Sposoby badania efektywności układu suszÄ cego maszyn tissue

MASZYNY I URZĄDZENIA
Sposoby badania efektywności
układu suszącego maszyn tissue
Testing methods for effectiveness
of tissue machine drying system
Aleksander Klepaczka
To have effective paper production processes on the paper machine the measurement and control systems are necessary.
They measure continuously not only various important parameters and technological properties but they also analyze them and
help to solve numerous problems. Many machines, including tissue machines, lack such systems or they are poorly equipped
in them. This observation applies especially to the tissue machine drying system, where many process parameters may be
determined and analyzed only with the measurements made with specialized hand operated equipment.
Wprowadzenie
W większości starszych maszyn produkujących papiery tissue
brak jest nowoczesnych i kompletnych systemów kontrolnopomiarowych.
Umożliwiają one ciągłe monitorowanie, ocenę
i regulację podstawowych parametrów i wskaźników charakteryzujących
efektywność funkcjonowania maszyny, jej zespołów
i układów. W szczególności dotyczy to układu suszącego,
składającego się z cylindra Yankee i osłony konwekcyjnej (rys.
1.) (1). Miarą efektywności funkcjonowania maszyny są m.in.
wydajność produkcji papieru o wymaganej jakości i jednostkowe
zużycie energii.
Brak takich systemów, przy skromnym wyposażeniu maszyn
w podstawową aparaturę pomiarową i niepełna znajomość trudnych
zagadnień procesowych i termodynamicznych, to podstawowe
i częste przyczyny niedoskonałości pracy wielu maszyn.
Pomiarami i oceną efektywności prac różnych zespołów maszyn
papierniczych, także maszyn tissue, zajmują się specjaliści
(tzw. „serwisowcy”) z wielu firm dostarczających zarówno maszyny,
jak i ich wyposażenie. Usługi takie są również wykonywane
przez pracowników uczelni technicznych i biur projektowych.
Kompleksowe pomiary w warunkach ciągłego ruchu maszyny
są pracochłonne i niebezpieczne a częstość ich wykonywania
jest niedostateczna i nie zapewnia uzyskania wszystkich danych
potrzebnych do pełnej oceny efektywności procesów. Pomiary
takie wynikają zazwyczaj z „nagłej i koniecznej potrzeby”, np.
w sytuacjach zaliczanych do „awaryjnych”, bądź związanych
z planowaną modernizacją maszyny.
Rys. 1. Schemat układu suszącego cylinder Yankee- osłona konwekcyjna (1)
1 – cylinder Yankee, 2 – wstęga papieru na filcu, 3 – filc, 4 – walec prasy
ssącej, 5, 6 – osłona konwekcyjna dwuczęściowa, 7,8 – dopływy powietrza
do osłony, 9, 10 – odpływy oparów do obiegu, 11 – skrobak krepujący,
12 – wstęga papieru, 13 – dopływ pary do cylindra, 14 – głowica parowokondensatowa,
15 – odpływ pary i kondensatu do obiegu
Do zrealizowania pełnego zakresu pomiarów potrzebne są nie
tylko odpowiednie przyrządy i aparaty ale również znajomość
procesu produkcji papieru, zjawisk i zależności fizycznych towarzyszących
temu procesowi (2).
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 67 · MARZEC 2011
177

MASZYNY I URZĄDZENIA
Podstawowe parametry i wskaźniki charakteryzujące
układ suszący maszyny tissue
Parametrami nazwano wielkości mechaniczne, fizyczne i technologiczne,
których wartości określa się poprzez bezpośredni
odczyt z przyrządów pomiarowych, stanowiących wyposażenie
maszyny, bądź za pomocą przyrządów specjalnych. Niektóre
parametry określa się poprzez pomiar uzupełniany dodatkowym
obliczaniem. Przykładem może być suchość papieru, do
określenia której potrzebny jest pobór i pomiar masy próbek,
ich suszenie, ponowny pomiar masy i obliczanie suchości wg
określonego wzoru (definicji). Podstawowe parametry układu
suszącego maszyn tissue zestawiono w tabeli 1. Podano ich
nazwy, jednostki i sposoby określania – poprzez pomiary i obliczanie,
w przypadku maszyn, w których brak jest zaawansowanych
systemów kontrolno-pomiarowych. W maszynach nowych
wykorzystuje się i analizuje dane, monitorowane i gromadzone
w systemach kontrolno- pomiarowych (DCS, QCS), stanowiących
standardowe wyposażenie takich maszyn.
Tabela 2. Podstawowe wskaźniki układu suszącego maszyn tissue
Nazwa wielkości
Jednostka
Sposób
określenia
Wydajność cylindra brutto – obliczeniowa kg/h obliczanie; DCS
Wydajność na nawijaku brutto – obliczeniowa kg/h obliczanie; DCS
Odparowanie jednostkowe (na cylindrze) kg/kg obliczanie; DCS
Odparowanie całkowite
kg/h obliczanie; DCS
(odniesione do wydajności cylindra brutto)
Wskaźnik intensywności suszenia kg/m 2 h obliczanie; DCS
Rzeczywista moc cieplna kotła i palników
kW obliczenia, DCS
(dla znanej wartości opałowej gazu)
Jednostkowe zużycie pary w odniesieniu
kg/kg obliczanie; DCS
do produkcji na nawijaku, cylindrze
Jednostkowe zużycie gazu w odniesieniu
m 3 /kg obliczanie; DCS
do produkcji na nawijaku, cylindrze
Teoretyczne jednostkowe zużycie energii cieplnej kJ/kg obliczanie
Sprawność cieplna układu suszącego
% obliczanie
cylinder-osłona
Udziały cylindra i osłony w zużyciu energii cieplnej % obliczanie
Udziały cylindra i osłony w odparowaniu wody % obliczanie
z papieru
Prędkości powietrza wypływającego z dysz m/s obliczanie; DCS
(dla obu części osłony)
Strumień energii cieplnej odzyskanej w układzie
rekuperacji
kW pomiary
i obliczenia
Wskaźnik odzysku energii cieplnej z wydalanych
oparów
% obliczanie
Tabela 1. Zestawienie podstawowych parametrów układu suszącego
maszyn tissue
Nazwa wielkości Jednostka Sposób określenia
Rodzaj produkowanego papieru tissue wg norm
Gramatura papieru: na cylindrze, na nawijaku g/m 2 pomiar; DCS
Stężenie i smarność masy we wlewie % - °SR pomiar; DCS
Suchości papieru : po I i II prasie,
% pomiar; nawijak DCS
na skrobaku krepującym, na nawijaku
Szerokości wstęgi: na cylindrze, na nawijaku m pomiar; DCS
Prędkości robocze: cylindra, nawijaka m/min pomiar, obl.; DCS
Współczynnik krepowania % pomiar, obl.; DCS
Średnia temperatura cylindra Yankee °C pomiar
Temperatury papieru: masa we wlewie, °C pomiar; wlew -DCS
przed prasami, po I i II prasie
Temperatura środka natryskiwanego °C odczyt bezpośredni
na cylinder
Ciśnienia pary: doprowadzanej do cylindra, MPa odczyty; DCS
do nagrzewnic powietrza
Zużycia pary przez: cylinder, nagrzewnice kg/h odczyty; DCS
Zapotrzebowanie gazu przez kocioł, palniki m 3 /h odczyty; DCS
Temperatura powietrza na wylocie z dysz °C pomiar, odczyt; DCS
Ciśnienia, prędkości, strumienie masowe
i objętościowe powietrza w kanałach układu
osłony
Parametry fizyczne powietrza i oparów w kanałach
układu osłony (temperatura, gęstość,
entalpia, wilgotność bezwzględna i względna)
Pa; m/s;
kg/s; m 3 /s
°C;
kg/m 3 ;
kJ/kg;
g/kg; %
pomiary i obliczenia
pomiary; DCS
Rys. 2. Ręczny skrobak do pobierania próbek tissue z powierzchni cylindra
Yankee (wg rozwiązania PMPoland)
Wskaźniki są to ściśle zdefiniowane wielkości technologiczne
bądź procesowe, będące funkcjami różnych parametrów, mierzonych
bądź obliczanych. Znajomość wartości wskaźników i ich
analiza są podstawą wiarygodnej i pełnej oceny układu suszącego.
Nazwy i jednostki głównych wskaźników układu suszącego
maszyn tissue przedstawiono w tabeli 2.
Niektóre sposoby pomiarów
i obliczeń wybranych wielkości
Pomiary suchości papieru
W celu określenia suchości papieru po prasach należy pobrać
jego próbki z powierzchni cylindra Yankee. Jest to czynność
niebezpieczna i wymaga zastosowania specjalnego próbnika –
skrobaka (rys. 2).
Rys. 3. Najnowszy miernik gramatury i wilgotności papierów tissue - Voith
LSC TecoSens (3)
Pobór próbek mokrego papieru z powierzchni filcu, przekazującego
papier do układu prasowania na cylindrze Yankee,
odbywa się zwykle za pomocą strumienia sprężonego powietrza,
kierowanego na papier od wewnętrznej strony filcu.
Suchość i gramaturę papieru przed nawijakiem a także profile
tych wielkości w kierunku poprzecznym, określa się najczęściej
178 PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 67 · MARZEC 2011

MASZYNY I URZĄDZENIA
Rys. 4. Przykład schematu pomiarowego układu powietrznego osłony
wysokowydajnej (2)
w sposób ciągły, wykorzystując popularne „skanery”. Jednym
z najnowszych mierników zastosowanym w maszynach tissue
jest głowica Voith LSC TecoSens, w której nie zastosowano
źródła radioaktywnego promieniowania (3). Widok głowicy
przedstawiono na rysunku 3.
Pomiary temperatur
Do pomiarów temperatur masy włóknistej, wód obiegowych
i powietrza można stosować popularne termometry rozszerzalnościowe
bądź inne, wygodne i bezpieczne w obsłudze,
np. termoogniwa połączone z wielozakresowymi miernikami
elektronicznymi.
Pomiar temperatury cylindra Yankee, wstęgi papieru i filców
wymaga zastosowania specjalnych termometrów stykowych
np. typu SWEMA, z miernikiem umożliwiającym odczyt wyników
bezpośrednio lub z „pamięci” miernika.
W przypadku pomiarów temperatur powietrza – w hali maszynowej,
na zewnątrz budynku oraz w kanałach powietrznych
– określa się zawsze dwie wartości temperatur. Nazywane są one
odpowiednio temperaturą „suchego” i „mokrego” termometru
a ich znajomość umożliwia uzyskanie ( z tablic fizycznych, wykresu
i-x Molliera lub z odpowiedniego programu psychrometrycznego)
wielkości fizycznych powietrza, niezbędnych dla prowadzonej
analizy (4). Powietrze jest podstawowym czynnikiem suszącym
i wentylacyjnym w układach maszyny tissue a także efektywnym
i praktycznym nośnikiem energii. Stan fizyczny powietrza
decyduje o warunkach pracy ludzi, warunkach technologicznych
i eksploatacyjnych maszyn i urządzeń.
Termometr „mokry” można uzyskać w prosty sposób poprzez
nałożenie na końcówkę pomiarową tzw. „bandaża” z tkaniny,
którą następnie zwilża się wodą. Tak przygotowany termometr
można stosować do pomiarów temperatur powietrza będącego
w ruchu, a w szczególności w zamkniętych kanałach, w których
wykonać należy specjalne otwory pomiarowe.
Pomiary ciśnień i strumieni przepływów powietrza w kanałach
W układzie powietrznym osłony konwekcyjnej, oprócz wentylatorów,
nagrzewnic parowych bądź palników gazowych,
wymienników ciepła i przepustnic, istnieje sieć kanałów powietrznych
łączących te urządzenia. Znajomość średniej prędkości
przepływu powietrza, bądź oparów w poszczególnych kanałach
jest niezbędna do analizy i oceny układu. Prędkość tę oblicza
się z zależności:
ν
2 p d
ρ
= [ m/s]
gdzie:
p d
– średnie ciśnienie dynamiczne w badanym przekroju
kanału, Pa,
ρ – gęstość płynącego czynnika, kg/m 3 .
Znajomość prędkości (v), pól przekrojów kanałów (A) oraz
gęstości (ρ) przepływającego czynnika umożliwia obliczenie
strumieni objętościowych (V) i masowych (M) powietrza bądź
oparów w różnych miejscach układu osłony (5).
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 67 · MARZEC 2011
179

MASZYNY I URZĄDZENIA
Związek między tymi wielkościami określają proste zależności:
V =ν ⋅ A [m 3 /s]
M = V ⋅ ρ [ kg/m 3 ]
Przykład stosunkowo prostego układu powietrznego z nagrzewnicą
parową dla powietrza suszącego przedstawiono na rysunku 4 (2).
Na rysunku 4 oznaczono „punkty pomiarowe” w różnych kanałach,
w których wykonuje się pomiary temperatur termometrami
„suchym” i „mokrym” oraz ciśnienia dynamicznego powietrza lub
oparów płynących w odpowiednich kanałach. Do pomiarów ciśnień
dynamicznych może być stosowana rurka spiętrzająca, zwana
sondą Prandtla, której schemat przedstawiono na rysunku 5.
gdzie:
s k
– suchość papieru po cylindrze Yankee, %,
s p
– suchość papieru po prasach, %
• Wskaźnik intensywności suszenia papieru (m c
) odniesiony
do pola powierzchni (F c
) kontaktu papieru z cylindrem Yankee:
W
m
c
= [ kg/m 2 h]
F
c
• Teoretyczne – szacunkowe zapotrzebowanie ciepła (Q T
)
do wysuszenia papieru przy określonej wydajności maszyny
w ciągu 1h:
Q T
W
⋅ r
= [kW]
3600
gdzie: r – ciepło parowania wody zależne od temperatury
wstęgi papieru, kJ/kg
Rys. 5. Sonda Prandtla do pomiarów ciśnień płynów w kanałach układu
powietrznego (4)
p c
– otwory impulsowe ciśnienia całkowitego, p s
– otwory impulsowe ciśnienia
statycznego, d – średnica końcówki sondy, δ – średnica dwukanałowego
przewodu łączącego z miernikiem ciśnienia
Przykłady obliczeń wybranych wielkości charakteryzujących
efektywność pracy układu suszącego
• Wydajność teoretyczna (P hc
) (brutto) papieru na cylindrze
Yankee:
[kg/h]
gdzie:
V c
– prędkość wstęgi na cylindrze, m/min,
g c
– gramatura papieru na cylindrze, g/m 2 ,
B c
– szerokość wstęgi na cylindrze, m,
• Wydajność teoretyczna (P h
) (brutto) na nawijaku:
[kg/h]
gdzie:
V n
– prędkość wstęgi na nawijaku, m/min,
g n
– gramatura papieru na nawijaku, g/m 2 ,
B n
– szerokość wstęgi na nawijaku, m,
• Strumień odparowanej wody z papieru (W) w układzie cylinder
Yankee-osłona:
[kg/h]
• Sprawność cieplna (η s
) układu suszącego cylinder-osłona:
Q
=
Q
⋅100
T
η
s
[%]
R
gdzie: Q R
– rzeczywiste zużycie energii cieplnej w ciągu 1h,
określane na podstawie odczytów zużycia pary lub gazu, kW.
Określenie udziałów cylindra i osłony w procesie suszenia
papieru (1, 6)
Ilość ciepła (Q cr
) przekazanego suszonej wstędze papieru przez
cylinder Yankee można określić wzorem:
[kW]
gdzie:
D c
– zużycie pary przez cylinder (wg odczytów z przepływomierza),
kg/h,
r c
– ciepło kondensacji pary zależne od jej ciśnienia, kJ/kg,
η – współczynnik sprawności cieplnej cylindra.
Strumień wody odparowanej z papieru (W c
) w wyniku „działania”
cylindra Yankee można obliczyć z zależności:
[kg/h]
gdzie:
r s
– ciepło parowania wody usuwanej ze wstęgi, zależne od jej
temperatury, kJ/kg,
M sp
– wydajność cylindra w odniesieniu do masy suchej papieru,
kg/h,
T k
i T p
– temperatura końcowa i początkowa papieru, °C
c sp
, c w
– ciepła właściwe suchego papieru i wody, kJ/kg°C,
x p
– początkowa zawartość wilgoci w papierze (po prasach),
określona zależnością:
180 PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 67 · MARZEC 2011

MASZYNY I URZĄDZENIA
x
p
− s
p
= 100 [kg/kg]
s
p
Udział cylindra w procesie odparowaniu wody z papieru:
u
= W
W
c
⋅100
c
[%]
Efektywność układu rekuperacji ciepła z wydalanych oparów
Strumień odzyskiwanego ciepła (Q od
) z oparów można obliczyć
z równania:
[kW]
gdzie:
M 4
– strumień masowy oparów kierowanych do rekuperatorów
– wymienników, kg/s,
i 4
– entalpia oparów przed wymiennikami, kJ/kg,
i 43
– entalpia oparów po wymiennikach, kJ/kg.
Natomiast wskaźnik odzysku ciepła z oparów (7) określa się
jako iloraz ciepła odzyskanego w wymiennikach do zawartego
w oparach wprowadzanych do układu rekuperacji:
[%]
Podsumowanie
Zaprezentowana metoda badań i sposoby pomiarów maszyn
tissue, niedostatecznie bądź ubogo wyposażonych w aparaturę
kontrolno-pomiarową, są pracochłonne, ale wiarygodne i niezbędne
w krytycznej ocenie podstawowych układów i systemów
procesowych. Wyniki pomiarów układu suszącego, w formie
tabel, wykresów, obliczeń technologicznych, wydajnościowych
i cieplnych są podstawą do analizy porównawczej uzyskiwanych
wskaźników efektywności działania zarówno układu, jak i całej
maszyny. Umożliwiają podjęcie decyzji o kierunkach i zakresach
skutecznych zmian modernizacyjnych i organizacyjnych.
Literatura
1. Klepaczka A.: „Strumienie cieplne w suszarni kontaktowo-konwekcyjnej”.
Przegl. Papiern. 61, 8, 465-467 (2005).
2. Maron J.: „Analiza możliwości podwyższenia udziału osłony konwekcyjnej
w procesie suszenia papierów higienicznych”. Praca Dyplomowa.
IPiP, PŁ, Łódź 2009.
3. “Voith Paper launches non-radioactive sensor at Tissue Word Asia”.
Press release, News Center, Voith Paper, November 19, 2010.
4. Klepaczka A.: „Pomiary temperatur i ciśnień płynów”. Laboratorium
z Podstaw Inżynierii Procesowej. IPiP, PŁ, Łódź 2010.
5. Olejniczak Ł.: „Projekt układu wentylacyjno-rekuperacyjnego suszarni
jednocylindrowej z osłoną wysokowydajną”. Praca Dyplomowa. IPiP,
PŁ, Łódź 2004.
6. Klepaczka A.: “Comparison of heat fluxes during contact and convection
drying of paper web in selected paper machines”. Inżynieria Chemiczna
i Procesowa, T.27, zeszyt 3/2, 2006.
7. Bielskij A.P; Łotwinow M.D.: „Wentylacja maszyn papierniczych”. Lesnaja
Promyszlennost. Moskwa 1990.
Cykl życia papieru – interaktywny portal
Hiszpańska firma Torraspapel rozpoczęła kampanię pod hasłem
„Prawda na temat papieru”. Na stronie internetowej pod nazwą
Paper Effect, Torraspapel pokazuje, w jaki sposób papier przyczynia
się do zrównoważonego rozwoju naszej planety, będąc
produktem z naturalnych, odnawialnych surowców, pozyskanych
z odpowiedzialnie zarządzanych lasów, które pochłaniają największe
ilości dwutlenku węgla, zamieniając go w życiodajny tlen, oraz
poddając się w 100% recyklingowi i biodegradacji.
Odwiedzający stronę mogą współpracować przy projektach
zalesiania nadzorowanych przez hiszpańską organizacją NGO
AccióNatura.
Torraspapel, będący częścią Lecta Group, wytwarza wszystkie
swoje produkty z drewna pozyskiwanego z odpowiedzialnie
zarządzanych lasów. Posiada certyfikaty łańcucha dostaw dla
wszystkich zakładów, zgodnie z międzynarodowymi uznanymi
systemami PEFC oraz FSC. Jedną z naczelnych zasad polityki
ochrony środowiska realizowanej przez Torraspapel jest wymóg
przejrzystego, regularnego informowania o wdrażanych praktykach
ochrony środowiska.
T.G.
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 67 · MARZEC 2011
181