EP0722521A1 - Dispositif pour la formation d'un jet plan de liquide - Google Patents

Dispositif pour la formation d'un jet plan de liquide

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EP0722521A1
EP0722521A1 EP95926998A EP95926998A EP0722521A1 EP 0722521 A1 EP0722521 A1 EP 0722521A1 EP 95926998 A EP95926998 A EP 95926998A EP 95926998 A EP95926998 A EP 95926998A EP 0722521 A1 EP0722521 A1 EP 0722521A1
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channel
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Salah Skali Lami
Gérard COGNET
Jean-Marie Pierrard
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CENTRE TECHNIQUE DE L'INDUSTRIE DES PAPIERS CARTONS ET CELLULOSE
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    • D21F1/00—Wet end of machines for making continuous webs of paper
    • D21F1/02—Head boxes of Fourdrinier machines
    • D21F1/028—Details of the nozzle section
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    • D21F1/00—Wet end of machines for making continuous webs of paper
    • D21F1/02—Head boxes of Fourdrinier machines

Definitions

  • Figure 2 is an alternative embodiment of Figure 1 with recycling or dilution.
  • the device also comprises a rotating cylinder (26) about an axis (29) parallel to the axis of the channels (15 and 25), driven by a motor (27) by means a belt (28).
  • This arrangement which makes it possible to produce a multilayer structure composed of different types and / or kinds of fibers, is advantageous when suspensions of coarse fibers at high concentrations are used in the central feeding device.

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  • Paper (AREA)
  • Perforating, Stamping-Out Or Severing By Means Other Than Cutting (AREA)
  • Auxiliary Devices For Machine Tools (AREA)
  • Vaporization, Distillation, Condensation, Sublimation, And Cold Traps (AREA)
  • Nozzles (AREA)
  • Details Or Accessories Of Spraying Plant Or Apparatus (AREA)

Abstract

Dispositif pour la formation d'un jet plan (J) de liquide du type comprenant: des moyens d'alimentation (3) d'un liquide; des moyens de répartition du débit et de contrôle de la turbulence du liquide alimenté; des moyens de sortie (4) du jet plan formé (J) caractérisé en ce que les moyens de répartition du débit et de contrôle de la turbulence du liquide alimenté sont formés: d'un premier canal incurvé fixe (15) pour l'écoulement du liquide; d'un second canal (25) incurvé, d'axe parallèle à celui du premier canal (15); des moyens (26) pour former des vortex calibrés d'axe parallèle à l'écoulement incurvé, de manière à créer une répartition transversale harmonique des vitesses et des pressions et à contrôler l'échelle et le niveau des vortex. Applications envisagées: caisse de tête de machine papetière ou installation de couchage du papier.

Description

DISPOSITIF POUR LA FORMATION D'UN TET PLAN DE LIQUIDE.
Domaine Technique
L'invention concerne un dispositif pour la formation d'un jet plan d'un liquide ; elle concerne plus particulièrement la formation d'un tel jet plan dans le domaine du mélange, du couchage, de l'enduction et de la fabrication de matériaux en feuilles ou en plaques à partir de particules en suspension dans un fluide, notamment de suspension de fibres dans de l'eau.
L'invention est particulièrement adaptée à l'industrie papetière au niveau de la formation de la feuille à partir de suspensions fibreuses ; elle trouve également différentes applications dans le domaine de l'enduction et dans le couchage des papiers et cartons.
Si dans la suite de la description, l'invention est particulièrement décrite dans son application à la fabrication des papiers, elle peut également trouver d'autres applications dans les mélanges avec ou sans échange de chaleur dans les industries chimiques, agro-alimentaires, pharmaceutiques ou le traitement des eaux, ainsi que dans la fabrication des films à partir de polymères ou de métaux en fusion, ou dans la fabrication des fibrociments.
Techniques antérieures
Dans la fabrication des papiers et des cartons, la suspension fibreuse se transforme en un jet de pâte sortant de la caisse de tête.
5
Comme on le sait, une caisse de tête doit essentiellement assurer un jet uniforme et homogène dans la buse de sortie, tout en atténuant les irrégularités de vitesse, de pression et de concentration provenant du distributeur d'arrivée de la pâte. Quel que soit le dispositif d'arrivée de la Q pâte, une caisse de tête doit essentiellement assurer les propriétés principales suivantes :
- uniformité de l'épaisseur du jet ;
- vitesse constante à la buse de sortie ;
- homogénéité de la concentration en fibres ; je - et si possible, contrôle de la floculation.
Ces propriétés doivent être stables dans l'espace, notamment dans le sens travers, et dans le temps (c'est à dire dans le sens de la marche du jet), pour que le grammage de la feuille reste constant et homogène.
20
Pour une ouverture des lèvres constante, toute variation locale du grammage de la feuille provient soit, d'une variation de vitesse locale, soit de la concentration provoquée par la floculation, voire des deux à la fois.
25
Lorsque la vitesse dans le jet varie, cela provoque une variation de la quantité de matière, pouvant introduire des variations de l'ordre de 1 à 5 % dans le temps et sur la largeur de la feuille formée .
30 Les variations de vitesse dans le sens travers sont d'origine non turbulentes. Elles peuvent être aléatoires si l'état de surface de la buse de sortie est parfait, sinon stationnaires. On a ainsi cherché à uniformiser la pression dans la buse de sortie pour obtenir une répartition uniforme du champ de vitesses. Toutefois, ce réglage est difficile à obtenir sur des largeurs de buse de l'ordre ou supérieur à trois mètres.
Comme on le sait, les fluctuations de concentration en fibres sont liées à la floculation dont l'intensité dépend essentiellement de la turbulence hydrodynamique générée dans la caisse de tête. Cette turbulence provoque la dislocation des flocs. Ainsi, les tourbillons de petite taille, c'est à dire dont la taille est inférieure à celle des flocs, disloquent les flocs en fibres individuelles, alors que les gros tourbillons entraînent les flocs dans leur mouvement. Il y a donc interaction de ces deux types de tourbillons entre eux, ce qui peut provoquer une refloculation.
Les caisses de tête conçues pour la formation à haute concentration doivent être performantes aux faibles concentration. En effet, pouvoir défloculer un système concentré et l'entretenir dans le jet libre, doit permettre de réaliser des écoulements parfaitement homogènes avec des concentrations couramment utilisées.
Pour obtenir ce résultat, on fait généralement appel au principe de génération de turbulence classique, avec plus ou moins de variances pour disloquer les flocs. Or, la turbulence classique n'est pas suffisante pour une dislocation totale des flocs. Par ailleurs, la couche limite hydrodynamique dans la buse de sortie, qui intervient notamment dans la répartition des vitesses dans le jet, n'est pas prise en compte dans la conception des caisses de tête. L'invention pallie ces inconvénients.
Elle vise un dispositif du type en question, permettant de générer une turbulence particulière où la taille des vortex est calibrée tout en suivant une loi discrète tout au long de l'écoulement dans le dispositif.
L'invention vise plus particulièrement une caisse de tête apte à générer des vortex permettant d'assurer la dislocation des flocs dans de meilleures conditions, notamment par un effet d'élongation rotationnelle, connue sous le terme anglais "swirling".
Exposé de l'invention
Ce dispositif pour la formation d'un jet plan de liquide du type comprenant :
- des moyens d'alimentation d'un liquide ;
- des moyens de répartition du débit et de contrôle de la turbulence du liquide alimenté ;
- des moyens de sortie du jet plan formé se caractérise en ce que les moyens de répartition du débit et de contrôle de la turbulence du liquide alimenté sont formés :
- d'un premier canal incurvé fixe pour l'écoulement du liquide ;
- d'un second canal d'écoulement incurvé, d'axe parallèle à celui du premier canal; - et de moyens pour former des vortex calibrés d'axe parallèle à celui des canaux incurvés, de manière à créer une répartition transversale harmonique des vitesses et des pressions, et à contrôler l'échelle et le niveau des vortex. Ce dispositif est particulièrement adapté au traitement des suspensions fibreuses dans l'industrie papetière.
Dans une forme d'exécution préférée, l'invention consiste, dans une caisse de tête d'une machine à papier, à introduire la suspension fibreuse dans deux canaux incurvés successifs à axe parallèle, coaxiaux notamment, de manière à former des vortex calibrés d'axe parallèle à l'écoulement, donc aux canaux, pour créer une répartition transversale harmonique des vitesses et des pressions, et par voie de conséquence former un jet homogène en vitesse et à floculation réduite, même à haute concentration.
Avantageusement en pratique ;
- le moyen pour former des vortex calibrés est constitué par au moins un cylindre rotatif d'axe parallèle à celui des deux canaux incurvés ;
- les deux canaux incurvés sont disposés en série de manière à produire une succession d'échelles et de niveaux de turbulence adaptée à la défloculation progressive de la suspension fibreuse.
Le premier canal externe d'écoulement fixe produit des vortex calibrés de grande échelle adaptée à la dispersion des plus grands flocs.
Le second canal interne d'écoulement à axe parallèle au premier, associé au cylindre rotatif, produit des vortex calibrés de petite échelle adaptée à la dispersion des plus petits flocs de fibres.
Le cylindre rotatif tourne dans le même sens que l'écoulement de la suspension, et la vitesse périphérique du cylindre rotatif est d'environ trois à quatre fois supérieure à celle de la vitesse de l'écoulement, si l'on désire minimiser les pertes de charges. Le cylindre rotatif présente un état de surface non uniforme, par exemple dont la génératrice épouse une ligne brisée ou ondulée, de préférence régulière.
Avantageusement, la génératrice du cylindre épouse la forme d'une rainure sinusoïdale radiale dont la longueur d'onde est d'environ deux à dix fois (de préférence trois à cinq fois) la longueur moyenne des fibres.
Si le plus généralement, le dispositif comporte un seul cylindre rotatif, il peut également en comporter deux d'axes parallèles.
Dans une autre forme d'exécution, le dispositif comporte également un organe déflecteur disposé entre le cylindre rotatif et le jet de sortie pour séparer l'écoulement entre l'alimentation et la sortie dans le canal incurvé.
Dans une autre forme d'exécution, le dispositif présente des moyens d'introduction d'eau, de solutions ou de suspensions, ménagés le long d'une génératrice d'au moins un des canaux incurvés, de manière à réguler la concentration et la composition de la pâte au niveau du jet.
Dans une variante, on introduit dans ce moyen une composition différente (agents de rétention, éléments fins, etc..) de la suspension principale, de manière à créer un mélange efficace des différentes suspensions dans le jet.
Dans une autre forme d'exécution avantageuse, on associe au moins deux caisses de tête conformes à l'invention, éventuellement avec une ou plusieurs caisses de tête conventionelles (papiers et cartons multijets). Ainsi, la nouvelle caisse de tête conforme à l'invention vise à générer une turbulence particulière où la taille des vortex est calibrée. La taille de ces vortex varie discrètement ou continuement tout le long de l'écoulement. Ainsi, à l'entrée de la caisse, on commence par générer des vortex de Dean de grande taille dans le premier canal incurvé, de manière à disloquer les grands flocs en plus petits flocs. Dans le second canal incurvé coaxial au premier, on réduit à nouveau ces flocs par des vortex de Taylor modifiés de plus en plus petits, jusqu'à dislocation totale.
Dans la version à deux cylindres parallèles rotatifs, on réduit encore plus la taille de ces vortex de Taylor pour disperser les plus petits flocs.
Comme on contrôle l'intensité et la taille des vortex tout le long de ces canaux, on change complètement l'interaction floculation- turbulence par une action de la turbulence sur la floculation. Ce dispositif permet donc d'obtenir des suspensions très homogènes, même à haute concentration (quatre pour cent et plus), et ce quelle que soit la nature des fibres.
Par ailleurs, la durée de vie dans le jet libre des vortex générés est beaucoup plus importante que celle d'une turbulence classique, exploitée jusqu'alors.
Ce paramètre est important dans le jet libre, car la relaxation, c'est à dire la réapparition des flocs, en dépend fortement étant donné que la production de la turbulence n'existe plus.
La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent, à l'appui des figures annexées. Description sommaire des dessins
La figure 1 est une représentation d'un dispositif conforme à l'invention dans son application aux caisses de tête pour la fabrication du papier.
La figure 2 est une variante d'exécution de la figure 1 avec recyclag ou dilution.
La figure 3 est un autre mode d'exécution de l'invention, dans laquelle trois dispositifs sont associés.
La figure 4 est une représentation schématique de l'invention en application du couchage du papier.
Manières de réaliser l'invention
La caisse de tête conforme à l'invention, désignée par la référence générale (1) comprend une enceinte (2) reliée par le bas à une alimentation (3) en suspension fibreuse, d'usage courant dans la fabrication des papiers ou des cartons.
L'enceinte (2) de forme parallélipipédique, par exemple de section carrée, présente un orifice de sortie (4) d'où est issu le jet plan (J). L'orifice de sortie (4) est avantageusement formée de manière connue d'une lèvre fixe inférieure (5), et d'une lèvre supérieure (6), ajustable par rapport à la lèvre inférieure (5), pour régler la dimension de la sortie. Selon une première caractéristique de l'invention, le conduit d'alimentation (3) débouche dans un premier espace (10) formé entre la paroi verticale rectiligne (11) et une portion incurvée (12) de manière à ce que l'épaisseur de la veine du fluide liquide (F) diminue progressivement.
Selon une seconde caractéristique de l'invention, le flux liquide (F) pénètre dans un premier canal d'écoulement incurvé fixe, désigné par la référence générale (15), formé de deux plaques coxiales incurvées, respectivement extérieure (16) et intérieure (17) dans le prolongement de (12). Dans ce canal (15), on génère des vortex de Dean de grande taille qui disloquent les grands flocs en petits flocs. La zone incurvée (16) fait tout le tour de l'enceinte (2) et à hauteur de la paroi (18) parallèle à (11) se soude en (19) à l'entrée (20) de la lèvre supérieure (6).
Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comprend également un second canal, désigné par la référence générale
(25) formé par la face interne de la plaque incurvée (17), de manière à ce que la suspension fibreuse (F2) soit soumise à des vortex de Taylor modifié de plus en plus petits, jusqu'à dislocation totale des flocs.
Selon une autre caractéristique essentielle de l'invention, le dispositif comprend également un cylindre tournant (26) autour d'un axe (29) parallèle à l'axe des canaux (15 et 25), entraîné par un moteur (27) au moyen d'une courroie (28).
La suspension traitée (F3) pénètre dans le canal de sortie (4) pour former ainsi le jet plan (J) recherché. Ainsi, tout au long de l'écoulement (FI, F2, F3), on contrôle l'intensité, le niveau et la taille des vortex, ce qui provoque une action de la turbulence sur la floculation, au lieu d'une interaction floculation- turbulence.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le cylindre rotatif (26) qui forme l'espace confiné de cisaillement avec la plaque incurvée (17) présente une génératrice qui n'est pas une ligne droite, mais varie de manière harmonique.
Cette génératrice peut épouser des formes variées, telles que par exemple en dents de scie, en créneaux, en arcs de cercle, et de préférence en forme de sinusoïde. Comme déjà dit, la longueur d'ondes de ces formes, sinusoïde par exemple, est de l'ordre de trois à cinq fois la longueur moyenne des fibres de la suspension à traiter.
Dans une variante non illustrée mais utile, les canaux (15 et 25) ont une épaisseur décroissante dans le sens de l'écoulement.
Dans la forme d'exécution perfectionnée montrée à la figure 2, l'orifice de sortie (4) est associé à une sortie parallèle (30) de recyclage ou de dilution, disposée légèrement en aval de (4) pour permettre d'accroître le débit dans le dispositif, et donc l'intensité de vorticité, tout en augmentant la vitesse du cylindre tournant (26), sans modifier le débit de sortie (4) de la caisse.
Lorsque l'on désire diluer, les points d'injection des eaux coïncident spatialement avec les ondulations de la génératrice du cylindre tournant (26). En pratique, la vitesse de rotation du cylindre caractéristique (26) peut varier de un à dix fois la vitesse d'amenée de l'écoulement (F) et ce, dans un sens ou dans l'autre.
Dans l'exemple de réalisation illustré dans la figure 3, le dispositif comprend trois jets (40-42), issus de trois caisses conformes à l'invention (43,44,45) où sont introduites diverses suspensions contenant des fibres de longueur différente et/ou de concentration différente. Les références (46,47) désignent une toile, et les références (48,49) deux cylindres rotatifs d'une machine à papier.
Les références (60,61,62) désignent les organes d'alimentation de pâte et les références 63,64,65) les organes de dilution.
Cette disposition qui permet de réaliser une structure multicouches composée de différents types et/ou sortes de fibres, est avantageuse lorsqu'on fait appel à des suspensions de fibres grossières à fortes concentrations dans le dispositif central d'alimentation.
La figure 4 montre schématiquement un mode de réalisation dans l'application au couchage du papier.
Ce dispositif constitue alors une tête d'enduction qui délivre un jet plan dosé de sauce de couchage (55) sur un cylindre (56) ayant le rôle, soit de support de la feuille de papier (57), soit de rouleau transfert.
La sauce d'enduction (E) est amenée en (50) pour être confinée dans un premier canal (52) incurvé formé entre un cylindre rotatif (53) analogue à (26) et une tôle extérieure (54) coaxiale à (53). La canalisation (52) incurvée présente une section constante, par exemple rectangulaire. Cette canalisation débouche en (55) dans un espace confiné avec le rouleau d'enduction (56) tournant dans le sens indiqué par la flèche (R). Le rade (51) permet de contrôler et de limiter la recirculation de la sauce dans le canal (52).
En pratique, la vitesse tangentielle du cylindre (56) est de l'ordre de trois fois la vitesse débitante dans le canal (52)..
Le dispositif conforme à l'invention présente de nombreux avantages, notamment par rapport aux caisses de tête connues à ce jour à haute, normale ou basse concentrations. On peut dter :
- la répartition uniforme de vitesse dans le jet, quel que soit le dispositif assurant l'arrivée de la pâte dans la caisse, du fait de l'absence de couche limite et de la répartition harmonique dans le sens travers de la pression relative, l'intensité et la longueur d'onde de cette variation harmonique étant parfaitement contrôlées ;
- une suspension homogène, même à haute concentration, grâce à la turbulence calibrée dont la taille des vortex est adaptée tout le long d'écoulement de la pâte dans la caisse de tête ; - durée de vie de la turbulence prolongée dans le jet libre du fait de l'intensité de la vortidté des vortex, parfaitement contrôlable.
De la sorte, ce dispositif peut être utilisé avec succès dans la fabrication des papiers, dans les caisses de tête, et également pour le couchage du papier.

Claims

REA^NPICATONS
1/ Dispositif pour la formation d'un jet plan (J) de liquide, du type comprenant :
- des moyens d'alimentation (3) d'un liquide ;
- des moyens de répartition du débit et de contrôle de la turbulence du liquide alimenté ;
- des moyens de sortie (4) du jet plan formé (J) caractérisé en ce que les moyens de répartition du débit et de contrôle de la turbulence du liquide alimenté sont formés :
- d'un premier canal incurvé fixe (15) pour l'écoulement du liquide ;
- d'un second canal d'écoulement incurvé (25), d'axe parallèle à celui du premier canal (15) ; - et de moyens (26) pour former des vortex calibrés d'axe parallèle à celui des canaux incurvés (15,25), de manière à créer une répartition transversale harmonique des vitesses et des pressions, et à contrôler l'échelle et le niveau des vortex.
2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen pour former les vortex calibrés est constitué par au moins un cylindre rotatif (26) d'axe parallèle à celui des canaux incurvés (15, 25).
3/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que les deux canaux incurvés (15, 25) sont fixes et sont disposés en série.
4/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le cylindre rotatif (26) tourne dans le même sens que le sens d'écoulement (F) du liquide. 5/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la vitesse périphérique du cylindre rotatif (26) est de trois à quatre fois la vitesse de l'écoulement du liquide.
6/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la génératrice du cylindre rotatif (26) épouse la forme d'une ligne brisée radiale, choisie dans le groupe comprenant les dents de sde, les créneaux, les arcs de cerde et les sinusoïdes.
7/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte également des organes déflecteurs disposés entre le cylindre rotatif (26) et les moyens de sortie (4).
8/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le liquide à traiter est une suspension fibreuse de machine à papier.
9/ Dispositif selon l'une des revendications 6 et 8 dans lequel la génératrice du cylindre rotatif (26) épouse la forme d'une sinusoïde radiale caractérisé en ce que la longueur d'onde de ladite sinusoïde est de trois à cinq fois la longueur moyenne des fibres de la suspension.
10/ Caisse de tête de machine papetière comprenant un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
11/ Installation pour le couchage du papier comprenant un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
EP95926998A 1994-08-10 1995-07-31 Dispositif pour la formation d'un jet plan de liquide Expired - Lifetime EP0722521B1 (fr)

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