Appendice 1
Yankee dryer
Caratteristiche generali
Il cilindro Yankee, utilizzato in particolare per la produzione di carta tissue, è costituito essenzialmente da 3 parti: due testate laterali (lato comando e lato servizio) che chiudono un mantello circolare, tutti realizzati in fusione di ghisa (talvolta si ricorre anche all’acciaio: riduzione dello spessore del mantello e quindi migliore scambio termico; in realtà, considerando molteplici aspetti, rimane la ghisa il materiale che dà migliori risultati). Sulle due testate sono imbullonati i perni che, alloggiati in appositi cuscinetti a rulli, ne consentono la rotazione; essi si uniscono all’interno dello Yankee, dando origine ad una camera centrale. Uno dei due perni, solitamente quello sul lato comando, è cavo ed è suddiviso, al suo interno, in due parti distinte ed isolate l’una dall’altra: una è utilizzata per l’immissione del vapore, l’altra per l’estrazione della condensa (fluido bifase contenente sia acqua che vapore) formatasi quando il vapore cede calore alle pareti interne del cilindro e la sua temperatura scende sotto il valore di ebollizione, favorendo il passaggio di stato da gassoso a liquido. In caso di Yankee dryer molto larghi, i perni cavi possono anche essere due: uno per ogni testata, allo scopo di favorire una maggiore uniformità di riscaldamento nel cilindro. La testata sul lato servizio presenta un ingresso, chiamato passo d’uomo, utilizzato per eventuali ispezioni all’interno dello Yankee. Il mantello esterno, con spessore di 25-40 mm, è la parte più pesante dell’intero cilindro (circa 80 t) ed è rettificato in modo tale da presentare una superficie il più liscia e regolare possibile, per favorire un miglior contatto col foglio di carta evitando, così, possibili irregolarità. La superficie interna del mantello può essere liscia o con scanalature (per aumentare il trasferimento di calore): a ciascuna di queste tipologie corrisponde un diverso sistema di rimozione della condensa.
Il diametro di uno Yankee dryer può raggiungere valori considerevoli (anche 5500 mm), così come il peso (≈160 t), la superficie del mantello (≈130 m2) e la velocità di rotazione (≈2400 m/min).
Sistema vapore-condensa
Dalla fonte termica (caldaia), il vapore saturo secco viene inviato all’interno del cilindro ad una pressione di circa 1,5 volte superiore a quella di esercizio che si attesta intorno a 6-9 bar ed è regolata in funzione del tipo di carta da produrre.
Nota la pressione di esercizio, è possibile conoscere anche la temperatura raggiunta all’interno dello Yankee; pressione e temperatura di una sostanza dipendono, infatti, l’una dall’altra come espresso dall’equazione di Clausius-Clapeyron (I), relativa al passaggio di fase liquido-vapore:
Calore di riscaldamento: calore fornito per innalzare la temperatura di 1 kg di acqua da 0°C a 100°C
Calore latente: calore necessario a trasformare 1 kg di acqua bollente (a 100°C) in vapore saturo secco, senza variazione di temperatura
Volume specifico: volume occupato da 1 kg di vapore saturo secco Temperatura: temperatura del vapore saturo secco, o di ebollizione
dell’acqua, alla pressione corrispondente
Una volta che il vapore entra in contatto con le pareti interne dello Yankee dryer e cede ad esse calore, la sua temperatura diminuisce, scendendo sotto il valore di ebollizione (dell’acqua): si verifica così il passaggio di stato dalla fase vapore alla fase liquida, con conseguente formazione di condensa (fluido “bifase” contenente sia acqua che vapore).
Poiché la velocità di rotazione di uno Yankee è molto elevata (anche 2400 m/min), la condensa, per effetto della forza centrifuga, tende a disporsi sulla superficie interna del mantello formando uno strato continuo ed uniforme, di pochi mm, denominato anello (si ricorda che per velocità di rotazione: <500 m/min la maggior parte della condensa si raccoglie in una pozza sul fondo del
cilindro, tra 500 e 600 m/min la condensa si “arrampica” sulla parete interna del mantello nel verso della rotazione ricadendo, a cascata, sotto forma di pioggia , >600 m/min forma un anello).
Figura 52 – “Anello di condensa”
I sistemi di rimozione della condensa, utilizzati negli Yenkee dryer, sono generalmente due:
se la superficie interna del cilindro presenta scanalature (profonde 25-32 mm, larghe 12 mm, distanziate di 30 mm) realizzate per migliorare il trasferimento di calore attraverso il mantello, il sistema di rimozione della condensa è rotante (gira col cilindro) ed è formato da: - testate: elementi disposti assialmente, a sezione triangolare o circolare, in numero variabile da 4 a 12 (in funzione della velocità di rotazione e delle dimensioni del dryer); - cannucce: tubi di piccolo diametro fissati alle testate, lunghi 100-450 mm e disposti
radialmente, in numero variabile (di solito uno ogni due scanalature o uno ogni quattro); - montanti: tubi di piccolo diametro che collegano testate e tubo centrale di raccolta; - tubo centrale di raccolta: elemento che consente di trasferire la condensa dall’interno
Essendo la pressione nel cilindro più elevata di quella all’interno delle testate, la condensa (mista a piccole quantità di vapore) fluisce dal fondo delle scanalature nelle cannucce, la cui estremità dista da esso 4-5 mm; giunge poi alle testate e da queste, attraverso i montanti, entra nel tubo centrale di raccolta, dal quale viene condotta all’esterno dello Yankee.
Figura 54 – “Fasi di rimozione condensa”
Le cannucce hanno anche funzione analoga alle barre di turbolenza: durante la rotazione, generano appunto turbolenza tendendo a disgregare l’anello di condensa (causa di riduzione della trasmissione del calore e conseguente aumento del consumo di energia).
se la superficie interna del cilindro è liscia, il sistema di rimozione della condensa è rotante (gira insieme al cilindro) ed è analogo a quello descritto al punto di cui sopra; l’unica differenza è che la condensa fluisce all’interno delle testate non attraverso cannucce, bensì attraverso dei forellini praticati sulle testate stesse che si trovano, dunque, a pochi mm dal mantello.
Analisi delle sollecitazioni
Le sollecitazioni agenti sullo Yankee dryer sono dovute, fondamentalmente, a 5 tipologie di carico:
pressione interna: il cilindro essiccatore può essere considerato come un recipiente (guscio) con pareti sottili, soggetto a pressione interna dovuta al vapore; le tensioni agenti sono:
- tensione circonferenziale: σθ = (p⋅r)/δ [Pa]
- tensione assiale: σa = (p⋅r)/(2⋅δ) [Pa]
dove p: pressione interna del vapore r: raggio (medio) del mantello δ: spessore del mantello
Figura 55 – “Cilindro in pressione”
In accordo con il codice “ASME Boiler and Pressure Vessels Code”, è possibile definire una tensione media più comoda da usare nella pratica:
- tensione media: σ = p⋅(ri + 0,6⋅δ)/δ [Pa]
dove p: pressione interna del vapore ri: raggio interno del mantello
δ: spessore del mantello
gradiente di temperatura: carico dovuto alla differenza di temperatura tra le superfici interna ed esterna del mantello; la tensione corrispondente risulta:
- tensione circonferenziale termica: σθt = ± (E⋅α⋅∆T)/2⋅(1 − ν) [Pa]
dove E: modulo di Young
α: espansione termica [K-1] ∆T: differenza di temperatura [K] ν: rapporto di Poisson
forza centrifuga: carico dovuto alla rotazione del mantello, che dà origine ad una sollecitazione pressoché ininfluente sul corretto funzionamento del cilindro essiccatore:
- tensione circonferenziale centrifuga: σθc = (ρ⋅v2)/r [Pa]
dove ρ: densità del mantello
v: velocità lineare del cilindro
pressione esterna (delle presse): quando il foglio di carta, ancora umido, viene spinto da una o due presse contro il cilindro essiccatore per garantire la massima aderenza alla superficie esterna del mantello, la pressione esercitata dalle presse dà origine a due tipi di sollecitazione:
- tensione circonferenziale “membranale”: σθm = −0,492⋅B⋅q⋅r3/4⋅l-1/2⋅δ-5/4 [Pa]
(positiva se di trazione)
- tensione circonferenziale “flessionale”: σθf = −1,217⋅B-1⋅q⋅r1/4⋅l1/2⋅δ-7/4 [Pa]
(positiva se di trazione sull’esterno) dove B = [12⋅(1 − ν2)]1/8
ν: rapporto di Poisson q: carico lineare
r: raggio (medio) del mantello l: lunghezza del mantello δ: spessore del mantello
peso proprio del dryer: considerato soltanto nelle analisi sulla resistenza dei perni, in tutti gli altri casi è trascurabile.
Asciugatura del tissue
Il nastro ancora umido aderisce completamente alla superficie metallica dello Yankee; per aumentare l’aderenza, allo scopo di favorire il trasferimento di calore e la successiva rimozione dell’acqua, il foglio è spesso supportato da una tela essiccatrice in tessuto sintetico (poliestere, poliammide, acrilici). Per via della bassa grammatura, un cilindro ben dimensionato è in grado di garantire una corretta asciugatura della carta in tempi brevissimi, fornendo quindi elevate velocità di produzione; in genere, il processo “essiccante” viene accelerato grazie ad impianti di ventilazione che soffiano aria calda e secca, trasversalmente al foglio, mentre questo si trova a contatto col monolucido: aumenta, così, l’evaporazione e l’aria esausta (calda e umida) viene poi espulsa da un’opportuna cappa aspirante. Man mano che il sottile film d’acqua, presente tra nastro e cilindro, si assottiglia, si verifica un’azione di incollaggio dovuta alle varie sostanze collanti presenti nell’impasto; queste si depositano sul mantello del monolucido creando uno strato denominato coating (patina). La forza di adesione determina sia il futuro grado di lucido della carta (adesione forte, grado di lucido molto buono), sia un effetto di contrazione detto crespatura: appena asciutto, il foglio subisce un ritiro (parametro importante per il corretto dimensionamento del cilindro) che favorirà un primo distacco dallo Yankee, completato poi da un’apposita lama crespatrice; essa conferisce al foglio, nel verso trasversale, una serie di formazioni ondulate (folds) che garantiscono le caratteristiche principali del tissue: spessore apparente (bulk), morbidezza e allungamento. I frammenti di fibra, rimasti sulla superficie del monolucido dopo il processo di crespatura, vanno a costituire il cosiddetto coating naturale o organico (spessore di pochi µm). Per mantenere la superficie del cilindro più liscia e regolare possibile, si ricorre all’utilizzo di lame denominate raschie: possono essere fisse o oscillanti, in acciaio ad alto tenore di carbonio o in materiale ceramico (più resistente al deterioramento), vengono sostituite, ad intervalli più o meno regolari, in base al grado di usura raggiunto. Se la superficie del cilindro è sporca o non sufficientemente liscia, l’adesione ed il lucido risultano scadenti.
MG dryer
Gli MG dryer presentano caratteristiche analoghe agli Yankee, ma differiscono da essi per i seguenti aspetti:
- sono utilizzati per la produzione di carta monolucida
- sono più pesanti e presentano diametri maggiori (fino a ≈7000 mm) - lavorano a velocità di rotazione più basse (in genere <500 m/min)
- in conseguenza del punto precedente, sono dotati di un diverso sistema per la rimozione della condensa; trattasi del cosiddetto scoop system, caratterizzato da una girante detta danaide (nome di un’antica ruota idraulica) che, ad ogni rotazione del dryer, asporta una quantità di condensa dalla pozza formatasi sul fondo del cilindro a causa, appunto, della bassa velocità di rotazione. L’acqua entra dall’estremità aperta della danaide (posta a breve distanza dalla superficie interna del mantello), scorre verso il centro dell’essiccatore e, successivamente, viene espulsa da esso.
