Wpływ wybranych parametrów termodynamicznych osłony

MASZYNY I URZĄDZENIA
W pł y w w ybran yc h pa r a m e t r ó w t e r m o d y na mi c zn ych
osłon y k on w ek c y j n e j na e fe kt y w n o ś ć p r o c e s u
su s ze ni a p a p i e r ó w h i g i e n i c zny ch
A n E f f e c t o f S e l e c t e d T her modynamic Parameters of Convection
Hood on T is s u e D r y in g E f f ec tiv en e ss
A L E K S A N D E R K L E PA C Z K A
Wartości wskaźników intensywności procesu suszenia oraz jednostkowego zużycia energii mają istotne znaczenie w strukturze
kosztów produkcji papierów na maszynach typu „tissue”. W wielu
publikacjach polskich i obcojęzycznych zagadnienie efektywności
procesowej i energetycznej było dotychczas analizowane i opisywane (1-4) w sposób nie w pełni przydatny dla wielu użytkowników
maszyn tissue. Wiąże się to z dosyć skomplikowanymi zależnościami procesów wymiany ciepła i masy występujących w układzie kontaktowo-konwekcyjnym stanowionym przez cylinder Yankee i osłonę
konwekcyjną. Dynamiczne działanie osłon i wzrost wskaźnika udziału
w procesie suszenia sprzyja ich rozwojowi konstrukcyjnemu i powodzeniu w stosowaniu na coraz szybszych maszynach papierniczych.
Osłony konwekcyjne w maszynach tissue powodują, że proces
suszenia (łącznie z prasowaniem i krepowaniem wstęgi) na cylindrze
Yankee może być zrealizowany w stosunkowo krótkim czasie, tj. ok.
0,3-0,6 s. W oparciu o wyniki bilansów masowych i energetycznych,
opracowanych przez Roundsa i Wedela (5), przedstawiono wpływ
zawartości wilgoci (pary wodnej) w powietrzu wypływającym z dysz
osłony konwekcyjnej na intensywność procesu suszenia tissue oraz
jego energochłonność. Przedstawiono również inne zależności
dotyczące zmian obu wskaźników, a także zależności między poborem mocy do napędu wentylatorów a niektórymi parametrami
technologicznymi i konstrukcyjnymi osłony. Prezentowane trendy
zmian i graniczne wartości analizowanych wskaźników mogą być
przydatne dla celów optymalizowania układu suszącego cylinder
Yankee-osłona w wielu maszynach tissue.
Słowa kluczowe: papiery tissue, cylinder Yankee, osłona konwekcyjna, zawartość wilgoci w powietrzu, prędkość wypływu
powietrza z dysz, stopień perforacji, intensywność suszenia
papieru, jednostkowe zużycie energii cieplnej, pobór mocy do
napędu wentylatorów
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 69 · LUTY 2013
Values of drying intensity rates and specific energy consumption
are of great importance in cost structure of paper production on
tissue machines. Many Polish and foreign-language publications
have discussed energy and process effectiveness in analytical
way (1-4) which is not very useful for tissue machine users. It is
connected with quite complicated relationship of heat and mass
exchange in a contact and convection unit in the form of a Yankee
cylinder and a convection hood. Dynamic operation and growing
role in drying process make the hoods develop their construction
and be used successfully on faster and faster paper machines. The
convection hoods in the tissue machines accelerate the drying
process (including pressing and creping) on the Yankee cylinder
and it can be carried out in very short time ranging from around
0.3 to 0.6 s. Based on results of mass and energy balances developed by Rounds and Wedel (5), an effect of moisture content
(steam) in air flowing out of nozzles of the convection hood on
tissue drying intensity and energy consumption were presented.
Also other relationships concerning changes in both rates were
presented as well as relationships between power consumption
for fan drive and some technological and construction parameters
of the hood. Presented trends and boundary values of analyzed
rates can be helpful when optimizing the drying unit – the Yankee
cylinder and the convection hood - in many tissue machines.
Keywords: tissue papers, Yankee cylinder, Air Cap, air absolute
humidity, impingement velocity, open area fraction, drying rate,
specific energy consumption, fan horsepower
Dr inż. A. Klepaczka, Instytut Papiernictwa i Poligrafii Politechniki Łódzkiej,
ul. Wólczańska 223, 90-924 Łódź
119
MASZYNY I URZĄDZENIA
Po d s t a w o w e d e f i n i c j e a n a l i z o w a n y c h w s k aźników
i ic h p r zy k ł a d o w e w a r t o ś c i ( 2 )
Jeżeli znane są wartości strumienia wody odparowanej ze wstęgi
w czasie procesu suszenia – W (kg/h) i pola powierzchni papieru – F
(m2), stykającego się z powierzchnią cylindra Yankee, to iloraz tych
wielkości, oznaczany zwykle literą m, nazywany jest wskaźnikiem
intensywności suszenia, i obliczany z zależności:
- maszyny starszej konstrukcji, w tym spotykane w wielu zakładach
w Polsce (7),
eEP = 1000-1200 kWh/t;
eCP = 5,0-6,5 GJ/t
W nowoczesnych i szybkobieżnych maszynach tissue uzyskuje
się bardzo wysokie wartości wskaźnika intensywności suszenia m,
ok. 200–220 kg/m2h (8). Duża w tym zasługa osłony konwekcyjnej,
w której powietrze suszące ma wysoką temperaturę 500-700°C
i prędkości wypływu z dysz 150-160 m/s. Dzięki takim warto-
[kg/hm2]
ściom udział osłony w realizacji procesu suszenia jest równy ok.
Powszechnie stosowanym wskaźnikiem efektywności energe-
70%, a udział cylindra Yankee – ok. 30%. Przy takich parametrach
tycznej, w określonym czasie procesu wytwarzania papieru jest
technicznych prędkości robocze maszyn tissue przekraczają
jednostkowe zużycie energii elektrycznej, cieplnej bądź obu, defi-
2000 m/min. W przypadku niższych wartości temperatur powietrza
niowane jako iloraz zużycia określonego rodzaju energii do ilości (P)
np. 400-500°C i prędkości wypływu 100-120 m/s wskaźnik inten-
wyprodukowanego papieru, bądź ilości odparowanej wody (W).
sywności suszenia jest również mniejszy – 120-150 kg/m2h, a prędkość robocza cylindra Yankee osiąga zakres 1400-1500 m/min.
Można więc napisać, że:
Wtedy udział cylindra w realizacji procesu suszenia wynosi 55-60% (8).
lub
[kJ/kg; GJ/t; GWh/t, itp.]
Brak jest wystarczających danych dotyczących wpływu innych
parametrów technologicznych osłon konwekcyjnych na wartości
gdzie: EEC – energia całkowita, równa sumie energii elektrycznej EE
wymienionych wskaźników wydajności układu suszącego maszyn
i cieplnej EC .
tissue. W szczególności interesująca może być zależność tych
W przypadku produkcji papierów higienicznych stosowane są
również pojęcia takich wskaźników, jak:
• zużycie energii cieplnej przez: cylinder Yankee (ECY ), osłonę
konwekcyjną (ECH) lub cały układ (cylinder-osłona) (ECYH)
wskaźników od zawartości wilgoci w powietrzu suszącym, która
jest często wynikiem konieczności zawracania (cyrkulacji) do osłony
znacznego strumienia gorących oparów. Powszechnie zaleca się,
aby z systemu powietrznego osłony usuwać do atmosfery – poprzez
Jeżeli zużycie odniesione jest do masy wyprodukowanego,
zespół rekuperatorów ciepła – 25-40% strumienia masy powie-
w ciągu określonego czasu, papieru lub masy wody odparowanej
trza wypływającego z dysz obu części osłony. Ten strumień jest
z papieru, to zależność
uzupełniany powietrzem świeżym, pobieranym z pomieszczeń lub
[kJ/kg] oznacza jednostkowe
zużycie energii cieplnej przez cylinder Yankee, odniesione do 1 kg
z otoczenia i podgrzewanym w rekuperatorach typu opary/powie-
wyprodukowanego papieru (brutto na nawijaku).
trze (9, 10). Zwiększanie strumienia usuwanych oparów powoduje
[kJ/kg] oznacza jednostkowe zużycie
wzrost energochłonności procesu suszenia w układzie cylinder
energii cieplnej przez układ suszący cylinder Yankee – osłona
Yankee – osłona. Natomiast zmniejszanie tego strumienia wiąże
konwekcyjna, odniesione do 1 kg wody odparowanej z wyprodu-
się z nadmiernym wzrostem wilgotności bezwzględnej (zawartości
kowanego papieru (brutto na nawijaku).
wilgoci) powietrza suszącego i obniżaniem intensywności procesu
Natomiast
• jednostkowy pobór mocy lub jednostkowe zużycie energii
elektrycznej do napędu wentylatorów układu powietrznego osłony, w odniesieniu do jednostki pola roboczej powierzchni osłony
konwekcyjnej, (kW/m2 lub kWh/m2)
suszenia. Jest to wynik osłabienia mechanizmu wymiany masy
między wstęgą suszonego papieru i powietrzem (11).
Rounds D.A. i Wedel G.L w prezentacji Beloita z 1978 r. (5)
przedstawili teoretyczne zależności wskaźników intensywności
Według dostępnych w literaturze danych z lat 2005-2012 oraz
suszenia oraz jednostkowego zużycia energii od zawartości wilgoci
wyników własnych badań (6, 7), przeciętne wskaźniki zużycia obu
w powietrzu suszącym, jego temperatury i prędkości wypływu z dysz
rodzajów energii, w przeliczeniu na 1 tonę produkcji papierów tissue,
osłony konwekcyjnej. Prezentowane wyniki i zależności są oparte
mieszczą się w zakresie:
na bilansie masowym i cieplnym układu cylinder Yankee – osłona
- maszyny o wyższym standardzie technicznym
konwekcyjna, przeprowadzonym dla zmieniających się zawartości
eEP = 700-800 kWh/t;
wilgotności powietrza w zakresie 0,1-0,6 kg/kg. Przedstawiono
eCP = 4,3-4,7 GJ/t
120
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 69 · LUTY 2013
MASZYNY I URZĄDZENIA
osłony. W obliczeniach bilansowych pominięte zostały straty energetyczne systemu powietrznego osłony. Jednakże prezentowane trendy
zmian i uzyskane wartości analizowanych wskaźników mogą być
przydatne do optymalizowania układu suszącego cylinder Yankee
– osłona w wybranych maszynach tissue.
W obliczeniach bilansowych układu cylinder Yankee – osłona
założono m.in. następujące dane:
- zawartość wilgoci i temperatura powietrza świeżego, wprowadzanego do układu – 0,01 kg/kg oraz 37°C,
jednostkowe zużycie energii cieplnej, kJ/kg
zmian niektórych parametrów technologicznych i konstrukcyjnych
wskaźnik intensywności suszenia, kg/m2h
również zależności poboru mocy do napędu wentylatorów w funkcji
- nośnik ciepła – gaz naturalny,
- średnica dysz w osłonie i ich odległość od wstęgi papieru – 9,5 mm
zawartość wilgoci w powietrzu, kg/kg
i 25,4 mm,
- temperatura i ciśnienie pary doprowadzanej do cylindra Yankee
– 153°C i 5 bar albo 178°C i 8 bar,
- współczynnik przenikania ciepła przez płaszcz cylindra L
– 0,624 kW/m2C.
Rys. 1. Wpływ zawartości wilgoci w powietrzu suszącym oraz jego temperatury na intensywność procesu suszenia i jednostkowe zużycie energii cieplnej
(cylinder Yankee ogrzewany parą o ciśnieniu 5 bar i temp. 153°C, prędkość
wypływu powietrza z dysz 124 m/s, stopień perforacji osłony 1,5%) (5)
Wyniki obliczeń, niektórych zależności i przebiegów zilustrowano
dalej.
powietrza wypływającego z dysz osłony konwekcyjnej.
Z przebiegu wykresów na rysunkach 1 i 2 wynika m.in., że dzięki
zastosowaniu wysokiego wskaźnika cyrkulacji oparów wydalanych
z osłony i tym samym zwiększaniu wilgotności powietrza wtłaczanego do osłony zdecydowanie obniża się energochłonność procesu
suszenia papieru w układzie cylinder Yankee – osłona konwekcyjna.
Zwiększenie zawartości wilgoci w powietrzu suszącym od 0,2 do
jednostkowe zużycie energii cieplnej, kJ/kg
cieplnej (do odparowania 1 kg wody) od temperatury i wilgotności
wskaźnik intensywności suszenia, kg/m2h
Na rysunkach 1 i 2 przedstawiono zależności wskaźników intensywności suszenia papieru oraz jednostkowego zużycia energii
0,4 kg/kg powoduje spadek jednostkowego zużycia energii cieplnej
o ponad 20%.
Obniżają się jednak, ale w sposób dość łagodny, wartości
wskaźnika intensywności suszenia, co oznacza spadek zdolności
produkcyjnej maszyny. Dla wybranego zakresu zmian zawartości
wilgoci w powietrzu suszącym, np. od 0,2 do 0,4 kg/kg spadek
zawartość wilgoci w powietrzu suszącym, kg/kg
Rys. 2. Wpływ zawartości wilgoci w powietrzu suszącym oraz jego temperatury na intensywność procesu suszenia i jednostkowe zużycie energii cieplnej
(cylinder Yankee ogrzewany parą o ciśnieniu 8 bar i temp. 178°C, prędkość
wypływu powietrza z dysz 124 m/s, stopień perforacji osłony 1,5%) (5)
intensywności procesu suszenia wynosi ok. 6-7% bez względu na
temperaturę powietrza suszącego.
jest temperatura powietrza i większa w nim zawartość wilgoci, tym
Zwiększanie udziału zawracanych do układu osłony oparów
mniejsze jest zużycie energii elektrycznej do napędu wentylatorów
w powietrzu suszącym i zawartej w nich wilgoci poprawia efek-
cyrkulacyjnych, odniesione do 1 m2 pola powierzchni roboczej osło-
tywność energetyczną układów napędowych wentylatorów osłony
ny konwekcyjnej. W zakresie zmian zawartości wilgoci od 0,2 do
konwekcyjnej. Jak wynika z wykresów na rysunku 3, im wyższa
0,4 kg/kg spadek zużycia energii do napędu wynosi ok. 7-8%.
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 69 · LUTY 2013
121
zawartość wilgoci w powietrzu, kg/kg
wskaźnik intensywności suszenia, kg/m2h
jednostkowe zużycie energii cieplnej, kJ/kg
wskaźnik poboru mocy, kW/m2
MASZYNY I URZĄDZENIA
Rys. 3. Zmiana wskaźnika poboru mocy przez silniki wentylatorów osłony
w zależności od temperatury i wilgotności powietrza (prędkość wypływu
powietrza z dysz 124 m/s, stopień perforacji osłony 1,5% )(5)
stopień perforacji powierzchni roboczej osłony, %
stopień perforacji powierzchni roboczej osłony, %
Rys. 4. Zmiana wskaźnika poboru mocy przez silniki wentylatorów osłony
w zależności od temperatury powietrza i stopnia perforacji osłony (prędkość
wypływu powietrza z dysz 124 m/s, zawartość wilgoci 0,4 kg/kg) (5)
Pobór mocy przez silniki wentylatorów powietrza wzrasta zdecy-
wskaźnik poboru mocy, kW/m2
wskaźnik poboru mocy, kW/m2
Rys. 5. Wpływ stopnia perforacji osłony na jednostkowe zużycie ciepła i intensywność suszenia papieru dla różnych temperatur powietrza (prędkość
wypływu powietrza z dysz 124 m/s, zawartość wilgoci 0,4 kg/kg) (5)
prędkość wypływu powietrza z dysz osłony, m/s
Rys. 6. Zmiana wskaźnika poboru mocy przez silniki wentylatorów osłony
w zależności od temperatury powietrza i prędkości wypływu z dysz (zawartość
wilgoci w powietrzu 0,4 kg/kg, stopień perforacji osłony 1,5%) (5)
dowanie przy większych wartościach stopnia perforacji otworów
dyszowych wykonanych na powierzchni roboczej osłony, co przed-
W zakresie zmian prędkości powietrza od 80 do 124 m/s i jego
stawiono na rysunku 4. Poprzez nieznaczny wzrost stopnia perforacji
wilgotności 0,4 kg/kg wskaźnik poboru mocy przez silniki napędzają-
można poprawić warunki przekazywania ciepła od powietrza do
ce wentylatory cyrkulacyjne może się zwiększyć nawet o 300-400%,
suszonej wstęgi papieru (11), co powoduje zwiększenie wskaźnika
w zależności od temperatury (i odpowiedniej gęstości) powietrza.
intensywności suszenia i jednoczesne zwiększanie zużycia energii
Jednakże potrzeba zwiększania intensywności procesu suszenia
cieplnej (rys. 5). Dlatego w projektowaniu i wykonywaniu osłon
papieru w układzie cylindra Yankee i osłony konwekcyjnej wymusza
zaleca się stosować wartość stopnia perforacji 1,7-2,0%.
stosowanie coraz większych prędkości powietrza wypływającego
Podstawowym czynnikiem decydującym o zużyciu energii elektrycznej do napędu wentylatorów jest wymagana prędkość wypływu
powietrza suszącego z dysz (rys. 6).
z dysz, co wynika z przykładowych zależności na rysunku 7.
Jeżeli zwiększy się temperaturę powietrza (przy stałej zawartości
wilgoci 0,4 kg/kg) z 260 do 482°C i prędkość wypływu z dysz osłony
z 80 do 122 m/s, to:
122
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 69 · LUTY 2013
prędkość wypływu powietrza z dysz osłony, m/s
wskaźnik intensywności suszenia, kg/m2h
jednostkowe zużycie energii cieplnej, kJ/kg
wskaźnik intensywności suszenia, kg/m2h
jednostkowe zużycie energii cieplnej, kJ/kg
MASZYNY I URZĄDZENIA
zawartość wilgoci w powietrzu, kg/kg
prędkość wypływu powietrza z dysz osłony, m/s
Rys. 7. Wpływ prędkości powietrza wypływającego z dysz i jego temperatury
na jednostkowe zużycie energii cieplnej oraz intensywność suszenia papieru
(zawartość wilgoci w powietrzu 0,4 kg/kg, stopień perforacji osłony 1,5%)
(5)
- wzrośnie zdecydowanie (o ok. 54%) wskaźnik intensywności
suszenia papieru,
- zmaleje nieznacznie (o ok. 10%) jednostkowe zużycie energii
cieplnej.
Na rysunku 8 dokonano porównawczego zestawienia wpływu
zawartości wilgoci w powietrzu suszącym na oba analizowane
wskaźniki efektywności procesu suszenia papieru i wymaganą prędkość powietrza przy jego temperaturze 311°C, stałym poborze mocy
przez silniki wentylatorów oraz stopniu perforacji osłony 1,5%.
Na podstawie przedstawionych zależności można z pewnym
przybliżeniem znaleźć bądź dobrać optymalne wartości parametrów
procesu suszenia (pod względem jego wydajności i energochłonności) dla różnych wartości zawartości wilgoci w powietrzu. Przyjmując
np., że powietrze ma temperaturę ok. 310°C, a stopień perforacji
dysz jest równy 1,5%, można tak dobrać wydatek wentylatora wyciągowego oparów wydalanych z osłony, aby uzyskać zawartość
wilgoci w powietrzu wypływającym z dysz równą 0,3 kg/kg. Jeżeli
prędkość powietrza wypływającego z dysz będzie miała wartość
ok. 125 m/s to:
- wskaźnik intensywności suszenia będzie równy ok. 150 kg/m2h,
- jednostkowe zużycie energii cieplnej ok. 4000 kJ/kg.
Rys. 8. Porównawcze zestawienie wpływu wilgotności powietrza na jednostkowe zużycie energii, intensywność suszenia oraz prędkość wypływu z dysz
(stały pobór mocy przez wentylatory – 14 kW/m2, temperatura powietrza
311°C, stopień perforacji osłony 1,5%) (5)
Literatura
1. Klepaczka A.: „Konieczność poprawy efektywności energetycznej
przemysłu papierniczego”, Przegl. Papiern. 66, 10, 569-573 (2010).
2. Klepaczka A.: „Sposoby badania efektywności układu suszącego
maszyn tissue”, Przegl. Papiern. 67, 3, 177-181 (2011).
3. Austin P.: “Reducing Energy Consumption in Paper Making using Advanced Process Control and Optimisation”, University of Cambridge,
Department of Engineering, ELCF Seminar. Feb. 2010.
4. Kramer K.J., Masanet E., Worrel E.: “Energy Efficiency Opportunities
in the U.S. Pulp and Paper Industry”, Energy Engineering 107, 1, 2447 (2010).
5. Rounds D.A., Wedel G.L.: “Drying rate and energy consumption for
an air cap dryer system”, Proceedings of the First International Symposium on Drying. McGill University, Montreal, Canada. August 3-5,
p. 185-191 (1978).
6. Michniewicz M. i in.: „Najlepsze Dostępne Techniki (BAT). Wytyczne
dla branży celulozowo-papierniczej”, Ministerstwo Środowiska, Warszawa, sierpień 2005.
7. Klepaczka A., Szewczyk W.: „Zbiór opracowań dotyczących pomiarów
ruchowych i analiz maszyn tissue w wybranych zakładach w Polsce
w latach 2004-2012”, Instytut Papiernictwa i Poligrafii Politechniki
Łódzkiej, Łódź 2012.
8. Klepaczka A., Tarnawski W.Z.: „Postęp w budowie wysokowydajnych
osłon konwekcyjnych”, Przegl. Papiern. 61, 7, 381-384 (2005).
9. Klepaczka A.: „Strumienie cieplne w suszarni kontaktowo-konwekcyjnej”, Przegl. Papiern. 61, 8, 465-467 (2005).
10. Klepaczka A.: “Comparison of heat fluxes during contact and convection drying of paper web in selected paper machines”, Inżynieria
Chemiczna i Procesowa 2006, T.27, zeszyt 3/2.
11. Karlsson M.: “Papermaking. Part 2. Drying”, FAPET Oy. Helsinki
(2000).
Praca recenzowana
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 69 · LUTY 2013
123