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Analisi sperimentale del processo industriale di asciugatura di filati su rocche

Nell'industria tessile, lo studio di tecniche innovative per la riduzione del consumo energetico e dei tempi operativi del processo di ascigatura è fondamentale per il contenimento dei costi e dell'impatto ambientale. In questo lavoro, utilizzando un banco prova che riproduce il funzionamento delle comuni asciuganti industriali di rocche di cotone, sono statie studiale le condizioni di funzionamento che rappresentano il compromesso ottimale tra tempo di asciugatura e consumo di energia.

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La Termotecnica aprile 2018

Pubblicato
da Alessia De Giosa




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Tecnica 50 LA TERMOTECNICA APRILE 2018 Energia & Efficienza INTRODUZIONE
L'asciugatura rappresenta uno tra i processi pi critici ed importanti in
diverse applicazioni industriali [1]. Nel 'ambito del 'industria tessile, il
processo di asciugatura avviene tra la fase di tintura e le ultime fasi
di finissaggio e rappresenta la maggiore fonte di costo e di consumo
di energia, utilizzando fino all'80% dell'energia consumata nell'intero
processo di produzione [2]. L'asciugatura di filati costituita da due ope-
razioni successive. Inizialmente, viene effettuata l'asciugatura meccanica
per l'estrazione dell'acqua meccanicamente legata alle fibre di tessuto ed
basata, generalmente, sull'utilizzo di centrifughe. Successivamente, la
restante parte di acqua rimossa per mezzo di un processo termico che,
generalmente, consiste nella circolazione di aria calda e asciutta attraverso
il materiale [3].
L'interesse della ricerca sullo studio di tale processo cresciuta esponen-
zialmente dagli anni '80. Molti studi sono stati effettuati sui meccanismi di
trasferimento di calore e di massa nelle fibre tessili utilizzando approcci
sperimentali e numerici. Modelli numerici sono stati sviluppati per simulare
il processo di asciugatura di tappeti [4] e di tessuti porosi [5] mostrando un
buon accordo con i risultati sperimentali. L'asciugatura di tessuti lavorati
a maglia stata analizzata sperimentalmente a diverse temperature evi-
denziando come la diminuzione dell'umidit nel tempo segua una legge
polinomiale [6].
Tuttavia, pochi studi sono stati effettuati sull'asciugatura di rocche o bobine
di filati. Le propriet termo-fisiche di una rocca di lana durante l'asciu-
gatura termica sono state analizzate per mezzo di un metodo inverso
utilizzando le temperature misurate sperimentalmente [7]. Studi sperimen-
tali sull'asciugatura di rocche di lana sono stati effettuati per mostrare la
presenza di un fronte di evaporazione [8] e per valutare l'influenza delle
condizioni termodinamiche. Questi test hanno evidenziato che il modello
pi accurato per descrivere la variazione dell'umidit nel tempo durante
l'asciugatura di rocche di lana il modello logaritmico [9]. Il processo di
asciugatura di rocche di cotone stato studiato analizzando l'influenza
della temperatura, della pressione e della portata di aria sul tempo di asciugatura e sul consumo energetico [10] ed effettuando test con diversi
diametri delle rocche trovando un modello numerico adatto per simulare
il processo [11].
In questo lavoro, le condizioni ottimali di funzionamento dell'asciugatura
di rocche di cotone sono state valutate sperimentalmente in un'asciugante
basata su una tipica configurazione industriale che, a differenza dei
lavori precedenti, stata progettata e costruita in maniera tale da poter
effettuare sia l'asciugatura meccanica che termica portando a vantaggi in
termini di tempo e costi energetici. Le analisi sono state eseguite a diverse
temperature, pressioni e variando il percorso dell'aria nell'asciugante. Il
processo meccanico stato effettuato creando una differenza di pressione
tra la parte esterna ed interna delle rocche che causa una strizzatura delle
rocche stesse ed una significativa rimozione di acqua. I risultati hanno
mostrato l'influenza delle condizioni di funzionamento sia sul tempo di
asciugatura che sul consumo energetico. CASO STUDIO
Il banco prova stato costruito in accordo con le comuni applicazioni
tipiche dell'industria tessile, con lo scopo di effettuare entrambi i processi di G. Galoppi, L. Ferrari, G. Ferrara, E. A. Carnevale Analisi sperimentale del processo industriale
di asciugatura di filati su rocche
Nell'industria tessile, lo studio di tecniche innovative per la riduzione del consumo energetico e dei tempi operativi del processo di asciugatura fon-
damentale per il contenimento dei costi e dell'impatto ambientale. In questo lavoro, utilizzando un banco prova che riproduce il funzionamento delle
comuni asciuganti industriali di rocche di cotone, sono state studiate le condizioni di funzionamento che rappresentano il compromesso ottimale tra
tempo di asciugatura e consumo di energia. EXPERIMENTAL ANALYSIS OF THE INDUSTRIAL DRYING PROCESS OF YARN BOBBINS
In the textile industry, the study of innovative techniques for the reduction of the energy consumption and operating time of the drying process is fundamental
to limit the costs and the environmental impact. In this work, a test rig based on the geometry of common industrial dryers was used to analyze the drying
process of cotton yarn bobbins. The optimum drying conditions were evaluated as a trade-off between the drying time and the energy consumption. Ing. Giovanni Galoppi, Prof. Giovanni Ferrara, Prof. Ennio Antonio Carnevale - Universit degli Studi di Firenze
Ing. Lorenzo Ferrari - Universit di Pisa FIGURA 1 - Schema 3D del banco prova Tecnica LA TERMOTECNICA APRILE 2018 51 Energia & Efficienza di asciugatura termica e meccanica ed acquisire i principali parametri del
processo (Figura 1).
Durante l'asciugatura termica, l'aria riscaldata da un riscaldatore elet-
trico di 15 kW regolato tramite un controllore PID per ottenere il valore di
temperatura prefissato in uscita dal riscaldatore stesso. L'aria calda entra
nel porta materiale in cui le rocche sono posizionate verticalmente. In
questo caso, sono state utilizzate sette rocche di cotone che sono formate
avvolgendo il filato intorno ad un'anima traforata di forma conica. Il banco
stato progettato per poter testare l'asciugatura in diverse configurazioni
grazie alla presenza di valvole a sfera presenti su alcuni rami. In partico-
lare, l'aria pu entrare nel porta materiale dalla parte inferiore in maniera
tale da attraversare le rocche in direzione interno-esterno, o dalla parte
laterale per attraversare le rocche in direzione esterno-interno. Inoltre, sono
stati predisposti tre rami nella parte laterale del porta materiale, intercettati
anch'essi da valvole a sfera, per modificare il numero di entrate o uscite
dell'aria. La circolazione dell'aria assicurata da un ventilatore centrifugo
di 18.5 kW, la cui velocit di rotazione regolata da un inverter. Le condi-
zioni di pressione all'interno del porta materiale possono essere modificate
connettendo il ventilatore al resto del banco in due diverse modalit: -connet endo l'uscita del ventilatore con l'ingresso del riscaldatore: il ventilatore aspira l'aria dall'ambiente ed invia aria pressurizzata al
porta materiale; -connettendo l'ingresso del ventilatore con l'uscita del porta materiale: in tal modo, il volume all'interno del porta materiale mantenuto in
depressione. Sono state previste queste due modalit poich il processo di asciugatura
pi efficiente, a parit di portata e temperatura di lavoro, a pressioni
ridotte poich queste comportano minori temperature di saturazione e,
quindi, un'evaporazione pi rapida dell'acqua. Tuttavia, nella configura-
zione industriale analizzata, la depressione causa anche una riduzione
della portata elaborata che potrebbe rendere il processo pi oneroso sia
in termini di tempi che di costi energetici. Per questo motivo, l'analisi spe-
rimentale necessaria per valutare la migliore combinazione.
Precedentemente al processo di asciugatura termica, viene effettuato il
processo di strizzatura meccanica. A differenza dei comuni metodi basati
sull'estrazione centrifuga, in questo caso viene creata una differenza di
pressione tra la parte esterna ed interna delle rocche. In tal modo, si otten-
gono vantaggi in termini sia di tempi che di costi poich entrambi i processi
possono essere effettuati nel medesimo banco ed il consumo energetico
relativamente ridotto rispetto all'estrazione centrifuga. In dettaglio, il porta
materiale viene pressurizzato lentamente inserendo aria dalla linea ester-
na attraverso una piccola apertura, dopo aver chiuso tutte le altre valvole
presenti. Dopo aver raggiunto il valore di pressione prefissato uniforme
in tutta la camera, viene aperta una valvola di diametro maggiore posta
al di sotto del porta materiale che causa un'uscita istantanea dell'aria
presente all'interno delle rocche. La pressione in questa zona scende
istantaneamente causando una forte differenza di pressione fra la parte
esterna ed interna delle rocche favorendo, cos, la strizzatura meccanica
delle stesse. Con il passaggio dell'aria attraverso le rocche, la differenza
di pressione diminuisce gradualmente fino a raggiungere l'equilibrio alla
pressione ambiente. La strizzatura tanto pi efficiente quanto maggiori
sono le perdite di carico attraverso le rocche; per questo motivo, la mag-
giore espulsione di acqua ottenuta quando le rocche sono pi umide. Sistema di misura
Nel banco prova sono stati installati tutti gli strumenti necessari per ac-
quisire le principali grandezze durante i processi. Le condizioni termo-
dinamiche a monte e valle del porta materiale sono acquisite misurando
le temperature utilizzando delle termocoppie di tipo T e le pressioni con
dei trasduttori Setra (range di misura -5/5 psid). La pressione interna alla
camera acquisita da un trasduttore Honeywell (con fondo scala 100 psi).
La portata di aria elaborata dal banco misurata da una flangia calibrata
che connessa alla tubazione. La portata di acqua evaporata ottenuta
misurando la variazione di peso delle rocche grazie all'utilizzo di quattro
celle di carico sulle quali poggia l'intera struttura.
I segnali sono acquisiti da un Field Point di National Instruments ed elabo-
rati da un software sviluppato in LabVIEW, che permette di monitorare le
condizioni di funzionamento in tempo reale e di controllare l'apertura delle
valvole elettroniche per l'uscita dell'aria durante l'asciugatura meccanica. ANALISI SPERIMENTALI
Prima di effettuare i test sperimentali, le rocche sono tenute in un recipiente
di acqua per almeno 24 ore al fine di ottenere una distribuzione omogenea
di acqua su tutto il materiale. Dopo aver posizionato le rocche umide all'in-
terno del porta materiale, viene eseguito il processo meccanico inserendo
aria fino a 5 bar. Il processo di pressurizzazione e scarico dell'aria all'in-
terno del porta materiale che causa la strizzatura meccanica eseguita pi
volte fino ad ottenere una variazione di peso che risulta non pi consistente.
In ogni test effettuato stata rilevata una rimozione del 25-30% di acqua
tramite questo processo.
Per quanto riguarda l'asciugatura termica, sono state effettuate prove in
diverse condizioni per determinare l'influenza dei principali parametri di
asciugatura. In particolare: -l'influenza del percorso dell'aria valutata eseguendo test in tre diver- se configurazioni (Figura 2):
1. direzione dell'aria interno-esterno ed uscita dal ramo pi in alto
2. direzione dell'aria interno-esterno ed uscita nei tre rami
3. direzione dell'aria esterno-interno -l'influenza della pressione stata valutata collegando il ventilatore all'impianto in modo da lavorare sia con camera pressurizzata che
depressurizzata -l'influenza della temperatura stata valutata utilizzando aria in ingresso FIGURA 2 - Configurazioni testate della
direzione dell'aria di asciugatura
Tecnica 52 LA TERMOTECNICA APRILE 2018 Energia & Efficienza a 100C, 110C e 120C. La temperatura massima stata suggerita da
precedenti lavori a causa del degrado delle propriet meccaniche del
filato a temperature maggiori [11-12] Il confronto tra le diverse condizioni di funzionamento stato effettuato
sia in termini di tempi di asciugatura che in termini di energia consumata.
L'energia richiesta dal ventilatore e dal riscaldatore stata calcolata con
le seguenti equazioni: in cui il rendimento isentropico del ventilatore ' is ed il rendimento del riscaldatore ' heat sono stati assunti pari al 60% ed il 90% rispettivamente. RISULTATI
Il comportamento del processo di asciugatura in ogni test valutato mo-
strando l'andamento nel tempo del contenuto di umidit, definito come: dove W wet e Wdry rappresentano il peso del materiale umido e secco rispettivamente.
In Figura 3 riportato il confronto tra le diverse configurazioni rap-
presentate in Figura 2. evidente come il numero di rami in uscita dal
porta materiale non influenzi il processo, poich i comportamenti delle
configurazioni 1 e 2 sono pressoch identici. Al contrario, cambiando la
direzione di asciugatura i risultati ottenuti sono molto diversi. Asciugando
in direzione interno-esterno, il processo nettamente pi rapido rispetto
all'asciugatura in direzione esterno-interno. Questo comportamento
dovuto alle diverse condizioni di asciugatura raggiunte. Con il passaggio
dell'aria in direzione esterno-interno, le perdite di pressione attraverso le
rocche sono maggiori a causa della compressione delle fibre in confronto
alle altre configurazioni che comportano una tendenza alla separazione
delle fibre. Per questo motivo, la pressione all'interno della camera mag-
giore, cos come quella all'uscita del ventilatore e, conseguentemente, la
portata elaborata dal ventilatore minore. La minore portata provoca un
netto aumento dei tempi di asciugatura. Perci, per i successivi test stata
considerata solo la configurazione 1. Come era lecito aspettarsi, a parit di pressione di lavoro il processo pi rapido con temperature dell'aria
maggiori. In questo caso, aumentando la temperatura da 100C a 120C,
il tempo di asciugatura diminuisce da 90 a 70 minuti, ovvero pi del 20%
(Figura 4a). L'influenza della pressione dell'aria in ingresso stata valutata
effettuando analisi nelle seguenti condizioni, a parit di temperatura: -p = 1.55 bar ; m = 0.092 kg/s (valore massimo) -p = 1.35 bar ; m = 0.040 kg/s -p = 0.65 bar ; m = 0.066 kg/s Il grafico in Figura 4b mostra che il processo pi rapido pressurizzando la
camera al massimo valore ottenibile rispetto a depressurizzarla, sebbene il
processo dovrebbe essere pi efficiente a minori pressioni poich si riduce
la temperatura di saturazione. Questo comportamento giustificato dalla
minor portata elaborata nel caso in cui il compressore lavori in depressio-
ne. Inoltre, pressurizzando la camera ad un minor livello di pressione (da
1.55 bar a 1.35 bar), la portata diminuisce nettamente causando un netto
aumento dei tempi di asciugatura.
I risultati ottenuti dalle prove sperimentali sono stati utilizzati per stimare
il consumo energetico tramite le Eqs. 1-2 (Figura 5). Aumentando la
temperatura dell'aria in ingresso, a parit di pressione, l'energia richiesta
dal ventilatore ridotta a causa del minor tempo di asciugatura, mentre
l'energia richiesta dal riscaldatore ovviamente maggiore. La risultante
energia totale richiesta dal sistema non varia sensibilmente per diverse
temperature di funzionamento, per cui la soluzione migliore risulta essere
quella di asciugare a pi alta temperatura possibile che, dall'altro lato,
porta ad una netta diminuzione dei tempi di asciugatura. Per quanto
riguarda l'influenza della pressione, nel processo in depressione l'energia
totale richiesta fortemente maggiore rispetto agli altri casi a causa della FIGURA 3 - Andamento nel tempo del contenuto
di umidit in diverse configurazioni del banco
FIGURA 4 - Andamento nel tempo del contenuto di
umidit in funzione della temperatura (a) e pressione (b)
(1) (2) (3) Tecnica LA TERMOTECNICA APRILE 2018 53 Energia & Efficienza pi alta energia richiesta dal riscaldatore. Infatti, nel caso di asciugatura in
pressione, l'aria in ingresso alla camera preriscaldata dal compressore
e deve effettuare un minor salto di temperatura nel riscaldatore. Inoltre,
l'energia richiesta nel caso a minor pressione (1.35 bar) inferiore, no-
nostante il pi alto tempo di asciugatura. Per questi motivi, pi efficiente
effettuare il processo pressurizzando la camera ed i valori di pressione e
portata devono essere scelti come compromesso tra tempo di asciugatura e
energia consumata. Tuttavia, fondamentale evidenziare che diminuendo
la pressione dell'aria da 1.55 bar a 1.35 bar, l'energia richiesta diminuisce
di circa il 20%, mentre il tempo di asciugatura aumenta del 50%. CONCLUSIONI
Tra i diversi processi coinvolti nell'industria tessile, il processo di asciu-
gatura risulta tra i pi energivori, per cui un'analisi dettagliata per l'otti-
mizzazione del processo necessaria per ridurne il consumo energetico.
Per questo motivo, l'influenza dei principali parametri di funzionamento
durante il processo di asciugatura di rocche di cotone stata studiata spe-
rimentalmente all'interno di un banco prova basato sulla geometria delle
comuni asciuganti industriali. Il banco sperimentale stato progettato per
poter effettuare entrambi i processi di asciugatura meccanica e termica. Il
processo meccanico stato effettuato creando una differenza di pressione
tra la parte esterna ed interna delle rocche in maniera tale da ottenere una
strizzatura che porta ad una rimozione di acqua del 25-30%. Il processo
termico stato effettuato scaldando l'acqua con un riscaldatore elettrico ed
usando un ventilatore centrifugo, ed stato analizzato in diversi configura-
zioni e condizioni di funzionamento. La migliore configurazione quella
di asciugare con passaggio dell'aria attraverso le rocche dall'interno verso l'esterno che causa minori perdite di pressioni e, quindi, maggiori
portate. Inoltre, il tempo di asciugatura ridotto asciugando con maggiori
temperature e pressioni dell'aria in ingresso alla camera, mentre l'energia
richiesta dal sistema non varia sensibilmente con la temperatura ed mi-
nore pressurizzando a minori valori di pressione, che tuttavia comporta
maggiori tempi asciugatura. La depressurizzazione della camera, invece,
causa un netto aumento dell'energia richiesta poich la temperatura in
ingresso al riscaldatore fortemente inferiore rispetto al caso opposto.
In conclusione, le condizioni di funzionamento ottimali sono di asciugare
con valori di temperatura pi alti possibile e pressurizzando l'aria con
valori di pressione e portata che devono essere scelti considerando che
la diminuzione di pressione influenza maggiormente i tempi asciugatura
rispetto all'energia richiesta. Ringraziamenti: gli autori ringraziano l'azienda Laip SRL per la colla-
borazione nell'attivit presentata in questo lavoro e per il permesso nel
pubblicare i risultati ottenuti durante lo studio. BIBLIOGRAFIA
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e tempo di asciugatura in ogni test


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