2.1
– Cilindri essiccatori
I cilindri essiccatori (dryers) possono essere considerati gli elementi principali di una seccheria
pluricilindrica, dal momento che incidono pesantemente sul processo di asciugatura delle carte e dei cartoni: attraverso la superficie esterna (mantello), trasferiscono per conduzione (contatto) alla carta il calore generato, al loro interno, dal vapore d’acqua in pressione. La velocità di rotazione dei cilindri dipende dal tipo e dalla quantità di carta che deve essere prodotta, dalla grammatura e dalle dimensioni della seccheria: velocità inferiori a 150-200 m/min sono, ad esempio, caratteristiche delle produzioni di cartoni, cartoncini ed alcuni tipi di carte; ad alte velocità (anche oltre i 2000 m/min) corrispondono, invece, produzioni di carte a medio-bassa grammatura (circa 1000 m/min per carta da quotidiani).
Figura 18 – “Cilindro essiccatore”
I cilindri vengono, generalmente, realizzati in fusione di ghisa; poco impiegato è l’acciaio che, nonostante offra (rispetto alla ghisa) vantaggi come:
maggiore resistenza alla tensione → minor spessore del dryer → migliore scambio termico Ghisa grigia (G25) Acciaio (Fe 510)
Modulo di elasticità (E) 120000 N/mm2 210000 N/mm2
Limite di rottura (Su) 125 N/mm2 510 N/mm2
Conducibilità termica (k) 53 kcal/h·m·°C 68 kcal/h·m·°C non occorre la realizzazione del “pezzo unico” in fonderia specializzata
può essere saldato
risulta ancora caratterizzato dalle seguenti limitazioni:
presenza di saldature → maggiore corrosione (soprattutto interna) → necessità di strato protettivo (peggiore trasferimento di calore) → maggiori controlli e manutenzione → costi
Un cilindro essiccatore è costituito essenzialmente da tre parti: due testate laterali (lato comando o trasmissione e lato servizio) che chiudono un mantello circolare.
Le testate, generalmente realizzate in ghisa, hanno una forma bombata che consente di attenuare le sollecitazioni dovute alla pressione interna del vapore; su di esse sono imbullonati i perni che, alloggiati in appositi cuscinetti a rulli, permettono la rotazione del cilindro. Uno dei due perni, solitamente quello sul lato comando, è cavo e suddiviso in due parti distinte ed isolate l’una dall’altra: una utilizzata per l’immissione del vapore, l’altra per l’estrazione della condensa (fluido bifase contenente sia acqua che vapore) formatasi quando il vapore stesso 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. La testata sul lato servizio presenta un ingresso, chiamato passo
d’uomo, utilizzato per eventuali ispezioni all’interno del dryer.
Figura 19 – “Principali componenti strutturali di un cilindro essiccatore”
Il mantello, generalmente realizzato in un unico pezzo in ghisa, viene tornito su entrambe le facce e rettificato su quella esterna: è importante che questa superficie risulti il più liscia e regolare possibile per evitare attaccamenti del foglio e massimizzare il contatto mantello-carta (miglior scambio termico). Per la pulizia della superficie del mantello, 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) e vengono sostituite ad intervalli più o meno
regolari in base al grado di usura raggiunto. Con l’avvento di nuove tecnologie e materiali, è oggi possibile rivestire il mantello con cromo duro o teflon, materiali che facilitano il distacco della carta, riducendo fenomeni di spelatura e spolvero (caratteristici dei primi cilindri della seccheria dove la carta, umida e fredda, incontra una superficie molto calda); essendo però molto usurabile, il teflon viene spesso sostituito dal Carboteflon: materiale ottenuto dal trattamento del teflon stesso con carburo di tungsteno.
La lunghezza di un cilindro essiccatore viene stabilita in funzione della larghezza della macchina
continua, mentre il diametro dipende da vincoli costruttivi e costi d’esercizio. Maggiore è il diametro, maggiore è la superficie di contatto con il foglio e migliore risulta, quindi, l’asciugatura della carta; tuttavia, a dimensioni troppo elevate del cilindro corrisponde un grande spessore, quindi basso scambio termico e scarso essiccamento.
La misura del diametro è, in genere, compresa tra 1,25 e 2 m. Lo spessore del cilindro, tale da permettergli di sopportare la pressione interna del vapore (per legge, deve poter sopportare 10 volte la pressione di esercizio), è solitamente di circa 25-38 mm e può essere così determinato:
dove:
Le analisi condotte e l’esperienza, hanno portato a dire che la migliore situazione ottenibile si verifica quando il diametro del cilindro è di circa 1,5 m e lo spessore di circa 28 mm.
2.1.1 – Trasferimento del calore
In condizioni stazionarie (cioè assumendo costanti sia la quantità di calore scambiata, che i valori delle temperature durante la rotazione del cilindro) il flusso di calore trasferito, per conduzione, dal vapor saturo alla carta attraverso il mantello risulta:
s: spessore del cilindro [mm]
r: raggio interno del cilindro [mm] pmax: pressione max consentita (vapore) [Kg/cm2]
dove:
I parametri che influiscono maggiormente sullo scambio termico sono, in particolar modo, due: Tvs: per ottenere i più alti valori del flusso di calore e del Drying Rate occorre, infatti,
massimizzare Tvs (e minimizzare Tc) aumentando la pressione del vapor saturo all’interno
del cilindro
αtot: i coefficienti di scambio termico indicano, per definizione, la facilità con cui un materiale
riesce a trasferire calore e possono essere espressi come il reciproco della resistenza termica del materiale stesso (α = 1/R). αtot tiene conto di tutte quelle resistenze termiche
Ri disposte in serie (parete multistrato) che il calore, generato dal vapore saturo nel
cilindro essiccatore, incontra prima di raggiungere il foglio di carta:
- strato di condensa: si forma all’interno del dryer. Essendo l’acqua un pessimo conduttore (la resistenza termica di 1 mm di acqua equivale a quella di 27 mm di ghisa o di 100 mm di acciaio), più alto è lo spessore del condensato e minore è il suo grado di turbolenza, maggiore sarà l’effetto isolante; tuttavia, l’impiego di adeguati sifoni e
barre di turbolenza [Paragrafo 2.1.3] contribuisce ad abbassare la resistenza termica, andando così a migliorare il trasferimento del calore
- strato di incrostazioni: è molto sottile, si forma sulla superficie interna del mantello ed è costituito, in particolar modo, da ruggine e calcare
- spessore del mantello: è abbastanza ampio, ma caratterizzato da una buona conducibilità; la resistenza termica non può essere gestita, se non in fase di costruzione - strato di aria: è molto sottile, ma caratterizzato da scarsa conducibilità. Si interpone tra
la superficie esterna del mantello ed il foglio di carta; risulta più spesso nei primi cilindri della seccheria dove il foglio è ancora bagnato (poco permeabile), mentre è qvs-c: flusso di calore (quantità di calore [J] trasferita nell’unità di tempo [s]) [W]
Tvs: temperatura del vapore saturo [°C]
Tc: temperatura della carta (misurata sulla faccia esterna del foglio) [°C]
A: superficie di scambio termico [m2]
minimo negli ultimi cilindri dove il foglio è asciutto (molto permeabile, l’aria tende ad attraversarlo). Le tele essiccatrici hanno il compito di ridurre il più possibile lo strato d’aria, così da favorire il contatto mantello-carta e migliorare il trasferimento di calore - proprietà della carta: in particolar modo il grado di finitura e l’umidità residua. Minore
è la finitura superficiale della carta, peggiore (più irregolare) risulta il contatto con il mantello; più alta è la percentuale di umidità residua, migliore risulta la conducibilità all’interno del foglio (quando il grado di secco aumenta, la conducibilità diminuisce)
Le resistenze appena descritte si manifestano con progressive cadute di temperatura (dissipazioni termiche) durante il trasferimento del calore dall’interno del cilindro essiccatore alla carta
Figura 20 – “Profilo delle cadute di temperatura”
e possono essere riassunte sostanzialmente in 3 termini:
o Rvs-m: resistenza termica tra vapore saturo e superficie interna del mantello
dove:
Il relativo flusso di calore risulta:
o Rm: resistenza termica nel mantello
dove:
Il relativo flusso di calore risulta:
o Rm-c: resistenza termica tra superficie esterna del mantello e carta
dove:
Il relativo flusso di calore risulta:
Avendo ipotizzato condizioni stazionarie vale l’uguaglianza:
Inoltre αtot può essere espresso come:
αvs-m: coefficiente di scambio termico tra vapore saturo e mantello [W/°C⋅m2]
s: spessore del mantello [m]
λm: coefficiente di conduzione termica nel mantello [W/°C⋅m]
Come evidenziato dalla seguente Figura 21, l’asciugatura del foglio (su ciascun cilindro
essiccatore) può essere schematizzata in 4 fasi fondamentali:
Figura 21 – “Fasi dell’asciugatura nel contatto foglio-cilindro”
1. tratto A-B: primo riscaldamento della carta, ma asciugatura quasi nulla; il contatto tra foglio e cilindro essiccatore viene ostacolato dall’aria che si interpone tra essi
2. tratto B-C: progressivo riscaldamento della carta e graduale incremento dell’asciugatura; il
cilindro essiccatore trasferisce tutto il calore al foglio per conduzione (il contatto foglio-cilindro viene migliorato dall’azione della tela essiccatrice)
3. tratto C-D: breve fase a riscaldamento costante, accompagnata da un picco di asciugatura; il foglio non è più a contatto col cilindro, per l’azione della tela essiccatrice
4. tratto D-E: progressivo abbassamento della temperatura della carta ed asciugatura che presenta, all’inizio, un nuovo (il vero) picco e poi diminuisce gradualmente fino a stabilizzarsi; in questa fase l’evaporazione avviene perché la temperatura della carta è superiore a quella dell’aria circostante.
2.1.2 – Disposizione in seccheria
I cilindri essiccatori possono essere disposti in seccheria secondo 2 configurazioni (raramente il foglio è autoportante):
disposizione classica: è caratterizzata da 2 file sfalsate e sovrapposte di cilindri; il foglio passa alternativamente da un cilindro superiore ad uno inferiore, e viceversa, accompagnato da due
tele essiccatrici (doppia-tela, una per fila) che migliorano il contatto col mantello, massimizzando l’asciugatura ed il rendimento termico. All’inizio della seccheria, però, dove la carta è ancora molto umida e fragile, questa configurazione può dare origine a sbandieramenti (fluttering), pieghe e rotture nei passaggi tra cilindro superiore e cilindro inferiore (tiri liberi del foglio); per ovviare a tali inconvenienti, che si manifestano maggiormente ad alte velocità di rotazione dei cilindri, si ricorre alla configurazione descritta nel punto seguente.
Figura 22 – “Disposizione classica (su singola batteria di cilindri)”
disposizione slalom: trova impiego nella prima parte della seccheria ma, sempre più frequentemente, sta sostituendo la doppia-tela anche nelle successive batterie delle moderne macchine veloci. Anche questa configurazione presenta 2 file sfalsate e sovrapposte di cilindri, ma il foglio (molto umido e fragile) viene ora accompagnato, lungo tutto il suo percorso, da un’unica tela essiccatrice detta uno-run o slalom; in questo modo non vengono mai lasciati tiri liberi. Se la tela viene montata in alto, il contatto foglio-cilindri superiori risulta corretto; nel passaggio ai cilindri inferiori, invece, si riduce lo scambio termico poiché
la tela essiccatrice viene a trovarsi tra carta e cilindro. Per questo motivo, nella “disposizione slalom”, i cilindri inferiori, generalmente, non vengono riscaldati per ridurre lo spreco di energia: inoltre, essendo inutili ai fini dell’asciugatura, possono essere sostituiti con cilindri aspiranti detti vacuum rolls i quali, risucchiando acqua ed aria attraverso il mantello forato (collegato all’apposito sistema di aspirazione), aumentano il grado di secco della carta e
garantiscono una perfetta aderenza del foglio anche ad alte velocità di rotazione (→ incrementi della produzione).
2.1.3 – Sistema vapore-condensa
In tutti i cilindri essiccatori, in genere sul lato comando (o trasmissione), è presente un giunto
rotante (se viene collegato al perno del dryer senza elementi di fissaggio è detto “autoportante”, viceversa “supportato”); si tratta di un componente che presenta, al suo interno, 2 canali ben distinti ed isolati: uno utilizzato per l’immissione del vapore saturo secco nel cilindro e l’altro per l’estrazione delle condense.
Figura 24 – “Giunto rotante”
Dalla fonte termica (caldaia), il vapore saturo secco viene inviato all’interno del cilindro essiccatore ad una pressione di circa 1,5 volte superiore a quella di esercizio che si attesta intorno a 0,5-6 bar ed è regolata in funzione del tipo di carta da produrre (di solito: 3,5 bar per carta da fotocopie e 5 bar per carte da imballo e cartoni).
Nota la pressione di esercizio, è possibile conoscere anche la temperatura raggiunta all’interno del
dryer; 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 del cilindro 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). In base alla quantità di condensa presente, al diametro del cilindro essiccatore ed alla sua velocità di rotazione, avremo che:
ad ogni velocità di rotazione del cilindro, un sottilissimo film di condensa aderisce al mantello
a basse velocità di rotazione (<100 m/min), la maggior parte della condensa si raccoglie in una pozza sul fondo del cilindro
all’aumentare della velocità di rotazione (100-300 m/min), la condensa si “arrampica” sulla parete interna del mantello nel verso della rotazione ricadendo, a cascata, sotto forma di pioggia
Figura 26 – “Cascata di condensa”
all’aumentare della velocità di rotazione (>300 m/min), la condensa tende a disporsi sulla superficie interna del mantello formando uno strato continuo ed uniforme, di pochi mm, denominato anello
Figura 27 – “Anello di condensa”
La presenza di condensa all’interno del dryer è dannosa ai fini dell’asciugatura della carta, infatti: - ostacola la trasmissione del calore tra vapore e mantello
- fa aumentare il consumo di energia
- può danneggiare col tempo, attraverso incrostazioni ed corrosioni, la superficie interna del mantello, i sifoni, i cuscinetti…
Per questi motivi, in seccheria, hanno grande rilievo i sifoni: sistemi che, sfruttando la differenza di pressione positiva (controllata dall’impianto) tra vapore in ingresso e condensato in uscita dal
cilindro essiccatore, estraggono la condensa e la conducono fuori dal dryer passando attraverso il
giunto rotante. Il sifone “ideale” deve essere progettato in modo tale che riesca a tenere al minimo sia lo spessore, sia le variazioni del film di condensa sulla superficie interna del mantello.
sifone fisso: rimane sempre fermo nella stessa posizione e non ruota con il cilindro. E’costituito da un condotto a sezione circolare che culmina, in prossimità della superficie interna del mantello, con una pescante (scarpa) la cui apertura è opposta al senso di rotazione del cilindro essiccatore per favorire l’ingresso dell’acqua. L’estrazione della condensa viene garantita sia dalla differenza di pressione positiva tra vapore in ingresso e condensato (controllata dall’impianto), sia dall’energia cinetica associata all’eventuale presenza dell’anello di condensa; trattandosi di sifoni fissi, però, l’acqua che li attraversa non risente della forza centrifuga: non sono, quindi, richiesti incrementi di pressione differenziale all’aumentare della velocità di rotazione del cilindro per facilitare il processo di estrazione. I sifoni fissi sono adatti per applicazioni a bassa, media ed alta velocità di rotazione. Minore risulta essere la distanza tra
scarpa e cilindro (in genere 4-6 mm), migliore sarà l’estrazione della condensa e quindi minore sarà il suo spessore (→ migliore trasmissione di calore vapore-mantello); talvolta possono essere installati anche 2 sifoni fissi per dryer (ad esempio nel caso di produzioni di carta in grandi formati, con elevate velocità di rotazione). I limiti di questo tipo di sifone sono essenzialmente 2:
- se non si trova completamente immerso nella condensa, estrae anche vapore e gas non condensati
- occorre sempre mantenere una distanza minima tra scarpa e mantello, per evitare danni alla struttura (causati dalla rotazione del cilindro)
Per risolvere queste problematiche, sono stati realizzati i sifoni rotanti.
sifone rotante: è fissato all’interno del cilindro essiccatore (a metà del mantello) e ruota con esso. Questo tipo di sifone ha il compito di mantenere l’anello di condensa ad uno spessore inferiore ai 2,5 mm; è costruttivamente simile al sifone fisso, ma viene tenuto in posizione da una molla (che spinge verso il centro del dryer) e richiede una minore manutenzione grazie al fatto che, la scarpa stessa, è fissa rispetto alla superficie interna del mantello. Trattandosi di sifoni rotanti, l’acqua che li attraversa risente della forza centrifuga: sono, dunque, richiesti incrementi di pressione differenziale all’aumentare della velocità di rotazione del cilindro per facilitare il processo di estrazione. Anche i sifoni rotanti, come quelli fissi, risultano adatti per applicazioni a bassa, media ed alta velocità di rotazione (in genere non oltre 1200 m/min).
Figura 29 – “Sifone rotante”
Negli ultimi anni, per ridurre gli effetti negativi della condensa, si è imposto sempre più largamente l’utilizzo delle cosiddette barre di turbolenza (spoiler bars): trattasi appunto di barre in acciaio al carbonio o inossidabile, fissate longitudinalmente su tutta la superficie interna del mantello mediante una struttura a “gabbia”.
Dallo studio dei vari strati che costituiscono l’anello di condensa, è emerso che la loro velocità di rotazione diminuisce man mano che ci si allontana dal mantello e si va verso il centro del dryer; poiché le barre di turbolenza ruotano alla stessa velocità del mantello, vanno ad impattare la condensa generando un moto turbolento che provoca la disgregazione dell’anello.
I vantaggi che ne derivano sono:
- migliore trasferimento di calore → asciugatura più rapida e, quindi, maggiore velocità di produzione
- minore consumo di energia → riduzione dei costi (energetici) di produzione - corretto profilo di umidità del foglio → migliore qualità della carta
Figura 31 – “Influenza delle barre di turbolenza sul profilo di umidità del foglio”
L’azione delle spoiler bars risulta particolarmente efficace in combinazione con i sifoni fissi.
2.1.4 – Analisi delle sollecitazioni
Le sollecitazioni agenti sui cilindri essiccatori sono dovute, essenzialmente, 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]
r: raggio (medio) del mantello δ: spessore del mantello
Figura 32 – “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.
