Värmeåtervinning vid papperstorkning Undersökning av värmeåtervinningens och torkkåpans kondition vid pappersmaskinens torkparti utfört på SCA Packaging i Obbola Håkan Jonsson Civilingenjörsprogrammet i energiteknik vid Umeå universitets tekniska högskola. (löpnr. som tilldelas)
Sammanfattning Syftet med detta arbete var att studera papperstorkens luftomsättning och hur dess återvinning fungerar energimässigt. Utifrån undersökningen skulle det ges förslag till förändringar så att papperstorkens energikonsumtion minskas och ge en bättre energiåtervinning. Arbetet utfördes genom att identifiera alla luftflöden och mäta dess storlek och temperaturer. Energiutbytet i värmeväxlare i återvinningen undersöktes och ett antal rapporter gjorda av konsulter har lästs för att få en uppfattning om torkens kondition. Beräkningarna har gjorts i programmet Excel och förutom egna mätdata så har även loggade data som lagrats i SCA Packagings databas WinMops används för beräkningarna. De förslag som har kommit fram under arbetets gång är att de manuellt styrda spjäll som sitter i extraevakueringskanalerna bör bytas ut mot styrda spjäll. Denna åtgärd kan motiveras ur energisynpunkt men också ur brandsynpunkt. Vid en eventuell brand i torken så är det viktigt att kunna strypa syretillförseln för att förhindra att branden får fart och sprider sig. En annan energisparande åtgärd är att styra luftomsättningen av torken med hjälp av varvtalsreglering av fläktarna och på så sätt spara både el och värme. Denna åtgärd får till följd att avluften från torken har en högre relativ fuktighet vid låg produktionstakt vilket gör att återvinningen blir effektivare när kondensering i värmeväxlare kan ske. Lokalt höga lufthastigheter inne i torken kan blåsa av pappersbanan vid låga produktionsvikter och det kan undvikas om luftomsättningen styrs. Två alternativ har presenterats i rapporten, en varvtalsreglering av befintliga anläggningen och en helt ny anläggning. En varvtalsreglering av befintlig anläggning ger ovanstående fördelar men det är oklart om den kan utnyttjas fullt ut på grund av anläggningens kondition. En helt ny anläggning skulle ge ovanstående fördelar och dessutom kan varmt processvatten produceras till pappersmaskinen. Brist på varmt processvatten kommer att uppstå när en ny tvättpress installeras i fiberlinjen på massabruket. För att utnyttja energibesparingen maximalt som en ny tvättpress ger rekommenderas att investering i en ny återvinning samordnas med tvättpressen. II
Abstract The purpose of this investigation was to study the air- and energy exchange in the dryer of paper machine in order to reduce the energy costs and recycle more energy then they do today. The work was done by identifying temperatures, moist and sizes in all airflows around the hood and exchangers. Energy efficiency in the exchangers was calculated and several reports from consultants have been studied to get a picture of the condition of the hood. The calculations were done in Excel. Except own collected data, data from SCA Packagings database WinMops have been used in the calculations. One proposal is to install dampers in two air channels in order to minimize unwanted ventilation. This will save much energy and it will improve the air exchange in the hood. The dampers will also be beneficial in case of a fire. Another proposal is to control the air exchange by steering the revolutions of fans in the dryer section in order to save both electrical and heating energy. The heat exchange will improve in the exchangers if the air is moister. A slower air exchange will also eliminate problems with strong breezes in the hood. The breezes can blow of the sheet in production of thin paper in the wet end of the dryer. Controlling the air exchange in the existing air exchanger s gives this benefits, but it is unclear if it will work so well because the exchangers are old and in a bad condition. If a new system is installed it is possible to recycle more energy in shape of hot water 40-55 C. It will be a lack of hot water when a new fibre washing press is installed after the digester. The recommendation is to coordinate this two investment s in order to save energy. III
Innehållsförteckning 1 INLEDNING... 1 1.1 BAKGRUND... 1 1.2 FÖRETAGETS MÅL... 1 1.3 METOD... 1 2 TEORI... 2 2.1 TORRHALT, FUKTHALT OCH FUKTKVOT... 2 2.2 GASERS VOLYM BEROENDE PÅ TEMPERATUR... 2 2.3 FUKTIG LUFT... 2 2.4 KONDENSATION... 4 2.5 VÄRMEVÄXLARE... 5 2.5.1 Medströmsväxlare, Motströmsväxlare och Korsströmsväxlare... 5 2.5.2 Tubvärmeväxlare... 6 2.5.3 Analys av Värmeväxlare, NTU-metoden... 6 2.5.4 T lm -metoden... 8 2.6 TURBULENT FLÖDE I CIRKULÄRA TUBER... 9 2.7 FLÖDE ÖVER TUBER... 10 2.8 FLÄKTAR... 10 2.8.1 Likformighet... 10 2.8.2 Fläktdiagram... 11 3 PAPPERSTILLVERKNING ALLMÄNT... 12 3.1 MÄLDBEREDNING... 12 3.2 PAPPERSMASKIN... 12 3.2.1 Ånglådor... 12 4 TORKNING AV PAPPER... 12 4.1 TEMPERATURPROFIL I MASKINRIKTNINGEN... 13 4.2 TORKLUFT... 13 4.3 ÅNG OCH KONDENSATSYSTEM... 13 4.4 ÅNGGRUPPER... 14 4.5 KONDENSAT I TORKCYLINDRAR... 15 4.6 TORKVIROR... 15 5 ALTERNATIVA TORKMETODER... 17 5.1 KONVEKTIONSTORKNING... 17 5.2 FLÄKTTORK... 17 5.3 BESTRYKNINGSTORKAR... 17 5.4 YANKEECYLINDER... 17 5.5 CONDEBELT TORKNING... 18 5.6 ELEKTROMAGNETISK TORKNING... 18 5.7 KALANDRERING... 18 6 SCA PACKAGING OBBOLA AB... 19 6.1 PAPPERSMASKIN... 19 6.2 TORKEN... 19 6.3 VÄRMEÅTERVINNINGENS UTFORMNING... 20 IV
6.4 GLYKOLSYSTEM OCH ALLMÄNVENTILATION AV PAPPERSBRUKET... 20 6.5 VÄRMEÅTERVINNINGENS KONDITION... 21 6.6 NUVARANDE DRIFTSÄTT... 22 7 MÄTNINGAR AV ÅTERVINNING... 23 7.1 SYFTE... 23 7.2.1 Luftflöden... 23 7.2.2 Resultat flöden... 23 7.2.3 Analys av mätta luftflöden... 24 7.3 GLYKOLFLÖDET... 24 7.4 TEMPERATURER VÄRMEÅTERVINNING... 24 8 FÖRSTA MÄTSERIEN I ÅTERVINNINGEN... 26 8.1 SYFTE... 26 8.2 RESULTAT... 26 8.3 ANALYS AV FÖRSTA MÄTSERIEN... 26 9 MÄTSERIE 2. PÅVERKAN PÅ ÅTERVINNINGEN AV ÖPPNA EXTRAEVAKUERINGSSPJÄLL.... 28 9.1 SYFTE... 28 9.2 METOD... 28 9.3 RESULTAT... 28 9.4 ÖVRIGA FÖRDELAR MED STÄNGDA EXTRAEVAKUERINGSSPJÄLL... 28 10 MÄTSERIE MED STÄNGDA EVAKUERINGSSPJÄLL... 29 10.1 SYFTE... 29 10.2 RESULTAT... 29 10.3 ANALYS AV MÄTSERIE STÄNGDA SPJÄLL... 30 11 BEHOVSSTYRD VENTILATION AV TORK... 31 11.1 SYFTE... 31 11.2 METOD... 31 11.3 RESULTAT... 32 11.4 ANALYS VARVTALSREGLERING... 33 11.4.1 Ekonomi... 33 11.4.2 Effekt på fläkt av höjd lufttemperatur... 33 11.4.3 Analys av luft/luft-värmeväxlare vid förändrade flöden... 33 11.5 BEGRÄNSANDE FAKTORER VID BEHOVSSTYRD VENTILATION... 34 11.5.1 Lokalt hög relativ fuktighet... 34 11.5.2 Värmeåtervinningens status... 35 12 METSOS FÖRSLAG PÅ ÅTERVINNING... 36 12.1 OFFERT... 36 12.1.1 Luft/luft-värmeväxlare... 36 12.1.2 Glykolvärmeväxlare... 36 12.1.3 Processvattenvärmeväxlare... 37 12.2 EFFEKTER AV EN NY ÅTERVINNING... 37 13 ANDRA FÖRSLAG TILL OMBYGGNAD AV TORK... 38 13.1 VAC ROLL... 38 14 SLUTSATS... 39 V
15 REFERENSER... 40 BILAGOR...I Bilaga 1; IX-diagram...I Bilaga 2; Använda mätinstrument... II Bilaga 3; Mätserie, effekt av stängda spjäll... III Bilaga 4; Mätserie återvinning med stängda spjäll... VI Bilaga 5; Underlag för besparing vid minskad luftomsättning...x Bilaga 6; Ritning över ett återvinningstorn... XI Bilaga 7; Fläktkurvor... XII Bilaga 8; Fukthalt i fickor mellan valsar i tork...xiv Bilaga 9; Offert ny återvinning... XV VI
1 Inledning 1.1 Bakgrund Den största enskilda energiförbrukaren i en pappers- och massafabrik är torkpartiet efter pappersmaskinen. Syftet är att identifiera pappersbrukets energiflöden för luftomsättningen. En ingående energianalys ska göras runt torkpartiet och dess luftomsättning. Torkpartiet är för närvarande en begränsande faktor av olika orsaker för produktionen. Torkpartiet har en värmeåtervinningsanläggning som är byggd 1975. Efter olika reparationer och ombyggnationer är det osäkert om den fungerar optimalt. 1.2 Företagets mål Företagets långsiktiga mål har varit att öka produktionen från 420 000 ton per år till 550 000 ton per år. De senaste åren har dessa planer legat på is på grund av att konjunkturen har varit dålig men nu ser företagsledningen positivt på den igen. En viss skillnad på produktionsriktningen har dock aviserats. Produktionen av lätta ytvikter skall öka och en liner av bättre kvalitet skall tillverkas (Öhgren) 1. Det innebär att, för att bibehålla produktionen på 420 000 ton per år, måste hastigheten på maskinen öka. Torkkapaciteten blir ett mindre problem då lägre ytvikter kräver mindre torkkapacitet. En önskan har funnits om att förlänga torken på grund av problem med att hinna torka pappersbanan vid höga ytvikter. Om produktionsinriktningen förändras så kommer behovsstyrd ventilation av kåpan att bli mera intressant ur både produktionssynpunkt och energibesparingssynpunkt och en förlängning av torken blir inte lika intressant i första skedet. 1.3 Metod Aktuella flöden och temperaturer har mätts för luft och även relativ fuktighet när dessa har varit intressanta ur energisynpunkt. Det har gjorts en del mätningar och genomgångar på torkpartiet av konsulter under årens lopp och en del av dessa används i detta examensarbete. Programmet Excel har använts till de flesta beräkningarna vid analysen. Programmet WinMOPS är ett program som kontinuerligt loggar mätvärden till en databas från olika mätpunkter i fabriken och en del mätvärden är tagna från denna databas. 1 Olof Öhgren, Processingenjör SCA Packaging Obbola, April 2006 1
2 Teori 2.1 Torrhalt, fukthalt och fuktkvot När man pratar om fukt i material så förekommer de tre termerna torrhalt (TH), fukthalt (FH) och fuktkvot (FK) (Fellers & Norman 1996, s.27). Torrhalt är identisk med materialkoncentrationen (C) och den beräknas som: Ts( kg) C (%) = 100 = TH (%) (1) Ts( kg) + Vatten( kg) där Ts står för torrsubstans. Fuktkvot betecknar förhållandet mellan mängden vatten och mängden torrsubstans. Det beräknas som: Vatten( kg) FK = (2) Ts( kg) Fukthalt definieras som mängden vatten i förhållande till mängden torrsubstans plus vatten Det beräknas som: Vatten( kg) FH (%) = 100 (3) Ts( kg) + Vatten( kg) 2.2 Gasers volym beroende på temperatur Många gaser och ångor kan i tekniska sammanhang betraktas som ideala gaser (Nygaard 1986, s.31). För en ideal gas gäller: pv = nrt (4) där p är absolut tryck (Pa), V är gasens volym (m³), n är antal mol av gasen som finns, R är den allmänna gaskonstanten (R = 8,314 J/mol K) och T är temperaturen (K). Detta samband kallas för allmänna gaslagen. Den specifika värmekoefficienten (Cp) anges alltid i joule per kg och den är relativt konstant över ett stort temperaturintervall för de flesta gaser. I tabellverk hittas vilken densitet olika gaser har vid en viss temperatur. För att beräkna densiteten vid en viss temperatur som avviker från tabellens temperatur och tryck kan denna ekvation användas: Tref p2 ρ T 2 = ρtref (5) T p 2 ref där ρ 2 är densiteten vi den aktuella temperaturen (kg/m³), ρ ref är densiteten vid referenstemperaturen (kg/m³), T ref är temperaturen som återfinns i tabell (K) och T 2 är den aktuella temperaturen (K). Desamma gäller för p (Pa) som för temperaturen. Denna ekvation gäller för ideala gaser med en godtagbar noggrannhet. 2.3 Fuktig luft Förändringar av fuktig lufts tillstånd kan beskrivas med hjälp av ett i-x diagram, (Bilaga 1) där x-axeln representerar luftens fuktkvot x (kg vattenånga per kg luft) och y-axeln representerar luftens entalpi (kj/kg torr luft) (Fellers & Norman 1996, s.337-338). Den absoluta mängden vattenånga kan vid en given temperatur inte överstiga ett maximalvärde. Överskrids detta värde så kondenserar vattenångan. Vattenånga i luft är färglös och när man 2
ser att det är ånga i luften så är det i själva verket vatten som har kondenserats till små vattendroppar. Relativ fuktighet (RH) brukar anges i procent. Det är ett värde som beskriver hur stor del vattenånga av det maximala värdet som kan bäras i luften innan kondensering sker vid en viss temperatur. Begreppet våt temperatur förekommer ofta i litteratur. Temperaturen mäts när kulan på termometern hålls våt (Nygaard 1986, s.43). Förutsatt att en tillräcklig mängd luft strömmar runt termometern så kommer det att avdunsta en viss mängd vatten från termometerkulan. I gränsskiktet mellan vattnet och luften kommer luften att vara mättad och därmed ha en lägre temperatur. Om luften är helt mättad kommer den våta och torra temperaturen att sammanfalla. Om den våta och den torra temperaturen är kända så kan man gå in i ett i-x diagram och avläsa en relativ fuktighet, oftast betecknad ϕ i diagrammen. Om skalan för våt temperatur inte är inritad så används maximalt partialtryck för vattenånga vid våt och torr temperatur. partiellt ångtryck ϕ = (6) max ångtryck där maximalt partiellt ångtryck för våt termometer sätts i täljaren och maximalt partiellt ångtryck för torr termometer i nämnaren. Ett annat sätt att åskådliggöra hur mycket fukt som luften kan bära med sig vid en viss temperatur är att titta på hur mycket vattenånga som kan finnas i 1 m³ mättad luft (Figur 1). Vatten per volym vattenmättad luft 600 500 Ånga (g/m³) 400 300 200 100 0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Temperatur ( C) Figur 1. Maximal upptagningsförmåga av vattenånga i mättad luft beroende av luftens temperatur (Nording&Österman 1999 s.40). Det kan vara en fördel att ha det synsättet då temperaturen kan variera från fall till fall, men fläktar i ventilationssystem pumpar lika många m³/s oberoende av temperatur och luftfuktighet. (Se avsnitt om fläktar). 3
2.4 Kondensation När man har värmeöverföring med kondensation från fuktig luft så fås ett avsevärt högre värmeövergångstal än för torr luft. Följande tabell visar ungefär hur mycket större h-värdet kan bli vid fuktighetsmättad luft och små temperaturdifferenser. (Nygaard 1986, s106) Tabell 1 Daggpunkt och värmeövergångstalets förändring när fuktig luft kondenserar vid atmosfärstryck (Nygaard 1986, s106). Daggpunkt C h-våt/h-torr 10 2 20 3 30 5 40 7 50 10 60 14 70 19 80 26 Luft som kondenserar, avger en stor mängd energi. Figur 2 beskriver hur mycket energi per grad som finns i en kubikmeter fuktig luft. Energi i 1 m³ luft, 90 C med 45% Luftfuktighet Energi per grad sänkning (kj) 25 20 15 10 5 0 20 30 40 50 60 70 80 90 Temp ( C) Figur 2 Energi per grad i en kubikmeter luft som ursprungligen håller 90 och en relativ fuktighet på 45%. Volymen kommer att krympa under avsvalning. I denna graf är massan densamma under avsvalningsförloppet. I figuren så syns det tydligt att det finns mycket mera energi att hämta när kondensation inträffar. I detta fall så är kondenseringspunkten ca 70 C. 4
2.5 Värmeväxlare Värmeväxlare används till att ta vara på energi i form av värme i en fluid och föra över den till en annan fluid. Det finns olika skäl till detta. Den vanligaste orsaken är att man inte vill blanda de olika fluiderna då den ena är förorenad på något sätt. Ett exempel är ventilation av luft i lokaler. Syftet med ventilationen är ventilera ut luft som har en hög koldioxidhalt eller hög luftfuktighet. Energin i luften kan då överföras till den luft som ska ersätta den utgående luften för att minska energiförbrukningen och samtidigt uppnå syftet. I dessa värmeväxlare måste en fysisk barriär finnas i form av någon vägg för att skilja de båda fluiderna åt men det finns applikationer där fluiderna hålls åtskilda på ett naturligt sätt av gravitationen. Värmeväxlare kategoriseras genom att titta på flödesriktningar för fluiderna och konstruktion. Här nedan kommer förklaringar till en del termer som förekommer när det talas om värmeväxlare. 2.5.1 Medströmsväxlare, Motströmsväxlare och Korsströmsväxlare För medströmsväxlare så är båda flödena parallellt med varandra i samma riktning dvs den kalla fluiden och den varma fluiden går in i växlaren i samma ände (figur 3). I en motströmsväxlare så är flödena parallellt med varandra men i motsatt riktning dvs den kalla fluiden och den varma fluiden gå in i värmeväxlaren i motsatta ändar. Figur 3. Principskiss för medstömsväxlare (A) och motströmsväxlare (B). En korsvärmeväxlare går den kalla fluiden i kors mot den varma fluiden. (figur.4) Figur 4. Principskiss korsvärmeväxlare med båda flöden omixade (a) och där ett flöde mixat och den anda omixad (b) (Incropera & DeWitt 2002 s.643) Det är vanligt att skilja på mixade och ej mixade flöden. För ej mixade flöden går fluiden i kanaler genom växlaren och det blir då ett jämt fördelat flöde genom växlaren. För mixade flöden så styrs inte flödet och kan då få ett ojämnt flöde genom växlaren. Det är vanligt att ett av flödena är ej mixad och den andra är mixad i en korsvärmeväxlare. Vilken konstruktion 5
som väljs beror på vilken verkningsgrad man vill uppnå, vilka fluider som energin växlas mellan och vilket rengöringsbehov av växlaren som finns. 2.5.2 Tubvärmeväxlare En annan vanlig typ av värmeväxlare är tubvärmeväxlare och den enklaste formen är den som visas i figur 5. Bafflar är ofta installerade för att öka turbulensen och korsflödet i värmeväxlaren. Figur 5 Principskiss tubvärmeväxlare där flödet passerar endast en gång genom växlaren (single-pass) (t.v.). Det förekommer också att flödet passerar genom växlaren flera gånger (multi-pass) (t.h.). (Incropera & DeWitt 2002 s.643) Det finns också varianter där en eller båda fluiderna går två eller flera gånger genom växlaren för att öka verkningsgraden. En speciell, viktig grupp av värmeväxlare är de som har en överföringsyta som är större än 700 m²/m³. De kallas för kompakta värmeväxlare (Compact heat exchangers). De här värmeväxlarna har en kompakt struktur av flänsar på rör eller väggar och används ofta när minst en av fluiderna är en gas) (Incropera & DeWitt 2002 s.643). 2.5.3 Analys av Värmeväxlare, NTU-metoden Ett kraftfullt verktyg för att analysera en värmeväxlares effektivitet är NTU-metoden (Incropera & DeWitt 2002 s.660-665). NTU står för number of heat transfer units och kan översättas till värmeväxlarens termiska längd och är dimensionslös. Den är definierad som: UA NTU (7) C min där U står för växlarens övergångskoeffient (W/m²K), A är växlarens area (m²) och C min definieras som: C min = min( C c, Ch ) (8) där C c är det kalla flödet genom växlaren (kg/s) multiplicerat med fluidens specifika värmevärde c p (J/kg K) och C h är motsvarande för varma flödet. 6
Det är logiskt att definiera värmeväxlarens effektivitet som: q ε = (9) eller q max C ( Th, i Th, o ) ( T T ) ( Tc, o Tc, i ) ( T T ) h c ε = = (10) C min h, i c, i där de olika temperaturerna visas i figur 6 för en värmeväxlare. C C min h, i c, i Figur 6 En förenklad bild på hur temperaturen (T) förändras genom en motströms värmeväxlare. Indexbeteckningar i figuren står för följande, i står för in, o för out, c för cold, h för hot och m& för massflöde. För olika konfigurationer har empiriska samband tagits fram för ε och NTU och här är några sådana för korsvärmeväxlare. C min mixad och C max omixad: 1 ε = 1 exp( Cr { 1 exp[ Cr ( NTU )]}) (11) och 1 NTU = ( C r ) ln( 1 ε ) + 1 (12) där C C min r = (13) C max Båda flödena omixade: 1 0,22 0,78 ε = 1 exp ( NTU ) { exp[ Cr ( NTU ) ] 1} (14) Cr I figur 7 kan man se hur effektiv olika flödesalternativ är beroende på konstruktion och massflöden som finns. 7
Figur 7 (T.v.) En graf där det kan utläsas hur effektiv en värmeväxlare är om man känner flödenas storlek och NTU för omixade flöden. (T.h.) En graf för en omixad och ett mixat flöde. Förhållandet varierar beroende på vilka flöden som finns på den kalla och den varma sidan. För båda flödena omixade (t.v) så gäller kvoten C min /C max. Om ena flödet är omixat och det andra är mixat så gäller C mix /C unmix (t.h.). Ett annat sätt att se en värmeväxlares effektivitet är att titta på temperaturverkningsgrad. Om det är det kallare flödet som är intressant så definieras verkningsgraden som: Tc, o Tc, i η in = (15) T T h, o c, i Oftast är det intressant att få en så hög temperatur som möjligt för det kallare flödet men det kan finnas situationer där en temperaturverkningsgrad för det varma flödet är intressant: Th, i Th, o η out = (16) T T h, o c, i 2.5.4 T lm -metoden Ett sätt att analysera värmeväxlare är den logaritmiska medeltemperaturdifferensmetoden (Incropera & DeWitt 2002 s.660-665). Medeltemperaturdifferensen beräknas som: T2 T1 T lm = (17) ln T T ( ) 2 1 där T beräknas enligt figur 6 för motströmsväxlare. För medströmsväxlare så byter ena flödet riktning i figuren. Då kan energiflödet beräknas som: q = UA (18) T lm För korsströmsvärmeväxlare så måste ekvationen modifieras något och införa en faktor F. Då får ekvationen utseendet: q = UA F (19) T lm CF där T lm CF står för den logaritmiska medeltemperaturdifferensen för korsvärmeväxlaren. 8
Faktorn F är en empirisk faktor och ser lite olika ut beroende på vilka förutsättningar som är vid den aktuella växlaren (figur 8). Figur 8. Beräkning av korrektionsfaktorer för korsvärmeväxlare. Till vänster är båda flödena omixade och till höger så är ena flödet omixat och det andra mixat. Här beräknas två parametrar för att kunna avläsa faktorn F. P som är en temperaturverkningsgrad för inkommande flöde på x-axeln och R som visar kvoten mellan temperaturdifferensen för det kalla flödet och det varma flödet som är inritat i diagrammet. 2.6 Turbulent flöde i cirkulära tuber För att beräkna värmeöverföringstalet, h i ett cirkulärt rör finns ett antal empiriska samband framtagna (Incropera & DeWitt 2002 s.491). För ett cirkulärt rör med ett turbulent flöde så kan den beräknas med dessa samband: n NuD = 0.023ReD Pr (20) där Re D står för Reynolds tal för rör, Pr är Prantl s tal och n = 0,4 för uppvärmning (T s >T m ) och n = 0,3 för kylning. Detta empiriska samband gäller för: 0.7 Pr 160 ReD 10000 L D 10 där L står för rörets längd och D för rörets diameter. Nusselt s tal i sin tur beräknas som: hd Nu D = (21) k där k står för fluidens värmeledningsförmåga och h är värmeöverföringstalet mellan fluiden och röret 9
2.7 Flöde över tuber För att bestämma ett genomsnittligt värmeöverföringstal h när en fluid strömmar över en samling tuber så har ett empiriskt samband tagits fram och det är: Nu D = 1.13C Re m 1 D, max Pr 1 3 N L 10 (22) 2000 < ReD,max < 40000 Pr 0.7 där N L står för antal rader, m och C 1 avläses i tabell 2 och är beroende på vilket avstånd det är mellan rader och kolumner i tubbanken (Incropera & DeWitt 2002 s.419). Tabell 2 Tabell för tuber i en rak linje. S T står för avståndet mellan centrum av två tuber tvärs fluidens strömningsriktning och S L står för avståndet mellan centrum av två tuber längs fluidens strömningsriktning. C 1 och m är koefficienter som används för beräkningar i ekvation 22. S T /D S T /D 1,25 1,50 2,0 3,0 S L /D C 1 m C 1 m C 1 m C 1 m 1,25 0,348 0,592 0,275 0,608 0,100 0,704 0,0633 0,752 1,5 0,367 0,586 0,250 0,620 0,101 0,702 0,0678 0,744 2,0 0,418 0,570 0,299 0,602 0,229 0,632 0,198 0,648 3,0 0,290 0,601 0,357 0,584 0,374 0,581 0,286 0,608 För att beräkna Re D,max måste V max beräknas och det beräknas som: ST Vmax = V (23) ST D där S T står för avståndet mellan centrum av två tuber tvärs fluidriktningen, D är tubens diameter och V är fluidens hastighet innan tubbanken. 2.8 Fläktar Fläktars huvuduppgift är att transportera gaser. För att en transport ska komma till stånd så måste mekaniskt arbete tillföras via fläktaxeln. Gasens tillståndförändring uttrycks vid fläktar som en totaltrycksökning. Fläktar arbetar med så små tryckstegsökningar så förloppet kan anses som inkompressibelt ur strömningstekniskt synpunkt (Gustafson 1999 Fläktar s.3). Det innebär att volymflödet är oberoende av gasens densitet. 2.8.1 Likformighet Vid jämförelse mellan två likformiga fläktar, som arbetar med likformiga hastighetstrianglar, kan likformighetssambanden skrivas som, om lika verkningsgrad antas: 2 2 p o = konst n D (24) 3 Q = konst n D där Q står för volymflödet (m³/s), n för fläktens varvtal, D för fläkthjulets diameter och po för totaltrycksökningen över fläkten. 10
För en och samma fläkt så är D konstant och kan då elimineras och då fås: 2 p o = konst n (25) Q = konst n Den nyttiga effekten P n är för en fläkt: po po Pn = m& = ρ Q = Q po (26) ρ ρ där m&står för massflödet och ρ för gasens densitet. Om man vill se hur en varvtalsändring av en fläkt förändrar effektbehovet så kan sambanden utnyttjas mellan ekvationerna ovan och får då: 3 P n = konst n (27) Om man vill beräkna vad ett ändrat luftflöde betyder för effekten i ett installerat system: 3 P n = konst Q (28) där konstanten kan tecknas som pu konst = (29) 3 Qu där P u är den ursprungliga effekten och Q u är den ursprungliga volymflödet. 2.8.2 Fläktdiagram Av tradition så redovisas alltid fläktars prestandakurvor för densiteten 1,20 kg/m³ (motsvarar ungefär 1 bar och 15 C). För att kunna använda fläktdiagrammen vid avvikande densitet finns följande regel: Volymflöde i diagram = Verkligt flöde Axelvarvtal i diagram = Verkligt varvtal Tryckökning i diagram -> Korrigeras map densitet Axeleffekt i diagram -> Korrigeras map densitet Eller uttryckt i symboler: Q = Q n d d p ρ P ρ d d = n d d = v v pv = ρ P ρ v v v (30) 11
3 Papperstillverkning allmänt För att få en förståelse för vad som styr torkning av papper måste man känna till hur en pappersmaskin fungerar ur ett energiperspektiv. Torkningen av papper är i särklass den mest energikrävande enskilda process vid papperstillverkning och energiförbrukningen är beroende hur väl vattnet pressas ur pappersbanan innan den går in i torken. 3.1 Mäldberedning I mälderiet i ett pappersbruk så spädes den inkommande massan med bakvatten (returvatten från andra processer) till 3-4 % koncentration och mals i kvarnar (Nygaard 1986, s.231). Malningen görs för att ge önskade styrke och kvalitetsegenskaper. Den färdiga mäldblandningen späds ut ytterligare med bakvatten till 0,5-1 %, vid mjukpapperstillverkning ännu lägre innan mälden silas och avluftas. Därefter går mälden in i inloppslådan i pappersmaskinen för att spridas ut på en duk, så kallad vira. 3.2 Pappersmaskin Pappersbanan formas i pappersmaskinens viraparti. Det mesta av det vatten som tillförs virapartiet med mälden, normalt ca 97%, dräneras genom en eller flera viror(nygaard 1986, s.237). Därefter följer presspartiet där ytterligare 2% pressas ur pappersbanan. Återstående ca 1% måste torkas bort. Före torkpartiet så har pappersbanan en torrhalt på ca 35-45%. En huvudpunkt för en god värmeekonomi är att pressa så mycket vatten som möjligt ur pappersbanan utan att uppoffra för mycket elenergi innan torken. Presspartiet utformas lite olika beroende på vilken produkt som tillverkas. Det är dock inte möjligt att sträva mot en optimal torrhalt utan att beakta pressningens inverkan på vissa pappersegenskaper. Pressning till ökad torrhalt medför normalt en ökad arkdensitet och minskad böjstyvhet. Detta begränsar optimal presstorrhalt speciellt för kartongprodukter. 3.2.1 Ånglådor Ånglådor i presspartiet ger högre torrhalt på pappersbanan i torkpartiet (Nygaard 1986, s.240). För en maskin som är torkpartibegränsad är den högre torrhalten av stort värde eftersom produktionen kan ökas. Högre torrhalt ger högre våtstyrka i pappersbanan medan en högre temperatur ger lägre våtstyrka. Normalt ger ånglådan en positiv effekt med färre banbrott som följd. När torrhalten ökar så minskar energiförbrukningen för torkprocessen. Dock förbrukar ånglådan energi och om det totalt blir en bättre värmeekonomi varierar från fall till fall. 4 Torkning av papper Gemensamt för alla torkprocesser är att vatten eller en annan vätska avlägsnas genom avdunstning (Nygaard 1986, s.243). Till följd av vattnets höga ångbildningsvärme blir torkprocessen mycket energikrävande. Det strävas efter en så låg energiförbrukning per enhet produkt som möjligt. När det gäller torkning så efterstävas en så låg energiförbrukning per enhet avdunstad vätska. I det flesta torkprocesser sker avdunstningen i en atmosfär av luft vilket är till en nackdel värmeekonomiskt. Den avdunstade vätskan tas upp av luften och förs bort från torken med denna. Avgående våtluftstemperatur är oftast högre än den tillförda torra luftens temperatur och det medför att det går åt energi för att värma upp luften. Så lite luft som möjligt bör användas till torkprocessen men då stiger daggpunkt och våtluftstemperatur. 12
Fuktigt torkgods fungerar ungefär som en våt termometer och det innebär att temperaturen på torkgodset stiger och i vissa fall är inte detta önskvärt. Den drivande kraften för vattenavgången från papperet i torkpartiet är differensen mellan ångtrycket på papperets yta och i omgivande luft (Fellers & Norman 1996, s.225). Det innebär att om omgivande luft är tillräckligt torr så torkar papperet redan i rumstemperatur även om det går långsamt. En ökad torkhastighet kan uppnås om pappersbanan värms så att ångtrycket i papperets yta ökar. Samtidigt måste torkluftens fukthalt begränsas genom tillförsel av ny torr luft. Med hjälp av en torkkåpa hålls torkluften avskiljd från omgivningens luft. Papperets slutgiltiga egenskaper bestäms i hög utsträckning av hur papperet behandlas mekaniskt och termiskt och därför måste torkförloppet utformas med speciell hänsyn till de önskade slutegenskaperna på produkten. 4.1 Temperaturprofil i maskinriktningen I torkpartiets början sker en uppvärmning av banan, och denna genomförs med en relativt låg cylindertemperatur för att undvika att fiber bränns fast på cylinderytan (Fellers & Norman 1996, s.235). Cylinderytan får dock inte vara för kall så att den rostar pga. fuktutfällning. I nästa fas sker en förångning av vattnet mellan fibrerna och cylindertemperaturen höjs för ökad energitillförsel till papperet. Papperet antar i denna fas en närmast konstant temperatur och den temperaturen är den våta termometerns temperatur. I torkningens slutskede finns inte något fritt vatten mellan fibrerna och banans temperatur kan då höjas. Värmeöverföringstalet mellan cylinder och bana sjunker och därmed också avdunstningshastigheten. Avslutningsvis så sänks banans temperatur med hjälp av kylcylindrar före upprullning på en tambour. 4.2 Torkluft Energiförbrukningen för torkluften består dels i förvärmning av luft och dels av fläktenergi för transport av luften genom torken (Fellers & Norman 1996, s.229). Vid hög förvärmningstemperatur så kan fuktkvoten hållas hög vilket medger låga luftflöden. Vid höga luftflöden så kan förvärmningsenergin begränsas. Fördelning mellan förvärmningsenergi och transportenergi kan alltså ses som ett optimeringsproblem. Lokalt höga hastigheter på luften i torken kan dock orsaka en instabil pappersbana med problem i produktionen som följd. (Metso 2003 s.9). 4.3 Ång och kondensatsystem I integrerade massa-papperbruk utnyttjas fördelarna med ett gemensamt ångsystem. (Fellers & Norman 1996, s.235). Ångpannan kan vara en sodapanna som används för att förbränna den i massabruket använda kokvätskan och återvinna de ingående kemikalierna. Man kan använda tilläggseldning i separat panna av i första hand bark och vedrester och i andra hand olja eller kol. Den ånga som genereras matas en ångturbin av mottryckstyp. Ånga kan tappas från turbinen i olika trycknivåer. Den producerade elenergin kan täcka brukets behov medan avtappningsångan används till kokning av massan och torkning av papperet. Vid ett integrerat bruk för tillverkning av mekanisk massa och papper så finns ingen sodapanna. Här finns istället raffinörer (massakvarnar) som ur ångsynpunkt kan liknas vid elångpannor. De mekaniska förlusterna genererar nämligen ånga som kan utnyttjas till att torka papper. 13