVP Voith Paper
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
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Curriculum Vitae
Karl Josef Böck
Senior Vice President Voith Paper; Business Line Projects
1975-1980 Studium an TU Stuttgart, Maschinenwesen-Schwerpunkt Konstruktion
1981-1985 Krupp Polysius Zementanlagen, Trainee& Konstruktionsentwicklung
1985-1991 Voith Turbo Hochleistungsantriebe fürTurbomaschinen
1991- heute Voith Paper: Konstruktionsentwicklung, KonstruktionNassbereich, Konstruktion Papiermaschine & MSR, F&E, Technologie, Produktion, Projektmanagement
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
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Agenda
• Beispiele von Produktionsanlagen
• Grundlagen Papierherstellung
• Einführung in eine Produktionslinie
• Verfahrensschritte und dazugehörige Maschinensektionen sowieMaschinenelemente
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Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
grafischer Karton, 170 -230g/m², 1800m/min, 1.500.000to/a, Investment ca. 1Mrd €Arbeitsbreite 11,8m, Länge >530m
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Multi-NIP Kalander, 11m breit,
10 Walzen, 1500m/min
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Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend
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Production line for Testliner, 8m -1600m/min
Produktionlinie für Testliner, 60 – 140 g/m²
1600m/min, 8,7m breit, 440.000 to/a
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Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend
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Production line for Testliner, 8m -1600m/minProduktionline Testliner, 60-140g/m², Rollenschneid er 2800m/min, automatischer Tambourtransport und Splice
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Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend
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Aufrollung Sirius 4,8m1600m/min, 130to, 8m breitTestliner
Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend
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Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend
Zeitungsdruckpapiere 40-56g/m², 11,4m breit2000m/min; 450.000to/a, 100% DIP
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Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend
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Papiertambour, Zeitungsdruck> Durchmesser4m, 11m breit, 140 to, 20.000 Lagen
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Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend
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Rollenschneidmaschine 3000m/min
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18 -30 g/m², Standardtissue
2100m/min, 120 tons
Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend
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mech. Entwässern
Saugpresse oder Schuhpresse
Aufrollung
Trocknen
Heißluft-Haube
Stoffzuführung
Blattbildung
Crescent Former
Trocknen
Yankee-Zylinder
Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend2100m/min, 18-30g/m²
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Yankee Installation, 120to
Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend
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Grundlagen Papierherstellung:Was ist Papier?
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... ist ein flächiger Werkstoff der im Wesentlichen aus Fasern pflanzlicher Herkunft besteht
... wird erzeugt durch Entwässern einer Fasersuspension auf einem Sieb, durch Verdichten und anschließendem Trocknen.
...wird durch die Auswahl der Faserstoffe, deren Aufbereitung sowie durch die Zugabe von Hilfsstoffen und durch die Konzeption der Papierherstellungsmaschine an die jeweiligen Bedürfnisse angepasst.
... ist anisotrop und inhomogen
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Grundlagen Papierherstellung: Was ist Papier?
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Oberfläche Querschnitt
Netzwerk aus pflanzlichen Fasern und Füllstoffen
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Grundlagen Papierherstellung:Was hält Papier zusammen?
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...Wasser!Wassermoleküle bilden durch elektrostatische Anziehungskräfte mit den Zelluloseketten der Papierfasern ein reißverschlussartiges System aus sogenannten Wasserstoffbrückenbindungen.
Die Zelluloseketten binden dabei sowohl Wassermoleküle als auch weitere Zellulosemoleküle.
Diese elektrochemischen Wechselwirkungen garantieren einerseits die Festigkeit der Papiere, andererseits sind sie auch Voraussetzung für das Recycling von Papier.
Wasserstoffbrückenbindungen
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Grundlagen Papierherstellung: Wasserstoffbrückenbindung
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Sauerstoffatom
Wasserstoffatom
Wasserstoffbrückenbindung O- -H
atomare Bindung
Wassermolekül
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Grundlagen der PapierherstellungZellulosemolekülkette
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n x (C6H10O5) + n(H2O)
OOO OO
H H
H H H
OO
O OO
H H
H H HO
H
Zel-Molekül 1
Zel-Molekül 2 Wasserstoffbrücken
OH
HWassermolekül
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Grundlagen Papierherstellung:Was hält Papier zusammen?
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
Die Anzahl der angebotenen und aktivierten Wasserstoffbrücken steuert die Festigkeit der Papiere.
Durch einen höheren Mahlgrad werden die Holzfasern feiner aufgeschlossen, damit liegen mehr Zelluloseketten frei vor.
Gleichzeitig werden an den Zelluloseketten aber auch mehr Wassermoleküle gebunden und die Entwässerung der Fasersuspension wird erschwert.
Papierfestigkeit und Entwässerbarkeit sind reziproke Funktionen des Mahlgrades
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Grundlagen Papierherstellung:wichtige Daten
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übliche Stoffdichten der Fasersuspensionen liegen zwischen 0,2% bis 1,2%, d.h. 2kg bis 12kg Fasern werden mit 1000kg Wasser verdünnt
ab 7-8% Stoffdichte lässt sich die einzelne Faser im Blatt-Netzwerk nicht mehr verschieben
fertige Papiere haben 92 bis 95% Trockengehalt, d.h. sie enthalten noch 5 bis 8% Wasser
Fasern quellen in Wasser und schrumpfen beim Trocknen. Sie zeigen dabei eine ausgeprägte Anisotropie.
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Grundlagen Papierherstellung:Schrumpfverhalten der Fasern
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Querrichtung = Dicke < 20µm
Fasern schrumpfen prozentual in Dickenrichtung mehr als in Längsrichtung!
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Die Papierbahn schrumpft quer zur Maschinenrichtung im Mittel zwischen 2 und 5% in Abhängigkeit von der Faser, deren Ausrichtung und dem Maschinenkonzept.
Bahnbreite Aufrollung = 95-98%
Bahnbreite Presse = 100%
Grundlagen Papierherstellung:Schrumpfen der Papierbahn beim Trocknen
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Papierlaufrichtung
Orientierung der Fasern
Schrumpf: Zellstoff > Holzstoff
Schrumpfkurve
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SF h
w
I = f (h³, w)
h
w
I = f (h³, w)
Grundlagen Papierherstellung:Blattaufbau
Festigkeit&Oberfläche
Gleichförmigkeit, Ebenheit
Festigkeit
fiber layering � „beam“ structure
Top
UTop
Back
Stärke
Stärke
SF+ LF
UKP/MF
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DeckstrichZwischenstrichGrundstrich
mehrlagiger Blattaufbau
einlagiger Blattaufbau
Grundstrich
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Grundlagen Papierherstellung:wichtige Daten
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Blattdicken von Zeitungsdruckpapieren 45g/m²: 60µm
Blattdicken von Kopierpapieren 80g/m²: 103µm
Kartonagen 350g/m², gestrichen: 400µmStrichdicke pro Strich: 10µm
menschliches Haar. 40µm
Temperaturdehnung Stahl bei 1m und 1K: 12µm
geforderte Dickentoleranzen < 1µm
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Einführung in eine ProduktionslinieKernsektionen einer Produktionslinie
StockPreparation
ApproachFlow
PaperMachine & Aux.
Finishing
FiberRecovery
BrokeSystem
Fresh WaterTreatment
Power Plant
Effluent
Fasern
Wasser
Dampf
Elektrizität
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Einführung in eine ProduktionsliniePapiermaschine für gestrichene grafische Papiere, einlagig
Blattbildung mech. Entwässern Trocknen
Profilieren Streichen& Trocknen. Glätten AufrollenStoffzuführung
Ausschussrückführung
Ausschussrückführung
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PapiermaschineProzessführung am Beispiel der Flächengewichtsregelung
Stoffauflauf
PM
Längsprofilabweichung
Scanner
Restabweichung Distance > 200 m
Querprofilabweichung
nur stabile Störungen können mittels Regelung beeinflusst werdenstochastische Störungen müssen durch die Prozessführung vermieden bzw. reduziert werden
Messpfad
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Mix
ing
Com
Mix
Mix
ing
Hyd
roM
ix
LC c
lean
ing
Eco
Miz
er
Gas
rem
oval
Voi
thV
ac
App
roac
h flo
wsc
reen
ing
Pap
er m
achi
ne
Broke
Saveall
Sweetener
Fromstockprep
Einführung in eine ProduktionslinieApproach Flow =Konstanter Teil
HC-Linie = Stoff
4%1,2%
LC=VerdünnungswasserSiebwasser
0,2%
Erzeugen einer homogenen Stoffsuspension und einer pulsationsfreien Zuführung dieser zur Papiermaschine
30Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
Einführung in eine ProduktionslinieApproach Flow - Eindüsen von Hilfsstoffen
FlowJec Premium Short set-up time during brief scheduled shutdown:
The new dosing technology consists of preassembled components.
Operational reliability:
No build-in components in the approach stock pipe that could cause deposits and breaks.
Equipped with Self Cleaning System fully implemented in DCS.
31Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
Einführung in eine ProduktionslinieApproach Flow - Eindüsen von Hilfsstoffen
• The dosing can be optimally adjusted to the process and the chemicals.
• Improved performance.− improved paper quality.− homogenous mixing and
distribution of chemicals− optimized floc size.− adjustable dosing conditions.
• Improved runability.− reliable operation.− reduction of breaks.
Effect on floc size due to injection conditions
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Inlet
Damping plate
Overflow system
Press. air connection
Cleaning spray nozzle
Sightglass with lights
Inspection cover
Outlet
StoffauflaufPulsationDämpfer
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
1001 Frequency (Hz)
Press. amplitude (kPa)
0
0,7
PulsationDamper
For Fourdrinier and Hybrid-Former
Damping results, pressure amplitudes
Inlet Outlet
Damping factor approx. 12 : 1
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
7
6
87
Superior damping effect for existing or foreign approach flow system. (Not required for modern low pulse WEP equipment.)
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Stoffauflaufgleichmäßig verteilte Stoffsuspension auf Langsieb
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
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Stoffauflauf
prinzipieller Aufbau für Langsieb oder Hybridformer
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
Querverteilrohr
Verdünnungswasser für Querprofilierung
Beruhigungskammer
Turbulenzerzeugerverstellbare Oberlippe mit Blende
Düse mit Lamellen
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StoffauflaufSuspensionsführung, hydraulische Strecke
0.98 -1.02 x Siebgeschwindigkeit
Reihenanzahl in Abhängigkeit des erforderlichen Durchsatzes
Teilung 50mm
Durchsatz 7000 -12000 l/min*m
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
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StoffauflaufKernelemente der Stoffführung
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
Verdünnungswasserregelung Düse mit Lamelle
37Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
� intense turbulence level
� 2 circular steps inside
� exchangable inlet inserts
� symmetric square outlet
� full nozzle coverage(no edge dead water area)
StoffauflaufKernelemente der Stoffführung
Turbulenzgenerator
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StoffauflaufStrahlqualität in Abhängigkeit vom Turbulenzerzeuger
33/4, ohne Lamellen 25/5, mit Lamellen
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
39Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
Optional edge feeding system forconvenient fiber orientation adjustment.
StoffauflaufKompensation Wandreibung und Faserorientierungskontrolle
+4°
-4°approx. 2 m
TSO
160 % Flow
40 % Flow
40Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
BlattbildungGap-Former für gleichseitige Blattbildung
1.2%
20%
10%
Saugwalze, 2 zonig
Saugwalze
Leistenteil, wechselseitig mit Vakuum
Blattbildung �Entwässerung�Transport
41Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
BlattbildungHerausforderung Bahnlauf: perfekter Sieblauf
disproportionate IllustrationDurchbiegung der Walzen führt Wellenbildung im Sieb
Lösung: CS- Walze
42Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
Blattbildungperfekter Sieblauf mit Mitten gestützten Walzen
Bending by own weight Bended by applied load at the edges
herkömmliche Walze centre supported roll
spreading effect
centering effect
centering effect
spreading effect
43Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
BlattbildungSieblauf mit mittengestützten Walzen
CSR in operation
Stiff steel structure
Connection piece made of CFRP
CFRP tube
44Effizient in jeder Hinsicht | Heidenheim | 2013-09-10 44
BlattbildungHybridformer mit Schüttelung der Brustwalze
Brustwalze wird quer zurProduktionsrichtung bewegt
Reduzierung der AnistropieLängs/quer
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BlattbildungSchüttelung der Brustwalze
Higher Formation Quality Before and after DuoShake Installation
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
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Pressing
Sheet densification Surface penetration of water / Surface Impression of felts
Roughnessporositycaliper
bulkinternal bonding
strength
Surface densification
oil/water absorption Surface Properties
PressenpartieAnforderungen
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
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Double shoe press conceptwith suction felt rolls
for high basis weights
Pressenpartielayout für gleichseitige Verdichtung und Entwässerung
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
22%
50%
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Center roll conceptwith shoe press in 3rd nip
PressenpartieLayout für beste Oberflächenverdichtung
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
20%
48%
50
PressenpartieOberflächentopgrafie für maximale Entwässerung
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
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Pressenpartieoffene Bahnführung bei center roll Konzepten
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
speed dependingon furnish,
but can be up to1800 m/min
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PressenpartieOberflächenenergie modifizierte Bezüge
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
Thermisch beschichtete Oberfläche gleichmäßige Blattabgabe
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PressenpartieVerdichten der Papierbahn
smooth roll side
felt side
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
das Blatt wird auf der Wasser abführenden Seite stärker verdichtet
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TrockenpartieBahnstabilisierung mittels Vakuum
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
ProRelease
Funktionsschema
1 2
56
TrockenpartieZugmesswalzen
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
einreihig zweireihig
Zugmesswalzen
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TrockenpartieZugmesswalzen: Reduzierung der Vibrationen durch thermische Isolation
CFRP
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
Steel with one longitudinal welding seam, TopGuide GP
Cos
t
Steel, one longitudinal welding seam, chromed
Cos
t
no visible/disturbing vibrationstoo high vibrations
60-70 m/s
2-3 h
2-3 m/s
2-3 h
5 m/s
2-3 h
60
Film-CoatingStarch Transfer in the Roll Nip
Nip width
Pressure
Residualfilm
FilmsplittPre-meteredfilm
Liquidfilm
Penetrationdepth
De-wateringin the nip
Sheet run
Paper
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
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Film-CoatingCoat Structure of a Film Coater
+ uniform coat layer thickness+ good coverage - higher roughness
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
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Film-CoatingApplication System and Metering Elements
Profiled rod(ø14 mm)
Smooth rod(ø14 mm, ø18 mmø24 mm, ø38 mm)
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
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EcoSoftEcoCal
dryer section
IR dryercoater reelerJanus MK 2
press sectionformer dryer section
depending on grades, calendering can be a multistep process
Calendering
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
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RohrbündelHydr. Stützquellen
Lagereinheit Hydr. Kopf
Mantel
Bezug Lagerung
Achse
Nipcorect™ – Biegeausgleichwalze
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
66max. Zonenzahl – min. Streckenlast 10 N/mm
Nipcorect™ – Biegeausgleichwalze
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
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scanner
cd
caliper profile
lineload zone correction
NipcoLogicroll calculation
paper
hydraulic zone pressure
PLC
Profilmatic cd caliper controller
PhNipcomanual roll control
valve cabinet
hydraulic zone pressure
zone pressure
Work Shop - cd-caliper profiling
the new hydraulicpressures are active,creating an optimisedload–distribution-profile
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
69Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
KalanderRandbeeinflussung mittels Isolierhülsen
175
insulation cores:minimizes thermaledge extension
paper + convection
ingoing temp.
working width
convection
connection bores
70
Standard: Large particles, inhomogeneous
NanoPro:True nanoparticles, homogeneous
KalanderVerbesserung der Walzenstandzeiten durch Nano-Technik
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
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Papiersorten:
• SC-A
• LWC Offset / Tiefdruck
• holzfreie gestrichene
Papiere
JANUS™ MK 2 – Kalander 10 Walzen
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
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Reel spool deflection
c
Paper
web width
bearing center distance
C = Edge inclination
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
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SensoRollTM
Pair boundary layer on thetop side of the paper
nip sealing by SensoCover
removal of theair boundary layer onthe bottom side of the paper
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
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Sirius R125/2
6
3 8 5 4
1
2
7
1 Reel spool magazine2 Primary arm3 Reel drum carriage4 Secondary carriage5 Air squeezing unit6 Primary center wind7 Secondary center wind8 EcoChange S
Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
79Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11
Kontakt:
Karl Josef Böck
Voith Paper GmbH & Co. KG
Tel. 07321-37 6403
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