Przedstawiono rozważania dotyczące identyfikacji uszkodzeń powłoki oraz wad powierzchni walca prasowego maszyny papierniczej. W pierwszej części artykułu dokonano analizy potrzeb identyfikacji tych uszkodzeń oraz problemy związane z oceną stanu technicznego walców prasowych, w drugiej - przedstawiono przykłady identyfikacji rozwoju uszkodzeń powłoki oraz wad powierzchni walca prasowego maszyny papierniczej do produkcji papierów tissue w oparciu o opracowaną przez autorów metodę porównywania obrazów drganiowych ilustrujących wpływ oddziaływań poszczególnych wymuszeń na poziom drgań obudów łożysk walców.
EN
This article presents considerations referred to identification of coating defects and surface errors of the paper machine press roll. The first part of the article contains analysis of the defect identification needs and problems connected with evaluation of the press roll technical condition. The second part of the article presents examples of identification of the press roll coating defect development and press roll surface errors. This identification was realized on the base of the method relying on comparison of vibration patterns illustrating influence of the particular excitations on the vibration level measured at the press roll bearing housings.
Szczególnie w dobie kryzysu istnieje wiele powodów, aby redukować zużycie energii na maszynie papierniczej. Największym konsumentem energii jest jej cześć susząca, ale również w części sitowej optymalizacja zużycia energii jest zasadna i celowa.
EN
Due to the global financial crisis, the capacity of companies to invest has been weakened by reduced access to financial resources. There are many reasons to reduce energy consumption on a paper machine. It is well known that the drying section has the biggest potential for improvement however even the forming section might be optimised. In this article basic factors influencing power consumption, initial dewatering, forming fabric construction and materials will be discussed.
W artykule przedstawiono zagadnienia dotyczące identyfikacji własności dynamicznych konstrukcji wsporczej części prasowej maszyny papierniczej poddanej w warunkach eksploatacyjnych działaniu wielu poliharmonicznych wymuszeń dynamicznych. W pierwszej części artykułu omówiono okoliczności wskazujące na możliwość występowania wzmocnień rezonansowych odpowiedzi drganiowych na działające wymuszenia dynamiczne oraz przeanalizowano potrzeby i ograniczenia związane z realizacją identyfikacji własności dynamicznych konstrukcji. Ponadto wykazano, że wiarygodna estymacja własności dynamicznych omawianej konstrukcji wsporczej wymaga zastosowania testu dynamicznego z wykorzystaniem wymuszeń działających podczas normalnej eksploatacji maszyny papierniczej. Wyniki rozważań przeprowadzonych w pierwszej części artykułu były podstawą realizacji badań własności dynamicznych konstrukcji wsporczej części prasowej maszyny papierniczej w warunkach eksploatacyjnych. Analiza wyników badań własności dynamicznych tej konstrukcji została przedstawiona w drugiej części artykułu. Dla uzyskanych przebiegów odpowiedzi drganiowych wyznaczono charakterystyki teoretyczne i dopasowano je do tych przebiegów uzyskując w ten sposób parametry dynamiczne badanej konstrukcji. Wyniki badań własności dynamicznych porównano następnie z wynikami obliczeń dynamicznych charakterystyk amplitudowych w oparciu o metodę elementów skończonych i na tej podstawie podjęto decyzję o realizacji modernizacji konstrukcji.
EN
The paper presents identification of dynamic properties of a paper machine press part support structure subjected to many polyharmonic excitations during operation. First part of the article contains description of circumstances pointing at possibility of resonant amplification of vibration responses to the dynamic excitations and analysis of needs and limitations connected with identification of the structure dynamic properties. Moreover it was pointed out that in order to realize reliable estimation of the support structure dynamic properties one should apply dynamic test using excitations acting during standard operation of the paper machine. Results of considerations presented in first part of the article were the base to conduct the research of paper machine press part support structure dynamic properties in operation conditions. Analysis of research results of dynamic properties of this structure is presented in second part of the article. Theoretic characteristics were estimated for courses of vibration responses and matched to these courses in order to estimate dynamic parameters of the considered structure. Next, research results of structure dynamic properties and results of dynamic calculations realized on the base of finite element method were compared and decision concerning realization of the support structure modernization was made.
W każdym prawidłowo funkcjonującym, ustabilizowanym i ciągłym procesie technologicznym ustala się pewna dynamiczna równowaga, którą w technologii papieru ogólnie określa się jako równowagę technologiczną. Równowagę tę definiują określone wskaźniki kryterialne (fizyczne, fizykochemiczne, chemiczne), które umożliwiają jednoznaczną charakterystykę stanu procesu technologicznego. Najczęściej wskaźniki te mają również decydujący wpływ na przebieg tego procesu. W przypadku produkcji papieru równowagę technologiczną w procesie kształtują równowagi cząstkowe: wodna, masowa, fizykochemiczna, cieplna i mikrobiologiczna. Podstawowymi wskaźnikami, które charakteryzują te równowagi, są: jednostkowe zużycie wody świeżej, stężenie substancji stałych i rozpuszczonych w układzie wodno-masowym maszyny papierniczej, temperatura panująca w tym układzie oraz ilość i rodzaj rozwijających się w nim mikroorganizmów. W przeszłości, kiedy stosowano surowce włókniste najwyższej jakości i nie istniały ograniczenia zużycia wody świeżej, układ technologiczny procesu wytwarzania papieru był stosunkowo mało skomplikowany i posiadał otwartą strukturę liniową. Panująca w nim równowaga technologiczna nie była więc czynnikiem, który mógłby w sposób istotny ograniczać przebieg produkcji. Natomiast współczesny przemysł papierniczy podlega ciągłym zmianom wymuszanym przez czynniki ekonomiczne, środowiskowe i społeczne. Efektem tych zmian jest m.in. zwiększanie wykorzystania surowców wtórnych, ograniczanie zużycia wody świeżej i ilości odprowadzanych ścieków. Ponieważ specyfika procesu wytwarzania papieru wymusza stosowanie dużych ilości wody, obniżanie zapotrzebowania na ten surowiec odbywa się poprzez zastępowanie go wodami poprodukcyjnymi krążącymi w procesie. Uwzględniając fakt, że w trakcie produkcji papieru zachodzą złożone zjawiska fizykochemiczne, współczesny układ technologiczny maszyny papierniczej można przyrównać do wielostopniowego reaktora z częściowym zawracaniem wybranych strumieni reagentów z różnych etapów przebiegu procesu. Strumienie cyrkulacyjne, niosąc określony ładunek substancji stałych i rozpuszczonych, oddziałują w sposób wtórny na proces produkcyjny, w efekcie czego układ technologiczny nabiera cech systemu okresowo nieustalonego, obarczonego dodatkowo szeregiem opóźnień. Proces produkcji papieru należy ponadto do systemów wieloparametrowych typu MIMO (Multiple Input Multiple Output). Oznacza to, że przebieg tego procesu jest uzależniony od wielu parametrów, które często są ze sobą wzajemnie sprzężone. Wszystkie te czynniki powodują, że do sterowania takim procesem konieczne jest stosowanie najbardziej wyrafinowanych wieloprocesorowych systemów komputerowych, w których wykorzystuje się m.in. hierarchiczne sterowanie rozproszone (DCS), wielowymiarowe sterowanie predykcyjne (MPC) z modelami cząstkowymi, logikę rozmytą, sieci neuronowe i inne. W dalszym ciągu nie daje to jednak 100% gwarancji poprawnego przebiegu procesu produkcyjnego. Zmniejszanie jednostkowego zużycia wody świeżej staje się obecnie szczególnie trudnym problemem w technologii papieru. Efektem ciągłego, wtórnego wykorzystywania wód obiegowych jest bowiem znacząca zmiana równowagi technologicznej panującej w procesie produkcyjnym. W skrajnym przypadku może to prowadzić do destabilizacji tego procesu, a w efekcie do obniżenia jego wydajności i pogorszenia jakości produktu. Dodatkową trudnością jest fakt, że zmiany poszczególnych parametrów mogą zachodzić w różnych przedziałach czasowych. Badania nad równowagą technologiczną procesu produkcji papieru mają więc obecnie duże znaczenie praktyczne, jednakże wyniki uzyskiwane w trakcie pomiarów wykonywanych w warunkach przemysłowych często są mało precyzyjne. Wynika to głównie ze wzrostu stopnia skomplikowania współczesnych układów technologicznych, skrócenia czasów trwania poszczególnych operacji jednostkowych, a także na skutek działania układów automatyki korygujących na bieżąco poszczególne parametry procesu. Dalszy rozwój i wszelkie działania optymalizacyjne w tym przemyśle coraz bardziej zaczynają więc zależeć od dokładności modeli matematycznych oraz programów komputerowych, które umożliwiają symulowanie i analizowanie określonych sytuacji bez konieczności ingerencji w układ rzeczywisty. Powyższe czynniki spowodowały podjęcie prac mających na celu opracowanie modelu, a następnie całej aplikacji umożliwiającej badania zmian zachodzących w równowadze technologicznej układu wodno-masowego maszyny papierniczej ze szczególnym uwzględnieniem cząstkowych równowag: wodnej, masowej i fizykochemicznej. Prace na modelem były poprzedzone badaniami doświadczalnymi, dzięki którym określono szybkość uwalniania się zanieczyszczeń stałych i rozpuszczalnych przenikających do wód technologicznych papierni z uwzględnieniem rodzaju surowca włóknistego, jego stężenia i temperatury. Eksperymentalnie wyznaczono też zależności pomiędzy ograniczeniem zużycia wody świeżej a ilością zanieczyszczeń kumulujących się w wodach obiegowych. Wyznaczono ogólny wzór, który pozwala określić zmianę wskaźnika opisującego daną równowagę cząstkową w zależności od jednostkowego zużycia wody świeżej. Na podstawie danych doświadczalnych oraz rozważań teoretycznych wyznaczono równania pozwalające na ilościowe określenie wielkości zmian zachodzących w równowadze technologicznej w modelowanym układzie oraz wyznaczenie czasu trwania tych zmian. Równania te wykorzystano następnie w opracowanym symulatorze układu wodno-masowego maszyny papierniczej. Aplikacja ta została wyposażona w interfejs zbliżony wyglądem i funkcjonalnością do rzeczywistego systemu sterowania maszyną papierniczą. Oprócz równań bilansowych dotyczących badanych równowag cząstkowych, w programie uwzględniono typowe dla maszyn papierniczych układy sterowania automatycznego (oparte zarówno o regulatory lokalne typu PID, jak i układy sterowania hierarchicznego), co pozwoliło dokładniej odtwarzać zachowanie się rzeczywistego układu przemysłowego. Matematyczny opis modelowanego układu technologicznego zajął ponad 1500 linii kodu, natomiast cały program obejmuje ponad 20.000 linii kodu. Statyczna weryfikacja opracowanego modelu i programu symulacyjnego wykazała, że narzędzie to odwzorowuje zmiany zachodzące w badanym procesie technologicznym z zadowalającą dokładnością. Dzięki temu stało się możliwe dokładniejsze, ilościowe określenie stanu równowagi technologicznej panującej w badanym układzie technologicznym oraz wyznaczenie czasów ustalania się poszczególnych równowag cząstkowych w badanym układzie. W wyniku przeprowadzonych symulacji wykazano m.in., że zmniejszanie jednostkowego zużycia wody świeżej pociąga za sobą wykładniczy wzrost stężenia zawiesiny oraz substancji rozpuszczalnych w wodzie obiegowej w maszynie papierniczej oraz wydłuża czas ustalenia się nowej równowagi technologicznej w badanym układzie technologicznym. Przykładowo, zmniejszenie jednostkowego zużycia wody świeżej z 220 m3/t do 5 m3/t spowodowało dwukrotny wzrost stężenia zawiesiny w wodzie obiegowej i wydłużenie czasu stabilizacji się równowagi technologicznej z około 2,5 minuty do ponad 130 minut, co w warunkach rzeczywistych może stanowić istotne utrudnienie dla efektywnej kontroli i regulacji procesu produkcyjnego. Stwierdzono ponadto, że najszybciej stabilizuje się równowaga masowa, natomiast najdłużej ustala się równowaga fizykochemiczna związana z organicznymi substancjami rozpuszczalnymi. Opracowany program umożliwił również analizę nieustalonych stanów przejściowych będących odpowiedzią układu technologicznego na wprowadzane w nim zmiany. Opracowane narzędzie oraz przedstawione wyniki badań stanowią przyczynek do uzupełnienia dotychczasowej wiedzy na temat funkcjonowania układu wodno-masowego maszyny papierniczej.
EN
Every properly functioning, stable continuous technological process operates under certain dynamically balanced conditions. In general, this state can be described as a "Technological Equilibrium" of a process. To be useful, technological equilibrium of any process should be precisely determined by physical, physico-chemical and technological parameters. In case of paper production process, technological equilibrium is a set of the following partial equilibriums: water, mass, physico-chemical, microbiological and thermal. These equilibriums can be characterized by the following factors: specific water consumption, consistency of suspended and dissolved (organic and inorganic) solids in a technological water, amount and species of microorganisms in a technological water and temperature of a technological water. In the past, when high quality raw materials were used and fresh water consumption did not restrict the process, technological system of a paper mill had relatively simple, open and linear structure. As a result, technological equilibrium in such a system had a minor impact on the process and did not limit it. Modern paper industry is strongly influenced by economic, environmental and social factors. For example, there is a pressure for higher utilization of recycled materials and reduction of both fresh water consumption and waste water effluent. Unfortunately, a characteristic feature of paper production is its internal, high demand for water, which cannot be easily reduced in practice. Therefore, lower specific water consumption can be achieved only by replacing the fresh water with circulating post production (technological) waters. One must remember that a lot of very complex phenomena occur in modern papermaking process, thus this process can be compared with multi-stage reactor where certain streams of reagents from different stages of a process are recirculated. In papermaking, recirculated streams carry a load of suspended and dissolved solids and secondarily affect the process. As a result, this process can be considered as a unsteady with a dead-time presence. In addition, papermaking process is a MMO system (Multiple Input Multiple Output) which means that it depends on several parameters simultaneously. A lot of these parameters are also coupled. All above factors cause, that the most sophisticated solutions must be used in order to control this process including hierarchical distributed control systems, multivariable model predictive control systems, fuzzy logic, neural networks etc. However, it still does not guarantee absolutely stable operations. Nowadays, decrease of the specific fresh water consumption is one of the most difficult tasks in papermaking. Increased usage of circulating technological waters leads to significant change of the technological equilibrium in paper mill. In extreme situation, it can result in unstable process parameters, lower production efficiency and quality. Therefore, investigations related to technological equilibrium in paper production nowadays are fundamental from practical point of view. Unfortunately, results obtained during industrial measurements are often not reliable. Complexity of the process, short dwell times and constant parameter corrections by control systems are the main reasons. That is why further development and optimization in this industry depend on accuracy of mathematical models and computer software which provide the possibility of process simulations and analysis without without a necessity to interfere with a real system. As a result of above factors, presented work was undertaken. The main objective of this work was to develop the model and computer application for investigation and analysis of the technological equilibrium in water-mass loops of a paper machine system, especially including: water equilibrium, mass equilibrium and physico-chemical equilibrium. The main task of the research was preceded by laboratory experiments related to kinetics of fines fraction development in technological waters of a paper mill and desorption of dissolved solids from papermaking pulps. Temperature, consistency and pulp type were the main variables. Relationships between specific fresh water consumption and accumulation of suspended and dissolved solids in technological waters were also determined. As a result of the analysis, an empirical formula was generated that -for the assumed specific fresh water consumption - enables to determine the value of a given partial equilibrium. Obtained results were subsequently used during development of the mathematical model and process simulator of a wet-end part of a paper machine. DCS-like interface was also implemented into the application. Main control loops similar to real control systems of a paper machine (including PID local controllers) were implemented as well. Mathematical description of the model in the application takes about 1500 lines of code. Full program code takes about 20.000 lines. Steady-state verification of the developed model and the application showed that it works with satisfactory accuracy, thus it made possible to determine quantitatively the state of technological equilibrium with high precision. Based on the results obtained from simulations it was found that decrease of the specific fresh water consumption caused exponential growth of the consistency of both suspended and dissolved solids and extended the time of stabilization of technological equilibrium in the investigated process. For example, decrease of specific fresh water consumption from 220 m3/t to 5 m3/t doubled the consistency of suspended solids in technological waters and extended stabilization time of the technological equilibrium from 2,5 minutes to 130 minutes. I was also found that the time of mass equilibrium stabilization was the shortest. On the other hand, the time of stabilization of a physico-chemical equilibrium related to organic compounds was the longest. Proposed software enabled also the possibility of analysis of unstable, transient states which originated from a system response to applied changes. Presented results and developed application are the complement to the knowledge of the functioning of a technological system of a paper machine.
This paper shows creating and solution of numerical model of fluid flow problem in paper machine. It shows this numerical model with its boundary conditions and results we received. Those results will be later used as loads for structural analysis and we will be try to calculate deflection of paper web.
PL
Artykuł przedstawia utworzenie i rozwiązanie modelu numerycznego przepływu cieczy w maszynie papierniczej. Model numeryczny pokazany jest wraz z jego warunkami brzegowymi i otrzymanymi wynikami. Wyniki te zostaną później wykorzystane jako obciążenia przy analizie strukturalnej oraz do próby obliczenia ugięcia zwoju papieru.
W artykule omówiono metodykę i wyniki pomiarów procesu odwadniania i odkształcania papieru filtracyjnego, do filtracji powietrza w silnikach spalinowych, stosowanych w motoryzacji i lotnictwie, metodą przedmuchu powietrza. Opisano stoisko doświadczalne, na którym prowadzono badania. Wyniki badań wykazały, że metoda odwadniania papieru filtracyjnego za pomocą przepływu powietrza nie powoduje niepożądanego zagęszczenia jego struktury a równocześnie odwadnianie tą metodą jest wielokrotnie bardziej wydajne niż metodami konwencjonalnymi.
EN
In this paper, the methodology and results of dewatering process measurements of the filter paper used and air filtration in internal-combustion engines are discused. The method of blowthrough of air was used for paper dewatering. The investigations were carried out on experimental stand. On the basis of carried out investigations, it was concluded that this process of paper dewatering does not result in densification of paper structure. This process is also more effective than conventional methods.
Diagnostyka maszyn papierniczych, a szczególnie ich części prasowych, wymaga stosowania szczególnych metod. Wynika to przede wszystkim z faktu występowania złożonych poliharmonicznych wymuszeń dynamicznych obejmujących znaczny zakres częstotliwości. Różnice między częstotliwościami podstawowymi tych wymuszeń są małe. Występują również poliharmoniczne wymuszenia o małej wartości częstotliwości podstawowej (ok. 0.5 Hz). W pracy przedstawiono przypadki: - identyfikacji własności dynamicznych części prasowej, -identyfikacji własności dynamicznych pompy próżniowej, - rozpoznania zmiennego niewyważenia wału prasowego spowodowanego przemieszczaniem się masy wewnątrz wału, - rozpoznania błędów przekroju poprzecznego potwierdzonych pomiarami bezpośrednimi, - rozpoznania wymuszeń dynamicznych wynikających z oddziaływań filcu.
EN
Condition monitoring of paper machines, especially of their press parts, needs applying special methods. That is a result of complex poliharmonic dynamic excitations covering broadband frequency range. Differences between base frequencies of these excitations are small. One can observe poliharmonic excitations with very small base frequency (about 0.5 Hz). The article presents case studies of: - identification of dynamic properties of the paper machine press part, - identification of dynamic properties of vacuum pump, - recognition of variable press roll unbalance caused by moving mass inside the roll, - recognition of the press roll cross-section circularity errors that were confirmed by direct measurements, - recognition of dynamic excitations caused by interactions between press rolls through the felt.
Hydrophobic and superhydrophobic surfaces were field-tested on two locations in a paper machine to see the easy-to-clean property, compared with a reference surface. One test site was near machine wire which was wet place exposed to fibres and wood extracts, and the other was at size roll, where was much drier and surfaces were exposed to glue aerosol. The test period was 16 days. At the end of the field test, all the surfaces were covered with substances collected from the paper machine environment. The surfaces were then washed by pressurized water. For the surfaces tested near the machine wire, the collected substances could only be washed away slightly and therefore no surface was easy-to-clean. However, for the surfaces tested at the size roll, the washed hydrophobic and superhydrophobic surfaces became quite clean. The field-tested surfaces were characterized visually and by stereomicroscopy, scanning electron microscopy and contact angle measurement. The results show that the application of hydrophobic and superhydrophobic surface as easy-to-clean surface depends on the testing location where different types of substances exist. The hydrophobic surface works almost as good as the superhydrophobic surface in size roll to have easy-to-clean property.. Keywords: Hydrophobic, Superhydrophobic, Easy-to-clean, Field test, Paper machine
PL
Powierzchnie hydrofobowe i superhydrofobowe poddano badaniom eksploatacyjnym w dwóch miejscach maszyny papierniczej, aby obserwować cechę łatwości oczyszczania w porównaniu z powierzchnią odniesienia. Jedno badane miejsce znajdowało się w pobliżu prętów maszyny i było mokrym miejscem wystawionym na działanie włókien i ekstraktów drewnianych; drugie badane miejsce znajdowało się przy walcu formatowym, gdzie było bardziej sucho, a powierzchnie były wystawione na działanie aerozolu klejowego. Okres badania wynosił 16 dni. Po zakończeniu badań eksploatacyjnych wszystkie powierzchnie pokryły substancjami zebranymi ze środowiska maszyny papierniczej. Powierzchnie te umyto następnie wodą pod ciśnieniem. W przypadku powierzchni badanych w pobliżu prętów maszyny, zgromadzone substancje można było zmyć tylko częściowo i dlatego żadna powierzchnia nie charakteryzowała się łatwością czyszczenia. Jednakże w przypadku powierzchni badanych przy walcu formatowym, powierzchnie hydrofobowa i superhydrofobowa poddane myciu były całkowicie czyste. Powierzchnie poddane badaniom eksploatacyjnym zostały scharakteryzowane wizualnie, za pomocą mikroskopu stereoskopowego i skaningowego oraz za pomocą pomiarów konta zwilżania. Wyniki pokazują, że zastosowanie powierzchni hydrofobowej i superhydrofobowej jako powierzchni łatwej do oczyszczania zależy od miejsca badania, gdzie występują substancje różnego typu. Powierzchnia hydrofobowa pracuje na wałku formatowym prawie tak samo dobrze jak powierzchni superhydrofobowa, wykazując właściwość łatwości czyszczenia.