XIV corso di Tecnologia per Tecnici Cartari edizione 2006/2007 La seccheria di Giorgio Ivan Scuola Interregionale di Tecnologia per Tecnici Cartari Il corso è realizzato grazie al contributo di: Camera di Commercio, Industria, Artigianato e Agricoltura di Verona. INDICE 1 - Introduzione 2 – Cogenerazione del vapore 2.1 – Tipologie di impianto 2.1.1 – Impianti di cogenerazione con turbina a vapore 2.1.2 – Impianti di cogenerazione con turbogas 2.1.3 – Il ciclo combinato 2.1.4 – Vantaggi operativi 2.1.5 – Prestazioni 2.1.6 – Costi d’investimento 2.1.7 – Emissioni di inquinanti nei fumi di combustione 2.2 – La cogenerazione nello stabilimento Reno de Medici di Villa Santa Lucia 3 – Lo scambio termico 3.1 – Conduzione 3.2 – Convezione 3.3 – Irraggiamento 4 – Trasferimento di calore da vapore alla carta 5 – Elementi della seccheria 5.1 – Cilindri essiccatori 5.2 – Giunti vapore 5.3 – Sifoni per estrazione condensa 5.4 – Tele essiccatrici 5.5 - Gli impianti vapore 5.5.1 – Impianto a cascata 5.5.2 – Impianto a termocompressore 6 – Areazione della sezione seccheria e recupero calore 6.1 – I sistemi di aria della sezione dell’essiccatore 6.2 – Cappe della seccheria 6.2.1 – Scarico dell’aria umida 6.2.2 – Punto di rugiada 6.2.3 – Livello di pressione zero ed equilibrio dell’aria Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 1 6.2.4 – Maneggiamento dell’aria di scarico in una cappa chiusa 6.2.5 – Funzioni generali di una cappa chiusa 6.3 - Ventilazione di una seccheria 6.3.1 – Concetti di pocket ventilation 6.3.2 – Ventilatori per carte da stampa e da scrivere 6.3.3 – Ventilatori per singola-tela o “uno run” 6.3.4 – Pocket ventilation per carte più pesanti 6.3.5 – Parametri pocket ventilation 6.3.6 – I profili per mezzo della ventilazione 6.4 – Tipi differenti di scambiatori di calore 6.4.1 – Scambiatore di calore aria/aria (scambiatore di calore CHR) 6.4.2 – Scambiatore di calore aria/acqua ( scambiatore di calore AHR) 6.4.3 – Serpentina di riscaldamento lamellare 6.4.4 – Scrubber (miscelatore) 6.4.5 – Torre CHR 6.4.6 – Torre AHR 6.4.7 – Torre CAHR Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 2 1 INTRODUZIONE Nell’industria cartaria, il processo d’essiccamento della carta è quello che richiede il maggior impiego energetico e di conseguenza tende a soluzioni di massima efficienza, con riduzione di consumi e un supportabile impatto ambientale. Sono stati innumerevoli negli ultimi decenni gli approcci per realizzare soluzioni di seccheria alternative al vapore, quali infrarossi elettrici o a gas e aria calda, dimostratesi però validi solo per alcune specifiche funzioni dell’essiccamento. Alcune recenti ed evolutive soluzioni nelle cartiere italiane ed europee da parte di alcune aziende hanno confermato la validità della tecnologia sviluppata nel risparmio energetico, nel miglioramento dell’impatto ambientale e nella sicurezza dei cicli di essiccamento della carta che migliorano le caratteristiche del foglio. Le aziende costruttrici di impianti per il processo d’essiccamento della carta si stanno sempre più orientando sul risparmio energetico, ora più attuale sia per i costi dei combustibili necessari per il riscaldamento, sia per un adeguamento alle norme sulle emissioni in atmosfera. In questo scenario gli impianti primari sono: gli impianti di vapore e condensa, le cappe ad alta efficienza, le cappe di aspirazione fumane con recupero di calore, i sistemi di soffiaggio tele e stabilizzazione foglio, i sistemi di controllo computerizzati per l’ottimizzazione dei cicli termici. Prima di analizzare meglio tutti questi punti è necessario fare un veloce cenno sulle fasi di lavorazione della carta. Il processo per la fabbricazione della carta è essenzialmente basato sul drenaggio e disidratazione. La consistenza dell’impasto in cassa d’afflusso solitamente è tra lo 0,2% e l’1% di consistenza (2-10 gr di fibra per kg di acqua). Per essiccare la carta di tutta la sua acqua ci sono 3 fasi importanti, la prima è per drenaggio sulla tavola piana, nella sezione di formazione, tramite gravitazione, pulsazioni e vuoto, al cilindro aspirante la consistenza è aumentata fino al 15%-25%. La carta prosegue nella sezione presse, dove l’acqua viene rimossa per compressione meccanica aumentando il secco fino al 33%-55%, questo grado di secco ovviamente varia da come è stata progettata la sezione presse e dal tipo di impasto che si usa. Il nastro di carta prosegue entrando nella seccheria dove, per evaporazione, si rimuove l’acqua restante. In questa zona l’azione di evaporazione è assicurata dallo scambio termico tra i cilindri essiccatori e la carta, suddividendo nel migliore dei modi i cilindri essiccatori in gruppi termici in modo da permettere un esatto scarico delle condense, interessandosi accuratamente di ottenere una certa curva d’essiccamento della carta. Questa parte della macchina continua richiede la maggior quantità di impiego energetico, infatti secondo alcune statistiche si consuma sotto forma termica anche più Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 3 del 50% dell’energia totale. È per questo motivo che si cerca di spingere il più possibile la disidratazione del foglio nella sezione presse, guadagnando un punto di secco in ingresso della seccheria si riesce a guadagnare anche il 5% di produzione. Un alto secco prima dell’ingresso in seccheria è fondamentale anche perché aumenta la resistenza del foglio e di conseguenza migliora la “runnability” della macchina facendo attenzione a non variare troppo lo spessore del nastro di carta. In uscita dalle presse il foglio di carta contiene ancora il 50% circa di acqua, acqua presente nel nastro sottoforma di goccioline e verrà chiamata acqua libera, che teoricamente potrebbe essere eliminata per azione meccanica ma avremmo bisogno di elevate pressioni nel nip e, comunque, vedremo che questa acqua libera evaporerà nella prima zona della seccheria dove andremo a scaldare il foglio. Infine c’è l’acqua legata chimicamente alle molecole delle fibre che forma il foglio detta acqua legata. Con questo grafico possiamo capire intuitivamente cosa accade nella seccheria. Nella prima fase la carta anche se completamente formata è ancora molto bagnata e ha una temperatura ancora bassa, essendo fredda e ancora umida questa non ha una buona resistenza meccanica, quindi sottoposta a rotture. In questa fase incontreremo i cilindri ad una temperatura relativamente bassa (circa 40-50 °C), perché se la carta, come già detto umida e fredda dovesse incontrare una superficie calda con una notevole differenza di temperatura avremmo un’adesione delle fibre superficiali della carta sul mantello del cilindro essiccatore creando così lo spolvero di fibra e poter causare Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 4 rotture e sporcamento delle tele essiccatrici ostruendo così il passaggio dell’evaporato e di conseguenza peggiorare l’essiccamento. Nella seconda fase i cilindri vengono portati il più velocemente possibile ad una temperatura superiore ai 100 °C; in questa zona della seccheria si ha un pareggio tra il calore fornito dal sistema e il calore sottratto dall’evaporazione, si genera quindi un’area a temperatura costante in cui la quantità d’acqua evaporata è costante. Nella terza fase l’acqua libera è evaporata completamente, rimane solo l’acqua intimamente legata alle fibre e difficile da far evaporare, di conseguenza in questa zona si ha una diminuzione dell’acqua evaporata e per evitare danneggiamenti del foglio si comincia a ridurre la temperatura del foglio. Nella quarta fase la temperatura della carta è notevolmente alta e l’essiccamento è veramente difficile da proseguire, difficile e a volte inutile perché non ha senso spingere il foglio di carta ad un 100% di secco perché questa a riposo tenderebbe ad assorbire la % di umidità ambientale che è circa il 5%. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 5 2. COGENERAZIONE Nell’ottica del risparmio energetico ampio risalto viene dato alla cogenerazione, sistema con cui si può generare contemporaneamente più fonti di energia secondarie partendo da un’unica fonte primaria. La cogenerazione consente sia un notevole risparmio energetico, sia una riduzione degli agenti inquinanti prodotti. La cogenerazione è la generazione simultanea di energia elettrica e calore in un unico processo. Si basa su un semplice principio: in un impianto dedicato alla esclusiva produzione di energia elettrica solo una quota (35%-55% dell’energia primaria del combustibile) è convertita in energia elettrica. Il resto viene invece dissipato come calore e ceduto all’ambiente. La cogenerazione permette di migliorare il rendimento di conversione dell’energia primaria attraverso il recupero del calore. Tale recupero, in termini di efficienza significa far aumentare il valore del rendimento globale del sistema, che si traduce in risparmio energetico (l’efficienza della cogenerazione può arrivare a soglie del 90%). Il calore emesso dalla macchina per la produzione di energia elettrica in una centrale di cogenerazione ha temperature elevate e può essere riutilizzato per produrre ulteriore energia, per la produzione di acqua calda o per la produzione del vapore nel caso delle cartiere. Di seguito è presentato uno schema di confronto tra la produzione energetica con produzione separata (sistema tradizionale) e con produzione combinata; come si può facilmente vedere, le perdite hanno incidenza maggiore nel sistema convenzionale. Confronto tra sistema tradizionale e sistema di cogenerazione. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 6 2.1 TIPOLOGIE DI IMPIANTO Gli impianti di cogenerazione sono formati dalle seguenti parti: • Motori a gas e generatore; • Comandi ed apparecchiature di controllo; • Scambiatori di calore ed accumulatori. Di seguito viene riportata una possibile classificazione, basata sul tipo di motore, delle principali configurazioni di impianto cogenerativo. 2.1.1 IMPIANTI DI COGENERAZIONE CON TURBINA A VAPORE Si tratta di centrali termoelettriche convenzionali con caldaia a fuoco, dove il vapore spillato e/o scaricato da una turbina a contropressione oppure spillato da una turbina a condensazione, viene usato come fonte di energia termica utilizzabile direttamente dagli utenti finali, oppure per riscaldare un mezzo secondario, generalmente acqua. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 7 2.1.2 IMPIANTI DI COGENERAZIONE CON TURBOGAS In questi impianti, il calore del gas di scarico del turbogas viene recuperato per generare vapore oppure per riscaldare acqua o olio diatermico. Generalmente il recuperatore di calore è equipaggiato con un sistema di post combustione in modo tale da seguire le variazioni di energia richieste. Il rendimento del sistema è pari al 7085%. 2.1.3 IL CICLO COMBINATO Il ciclo combinato è ormai la tecnologia più diffusa nei progetti di centrale di potenza (> 3,5 MW) di nuova realizzazione, viste le sue notevoli prestazioni in termini di efficienza e di riduzione degli impatti ambientali, a confronto con le tecnologie precedentemente utilizzate per la realizzazione di impianti di produzione di energia elettrica (cicli semplici). Infatti deriva dall’impiego di due cicli semplici: il ciclo Brayton di una turbina a gas ed il ciclo Rankine di una turbina a vapore, uno in cascata all’altro. L’adozione di questa tecnologia permette la produzione di energia con un grado di efficienza superiore a quello degli impianti a vapore convenzionali: consente cioè di produrre oltre il 35% in più di energia elettrica, a parità di combustibile impiegato. Nel ciclo combinato l’energia contenuta nel combustibile viene utilizzata per produrre i gas caldi (1.200°C) che azionano la turbina a gas. All’uscita della turbina a gas i fumi sono ancora molto caldi (590°C) e contengono dunque ancora una notevole quantità dell’energia del combustibile. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 8 Entrano così nella caldaia a recupero, nella quale trasferiscono al vapore (anziché all’ambiente) un’altra porzione dell’energia del combustibile. La rimanente energia, contenuta nei fumi (95°C), viene immessa nell’ambiente. Nella seguente figura sono confrontati il ciclo semplice a vapore, il ciclo aperto a gas ed il ciclo combinato. Confronto fra i cicli di produzione di energia elettrica Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 9 Rispetto a centrali convenzionali di produzione di energia elettrica - a parità di energia elettrica prodotta - il ciclo combinato presenta: • vantaggi operativi • prestazioni ottimali • tempi di costruzione contenuti • basso costo d’investimento • impatto ambientale limitato 2.1.4 VANTAGGI OPERATIVI I vantaggi operativi di un Ciclo Combinato nei confronti di ogni altro tipo di impianto di produzione di energia elettrica sono ormai riconosciuti da lungo tempo. Questi vantaggi possono essere riassunti nel seguente modo: • avviamento veloce. I cicli combinati possono raggiungere il pieno carico da condizioni definite “hot” nel giro di 70 minuti e da condizioni di partenza a freddo in un tempo inferiore alle 3 ore; • Aumento di sicurezza operativa con possibilità di avere un controllo dell’impianto completamente automatico. Questa possibilità può essere estesa anche a tutte le procedure di avviamento dei ciclo sia da caldo che da freddo; • bassi costi operativi e di manutenzione. 2.1.5 PRESTAZIONI Le centrali a ciclo combinato sono caratterizzate da un basso consumo specifico di combustibile rispetto ad impianti a vapore di dimensioni comparabili. Valori tipici sono di 1500-1600 kcal/kWh basati sul potere calorifico inferiore e dipendenti dalle tipologie di turbina a gas adottata; Le principali apparecchiature per la realizzazione di una centrale a Ciclo Combinato sono: la turbina a gas, la caldaia a recupero senza bruciatori ausiliari, la turbina a vapore, i generatori elettrici e i sistemi di controllo. Tutte queste apparecchiature sono molto affidabili e consentono all’impianto il raggiungimento di eccellenti prestazioni, come una disponibilità (o affidabilità) maggiore del 90%. La vita tecnica di un impianto a Ciclo Combinato è di 20-25 anni. 2.1.6 COSTO D’INVESTIMENTO Anche se il costo di installazione di un impianto di generazione di energia elettrica può variare notevolmente in funzione dei tipo di installazione, della localizzazione dell’impianto e da altri fattori, si può affermare che un impianto di generazione di energia elettrica basato sul principio del ciclo combinato ha un costo d’investimento Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 10 inferiore rispetto a quello di ogni altro tipo di impianto termico, come si evince dal seguente elenco in cui si riporta il costo d’investimento rispetto al kilowatt installato: • ciclo combinato 300-400 Euro/kW • centrale a vapore a gas 360-570 Euro/kW • centrale a vapore a carbone 770-1000 Euro/kW 2.1.7 EMISSIONI DI INQUINANTI NEI FUMI DI COMBUSTIONE I principali inquinanti emessi dalle centrali turbogas sono gli ossidi di azoto (NOx) e il monossido di carbonio (CO). Gli NOx sono prodotti dalla reazione tra l’azoto e l’ossigeno presenti nell’aria, per effetto delle elevate temperature. Il CO è prodotto dalla combustione del metano, che non può mai essere perfetta, e cioè produrre solamente CO2 e acqua. Altri inquinanti, in quantità molto minori, possono essere presenti, per il fatto che il combustibile non è mai metano puro ma gas naturale, che contiene anche altri idrocarburi e tracce di altre sostanze, e che comunque nell’aria che alimenta la combustione sono già presenti in traccia molte sostanze. Occorre anche tener presente che le emissioni gassose sono differenti in funzione dei sistemi di contenimento adottati, in particolare per la riduzione degli NOx, fra i quali i più utilizzati sono sistemi di abbattimento con iniezione di acqua o vapore , tecnologie di abbattimento a secco, dispositivi di abbattimento degli ossidi di azoto (NOx) denominati SCR (Selective Catalytic Reduction ). Il sistema di abbattimento con iniezione di acqua o di vapore (water-steam injection) risulta oramai sorpassato sia per i limiti di abbattimento raggiungibili (100 mg/Nm3 di NOx) sia per la necessità di disporre di risorse idriche elevate. 2.2 LA COGENERAZIONE DELLA RENO DE MEDICI DI VILLA SANTA LUCIA L’azienda presso la quale lavoro (Reno de Medici, stabilimento di Villa S. Lucia), presenta un’impiantistica con sistemi di produzione dell’energia termica necessaria al processo che presentano rendimenti elevati. Il ciclo di lavorazione della Reno de Medici necessita delle seguenti fonti energetiche: • Energia elettrica • Energia termica nella forma di vapore saturo a 7 bar L’assorbimento elettrico dello stabilimento è di circa 10.200-12.100 kW con un valore medio stimato pari a 11.300 kW. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 11 L’energia termica è autoprodotta in centrale termica mediante generatori di vapore a tubi d’acqua alla pressione di 60 bar 450°C. Questo vapore si espande nella turbina a vapore, da 60 bar a 7 bar e viene successivamente inviato allo stabilimento per l’utilizzo nelle varie fasi di produzione. Il fabbisogno termico dello stabilimento è di circa 28.000-35.000 Kg/h di vapore con un valore medio stimato pari a 32.000 Kg/h. Il gruppo turboalternatore è racchiuso entro un cassone insonorizzato realizzato in profilati metallici e pannelli con riempimento in lana minerale, e posizionato all’esterno del fabbricato che conterrà la centrale di cogenerazione. Il gruppo turboalternatore è dotato di tutti i dispositivi di sicurezza richiesti dalla legge ed in particolare: • dispositivi automatici di arresto per sovratemperatura o caduta di pressione dell’olio lubrificante; • intercettazione automatica del flusso di combustibile per arresto del gruppo; • sistema di sorveglianza gas; • sistema di protezione antincendio. L’alimentazione a metano del gruppo turboalternatore, avviene ad una pressione di circa 21 bar. Davanti all’uscita fumi del turboalternatore è posizionato il generatore di vapore a recupero, che è dotato di un post bruciatore in vena d’aria per la necessaria integrazione di energia termica. Per contenere gli inquinanti (NOx) contenuti nei fumi di scarico del turbogeneratore è stato adottato il sistema di combustione SoLoNOx, che realizza un metodo più semplice per garantire i limiti oggi molto ristretti sulle emissioni di NOx evitando l’iniezione di acqua. La combustione premiscelata magra riduce la conversione di azoto atmosferico ad NOx all’interno di un combustore di una turbina a gas riducendo la temperatura di fiamma del combustore stesso. Poiché il tasso di formazione di NOx dipende in modo esponenziale dalla temperatura, la riduzione della temperatura di fiamma diventa fortemente efficace nel ridurre le emissioni di NOx. La riduzione della temperatura nel combustore è ottenuta in due modi: In primo luogo, la zona di combustione primaria viene fatta lavorare ad una temperatura più bassa di quella abituale (rapporto medio combustibile/aria ridotto). Questa condizione è ottenuta aumentando il flusso di aria nella zona primaria e conseguentemente riducendo il flusso nella zona di diluzione. Il flusso di aria totale e la temperatura con cui lo stesso abbandona il combustore rimangono inalterati e quindi Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 12 non si hanno variazioni nelle altre caratteristiche della turbina come la potenza o il consumo specifico. In secondo luogo, nella combustione premiscelata magra, i processi di miscelazione a combustione sono disaccoppiati. Il combustibile e l’aria della zona primaria sono miscelati prima della zona in cui viene la combustione. La premiscelazione produce una temperatura di fiamma molto più uniforme e ciò previene la formazione di NOx all’interno del combustore. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 13 3. LO SCAMBIO TERMICO Lo scambio termico, durante l’essiccazione del foglio, può avvenire in tre fasi. Per conduzione, convezione ed irraggiamento. 3.1 CONDUZIONE Il trasferimento del calore per conduzione avviene attraverso il contatto di due corpi con differente temperatura, per il primo principio della termodinamica l’energia fluisce dal corpo più caldo verso quello più freddo con intensità proporzionale alla differenza di temperatura. Nel nostro caso questo processo avviene nei primi cilindri della seccheria. Come abbiamo detto prima, il foglio ancora freddo e bagnato riceve calore per raggiungere la temperatura di evaporazione, in questo caso abbiamo lo scambio termico per conduzione tra la superficie del cilindro ed il foglio di carta. Il fenomeno della conduzione del vapore risulta migliore quanto più è stretto ed uniforme è il contatto tra i due corpi, nel nostro caso foglio e cilindro. Cause che limitano questo contatto sono la ruvidità della carta, la finitura superficiale del mantello dell’essiccatore, l’anello liquido all’interno del cilindro e lo strato di aria che si forma tra la superficie dell’essiccatore ed il foglio. Le tele essiccatrici hanno il compito di migliorare lo scambio di calore aumentando l’aderenza della carta al cilindro. 3.2 CONVEZIONE Lo scambio termico per convezione è quello che si verifica attraverso la migrazione di masse fluide fredde e la temperatura tende ad uniformarsi attraverso il loro mescolamento. Nel nostro caso questo avviene nei tiri liberi della carta quando passa dal cilindro superiore a quello inferiore, sulle superfici esterne delle tele; questo è dovuto al movimento dell’aria riscaldata presente nei pressi del foglio, ed esso dipende direttamente dalla velocità del flusso d’aria e dalla sua temperatura. 3.3 IRRAGGIAMENTO L’irraggiamento, a noi a tutti noto attraverso l’esposizione che abbiamo ai raggi solari; infatti questo principio di trasferimento del calore è quello che consente al sole di mantenere la temperatura sulla terra. Nelle aziende che producono carta questo principio ha trovato uno scarso impiego, infatti lo troviamo solo nelle patinatrici con apparecchiature a raggi infrarossi, sia a gas che elettrici e viene usato per correggere il profilo di umidità. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 14 4. TRASFERIMENTO DI CALORE DAL VAPORE ALLA CARTA La temperatura Ts è la temperatura di condensazione del vapore all’interno del cilindro, la temperatura Tp è la temperatura a cui avviene l’evaporazione dell’acqua contenuta nella carta. Il vapore, ad una certa temperatura (costante) e pressione si trova all’interno del cilindro, si ha una prima conduzione sulla pellicola della condensa che aderisce alla parete interna del cilindro, essendo l’acqua un pessimo conduttore (la resistenza termica di 1 mm d’acqua è equivalente alla resistenza termica di 27 mm di ghisa o di 100 mm di acciaio), abbiamo un primo abbassamento di temperatura, la seconda barriera è uno strato fortunatamente sottile e quindi poco influente di ruggine (anch’esso pessimo conduttore), la terza è lo spessore del mantello del cilindro (solitamente ghisa), che è abbastanza spesso ma ha una buona conducibilità. La quarta è un lieve strato di aria che si interpone tra il mantello del cilindro e la superficie del foglio, qui non c’è una buona conducibilità, quindi dipende tutto dallo spessore. Fino a quando il foglio di carta ha una certa umidità la conducibilità all’interno del foglio rimane buona, quando il grado di secco si alza questa diminuisce notevolmente. Andiamo a vedere ora cosa accade al foglio di carta quando attraversa la seccheria cilindro per cilindro, come e dove riceve calore, ed il suo evaporato. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 15 B‐C = conduzione C‐D = convezione Nel grafico superiore è indicata la temperatura del foglio di carta e in quello inferiore l’asciugamento della carta. Nella zona A-B abbiamo un primo riscaldamento del foglio, ed un quasi nullo asciugamento, man mano che il foglio si riscalda (B-C), per conduzione, lentamente inizia l’asciugamento, quando il foglio non viene più a contatto con il cilindro per forza della tela essiccatrice la temperatura si stabilizza per un attimo, abbiamo un picco di asciugamento e quando il foglio lascia il cilindro abbiamo un nuovo, il vero picco di asciugamento per poi perdere di temperatura e quindi anche di forza essiccante. Questo accade ogni qualvolta il nastro di carta incontra un cilindro essiccatore. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 16 5. ELEMETI DELLA SECCHERIA Tutta la seccheria è composta da svariati elementi, che di seguito descriveremo. 5.1 CILINDRI ESSICCATORI Portato il vapore alla pressione e, di conseguenza, alla temperatura desiderata, questo viene mandato in macchina, o più precisamente ai cilindri essiccatori che generalmente sono realizzati in fusione di ghisa; la loro lunghezza è in funzione alla larghezza della macchina continua ed il suo diametro dipende dai vincoli di costruzione, puntando, nel possibile, sempre ad un diametro maggiore, perché più è grande, maggiore sarà la superficie di contatto con il foglio e di conseguenza un incremento di essiccamento, comunque nella maggior parte dei casi il loro diametro è di 1,5-1,8 m. Un diametro troppo grande equivale a dire maggior spessore di ghisa e quindi minore scambio termico, e di conseguenza, scarso asciugamento. Il cilindro essiccatore alle sue estremità è chiuso da due testate, su queste ci sono i perni che ne permettono la rotazione, uno dei due, solitamente quello posto al lato servizi macchina continua, è cavo, questo serve per l’iniezione e l’estrazione della condensa (che più avanti vedremo nello specifico), nelle macchine molto larghe questo può essere presente su entrambe le testate per favorire una maggiore uniformità di riscaldamento su tutto il formato del cilindro. Sulla testata posta sul lato comandi macchina continua è presente un ingresso, chiamato passo d’uomo, che serve per un’eventuale ispezione all’interno del cilindro essiccatore. Il mantello esterno, è in ghisa ed ha uno spessore che può variare tra i 25 e 30 mm, questo è quello che andrà a contatto con la carta, e deve avere una superficie più liscia e regolare possibile, così il foglio non si attacca ed avrà più punti di contatto, di conseguenza maggior scambio termico. Per la pulizia della superficie del cilindro vengono montate sulle spalle della seccheria dei supporti che tengono una raschia a contatto con questi, e questa lama, chiamata raschia che può essere fissa oppure oscillante, una volta consumata si sostituisce con una nuova. Sulla testata del lato servizio del cilindro è fissato un disco con diametro uguale a quello dell’essiccatore e sulla sua circonferenza troviamo una piccola incavatura, questa è la sede delle corde che permette il passaggio della coda per l’avviamento. I cilindri essiccatori sono divisi in più gruppi, detti “batterie”. Durante l’asciugamento avviene una contrazione del nastro di carta ed è necessario sezionare la seccheria in Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 17 modo da poter controllare l’entità dell’accorciamento, tramite piccole differenze di velocità tra le sezioni, e di conseguenza ridurre la possibilità di grinze o rotture. La disposizione dei cilindri di seccheria è solitamente in due file sfalsate e sovrapposte, il foglio quindi passa alternativamente dal cilindro superiore a quello inferiore, e viceversa. Ogni batteria è abbracciata da due tele essiccatrici (più avanti approfondiremo), una inferiore ed una superiore, che servono a favorire il contatto della carta con il cilindro. Passando dai cilindri superiori a quelli inferiori, e viceversa, il nastro di carta presenta un tiro libero, questo ci preoccupa maggiormente nella prima parte della seccheria, dove il foglio, ancora umido e quindi fragile, potrebbe dare origine a grinze, sbandieramenti o rotture. Per evitare i problemi citati e perdite di produzione, soprattutto nelle macchine nuove e con notevole incremento della velocità, in quella zona della seccheria si ha un’unica tela, chiamata slalom o uno-run; questa accompagna la carta lungo il suo percorso nei primi cilindri. Quando la carta avvolge i cilindri inferiori il foglio è a contatto con gli stessi, ma nel passaggio sui cilindri inferiori, la tela essiccatrice si trova tra il cilindro e la carta, riducendo di conseguenza lo scambio termico. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 18 5.2 GIUNTO ROTANTE Il vapore viene mandato alla pressione voluta tramite un giunto, solitamente posto sul lato comando della testata del cilindro essiccatore, questo è suddiviso al suo interno in due parti distinte ed isolate l’una dall’altra, una di questa è necessaria per l’immissione del vapore, l’altra servirà per l’eliminazione della condensa che si creerà quando il vapore cederà calore al cilindro. Sezione di un giunto rotante 5.3 SIFONI PER ESTRAZIONE CONDENSA Quando il vapore entra in contatto con le pareti del cilindro essiccatore e cede alle stesse il suo calore, la sua temperatura si riduce scendendo sotto il valore di ebollizione causando così il passaggio di stato dallo stato gassoso a quello liquido, con formazione di condensa, questa possiamo definirla un “fluido bifase”, in quanto contiene sia acqua che vapore. All’interno dei cilindri, quando il vapore si condensa, in base alla quantità di condensa, al diametro del cilindro e alla velocità di rotazione si è potuto osservare quanto segue: • una pellicola di condensa aderisce al mantello dell’essiccatore a tutte le velocità. • a mano a mano che aumenta la velocità di rotazione del cilindro, una certa quantità di condensa passa attraverso gli stadi seguenti: - la maggior parte della condensa si raccoglie in una pozza sul fondo dell’essiccatore (pozza); Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 19 - Questa pozza si sposta lungo la parete nel cilindro nella direzione di rotazione (cascata lieve); - la condensa ricade sotto forma di “pioggia” dalla parete del cilindro (cascata); - per effetto della forza centrifuga, la condensa forma uno strato continuo sulla parete, che prende il nome di “anello” (spessore 1-1,5 mm); • la velocità angolare alla quale cessa uno stadio e si passa a quello successivo, dipende dalla quantità di condensa e dal diametro del cilindro. • in uno stesso essiccatore si sono osservate contemporaneamente la formazione dell’anello e della pioggia. Comportamento della condensa alle varie velocità Continuano le ricerche sul comportamento della condensa nell’essiccatore e si è stabilito che il disegno e le dimensioni del sifone sono un fattore importante rispetto al comportamento della condensa e all’uniformità di temperatura del mantello dell’essiccatore. Il sifone di un cilindro essiccatore è un dispositivo attraverso il quale la condensa ed il vapore fluente, come pure l’aria e i gas non condensabili, passano dall’interno dell’essiccatore alle tubazioni che, attraversano il giunto rotante montato sul perno dell’essiccatore, portano la condensa all’esterno. Il sifone ideale (in qualche caso è presente più di un sifone) deve essere progettato e dimensionato in modo da tenere al minimo lo spessore e le variazioni della pellicola di condensa. Se il disegno e le dimensioni del sifone, come pure la pressione differenziale, sono idonei, è possibile ottenere e mantenere un anello sottile anche a bassa velocità. Il fenomeno della pioggia nell’interno dell’essiccatore aumenta il consumo di energia, crea degli inconvenienti ai cuscinetti degli essiccatori e riduce la trasmissione di calore in quella zona. Vi sono due tipi principali di sifone, i rotanti e i fissi. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 20 I sifoni rotanti girano insieme al cilindro essiccatore, mentre i sifoni fissi rimangono immobili rispetto ad un punto esterno dell’essiccatore. Di solito il sifone rotante esige meno manutenzione di quello fisso, perché l’apertura del sifone rotante, chiamata “scarpa”, è fissa rispetto all’interno del mantello dell’essiccatore ed è bloccata nella sua posizione.. La pressione differenziale necessaria per far fluire la condensa fuori dal cilindro dipende dalle dimensioni del sifone, in relazione al carico di condensa e alla velocità. Il sifone fisso presenta l’apertura della bocca aspirante opposta al senso di rotazione del cilindro. Il sistema drenante funziona sul principio di utilizzo dell’energia cinetica dell’anello liquido in abbinamento alla combinazione differenziale di pressione/vapore attraversante. In funzione alla distanza tra la scarpa e il cilindro, non tutto il film di condensa viene rimosso, ne rimarrà uno spessore minimo. Ovviamente minore sarà la distanza tra la scarpa e il cilindro, migliore sarà la condizione operativa, e di conseguenza minore sarà lo spessore di condensa minore sarà anche la caduta di temperatura che il vapore cederà alla carta. Sifone fisso per alte velocità Sifone rotante Per ridurre gli effetti negativi della condensa negli ultimi anni sono state introdotte le barre di turbolenza. Queste sono delle barre fissate longitudinalmente lungo tutta la circonferenza interna del cilindro essiccatore. Studiando il comportamento della condensa nei vari strati dell’anello si è visto che, man mano si va verso l’interno del cilindro la velocità di questa diminuisce, quindi lo Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 21 strato di condensa ruota più lentamente rispetto al cilindro, con la presenza delle barre di turbolenza, che girano alla stessa velocità dell’essiccatore, impattano contro la condensa, generando una turbolenza e la disgregazione dell’anello liquido. I vantaggi sono: • minor consumo energetico • migliore trasferimento di calore • migliore profilo trasversale d’umidità. 5.4 TELE ESSICCATRICI Le tele di seccheria hanno il compito di mantenere il foglio di carta a stretto contatto con la superficie del cilindro essiccatore allo scopo di favorire il trasferimento di calore e la successiva rimozione dell’acqua presente nella carta. In principio queste tele erano costituite da cotone, lana/cotone, cotone/amianto, negli ultimi anni si è passati ai tessuti sintetici quali poliestere, acrilici e poliammide. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 22 Questa evoluzione ha portato svariati vantaggi, come una maggior durata della tela, una maggior permeabilità, migliore stabilità dimensionale, tutto ciò si traduce in incremento dell’asciugamento e conseguente aumento di produzione. Diverse tecniche di tessitura e di fili utilizzati permettono di variare la permeabilità del feltro, questa è espressa in CFM e indica quanta aria attraversa un piede quadrato di tela in un minuto. Ovviamente tutte le tele presenti nella seccheria non avranno il valore di CFM uguale, solitamente nella prima parte (subito dopo la parte umida) si hanno valori di CFM bassi, in quanto il loro lavoro sarà facilitato dalla gran quantità di acqua presente nel foglio, man mano che l’umidità diminuisce la permeabilità della tela deve aumentare per facilitare l’allontanamento del vapore ancora generato dall’essiccamento. È fondamentale la giusta scelta della tela essiccatrice per ogni singola batteria, questo perché ogni singola zona richiede una tela più o meno permeabile. Le tele essiccatrici contribuiscono all’asciugamento della carta promuovendo il trasferimento del calore e la successiva evaporazione dell’acqua presente in essa, intuitivo che quanto più la permeabilità delle tele è alta e quindi vicina alle condizioni di tela nuova, tanto più sarà favorito il trasferimento del calore e tanto meno sarà possibile che materiale contaminante (soprattutto per chi come materia prima usa macero), come asfalto, oli, peci, plastiche, fini e stickies in generale vada ad aderire al nastro di carta, provocando difetti o rotture con conseguente perdita di produzione. Il contaminante và ad ostruire gli spazi vuoti della tela e riducendone quindi la permeabilità, di conseguenza ostacola l’evaporazione causando un profilo non uniforme di umidità in senso trasversale. L’ostruzione delle tele causa un innalzamento della temperatura della carta, provocando così la fusione dei contaminanti presenti sulla superficie della carta che porterà ad una nuova deposizione del contaminante sulla tela. 5.5 GLI IMPIANTI VAPORE E CONDENSA Sono studiati per realizzare la massima efficienza per ogni tipo di macchina continua, dove è di fondamentale importanza la scelta del tipo di sifone, se fisso o rotante e delle barre di turbolenza in base ai tipi di carta prodotti, alla velocità di produzione e alle pressioni di esercizio. Nel corso del progetto è da considerare le portate di vapore che attraversano i sifoni, i differenziali per ottimizzare la resa e l’eliminazione della possibilità di allagamento del cilindro essiccatore. I risultati degli impianti vapore e condensa hanno evidenziato valori interessanti nell’aumento della capacità di essiccamento e nella riduzione dei consumi specifici di vapore per unità di carta prodotta, le prestazioni di questi impianti hanno portato un notevole miglioramento Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 23 qualitativo nelle caratteristiche della carta e un profilo trasversale di umidità del foglio notevolmente più uniforme. 5.5.1 IMPIANTO A CASCATA L’allontanamento della condensa dagli essiccatori può avvenire nella giusta misura solo se si mantiene una differenza di pressione attraverso il sifone. Questa differenza deve essere abbastanza grande da permettere la evacuazione della condensa a mano a mano che si accumula e lo scarico di una quantità di vapore sufficiente per assicurare l’eliminazione continua dei gas non condensabili. Il flusso continuo del vapore favorisce anche la circolazione dello stesso all’interno dell’essiccatore. La portata del vapore fluente dipende dal differenziale di pressione, dal diametro del tubo del sifone, dal disegno della scarpa e dalla velocità di condensazione; pertanto non può essere regolata ad un valore predeterminato. Il differenziale occorrente per il drenaggio dell’essiccatore dipende dalla velocità della macchina, dal diametro dell’essiccatore e dal tipo di sifone. Le pressioni minime ottenibili in una seccheria (3 sezioni), conferiscono alla superficie dei cilindri della prima sezione temperature comprese fra 85 e 100 °C. Queste temperature di solito sono accettabili solo in macchine per carte di alta grammatura. Per molti tipi di carte, la temperatura di questi cilindri non deve superare 80-85 °C, mentre in taluni casi bisogna scendere fino a 65 °C, solitamente per non avere problemi di spolvero. L’allontanamento continuo della condensa, dell’aria e degli altri gas non condensabili dagli essiccatori permette di realizzare, nei limiti concessi dalle regolazioni dello scarico degli essiccatori, un essiccamento uniforme del foglio. La trasmissione del calore al foglio migliora e quindi occorre meno vapore per evaporare l’acqua del foglio. Tuttavia i risparmi più significanti provengono dal reimpiego della condensa, del vapore fluente e di quello di evaporazione. La condensa proveniente dalla macchina è approssimativamente satura alla pressione sotto la quale essa si trova nel sistema. La temperatura della condensa può andare da 60 °C fino a 175 °C, a monte della valvola di scarico, o di regolazione differenziale, della sezione di essiccatori. La condensa ed il vapore fluente provenienti dalla sezione sono condotti ad un separatore di vapore, dove la velocità della miscela si riduce notevolmente. Anche la direzione del flusso s’inverte, il che, insieme alla diminuzione della velocità, provoca la separazione della condensa più pesante dal vapore. Il livello della condensa nell’interno del separatore è mantenuto costante per mezzo di un regolatore di livello che agisce su di una valvola di regolazione, la quale strozza lo Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 24 scarico della pompa della condensa. La regolazione del livello della condensa nell’interno dei serbatoi fa sì che il sistema rimanga sempre chiuso e che al di sopra del pelo libero vi sia sempre uno spazio sufficiente perché avvenga la separazione del vapore dalla condensa. Se si vuole che il sistema sia veramente economico, si deve poter usare il vapore fluente, senza porre limiti alla flessibilità di funzionamento della macchina continua. Vi sono diversi sistemi che permettono di reimpiegare il vapore fluente nella seccheria; il più usato oggigiorno è quello chiamata “in cascata”. Secondo questa sistema il vapore fluente viene fatto passare in cascata attraverso le successive sezioni della seccheria, fino alla prima sezione di pochi cilindri, subito dopo le presse. Dopo quest’ultimo stadio, il vapore si scarica in un condensatore o, se la pressione residua lo permette, esso è utilizzato diversamente. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 25 Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 26 5.5.2. IMPIANTO A TERMOCOMPRESSORI L’impianto che verrà descritto in seguito è come il precedente che permette il recupero di vapore del vapore attraversante. Osservando la Figura che segue si nota una seccheria ipotetica costituita da 14 cilindri ma suddivisa in maniera un po’ diversa rispetto a quello dell’impianto a cascata. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 27 La maggior parte degli essiccatori (12), è raggruppata ed alimentata da una linea di distribuzione del vapore saturo in arrivo dalla centrale. Per regolare la pressione di esercizio del gruppo vi è una valvola PCV solitamente collegata con il controllo di umidità a fine macchina. Il liquido bifase viene in seguito estratto dai cilindri ed inviato al barilotto dove avviene la solita divisione fra vapore attraversante e condensa. A questo punto si nota la vera differenza esistente tra questo sistema ed il precedente. Invece di inviare il vapore attraversante ad un gruppo a pressione inferiore lo si invia ad un termocompressore che ha la stessa funzione di un compressore. Il suo scopo è quello di aspirare il vapore dal barilotto per poi ricomprimerlo alla pressione di esercizio dei cilindri e reimmetterlo nel collettore di alimentazione. Naturalmente il termocompressore ha bisogno di energia per effettuare l’aumento di pressione descritto precedentemente. Questa energia gli viene fornita da una linea di distribuzione del vapore separata che deve essere circa 8-10 bar. Questa apparecchiatura (Figura seguente) in definitiva non è altro che un tubo di venturi e dotata di tre attacchi: nel primo arriva il vapore ad alta pressione, nel secondo arriva il vapore aspirato dal barilotto e dal terzo, la mandata, esce il vapore da mandare al gruppo. Il vapore a 10 bar arrivando ad alta velocità e passando attraverso il tubo di venturi crea una forte depressione che permette di aspirare il vapore attraversante e di espellerlo alla pressione da noi desiderata. La quantità di vapore “motore” utilizzato dipende soprattutto dalla pressione dello stesso. Se invece di utilizzare del vapore a 10 bar venisse utilizzato del vapore a 15 bar ne servirebbe sicuramente di meno. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 28 Un vantaggio di questo tipo di impianto è dato dal fatto che i gruppi non devono essere più necessariamente a pressione decrescente ma si possono far funzionare tutti alla pressione che serve all’operatore ed inoltre non c’è più la necessità di creare una curva di essiccamento. Per dare una certa completezza allo schema dell’impianto a termocompressore ci sono i primi due cilindri che vengono alimentati separatamente da due valvole nel caso che, per un certo tipo di prodotto, si vogliano mantenere questi due essiccatori ad una temperatura e quindi una pressione inferiore. La flessibilità di questo sistema permetterebbe comunque di lavorare alla massima pressione sia sul gruppo principale che sui primi due cilindri visto che non vi sono più i vincoli presenti nell’impianto a cascata. Per quanto riguarda il vapore attraversante e la condensa valgono tutte le considerazioni elencate nel capitolo precedente. Dalla combinazione dei due tipi di impianti nascono la maggioranza dei sistemi presenti sulle macchine continue odierne. Qualche limitazione nasce dal tipo di centrale termica a disposizione perché l’impianto a cascata si può sempre avere, visto le basse pressioni di esercizio, mentre per l’impianto a vapore è necessario utilizzare una linea di distribuzione del vapore ad alta pressione. Questa linea non è possibile averla dove non sono presenti nelle turbine dei sistemi di estrazioni intermedia del vapore. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 29 6. AREAZIONE NELLA SEZIONE SECCHERIA E RECUPERO CALORE Nell’asciugare la carta è normale che si provochi un’interazione tra fibre, acqua e aria. Per poter migliorare il processo di essiccamento della carta bisogna saper gestire bene la ventilazione nella seccheria. Questo fattore inoltre aumenta d’importanza negli ultimi anni con l’incremento delle velocità di produzione per saper gestire la parte di ventilazione nella seccheria migliorando la “runnability”. L’esigenza di risparmio energetico è diventato sempre più importante. Tenendo conto delle funzioni ambientali, la ventilazione della seccheria ha richieste sempre più rigorose. In principio, le seccherie per l’asciugamento della carta erano sprovviste anche delle cappe. L’acqua evaporata dalla carta veniva semplicemente diffusa in sala macchina, e poi scaricata attraverso il tetto. Le condizioni di lavoro per gli operatori di macchina erano intuitivamente difficili. Con questo era inevitabile la formazione di condensa e quindi gocce d’acqua ovunque, persino la costruzione in se, andava via via deteriorando poiché l’acqua evaporata era libera di espandersi in tutta la sala macchina. Successivamente, sono nate le cappe aperte. Anche se queste hanno fatto una grande differenza ma si era ancora lontani dal rendimento energetico ottimale. Inoltre non esisteva nessun controllo sulle correnti d’aria provenienti dall’esterno, e flussi che si creavano all’interno della seccheria. Lo sviluppo, infine, ha portato a separare completamente la seccheria dalla sala macchina usando cappe chiuse, compreso lo scantinato. Allo stesso tempo, si studiò un metodo per gestire l’aria presente in quest’ambiente, con metodi differenti, oltre a studiare un rifornimento controllato di aria nella seccheria. Poco dopo cominciarono a cambiare le esigenze nei confronti della ventilazione nella seccheria. Nelle macchine di oggi, i sistemi di ventilazione dovrebbero essere parte integrante del processo di fabbricazione della carta. Il sistema di ventilazione di una seccheria e di una cappa deve poter effettuare molte funzioni di base importanti, quali: • “bloccare” e rimuovere l’aria nella seccheria; • generare un ambiente controllato e favorevole per il processo di essiccamento; • migliorare l’utilizzo di energia e l’economia nel processo di essiccamento; • migliorare la “runnability” della macchina, non solo per mezzo di sistemi di runnability, ma anche con la distribuzione ed un controllo adeguato delle correnti d’aria lungo tutta la sezione della seccheria; Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 30 • garantire buone condizioni di lavoro nella sala macchina in termini di calore, umidità e rumore; • proteggere la costruzione e la macchina in se dal deterioramento dovuto all’umidità; • ridurre le emissioni quali rumore e foschia nella parte esterna del fabbricato. 6.1 SISTEMI DI ARIA DELLA SEZIONE DELL’ESSICCATORE Il sistema di ventilazione della seccheria consiste essenzialmente di seguenti sottosistemi: • recinzione del sottomacchina e della parte superiore. • sistemi dell’aria di scarico; • sistemi d’introduzione aria; • distribuzione dell’aria (pocket ventilation, blow-boxes, ecc.); • sistema di recupero di calore; Oltre a questi sistemi tradizionali, componenti principali delle installazioni moderne sono i sistemi di attenuazione del rumore, e perfino della foschia e del pulviscolo. Per ottenere un sistema ben funzionante tutte queste parti dovrebbero essere ben dimensionate nell’insieme. Solitamente l’aria di scarico, che contiene l’acqua evaporata nella seccheria, viene rimossa dalla cappa chiusa. L’aria che viene introdotta per il rinnovo di aria secca, è preriscaldata, solitamente in un sistema di recupero calore usando l’aria di scarico, altre fonti di calore (vapore vivo, vapore di flash) o entrambe. Successivamente è riscaldata anche in serpentine di vapore ed è distribuito dalle blow-boxes, pocket ventilation, ecc. all’interno della cappa. Una certa quantità entra nella cappa (circa il 25% di tutta l’aria da rifornire) come fughe di aria, principalmente attraverso lo scantinato. Le domande di base da porsi prima di progettare un sistema di ventilazione sono: • come dovrebbe essere la recinzione della seccheria per funzionare correttamente, evitando le fughe di calore, di aria ed effettuare un ambiente favorevole al processo di essiccamento? • come e dove, l’aria calda e umida verrà estratta dal sistema? • come, dove e quanta aria verrà introdotta nel sistema? • se usando l’aria riciclata, da dove dovrebbe essere presa e dove dovrebbe essere usata? Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 31 6.2 CAPPE DELLA SECCHERIA Le cappe aperte non sono utilizzate oggi, ma le cappe semi-aperte ancora trovano uso su alcune macchine, quelle più piccole e vecchie. Tutte le nuove seccherie vengono ormai fornite di cappe chiuse, offrendo grandi vantaggi nell’essiccamento della carta, quali controllo, gestione dell’aria e risparmio energetico. Con una cappa completamente chiusa, la seccheria è separata dal resto della macchina e realizzando i seguenti benefici: • le condizioni d’essiccamento del foglio sono più favorevoli ed uniformi con l’eliminazione delle correnti d’aria e delle infiltrazioni dall’esterno della seccheria. Nella figura seguente esempi di esposizione di profili di umidità trasversale del foglio ottenuti con una scarsa ventilazione della tasca in una seccheria semi-aperta. Tipico profilo di umidità trasversale del foglio causato da una scarsa ventilazione in una sezione essiccante con cappa a tetto aperto. • l’economia energetica è migliore, in quanto il consumo di energia nella seccheria cala quando le perdite di calore diminuiscono. La capacità di usare l’aria di scarico con un alto contenuto di umidità riduce l’esigenza di aria per il rifornimento del riscaldamento al sistema ed aumenta la potenzialità totale per il recupero di calore; • le condizioni di lavoro in sala macchina sono migliori in quanto la percentuale di acqua nell’aria e la temperatura della stessa sono significativamente inferiori. Le pareti della cappa inoltre attenuano il rumore della macchina; Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 32 • la costruzione ed i suoi componenti ricevono protezione poiché la cappa impedisce all’aria umida di diffondersi in sala macchina in cui potrebbe condensare e creare problemi. 6.2.1 SCARICO DELL’ARIA UMIDA “L’aria umida” o “Umidità specifica” indica la quantità di vapore acqueo rispetto alla quantità di aria asciutta (Kg H2O /Kg aria secca). Per ottenere questo valore si può utilizzare lo psicrometro a due bulbi. Le temperature del bulbo secco ed umido vengono misurate e l’umidità specifica può essere calcolata con le seguenti formule: pv1 = exp [11,78(( ZW – 99,64) ⁄ (ZW +230))] xv1 = 0,62197 (pv1⁄(p-pv1)) x= [1,0048(ZW-Zd)+ xv1(2501-2,3237Zw)] ⁄ (2501 + 1,86Zd – 4,19 Zw) Dove p è la pressione [bar] (1,013 a livello del mare) x l’umidità dell’aria [kg H2O⁄kg di aria secca] Ζw la temperatura misurata del bulbo umido [°C] Ζd la temperatura misurata del bulbo secco [°C] L’umidità dell’aria di scarico è un parametro importante per una cappa perchè correla la quantità di acqua evaporata che viene trasportata dall’aria di scarico della seccheria. Un’alta umidità dell’aria di scarico indica, a parità di rendimento, un minor uso di aria. 6.2.2 PUNTO DI RUGIADA Il punto di rugiada è la temperatura alla quale l’umidità presente nell’aria comincia a condensare quando l’aria è ulteriormente raffreddata. Il punto di rugiada varia con l’umidità dell’aria, in altre parole, le strutture della macchina con una temperatura uguale o inferiore al punto di rugiada raffredderanno l’aria circostante e causeranno la condensazione. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 33 6.2.3 LIVELLO DI PRESSIONE ZERO ED EQUILIBRIO DELL’ARIA La densità dell’aria è una funzione della temperatura, dell’umidità e della pressione. La densità dell’aria può essere calcolata con la seguente formula: ρ = [216,67 p(x+1)] ⁄ (273,15+t)(x+0,622) Dove ρ è la densità, kg/m2 [aria umida] p x t la pressione, bar (1,013 a livello del mare) l’umidità dell’aria [kg H2O⁄kg d.a.] temperatura [°C] Per costruzioni in cui la temperatura dell’aria, l’umidità o entrambe sono superiori a quella dell’aria all’esterno, esisterà una differenza nella densità tra l’aria nella costruzione e l’aria esterna più fredda. Questa differenza nelle densità causa il cosiddetto “effetto del camino”. Cioè una differenza di pressione si sviluppa tra la parte interna e la parte esterna della recinzione della cappa. Questa differenza cambia nel senso verticale. La parte superiore della recinzione è leggermente in sovrapressione e la parte inferiore è leggermente sotto pressione confrontato alla parte esterna. Il livello ove le pressioni all’interno e fuori dalla recinzione sono uguali è il livello zero. La parte superiore della macchina continua è sempre in sovrapressione e la parte inferiore in sotto pressione, le differenze di pressioni sono più grandi durante l’inverno o periodi freddi. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 34 Figura 2. Livello zero di una macchina da carta e seccheria con cappa chiusa. Le differenze di pressione prevalgono sempre nella cappa, ma il livello zero dovrebbe equilibrare le correnti d’aria di rifornimento alla cappa secondo le indicazioni in fig. 3. Il livello zero dovrebbe essere regolato là dove vi sono le aperture più grandi, cioè all’inizio della seccheria dove, entra il foglio ancora umido e alla fine, dove il foglio esce ormai asciutto, questo per minimizzare le correnti d’aria proveniente da queste aperture. Il rivestimento superiore delle porte che si elevano è un altro punto potenziale di perdita. In pratica, questo significa che il livello zero normalmente dovrebbe essere circa 2-2,5 m sopra il livello del pavimento di lavoro. Lo scantinato in sottopressione causa la perdita di aria fredda in questa zona della cappa, la temperatura delle fughe d’aria è solitamente 20 °C-30°C, ragionevolmente bassa. Questo influenza negativamente sul consumo energetico della sezione essiccante. Ancora, un rischio per condensa esiste quando questa aria fredda incontra l’aria umida all’interno della cappa. Questa situazione è più dannosa se la corrente d’aria del rifornimento è troppo piccola, il livello zero è troppo alto. I portelli dello scantinato ed in qualunque altra parte della cappa devono rimanere correttamente chiusi, sempre. Una corrente d’aria di rifornimento troppo grande causa una pressione eccessiva nella cappa che condurrà il livello zero ad abbassarsi. L’aria calda ed umida evaporata dal Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 35 foglio di carta allora causerà condensazione sulle parti della macchina, generando un clima povero in sala macchina. Queste correnti d’aria, quella evaporata dal nastro di carta possono causare il fenomeno di fluttering (sbattimento) o persino rotture del foglio. Un’attenzione particolare è necessaria nella zona umida dove, di solito il livello zero è più basso. Più basso perché i giri delle tele essiccatrici pompano aria verso l’estremità umida, e ottenere uno scarico efficiente in questa zona a volte richiede qualche difficoltà. RECINZIONE Figura 3. Equilibrio dell’aria in una cappa chiusa. 6.2.4 GESTIONE DELL’ARIA DI SCARICO IN UNA CAPPA CHIUSA L’acqua che è volatilizzata è trasportata dall’aria di scarico della cappa. Per fornire il controllo completo delle correnti d’aria, l’aria di scarico dovrebbe passare attraverso un falso soffitto lungo tutta la lunghezza della seccheria. Alcuni progetti di cappe usano uno o più condotti anziché un soffitto falso. L’effetto dei tassi differenti di evaporazione nelle diverse parti della seccheria può essere compensato registrando il flusso dell’aria di scarico. Con un falso soffitto di grande dimensione, sono anche possibili regolazioni separate, questo per tentare di eliminare i flussi trasversali. In questo modo, la portata dell’aria di scarico e quindi l’umidità dell’aria di scarico può essere ottimizzata in ogni sezione della cappa. Questa regolazione solitamente viene effettuata nel momento dello start- Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 36 up (avviamento macchina), o ogni volta che è necessaria una regolazione più vasta dell’equilibrio della cappa. A volte gli aspiratori vengono installati verso l’estremità umida della cappa, sopra i gruppi dell’essiccatore, per ridurre l’aria pompata in questa zona dai giri delle tele essiccatrici. Questo accade soprattutto nelle macchine veloci dove la seccheria è totalmente uno-run (slalom). Nella zona centrale della seccheria, dove l’evaporazione è elevata, l’umidità dell’aria di scarico può raggiungere livello molto alto e può essere così esaurita dal sistema della cappa. 6.2.5 FUNZIONI GENERALI DI UNA CAPPA CHIUSA La recinzione dello scantinato e della cappa dovrebbero per quanto possibile essere chiuse ermeticamente. Ciò impedirà l’infiltrazione delle fughe di aria fredda dallo scantinato. L’aria umida inoltre non fuoriuscirà dalla parte superiore della cappa per poi condensare. Un riguardo particolare è necessario per quanto riguarda infiltrazioni negli alberi motore, cavi, condotti, ecc… nelle pareti della cappa e nel tetto. Le pareti della cappa dovrebbero avere un isolamento sufficiente per minimizzare la perdita di calore che si trova all’interno della stessa. Allo stesso tempo, la temperatura delle superfici interne delle pareti della cappa ed il tetto rimangono alte per evitare la condensazione. Le tecniche di fabbricazione così come il lavoro d’installazione del campo per i pannelli della cappa dovrebbero essere tali da ottenere buona precisione ed elevata qualità. Una bassa qualità provocherà inevitabilmente punti di fuoriuscita. Anche se l’umidità dell’aria di scarico è una base comune per specificare il livello di umidità del sistema nella cappa, questa deve poter sostenere l’umidità sostanzialmente più alta dell’aria presente all’interno della cappa. Questi picchi di umidità sono dovuti agli alti tassi locali di evaporazione, ecc… Ad esempio, il sistema della cappa garantito per 0,160 kg H2O/kg d.a. di umidità dell’aria di scarico devono poter sostenere almeno 0,200 kg H2O/kg d.a. all’interno della cappa. Tutte le cappe, verso il lato servizio, sono provviste di portelli, scorrevoli verso l’alto, con finestre di vetro, termiche. Dal lato comando della cappa, come nella recinzione dello scantinato, ci sono portelli scorrevoli. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 37 6.3 VENTILAZIONE DELLA SECCHERIA Un fattore importante sia per la capacità d’essiccamento che per l’uniformità del foglio è la distribuzione corretta di aria secca. L’umidità dell’aria vicino al foglio deve rimanere ad un livello ragionevolmente basso poiché è una forza di azionamento dell’evaporazione. Bisogna garantire circostanze favorevoli nei punti più difficili se questo risulta necessario. Se l’ambiente non è arieggiato correttamente, l’umidità tende a raccogliersi nella tasca dell’essiccatore causando quindi un’evaporazione ridotta, diminuendo così l’efficienza d’essiccamento. Inoltre, correnti d’aria incontrollate, come i sistemi mal progettati di ventilazione, possono causare profili d’umidità trasversali irregolari. Un’altra funzione importante della distribuzione dell’aria di rifornimento è l’esigenza di eliminare i rischi di condensazione nelle parti critiche della seccheria. Durante gli anni, le configurazioni delle seccherie hanno subito svariati sviluppi. Negli anni ‘70 è stata introdotta la singola tela (uno-run), e con l’incremento delle velocità questa tecnica si è estesa sempre più verso l’estremità della seccheria. Oggi, le macchine più veloci sono esclusivamente uno-run. Lo sviluppo nelle configurazioni delle macchine inoltre ha portato un cambiamento nella permeabilità delle tele essiccatrici, importante nella ventilazione della seccheria e questa caratteristica è estremamente importante anche per la funzione delle “blowboxes” o stabilizzatori del foglio. La permeabilità corretta della tela nella zona dello slalom è di 1000-2000 m3/m2h. Nel primo gruppo con doppia tela, la permeabilità è circa 2500 m3/m2h, nei gruppi successivi è circa 3000-4000 m3/m2h. L’aria di rifornimento è distribuita all’interno della seccheria principalmente dalle “blow-boxes”. Sono disponibili svariati tipi di blow-boxes per differenti tipi di carta, in base alla grammatura, allo spessore del cartoncino, con configurazione della seccheria e velocità della macchina. Queste cassette non hanno solo il compito di rifornire aria secca vicino al foglio, e quindi migliorare l’asciugamento, ma in parte sono destinate ad improvvisare la runnability del foglio. Figura 4. Tipi di cassette per differenti tipi di carta e tipologia di macchina. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 38 La figura 4 ci mostra tutte le cassette oggi a disposizione: • stabilizzatori trasferimento presse (1) • stabilizzatori trasferimento seccheria (2) • doppio stabilizzatore su tela slalom (3) • stabilizzatore per tela slalom (4) • cassa condizionatrice per tela slalom (5) • stabilizzatore su scambio tela (6 • stabilizzatore per gruppi a doppia tela (7) • cassa soffiante per tela essiccatrice (8) • cassa condizionatrice per ritorno tela (9) 6.3.1 CONCETTI DI POCKET VENTILATION Prima degli anni ’60, i feltri o tele essiccatrici erano virtualmente non permeabili. Ciò ha significato che le tasche dell’essiccatore erano difficili da arieggiare. Tipicamente, l’aria di rifornimento veniva insufflata ad alta velocità, su uno o entrambi i lati della tasche, notando inefficienza soprattutto sulle macchine larghe. Inefficiente, in quanto il profilo trasversale di umidità del foglio era abbondantemente irregolare. Le tele essiccatrici, soprattutto dove abbiamo la doppia-tela (superiore ed inferiore), oggi hanno un’elevata permeabilità per facilitare il flusso dell’aria di rifornimento nella tasca attraverso la stessa. Una tela con un’alta permeabilità inoltre, genera il pompaggio dell’aria che potrebbe causare problemi ad alte velocità. Questo esprime le richieste rigorose sul disegno dei sistemi di ventilazione della tasca per le macchine ad alta velocità. L’aria che viene pompata nella tasca dell’essiccatore è in funzione della velocità della macchina, del tipo della tela essiccatrice, della sua permeabilità e della geometria della macchina. Figura 5. Flussi d’aria in una tasca essiccante con doppia tela. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 39 La figura 5 mostra le correnti d’aria tipiche intorno ad una tasca che non ha un ventilatore della stessa (in un gruppo con doppia tela). La tela genera una corrente d’aria considerevole di strato di contorno. Nel punto di contatto ricevuto, si presenta una zona sottopressione che succhia l’aria attraverso la tela nella tasca. In uscita dal punto di contatto, si presenta una zona in sovrapressionee una forza di aria attraversa la tela fuori dalla tasca. Questa “ventilazione naturale” della tasca è sfavorevole per la produzione cartaria, in quanto l’aria ricevuta è molto umida. Inoltre con una tela più aperta, avremo un maggiore fenomeno di fluttering e una tasca incontrollata. Usando tele meno permeabili si può ridurre il fenomeno di fluttering, questo però causa un’irregolarità di umidità trasversale nella tasca, i bordi saranno eccessivamente secchi e al centro avremo un’alta percentuale di umidità. Figura 6. Effetto di permeabilità differente della tela sul profilo di umidità dell’aria in direzione trasversale in una tasca senza ventilatore. La figura 6 mostra l’effetto di permeabilità differente della tela sul profilo di umidità dell’aria in direzione trasversale in una tasca senza ventilatore. Se profili di questo tipo sono prevalenti in molte tasche della seccheria, si otterrà un profilo irregolare d’umidità del foglio. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 40 Ciò significa che è necessario introdurre sistemi efficienti di ventilazione della tasca. Questi possono portare l’umidità della tasca ad un valore ragionevole, quindi avere un profilo trasversale uniforme ed eliminare i fenomeni di fluttering. Per varie tipologie e velocità di macchina, e per supplire a differenti fenomeni si dovranno ricercare soluzioni differenti. PESO DI BASE La figura 7 mostra un metodo per la selezione del ventilatore adatto della tasca per le applicazioni differenti con i ventilatori disponibili in commercio. 6.3.2 VENTILATORI PER CARTE DA STAMPA O DA SCRIVERE Un esempio base di pocket ventilator che sono usati per una grande varietà di macchine veloci. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 41 Figura 8. Ventilatore per tasca. In questo concetto il becco nella punta della cassa soffiante porta aria di rifornimento nella tasca, lasciandola passare attraverso la tela. Allo stesso tempo, l’alta velocità del getto arresta lo strato limite di aria umida proseguendo in avanti con la tela entrando nella tasca. Lo scopo è di minimizzare le correnti d’aria assiali nella tasca, equilibrandola. A volte si concede una leggera sovrapressione per evitare l’eccessivo essiccamento del bordo. Nella figura successiva (figura 9) possiamo vedere il profilo d’umidità misurato in una tasca quando il ventilatore è acceso e quando è spento. Figura 9. Influenza di un ventilatore nel tasso di umidità dell’aria nella tasca. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 42 Nelle seccherie tradizionali, la prima sezione è a doppia-tela, ed è un ostacolo per l’incremento della velocità, in quanto aumenta il fenomeno di fluttering e si presenta l’instabilità nel tiro libero tra i cilindri superori e quelli inferiori. Questo problema di runnability potrebbe essere risolto dall’estensione della uno-run, ma la capacità essiccante inevitabilmente diminuirebbe con la conseguenza di rimuovere cilindri essiccatori efficaci. Un’alternativa alla singola tela potrebbe essere quella di disporre il rullo della tela verso l’estremità bagnata, minimizzando così il tiro libero nella doppia tela. Questo permette che la tela essiccatrice sostenga il foglio più a lungo, diminuendo la distanza tra i cilindri essiccatori. Questa soluzione richiede un sistema che mantenga il foglio ben aderito alla tela essiccatrice, o accadranno gli stessi fenomeni che si presentano alla singola tela. Il foglio potrebbe staccarsi dalla tela quando questa lascia il cilindro essiccatore. In commercio ci sono blow-boxes che hanno lo scopo di rifornire aria secca nella tasca e di mantenere il foglio di carta ben aderito alla tela essiccatrice, come possiamo vedere nella figura che segue (Fig. 10). Figura 10. Dietro la tela viene generata una depressione, insufflando aria, tangenzialmente alla tela verso l’alto e nei due lati, usando lo stesso tipo di becco dei blow-boxes per la runnability . Dall’altro lato della blow-box viene soffiata aria per la ventilazione della tasca. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 43 La posizione del becco e la direzione del getto d’aria sono fattori importanti poiché la cassetta deve soffiare l’aria nella tasca contro l’effetto del pompaggio naturale della tela. Questa cassetta è divisa in 2 sezioni, e richiede molta aria a causa delle due funzioni che effettua. Per questo motivo, solitamente, la cassetta viene alimentata da aria secca e aria riciclata dalla sezione essiccante. Di conseguenza, l’umidità della tasca in questo caso è di circa 30-70 g H2O/kg aria secca, superiore rispetto ad una tradizionale doppia-tela, quindi questa sezione avrà un tasso di evaporazione più basso rispetto alla classica doppia tela. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 44 6.3.3 VENTILATORI PER SINGOLA-TELA O UNO-RUN Nella singola-tela, o uno-run non c’è “tasca” e la geometria della sezione essiccante è aperta permettendo un buon ricambio d’aria. La uno-run, per quanto riguarda le macchine un po’ meno veloci viene usata all’inizio della seccheria e serve maggiormente ad innalzare la temperature della carta. Nelle macchine più veloci la maggior parte d’acqua è evaporata dopo che il foglio ha lasciato il cilindro riscaldato e viaggia sopra il rullo, soprattutto dal lato del foglio che non è in contatto con la tela la quale ostacola lo scambio termico. L’aria di rifornimento dovrebbe essere portata in un modo controllato in questa zona per aumentare l’evaporazione diminuendo l’umidità dell’aria, anche perché questa geometria aperta è più sensibile alle correnti d’aria trasversali di macchina, che potrebbero gravare sui profili. Introdurre aria di rifornimento nella uno-run, è inoltre importante per il controllo del livello zero. Particolare attenzione, in fase di progettazione si dovrà tenere conto di un eventuale caso di rottura con il rischio di intasamento per permettere una facile rimozione della zona. La seguente figura (Fig. 11), rappresenta un esempio di blow-box per questa applicazione. Figua 11. Ventilatore per singola tela. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 45 Questo ventilatore fornisce l’aria di rifornimento lungo tutto il formato verso il punto di contatto di apertura quando la carta lascia il cilindro essiccatore, dopodiché l’aria segue il rullo. L’aria è quindi vicino al foglio, dove l’evaporazione è ad un livello relativamente alto, ma il getto dell’aria calda inoltre crea una pressione negativa evitando il distaccamento del foglio dalla tela essiccatrice, per creare la depressione l’aria viene insufflata tangenzialmente alla tela verso sopra e nei due lati. La posizione sotto la trave serve a proteggere la cassetta dalle rotture. 6.3.4 POCKET VENTILATION PER CARTE PIU’ PESANTI Per cartoncini più pesanti, come quelli da packaging, vengono usate pressioni del vapore più alte, questo rende elevati i tassi d’essiccamento e quindi elevata umidità nelle tasche; per questo motivo una grande quantità di aria secca dovrà essere soffiata in questa zona. Fig 12. Ventilatore di tasca per grammature pesanti. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 46 In questa figura è rappresentato un esempio di pocket ventilation per cartoncino. Ha grandi correnti d’aria, ma le perdite di pressione allo stesso tempo sono basse, dovute al tipo di sistema interno di distribuzione dell’aria nella blow-box. Questo sistema inoltre dà molta uniformità nella distribuzione dell’aria. L’apertura del becco in questi casi è più grande del solito, e può arrivare anche ad un’ampiezza pari a 100 mm per le carte più pesanti. 6.3.5 PARAMETRI POCKET VENTILATION Per favorire l’evaporazione, l’umidità della tasca in una macchina continua con pressioni di vapore relativamente basse, circa 2 bar, dovrebbe essere circa 0,150-0,200 kg H2O/kg aria secca. L’umidità della tasca 0,200-0,300 kg H2O/kg aria secca si può considerare sufficiente in macchine con pressione del vapore più alto. Una ventilazione sufficiente della tasca può quindi i tassi di secchezza del 2-10 % rispetto ad una situazione di ventilazione completamente incontrollata. Solitamente sono i fornitori a specificare la richiesta d’aria per i ventilatori della tasca. Gli importi inoltre dipendono sia dalla quantità disponibile di rifornimento, tenendo conto dell’equilibrio dell’aria nella cappa, sia dagli elementi per la distribuzione dell’aria di rifornimento nella seccheria. La permeabilità della tela ha un influenza significativa sulla funzione dei ventilatori della tasca. Con le tele sporche, ostruite, entrerà meno aria nella tasca. Ancora, il profilo trasversale di permeabilità della tela dovrebbe essere uniforme o un profilo irregolare si presenterà come umidità della tasca. Come noto, un’operazione di base nella ventilazione della seccheria è la creazione di un ambiente favorevole per l’essiccamento della carta. L’umidità dell’aria vicino al foglio è importante perché una bassa umidità aumenta notevolmente l’evaporazione. Ciò significa che l’aria di rifornimento fornita dai ventilatori e dalle blow-boxes della tasca alle zone dove avviene l’evaporazione dovrebbe essere il più secca possibile. La temperatura è un altro parametro dell’aria di rifornimento ma svolge un ruolo relativamente insignificante nel processo di evaporazione di una seccheria pluricilindrica. Con una temperatura elevata nell’aria di rifornimento di una cappa chiusa, le tele essiccatrici saranno riscaldate e le temperature delle tasche aumenteranno, conducendo il foglio ad una temperatura più alta. Questo fenomeno accade sia nella uno-run che nella doppia-tela. Solo quando la temperatura dell’aria di rifornimento passa da 80°C-90°C a 120°C130°C si nota un aumento del tasso di evaporazione, tasso però trascurabile. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 47 Mentre il consumo di vapore nei cilindri è diminuito leggermente, si nota che usando temperature dell’aria più alte il consumo del vapore per il riscaldamento dell’aria di rifornimento aumenta considerevolmente. L’aumento netto del consumo di vapore nella seccheria è circa del 2%. Una temperatura adatta dell’aria di rifornimento è 90°C-95°C. Con le pressioni ragionevoli di vapore del cilindro ed un livello d’umidità circa dello 0,160 kg H2O/kg aria secca, questo conduce ad una temperatura dell’aria di scarico circa di 20°C sopra il punto di rugiada, quindi un po’ sopra a 80°C. Temperature dell’aria di rifornimento più basse, circa 85°C possono essere usate se la costruzione della cappa e la distribuzione dell’aria nella cappa lo permettono. 6.3.6 I PROFILI PER MEZZO DELLA VENTILAZIONE Poiché l’aria secca di rifornimento che è introdotta in una tasca può influenzare anche il tasso di evaporazione, la ventilazione della tasca può anche tenere sotto controllo il profilo di umidità del foglio regolando la quantità di aria di ventilazione della tasca in direzione trasversale della macchina. Il controllo del profilo usando la ventilazione è un metodo piuttosto impreciso. Anche se le sezioni di delineamento fossero molto strette, l’aria si sparge appena entra nella tasca, questo accade a causa dei giri della tela e dalla turbolenza all’interno della zona. È praticamente impossibile ottenere variazioni locali distinte nell’umidità dell’aria. I ventilatori della tasca possono quindi influenzare soltanto le variazioni più grandi nel profilo di umidità del foglio. Le sezioni corrispondenti di profilo in tutti i ventilatori della tasca possono solo essere completamente aperte o completamente chiuse. Nella fig. 13 c’è un esempio di un profilo di umidità con le sezioni di delineamento aperte su un lato e chiuse sull’altro. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 48 Figura 13. Profilo di umidità trasversale con pocket ventilation. Con le tendenze più recenti nella tecnologia della seccheria le possibilità per agire sul profilo usando le pocket-ventilation stanno diminuendo ulteriormente. La parte della macchina con doppia-tela sta diventando considerevolmente più corta e le macchine veloci sono completamente a tela-singola. In più, le tele essiccatrici aumentano gli importi d’aria pompando la stessa nelle tasche, questo accade soprattutto alle alte velocità. Non esistono grandi differenze di umidità nelle tasche. In altre parole, il potenziale di correzione è diminuito. A causa di questi motivi, in alcune macchine, i ventilatori delle tasche hanno solo sezioni sui bordi. Queste però, richiamano il problema potenziale dei bordi eccessivamente secchi. Correggere i problemi di profilo richiede una buona conoscenza nelle cause quali le tele essiccatrici parzialmente ostruite, variazioni di temperatura in superficie del cilindro, ecc… Oltre alla seccheria, anche la cassa d’afflusso, la formazione e la sezione presse sono importanti per quanto riguarda il profilo. Se i picchi, nel profilo esistono prima di entrare in seccheria, la ventilazione non potrà correggerli. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 49 6.4 TIPI DIFFERENTI DI SCAMBIATORI DI CALORE 6.4.1 SCAMBIATORE DI CALORE ARIA/ARIA (SCAMBIATORE DI CALORE CHR) In questo tipo di scambiatore, l’aria di scarico, calda ed umida riscalda una corrente d’aria, solitamente quella di ventilazione della seccheria o l’aria di ventilazione della sala macchina. Lo scambio di calore avviene attraverso una superficie di calore e non avviene nessun contatto tra i due flussi. Nei sistemi di recupero di calore per le cappe chiuse, il trasferimento di calore dello scarico nell’unità per l’aria di rifornimento della cappa è costituito parzialmente da condensazione e parzialmente da convezione, in base all’umidità dell’aria di scarico e dalla temperatura iniziale dell’aria di rifornimento. Nei sistemi di recupero di calore per una cappa di una macchina “Yankee” solitamente non troveremo nessuna condensazione a causa delle temperature elevate. La condensazione, la troveremo sempre, quando invece parleremo dell’aria di rifornimento per la sala macchine. Dal lato dell’aria di rifornimento avviene uno scambio di calore a secco e convettivo. Lo scambiatore di calore in sé può essere di due tipi: • scambiatori di calore a piastre con flusso trasversale, aventi numerose piastre parallele, tutte unite insieme. Solitamente l’aria di scarico passa attraverso ogni intercapedine, di solito in direzione verticale per permettere che il condensato e l’acqua di pulizia fluiscano liberamente verso il basso. L’aria di rifornimento invece passa attraverso le intercapedini orizzontali; • scambiatore di calore a tubi con flusso trasversale, le piastre laterali uniscono tutti insieme parallelamente i numerosi tubi: l’aria di scarico attraversa in un senso verticale mentre le correnti d’aria di rifornimento passano attraverso i tubi, chiusi in un alloggiamento. Il rapporto tra il lato dello scarico ed il coefficiente di scambio del calore di rifornimento è di 8:1. 6.4.2 SCAMBIATORE DI CALORE ARIA/ACQUA (SCAMBIATORE DI CALORE AHR) Questo tipo di scambiatore viene utilizzato per trasferire calore dall’aria uscente all’acqua. Questo consiste in scambiatori detti AHR costituiti da piastre giuntate che sono state collegate tra di loro dal lato dell’acqua. Un tipico scambiatore AHR è costituito da circa cento piastre nelle quali circola acqua; queste sono sovrapposte in Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 50 due linee. L’acqua viene immessa nella fila di piastre superiori e l’aria, solitamente, proviene da sotto. Il calore si trasferisce dall’aria di scarico umida, soprattutto attraverso la condensazione, sulla superficie di scambio dalla quale poi viene trasferito in modo convettivo al flusso d’acqua da riscaldare. Figura 14. 6.4.3 SERPENTINA DI RISCALDAMENTO LAMELLARE Le serpentine sono scambiatori di calore dall’acqua all’aria. Queste trasferiscono il calore che è stato recuperato dall’unità AHR dall’acqua all’aria da riscaldare. Le serpentine consistono in tubi affiancati attorno ai quali sono fissate delle alette, disposte perpendicolarmente rispetto all’asse del tubo in cui passa l’acqua. L’aria viene diretta contro i tubi ad alette della serpentina. Il calore viene trasferito dall’acqua in maniera convettiva alla superficie interna del tubo da qui fino alle alette. Dalle alette il calore si trasferisce in modo convettivo al flusso d’aria che deve essere riscaldato. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 51 6.4.4 SCRUBBER (MISCELATORE) Lo scrubber è uno scambiatore di calore in cui l’aria e l’acqua sono in contatto diretto. Viene utilizzato per trasferire calore dall’aria di scarico della seccheria all’acqua di processo. Uno scrubber è costituito da ugelli, il cui numero dipende dalla portata del flusso dell’acqua. Questi sono posizionati in modo che ci siano 3-4 m di caduta prima dello scambiatore di calore sottostante. L’acqua che cade verrà raccolta prima che tocchi la superficie della scambiatore di calore, in questo modo non viene compromessa l’efficienza dello scambiatore stesso. Nello scrubber il calore viene trasferito dall’aria uscente umida, principalmente attraverso condensazione, direttamente dall’acqua che deve essere riscaldata. 6.4.5 TORRE CHR La torre CHR è il tipo di sistema di recupero calore più vecchio che esiste sul mercato. A seconde della grandezza della macchina, il sistema comprende una o più torri CHR simili. Una torre è composta da due scambiatori CHR e uno scrubber. Nella posizione più bassa della torre troviamo uno scambiatore CHR dove l’aria, presa dalla sala macchina, viene riscaldata per essere utilizzata come aria d’alimentazione della seccheria. Al centro troviamo un altro scambiatore CHR, di dimensioni maggiori, in cui l’aria esterna viene riscaldata per essere utilizzata come aria di ventilazione della sala macchina. Nella parte superiore si trova uno scrubber per riscaldare l’acqua di processo. L’acqua che è stata riscaldata dallo scrubber passa attraverso gli scambiatori CHR sottostanti, scaldandosi ulteriormente e contemporaneamente lavando le superfici degli scambiatori. In questo modo si ottiene una temperatura più alta dell’acqua di processo, ma la quantità di calore recuperato per l’aria entrante è relativamente piccola. La temperatura dell’aria entrante può essere innalzata mettendo il suo scambiatore CHR vicino alla torre, in modo da evitare il gocciolamento dell’acqua di processo sulla superficie di riscaldamento. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 52 Torre CHR 6.4.6 TORRE AHR Nella torre AHR il calore non viene trasferito al flusso d’aria, ma semplicemente all’acqua. Il sistema di recupero consiste in una torre singola. Nello scambiatore di calore AHR, posto sul fondo della torre, il calore viene trasferito dall’aria di scarico all’acqua che circola in un circuito chiuso. L’acqua riscaldata viene pompata nell’impianto della cartiera e portata dove è necessario. L’aria di alimentazione della seccheria e l’aria di ventilazione della sala macchina vengono riscaldate con l’acqua in circolo nelle serpentine laminate. Il circuito dell’acqua è provvisto di una serpentina a vapore che assicura il rifornimento di calore anche durante le rotture. La serpentina a vapore viene utilizzata anche per riscaldare ulteriormente l’acqua in circolazione quando la temperatura ambientale è più bassa. Nella parte superiore della torre, l’acqua di processo può essere riscaldata sia nello scambiatore di calore AHR che nello scrubber. Quando viene utilizzato uno scrubber, l’acqua di processo deve essere rimossa prima che entri nell’unità AHR. Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 53 Torre AHR 6.4.7 TORRE CAHR Il sistema CAHR è, al giorno d’oggi, il più utilizzato sulle nuove macchine continue. Di fianco alla torre, si trova uno scambiatore di calore CHR per riscaldare l’aria entrante. Nel centro della torre è posizionato un normale sistema AHR, che viene utilizzato per riscaldare l’acqua di processo e quella in un circuito chiuso, che vengono utilizzate che vengono utilizzate per riscaldare altre parti della macchina. Durante le rotture e le fermate, quando non si può ricevere calore dal sistema di recupero, l’acqua che circola nel sistema AHR viene riscaldata dalla serpentina a vapore. L’acqua di circolazione viene utilizzata per riscaldare ad esempio l’aria di ventilazione della sala macchina e l’aria di raffreddamento dei motori elettrici. Per quanto riguarda il sistema di lavaggio, vi è un metodo valido per tutti e tre i sistemi. C’è un sistema di lavaggio dal lato dell’aria uscente di ogni scambiatore di calore. Le tubazioni di lavaggio del CHR sono state installate nella camera dell’aria uscente. La larghezza di lavaggio massima di una tubazione è circa di 1200 mm. La portata d’acqua di una tubazione di lavaggio è di 5 kg/s con una pressione di 1,5-2.0 bar. Il tempo di lavaggio normale per un tubo è 1 min/h (ogni tubazione di lavaggio funziona una volta ogni ora per il tempo di un minuto). Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 54 Il controllo delle tubazioni di lavaggio dello scambiatore di calore è programmato in modo che la valvola che segue, venga aperta 5 secondi prima che la valvola precedente sia chiusa. In questo modo si evitano sbalzi di pressione nelle tubature. Gli automatismi del sistema di lavaggio dello scambiatore di calore sono sempre attivi tranne che durante le lunghe fermate. Il periodo di lavaggio può essere cambiato secondo necessità. Torre CHR Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 55 BIBLIOGRAFIA • Ing. Roberto Fabri (STC – Colenco) (Relazione tenuta agli allievi del 14° corso per Tecnici Cartari di Verona) • Ing. Riccardo Spinelli (Laryo Energy) (Relazione tenuta agli allievi del 14° corso per Tecnici Cartari di Verona) • Ing. Pietro Saccomanno (Novimpianti srl) (Relazione tenuta agli allievi del 14° corso per Tecnici Cartari di Verona) • Sistemi vapore-condensa della macchina continua (Aticelca) • Papermaking Part 2, Drying (Markku Karlsson) • Documentazione fornita dalla Reno de Medici (Villa Santa Lucia) • Appunti di tecnologia cartaria (Prof. Zaninelli Paolo) • Articolo sulla rivista “Industria della carta” Giorgio Ivan ‐ La seccheria ‐ 56