Heat Transfer and Energy Efficiency in Infrared Paper Dryers

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish De flesta svenskar har nog upplevt hur skönt det kan värma i solen en klar vinterdag, trots att termometern visar minusgrader. Eller hur kallt det känns på ryggen en sommarkväll fastän man så sitter så nära en eld att det nästan bränns. Båda erfarenheterna beror på värmestrålning som kan värma oss utan att luften omkring oss är varm. Värmestrålningen från brasan når bara den sida vi vänder mot lågorna och kylan på ryggen beror på luftens verkliga temperatur. Värmestrålning är alltså ett välbekant fenomen som människan använt sig av på olika sätt lika länge som elden. Det är emellertid först på senare år som man konsekvent börjat utnyttja de speciella egenskaper som värmeöverföring med strålning har i industriprocesser. Denna avhandling handlar om värmeöverföring och energieffektivitet vid användning av värmestrålare inom pappersindustrin. Värme transporteras på tre olika sätt; genom ledning, konvektion och strålning. Vid ledning transporteras värme genom kollision mellan molekyler som ligger nära varandra. Ett vardagligt exempel är när man bränner sig på en spisplatta. Vid konvektion transporteras molekylerna med rörelsen hos en gas eller en vätska vilket ökar värme-transporten. En hårtork eller en torktumlare utnyttjar just konvektion, att rörelse hos den varma luften ökar värmeöverföringen jämfört med stillastående luft. Både ledning och konvektion kräver att värmen överförs mellan molekyler. Värme kan också transporteras med elektromagnetisk strålning som inte kräver något energibärande medium. Detta är den värme man känner i solen eller när man håller handen en bit ovanför en varm platta. Den elektromagnetiska strålning som är av betydelse vid värmeöverföring kallas ofta infraröd (IR) strålning och har våglängder som är något längre än synligt rött ljus. Vid rumstemperatur är värmestrålningen i regel obetydlig men blir helt dominerande vid högre temperatur. När temperaturen stiger blir våglängderna hos strålningen också allt kortare och en del blir synligt ljus. Detta märker vi genom att föremål som blir riktigt varma börjar lysa svagt rött, de glöder. Med speciella värmestrålare, s.k. IR-strålare, kan stora energimängder överföras på liten area utan direkt kontakt med någon yta eller varm luft. Eftersom värmeöverföring genom strålning blir betydelsefull först vid höga temperaturer har IR-strålare alltid en yta med hög temperatur som avger värmestrålning. Den höga temperaturen åstadkommes på två principiellt olika sätt; genom elektrisk värmning eller genom förbränning av gas. Avhandlingen har som ett delsyfte att jämföra olika egenskaper hos elektriska och gasvärmda IR-strålare. IR-strålare används ibland för att öka komforten på uteserveringar eller i idrottshallar. Inom industrin används de för snabb och effektiv uppvärmning i ett antal produktions-processer. I Sverige är den absolut största användningen inom pappersindustrin där IR-strålare används vid torkning av pappersbanan i pappersmaskinerna. Trots att tekniken är etablerad och fungerar väl saknas fortfarande mycket grundläggande kunskap om hur effektiva IR-torkarna är och hur värmen transporteras till papperet. Sådana kunskaper är mycket viktiga vid val, design och styrning av apparaterna. Detta är viktigt både för processens funktion, produktens kvalité och inte minst för produktionsekonomin då energikostnaden ofta utgör en betydande del av den totala produktionskostnaden. Att effektivisera energianvändningen är dessutom viktigt ur miljösynpunkt. Avhandlingen inleds med några översiktliga kapitel som ger teoretisk bakgrund till värmeöverföring med strålning, diskuterar design och egenskaper hos IR-strålare och hur de kan användas vid torkning och speciellt i en pappersmaskin. De inledande kapitlen visar också hur denna avhandling relaterar till annan forskning inom området. En specifik egenskap hos värmestrålning är att en del av energin kan transporteras direkt till de inre delarna av ett pappersark och förbättra torkningen. Eftersom gasvärmda och elektriska IR-torkar arbetar vid olika temperaturer så avger de strålning med olika våglängder. Det har antagits att detta leder till olika transport av värme till det inre av papperet. I den första artikeln som avhandlingen baseras på föreslås en matematisk modell för hur transporten av värmestrålning inuti papper går till vid olika våglängder. I den andra artikeln används denna modell för att jämföra hur gasvärmda och elektriska IR-torkar värmer upp det inre av ett papper vid olika tillämpningar i en pappersmaskin. Resultaten visar att det finns en skillnad mellan de olika typerna, men den är avsevärt mindre än vad man tidigare har antagit. Verkningsgraden för en IR-tork begränsas naturligtvis i stor utsträckning av hur stor andel av den energi som tillförs som verkligen omvandlas till strålning. Strålningsverknings-graden är ett mått på hur effektiv strålaren är i sig själv. I den tredje artikeln föreslås en metod för att utvärdera strålningsverkningsgraden hos en IR-strålare och experimentella resultat presenteras. Strålningsverkningsgraden för en elektrisk IR-strålare var som högst ungefär 60 %. I en industriell tillämpning blir den totala verkningsgraden i regel lägre än strålningsverkningsgraden eftersom endast en del av strålningen verkligen absorberas i papperet och på grund av en del andra förluster. I den tredje artikeln presenteras även en metod för utvärdering av en IR-tork i en pappersmaskin och hur metoden tillämpats på en industriell elektrisk IR-tork i pappersindustrin. Resultatet visar att cirka 40 % av den tillförda elenergin verkligen överfördes till papperet. I den fjärde artikeln jämfördes dessa resultat med en liknande utvärdering av en gasvärmd IR-tork där cirka 30 % av energin överfördes till papperet. I den artikeln diskuteras dessutom några generella synpunkter på driftegenskaper och styrbarhet hos de olika typerna av IR-torkar och några ytterligare resultat avseende transporten av energi till det inre av papper. Som ett komplement till experimentella mätningar kan matematiska modeller användas för att få ytterligare förståelse för hur processer och apparater fungerar. Sådant som är svårt att mäta i verkligheten kan studeras numeriskt med hjälp av en matematisk modell och trender och inverkan av parametrar kan undersökas på ett mycket billigare sätt. I den femte artikeln presenteras en model för en elektrisk IR-strålare. Numeriska lösningar av ekvationerna har jämförs med mätningar och överensstämmelsen var god både vid stationär drift och vid uppstart och avstängning av IR-strålaren. I den sjätte och sista artikeln vidareutvecklas modellen till att omfatta en IR-tork för papper och inverkan av olika driftparametrar undersöks.