¿Qué tamaño de gota es el correcto para las boquillas de rehumectación para el perfilado de humedad en la sección del secador de la máquina de papel?

El Dv50 objetivo para las boquillas de rehumectación para el perfilado de humedad en la sección del secador de una máquina de papel es de 30–80 µm, con el objetivo específico dependiendo de la distancia de separación de la boquilla a la hoja, la temperatura del aire de la campana del secador y el peso base y el grado de papel que se está produciendo. El rango de 30–80 µm equilibra dos requisitos en competencia: gotas lo suficientemente finas para ser absorbidas en la superficie de la hoja de papel sin dejar marcas de agua visibles (lo que descarta gotas superiores a 80–100 µm), y lo suficientemente gruesas para sobrevivir la distancia de viaje desde la boquilla hasta la hoja sin evaporarse por completo en el aire caliente de la campana del secador (lo que descarta gotas inferiores a 20–25 µm en distancias de separación típicas de 200–500 mm y temperaturas del aire de la campana de 60–100 °C). Dentro de este rango, el objetivo específico correcto se determina por la geometría de instalación. Con 200 mm de separación en aire de campana a 70 °C: un Dv50 de 40–60 µm es apropiado — las gotas llegan a la hoja con aproximadamente el 80–90 % de su masa inicial. Con 500 mm de separación en aire de campana a 90 °C: se necesita un Dv50 de 60–80 µm para garantizar una entrega de humedad adecuada en la hoja — la misma gota de 40 µm que funciona a 200 mm de separación puede evaporarse en un 50–60 % antes de llegar a la hoja a 500 mm en aire caliente, entregando una humedad insuficiente por evento de activación. Para grados de impresión y escritura donde cualquier punto húmedo visible es un defecto de calidad: especifique el extremo inferior del rango (30–50 µm) y acepte que puede ser necesaria una mayor frecuencia de activación. Para grados de empaque donde la apariencia de la superficie es menos crítica: el extremo superior del rango (60–80 µm) proporciona más entrega de humedad por evento de activación y una menor frecuencia de activación.

¿Por qué oscila el perfil de humedad de la hoja después de instalar boquillas de rehumectación para el perfilado de humedad?

La oscilación del perfil de humedad tras instalar boquillas de rehumectación —cuando el escáner de humedad muestra bandas alternas de zonas húmedas y secas en dirección de máquina a intervalos regulares— se debe a uno de tres problemas del sistema de control, y el diagnóstico requiere identificar cuál es. Banda muerta de control demasiado estrecha: la causa más común. Si la banda muerta de activación de zonas se fija en ±0,1 % de humedad, una zona de rehumectación se activa cuando el escáner registra un 0,1 % por debajo del valor objetivo, añade humedad, el escáner registra un 0,1 % por encima del valor objetivo en la siguiente lectura, se desactiva, la hoja se seca hasta un 0,1 % por debajo del valor objetivo y se vuelve a activar. El período de esta oscilación equivale al tiempo de respuesta de la zona de rehumectación (normalmente de 10 a 30 segundos para que la humedad añadida por la boquilla llegue al punto de medición del escáner) más el tiempo de lectura del escáner. Solución: ampliar la banda muerta en incrementos de 0,1 % hasta que la oscilación se detenga —normalmente entre ±0,3 y ±0,5 % de humedad. Ganancia de respuesta de la zona demasiado alta: la zona de rehumectación añade más humedad de la necesaria para corregir el déficit en cada activación. Reduzca el caudal de la boquilla por zona o el ciclo de trabajo de activación. Esto produce el mismo patrón de oscilación que una banda muerta estrecha, pero persiste incluso con ajustes de banda muerta más amplios. Desajuste del retardo de lectura entre el escáner y la boquilla: el escáner de humedad mide una posición en la dirección transversal, envía una señal de activación a la zona de rehumectación correspondiente, pero la zona no está situada directamente debajo del punto de medición del escáner en la dirección de máquina. Existe un retardo entre la medición del escáner y la activación de la rehumectación que corresponde a la velocidad de la máquina y a la distancia en la dirección de máquina entre la posición del escáner y la posición de la boquilla de rehumectación. Si el sistema de control no tiene en cuenta este retardo, la activación de la rehumectación está desfasada respecto al déficit de humedad medido —se activa cuando la posición del escáner ya ha pasado la zona de rehumectación—. Esto produce un patrón de oscilación sistemático en el que las bandas húmedas y secas presentan un desfase constante respecto a las posiciones previstas por el escáner.

¿Qué provoca que baje la humedad relativa de la sala de secado y qué sistema de pulverización lo evita?

La humedad relativa de la sala de secado baja durante las operaciones en climas fríos porque el aire frío del exterior se infiltra en la sala de la máquina —a través de las juntas de la envolvente del edificio, las puertas de cambio de rodillos, el aire de reposición de la ventilación del proceso y el aire de reposición de la extracción de la campana— a un ritmo superior al de la humedad añadida por el proceso de secado. El aire frío tiene un bajo contenido de humedad absoluta: el aire exterior a 0 °C y 80 % de humedad relativa tiene aproximadamente 3,5 g/m³ de humedad absoluta; el mismo aire calentado a 25 °C en el interior de la sala de la máquina alcanza aproximadamente un 17 % de humedad relativa sin añadir humedad. Cuando grandes volúmenes de este aire frío y seco entran en la sala de la máquina durante las operaciones invernales, la humedad relativa de la sala puede bajar en cuestión de minutos de un valor normal del 60–70 % a un 30–40 % o menos cuando se abre una puerta del edificio para cambiar un rodillo. Con un 30–40 % de humedad relativa, una hoja de papel de tejido o de impresión con un 5 % de contenido de humedad liberará humedad de sus bordes al aire seco circundante —los bordes alcanzan el equilibrio con la humedad relativa más baja más rápido que el centro, creando un contenido de humedad diferencial a lo ancho de la hoja—. Este secado diferencial produce tensiones de contracción en los bordes en el carrete, roturas de la hoja en los bastidores de desenrollado y una mayor variación de la tensión en la dirección de máquina que altera la formación del carrete. La solución mediante un sistema de pulverización consiste en instalar un conjunto de humidificación en la sala de la máquina con boquillas de niebla ultrafina (Dv50 de 5–15 µm) con control modulado mediante múltiples sensores de humedad relativa situados a la altura del papel en toda la sala de la máquina. El sistema se activa cuando la humedad relativa baja del valor de consigna inferior (normalmente entre el 55 y el 60 % de humedad relativa) y modula el caudal de pulverización para mantener el rango objetivo, con una respuesta más rápida que un sistema de pulverización de volumen fijo que no puede adaptarse al ritmo variable de infiltración de aire frío. Requisito de diseño fundamental: los conjuntos de boquillas deben colocarse para lograr una humedad relativa uniforme en toda la sala de la máquina, no solo cerca de las posiciones de las boquillas —los puntos de infiltración de aire frío crean zonas secas que requieren cobertura de pulverización en un radio de 5–10 m para evitar que la humedad relativa local caiga por debajo del rango objetivo.

¿Cómo funciona la pulverización para descalentar el vapor en un sistema de vapor de la sección de secado de una máquina de papel?

Los sistemas de vapor de la sección de secado de las máquinas de papel suministran vapor a varios niveles de presión a distintos grupos de secado —normalmente entre 3 y 6 niveles de presión de vapor, desde el colector de suministro de alta presión hasta los grupos de escape de baja presión— mediante válvulas reductoras de presión que reducen la presión entre niveles. Cuando se reduce la presión del vapor mediante una válvula reductora de presión, el vapor se sobrecalienta: la caída de presión sin extracción de calor eleva la temperatura del vapor por encima de la temperatura de saturación a la nueva presión inferior. Por ejemplo, reducir el vapor de 8 bar (saturación a 170 °C) a 4 bar (saturación a 151 °C) mediante una válvula reductora de presión produce vapor sobrecalentado a aproximadamente 175–185 °C a 4 bar —es decir, entre 25 y 34 °C de sobrecalentamiento—. El vapor sobrecalentado que entra en los cilindros de secado reduce la eficiencia de la transferencia de calor porque no se condensa hasta que se enfría a la temperatura de saturación de 4 bar, que es de 151 °C, creando una película de vapor en la superficie de la carcasa del cilindro que aísla el vapor de esta. Cada grado de sobrecalentamiento que debe eliminarse antes de que comience la condensación en la carcasa reduce la fuerza motriz de temperatura disponible para la transferencia de calor y disminuye la velocidad de secado efectiva. El descalentamiento mediante inyección de agua elimina el sobrecalentamiento al evaporar el agua inyectada: el calor latente de evaporación del agua inyectada absorbe la energía del sobrecalentamiento del vapor, enfriándolo hasta la temperatura de saturación. La boquilla de descalentamiento (cono completo, gota fina, situada aguas arriba de una sección de mezcla) debe inyectar exactamente la cantidad de agua necesaria para absorber el sobrecalentamiento —si es poca, queda sobrecalentamiento residual; si es demasiada, produce vapor saturado húmedo con gotas sin evaporar—. El caudal de inyección de agua se controla mediante un controlador de descalentamiento que modula el caudal de la boquilla en función de la temperatura del vapor medida aguas abajo de la sección de mezcla, con el objetivo de alcanzar la temperatura de saturación a la presión reducida. La geometría del orificio de la boquilla determina la relación entre la presión de suministro y el caudal —el desgaste del orificio altera esta relación con el tiempo y debe controlarse comparando la posición de la válvula requerida por el controlador con la posición prevista para las condiciones actuales del vapor.

¿Por qué las boquillas de perfilado de humedad con orificios finos se obstruyen con más frecuencia en verano que en invierno?

La obstrucción de los orificios de las boquillas de perfilado de humedad es más frecuente en verano por dos motivos independientes relacionados con la calidad del agua y el crecimiento biológico. Dureza y formación de incrustaciones: en muchos sistemas de agua de la planta, las temperaturas de funcionamiento en verano son más altas en el suministro de agua de proceso —las torres de refrigeración son menos eficaces en climas cálidos, y los suministros de agua subterránea y superficial presentan mayores concentraciones de minerales en verano debido a menores caudales y mayor evaporación—. Una temperatura de agua más elevada acelera la precipitación de carbonato cálcico en las superficies de los orificios porque la solubilidad del CaCO₃ disminuye con la temperatura (a diferencia de la mayoría de las sales). Un agua de suministro con una dureza de 200 ppm de CaCO₃ a 15 °C tiene aproximadamente un 40 % más de potencial de formación de incrustaciones a una temperatura de suministro de 35 °C —por lo tanto, la calidad del agua en verano provoca incrustaciones más rápido que en invierno, incluso con la misma dureza nominal—. Si el sistema de rehumectación se alimenta de una fuente de agua que no cuenta con un tratamiento DI/RO durante todo el año, el ritmo de acumulación de incrustaciones en los orificios aumenta notablemente en verano. Crecimiento biológico: los colectores de boquillas de orificio fino en los sistemas de perfilado de humedad —especialmente cuando las boquillas permanecen inactivas durante períodos de baja actividad en los programas de producción o en los cambios de calidad— pueden desarrollar biopelículas en las ramas muertas de los colectores y en las caras de los orificios de las boquillas durante el clima cálido. Las biopelículas de Pseudomonas y otras bacterias acuáticas se establecen a 20 °C o más y crecen rápidamente por encima de los 25 °C en verano. Un orificio de 50 µm parcialmente obstruido por una biopelícula no parece obstruido a la inspección visual —el orificio parece abierto, pero el área transversal real del caudal se reduce entre un 30 y un 50 % debido al grosor de la película—. Soluciones: para las incrustaciones, suministro de agua DI/RO con purga periódica de ácido del colector (ácido cítrico diluido a pH 3–4, lavado, enjuague). Para el crecimiento biológico, purga periódica con biocida del colector de rehumectación durante los cambios de calidad o en el mantenimiento semanal —solución de dióxido de cloro con una concentración residual de 5–10 ppm, 30 minutos de contacto, lavado—. Inspeccione y mida los caudales individuales de las boquillas en cada mantenimiento mensual para detectar las primeras etapas de cualquiera de los mecanismos de obstrucción antes de que produzcan un problema visible en el perfil de humedad.