2. – La seccheria pluricilindrica
La seccheria pluricilindrica è il settore della macchina continua dove avviene l’asciugatura di carte a medio-alta grammatura (60-150 g/m2), cartoncini (150-400 g/m2) e cartoni (oltre 400 g/m2). Il nastro, proveniente dalla sezione presse, arriva in seccheria ad una temperatura di 15-25°C e con una consistenza del 40-55% (400-550g di fibra per kg di acqua); l’umidità residua (45-60%), composta in parte da acqua libera (goccioline superficiali) ed in parte da acqua legata (molecole di H2O legate chimicamente alle fibre), viene rimossa prevalentemente per evaporazione grazie
all’azione dei cilindri essiccatori, delle tele essiccatrici, dei ventilatori e delle cappe aspiranti, talvolta implementati da sistemi di asciugatura ad infrarossi o ad alta frequenza.
I cilindri essiccatori (al massimo 80-100 unità) sono, di solito, disposti su due file sfalsate e sovrapposte; il nastro passa alternativamente da un cilindro superiore ad uno inferiore e viceversa: durante questo percorso, può essere accompagnato da un’unica tela essiccatrice (detta anche
uno-run o slalom) oppure da due tele essiccatrici (doppia-tela, una per fila), in modo da migliorare il contatto carta-mantello, massimizzando l’asciugatura ed il rendimento termico; raramente il nastro è
autoportante.
Il sistema di ventilazione ha il compito, sia di incrementare la disidratazione del foglio, sia di trasferire il vapore dalla carta all’ambiente esterno: i ventilatori insufflano continuamente aria calda a bassa pressione nelle sacche tra i cilindri, favorendo l’evaporazione ed evitando la saturazione dell’aria e la condensazione del vapore nei pressi del nastro, in modo da scongiurare un’asciugatura non ottimale; le cappe aspiranti garantiscono, invece, un’efficace circolazione d’aria calda, un’aspirazione del vapore che si forma ed un ambiente piacevole per gli addetti.
Poiché durante l’asciugatura il foglio subisce delle contrazioni, per controllare l’entità di tali restringimenti ed evitare possibili grinze e rotture, i cilindri essiccatori vengono suddivisi in gruppi “termici”, denominati batterie, tali che:
ogni batteria è mossa ad una velocità di poco superiore a quella della precedente, per garantire la giusta tensione del nastro di carta
ogni batteria viene regolata ad una temperatura tale da garantire una progressiva evaporazione dell’umidità residua presente sul nastro
Generalmente, una seccheria pluricilindrica si compone di 4 batterie di cilindri; considerando la “direzione di macchina”, si dispongono nell’ordine seguente:
- batteria di ingresso (b.i.) (4-6 cilindri)
- batteria intermedia (b.int.) (6-12 cilindri)
- batteria principale (b.p.) (20-70 cilindri)
- batteria di uscita (b.u.) (6-12 cilindri)
Figura 16 – “Temperatura dei cilindri nelle batterie”
Per capire, intuitivamente, come cambiano le caratteristiche del foglio di carta durante il suo passaggio all’interno della seccheria pluricilindrica, si fa riferimento al seguente diagramma (Figura 17) dove si riporta l’andamento della “temperatura della carta” (T) e dell’“umidità della carta” (U) in funzione del “tempo di asciugatura” (t); risulta composto da tre fasi fondamentali:
Figura 17 – “Fasi in seccheria pluricilindrica”
I - Fase di riscaldamento: la carta, che proviene dalla sezione presse ancora molto umida
(consistenza del 40-55%) e fredda (15-25°C), presenta una scarsa resistenza meccanica e risulta, dunque, soggetta a rotture. E’quindi importante, in questa fase, garantire un riscaldamento graduale del foglio, incrementando progressivamente la temperatura dei cilindri essiccatori; in caso contrario, potrebbero insorgere problemi di spelatura, spolvero ed arricciamento che, spesso, conducono anche alla rottura del nastro. Se, infatti, la carta (umida e fredda) incontra una superficie molto calda (elevato gradiente termico), le fibre superficiali aderiscono al mantello dei cilindri con conseguente formazione di spolvero di fibra, che peggiora l’asciugatura andando ad ostruire il passaggio dell’evaporato sia attraverso il nastro che attraverso eventuali tele essiccatrici; inoltre, i surriscaldamenti localizzati possono portare alla formazione di bolle e di increspature sul foglio, pregiudicandone buona qualità e finitura superficiale.
Per quanto detto, il nastro di carta viene inizialmente riscaldato da un primo gruppo di 4-6 cilindri (batteria di ingresso), regolati ad una temperatura relativamente bassa di 40-50°C; un successivo gruppo di 6-12 cilindri (batteria intermedia), portati progressivamente a 100-120°C, fa sì che la temperatura della carta arrivi a 65-75°C ed abbia, così, inizio un ingente processo di asciugatura: l’acqua libera, evaporando, favorisce un consolidamento del foglio grazie alla contrazione delle
II - Fase ad evaporazione costante: i cilindri essiccatori (batteria principale), in numero variabile
tra 20 e 70, vengono mantenuti ad una temperatura di 100-120°C. In questa zona della seccheria, la quantità di calore fornita dal sistema risulta uguale alla quantità di calore sottratta per evaporazione: ciò fa sì che la temperatura della carta rimanga costante (65-75°C), così come costante risulti l’evaporazione di tutta l’acqua libera che riesce a raggiungere con facilità la superficie del foglio.
III - Fase ad evaporazione decrescente: ha inizio quando viene raggiunto il cosiddetto “valore
critico di umidità” della carta (CMC: critical moisture content), soglia, al di sotto della quale, l’acqua libera non riesce più a raggiungere facilmente la superficie del foglio. Questa fase si articola in due sottofasi: la prima (III-a) è caratterizzata da un evaporazione decrescente delle ultime quantità di acqua libera “intrappolate” negli interstizi del nastro di carta; la seconda (III-b), invece, ha inizio quando tutta l’acqua libera è completamente evaporata e l’umidità residua è costituita dalla sola acqua legata, congiunta alle fibre mediante legami chimico-fisici sempre più forti, quindi più difficile da asciugare.
Riducendosi il tasso di evaporazione, i 6-12 cilindri finali (batteria di uscita) vengono regolati a temperature decrescenti: l’ultimo (o gli ultimi due) può essere addirittura raffreddato con circolazione di acqua; la carta deve, infatti, uscire dalla seccheria asciutta, ma anche fredda per evitare danneggiamenti ed imbarcamenti. I cilindri non vengono mantenuti ad alte temperature (100-120°C) poiché, in questa fase, l’umidità residua sul foglio può raggiungere addirittura valori dello 0,1-0,2%; cercare di eliminare anche questa piccola percentuale, risulterebbe inutile e controproducente perché:
- la carta tende comunque a riassorbire l’umidità dell’ambiente circostante (5% circa) - si incorre in un elevato dispendio energetico
Per un corretto dimensionamento della seccheria pluricilindrica si fa, in genere, riferimento ai seguenti parametri fondamentali:
Produzione oraria di carta (ṁ): indica la quantità di carta asciugata in 1 ora in seccheria; è espressa come:
dove:
Produzione giornaliera di carta (ṁ24): indica la quantità di carta asciugata nelle 24 ore in seccheria; è espressa come:
Produzione specifica teorica giornaliera di carta (kspec): è la quantità di carta asciugata
nelle 24 ore da 1 m2 di superficie essiccante totale dei cilindri (somma delle superfici dei mantelli di tutti i
dryers presenti in seccheria) ATOT; vengono considerate,
quindi, sia le zone del mantello a contatto, che quelle non a contatto con il foglio, non tenendo conto di altre azioni essiccanti, ad esempio quella dell’aria calda soffiata dai
ventilatori.L’espressione matematica risulta:
dove:
v: velocità del nastro di carta [m/min] Gr: grammatura della carta asciutta [g/m2] b: larghezza del nastro di carta [m]
ATOT = n⋅π⋅de⋅b : superficie essiccante totale [m2] n: numero dei cilindri in seccheria
(Esempi: carta per sigarette, kspec = 25-30
carta per quaderni, kspec = 80-95
carta per quotidiani, kspec = 117-180)
Percentuale di evaporato (ṁev%): indica di quanto è diminuito il grado di umidità
posseduto dal foglio all’ingresso in seccheria ed equivale all’incremento del grado di secco; si ricava dalla differenza tra il grado di secco posseduto dal foglio all’uscita dalla seccheria (Su, in %) ed il grado di secco all’ingresso (Si, in %), rispetto
al grado di secco all’ingresso (Si, in %):
Quantità evaporato per produzione oraria di carta (ṁev): è la massa di acqua evaporata
relativamente alla quantità di carta asciugata in 1 ora; è espressa come:
Capacità specifica di evaporazione (D.R., Drying Rate): paramentro fondamentale per il dimensionamento della seccheria, esprime la massa di evaporato relativa alla quantità di carta asciugata in 1 ora (ṁev) rispetto alla superficie essiccante totale dei
cilindri (ATOT). Poiché dipendente da molte variabili
(regolazione delle cappe aspiranti, presenza di tele
essiccatrici, tipo di carta prodotta…), il valore del “Drying Rate” viene ricavato, di solito, con l’esperienza; tuttavia, matematicamente, può essere determinato con la seguente espressione fornita dal “Metodo TAPPI TIS0404-14”:
Numero dei cilindri essiccatori (n): altro parametro fondamentale per il dimensionamento della seccheria, indica il numero di cilindri necessari a garantire l’evaporazione della massa di acqua relativa alla quantità di carta asciugata in 1 ora (ṁev); è dato dal rapporto
tra la superficie essiccante totale dei cilindri (ATOT) e la
superficie essiccante di un solo cilindro (A). Si determina dalla formula inversa del “Drying Rate”, quindi facendo ancora riferimento al “Metodo TAPPI TIS0404-14”:
dove:
Consumo specifico di calore (qev o q(1t)): può indicare o la potenza termica ( ) necessaria
ad ottenere la massa di evaporato relativa alla quantità di carta asciugata in 1 ora (ṁev), oppure la potenza termica ( )
necessaria ad ottenere, in 1 ora, 1 tonnellata di carta asciutta (ṁ(1t)); le due espressioni risultano, rispettivamente:
dove:
A = π⋅de⋅b : superficie essiccante di un solo cilindro [m2]
: somma delle potenze termiche spese per far evaporare l’acqua presente sul foglio (conduzione, convezione, infrarossi…)
Dall’analisi dei precedenti parametri, si denota che la produttività di una seccheria pluricilindrica risulta influenzata da fattori come:
- velocità del nastro (v) - larghezza del nastro (b)
- grammatura della carta asciutta (Gr)
- grado di secco posseduto dal foglio all’ingresso (Si) e all’uscita (Su)
- numero di cilindri essiccatori (n)
- diametro esterno dei cilindri essiccatori (de)
- grado di raffinazione dell’impasto: maggiore è la raffinazione delle paste (paste grasse), maggiore è il numero dei legami ad idrogeno che intrappolano l’acqua tra le fibre e peggiore risulta il processo di asciugatura
- composizione dell’impasto (tipo di fibre, presenza di additivi…)
- resistenza al calore delle fibre (in genere, limitata a ≈130°C) e dei prodotti chimici allegati
