книги / Тепломассообменные процессы в производстве гипсовых и гипсобетонных строительных материалов
..pdfВо втором случае зона испарения расположена на границе между картоном и гипсом, уравнение распределения теплоты имеет вид
m idх* = 0. |
(9.8) |
Граничные и начальные условия в этом случае можно записать так:
t (0, х) = |
t0 = |
const; |
|
|
|
|
|
|
|
+ |
a (*c—fi) = 0 при х = — (6К+ 6Г); |
||||
|
|
ЗГ |
|
= 0 при Х = дк + |
(9-9) |
||
|
|
— К — |
+ а (*с — |
8Г. |
|||
Условие на границе раздела следующее: |
|
|
|||||
|
, |
3/' |
* |
дР |
* . |
t |
, |
|
К |
^-х— |
Чт/ = K -fo- |
при х = — бг; |
= *4; |
||
|
|
|
|
|
|
|
(9.10) |
Хк |
-----qm,r = — Я,Р |
при х = 6Г; t" = ty |
V” = t3. |
В результате решения дифференциального уравнения (9.8) при усло виях (9.9) и (9.10) получены формулы, позволяющие определить ха рактер изменения температуры по толщине неоднородного материала:
t ' = t 0 + r « к - * 0 ^ |
- 2 |
+ |
|||
[г ^яч “ |
W ( т |
+ "fe") + 2V |
Чт'] Х |
||
.. . L A — 1 |
|
^ + * > 1 |
|||
при — (бк + бр) ^ |
|
^ ^ |
—бг' |
|
|
Г = * 0 + - ^ - ( * - « г ) + |
|
||||
|
|
|
|
|
(9.11) |
/б г |
1 |
_ J K___ |
- |
||
* 1 |
Ь. |
« |
|
*г / |
|
при — 6р ^ |
а: ^ |
6г. |
|
|
|
|
[' «?т, - |
«*> (-т+1г)+2х ?m,rJх |
Г ' = *с + -------------- |
2ЬР~. |
|
|
при |
141 |
|
|
При q„h = q,n, = |
q,n и значениях x, |
||
|
равных — (6Г+ 6К), — 6rV4-бг, бг |
|||
|
+ .6К, формулы |
(9.11) |
принимают |
|
|
вид |
|
|
|
|
tx = /4 = |
tc— qmr!а; |
|
|
|
t2 = t3 = tc— ЯтГ(1/а — № |
• |
||
|
|
|
(9.12) |
|
|
Кривая распределения темпера |
|||
|
туры по толщине СГШ, построенная |
|||
|
по формулам (9.12) и данным опыта |
|||
|
при указанных |
выше |
параметрах, |
|
|
* приведена на рис. 78 |
(кривая 3). |
||
Рис. 79. Зависимость м = / (?„,) при |
Видно, что характеры аналитической |
|||
сушке СГШ. |
и опытной кривых идентичны, |
од |
||
|
нако фактические температуры кар |
тона и гипса на 20—21 °С выше температур, полученных по формулам (9.12). Как показали дальнейшие исследования, это происходит в. ре зультате эффекта пародепрессии, т. е. дополнительного сопротивле ния, создаваемого картонной оболочкой выходу паров влаги, посколь ку для преодоления сопротивления картона температура поверхности гипса возрастает до температуры,- соответствующей давлению паров, обеспечивающему диффузию пара сквозь картон.
Из формулы (9.12) следует также, что температура-гипсового сер дечника ниже температуры поверхности картона на величину
ЯтгЬУК> т * е - А * = К — **= ЯтгЬк!К-
Это весьма важное обстоятельство, определяющее влияние многослойности материала на его температуру при расположении зоны ис парения между картоном и гипсом, хорошо согласуется с опытными данными.
На рис. 79 приведены результаты обработки опытов, проведенных по сушке СГШ. Опытные точки хорошо группируются Около прямой
At = qmr b j \ = / (qn):
Анализ, что в первом периоде сушки листовых гипсовых строитель ных материалов зона испарения расположена между картоном и гип совым сердечником.
Для выяснения влияния интенсивности испарения влаги под кар тонной оболочкой на степень сцепления ее с гипсовым сердечником проводились следующие опыты. В экспериментальном стенде устанав ливались высокие интенсивности сушки СГШ, при которых образцы материала высушивались до требуемой конечной влажности. При этом по кривой сушки для каждого режима определялась длительность первого периода, после чего в камеру помещался идентичный первому образец материала и выдерживался на исследуемом режиме сушки только до конца первого периода. Затем образец извлекался из су шильной камеры стенда и досушивался до равновесной влажности в сушильном шкафу при / = 55 °С.
142
Опыты показали, что степень сцепления картона с гипсовым сер дечником в широком диапазоне изменения интенсивности сушки в-- первом периоде (от 10 до 18 кг/м2 • ч), tc — 250 ... 400 °С) не зависиг от интенсивности испарения влаги под картоном. У всех образцов,, извлеченных из сушильной камеры после окончания первого периодасушки и досушенных до равновесной влажности в сушильном шкафу при низких температурах теплоносителя, степень сцепления картона с гипсовым сердечником была хорошей, в то время как у образцов, вы сушенных до конечной влажности в стенде, полностью нарушаласьсвязь картона с гипсом. Следует также отметить, что на всех исследуе мых в данной серии опытов режимах сушки температура гипсового сердечника в первом периоде сушки превышала 70 СС, однако дегид ратация гипса после конца первого периода, как показал лаборатор ный анализ, не происходила.
Проведенные исследования позволили установить основной фак тор, обусловливающий нарушение связи картона с гипсовым сердеч ником в процессе сушки листовых гипсовых строительных материалов. Как уже отмечалось, во втором периоде сушки после второй крити ческой влажности происходит углубление зоны испарения. По мере ее углубления поверхностные слои гипса пересыхают до абсолютно су хой массы, температура этих слоев резко повышается и стремится к температуре окружающей среды. Как только обезвоженные верхнее слои гипсового сердечника достигают температуры 70 1С и выше, про исходит нарушение связи картона с гипсовым сердечником.
Для примера рассмотрим кривые сушки и температуры различных слоев сухой гипсовой штукатурки при параметрах теплоносителя v = = 2,4 м/с, t = 320 СС, d = 10 г/кг с. в., приведенные на рис. 80. Из кривой скорости сушки видно, что вторая критическая точка соответ ствует влажности материала WKp. = 5 %. При этом, как видно из кривых 1 и 2, температура картона резко повышается, что свидетель ствует о начале углубления зоны испарения. Спустя 1,5 мин после на ступления второй критической точки средняя влажность материала достигает 2 %, зона испарения углубляется к центру гипсового сер дечника, о чем свидетельствует (согласно показаниям термопар) резкое повышение температуры слоев гипса, расположенных на глу бине 2,8 мм от поверхности картона. Как показали опыты, в течениеуказаиного промежутка времени слои гипса, прилегающие к картону, тер. ют избыточную влагу и, подвергаясь воздействию высоких темпе ратур (85—90 °С), дегидратируют. Таким образом, установлено, что качественная конвективная сушка листовой гипсовой штукатурки при постоянных параметрах теплоносителя может быть осуществлена только в том случае, если вторая критическая влажность материала соответствует по величине требуемой конечной влажности, т. е. если Ц7КРг = 0,5 ... 1 %. При несоблюдении этого условия сушить гипсо вую штукатурку с большой интенсивностью можно только при пере менном режиме сушки. В этом случае во втором периоде сушки необ ходимо проводить процесс при относительно низких температурах сушильного агента, чтобы не допустить перегрева прилегающих к кар тону слоев гипсового сердечника.
143
Рис. 80. Кривые сушки, скорости сушки и температурные кривые различ ных слоев гипсовой штукатурки:
1 — температура картона; 2 — температура слоев гипса, расположенных на глу
бине 2.8 им от поверхности картона; 3 — температура |
центрального слоя гипсаз |
t = 320 “С, v = 2,4 м/с, d = 10 г/кг |
с. в. |
Изменение технологических свойств гипсобетонных панелей и гип совых блоков можно также проследить, анализируя кривые сушки и скорости сушки совместно с температурными кривыми различных сло- -ев материала.
На рис. 81 приведены температурные кривые, полученные при суш ке панели толщиной 80 мм при t = 250 °С, и = 5 м/с, d = 10 г/кг с. в. Процесс сушки полностью происходит во втором периоде. Интенсив
144
ность процесса с течением времени постепенно уменьшается, а темпе ратура материала растет. Наибольшая температура материала наблю дается у поверхности блока, наименьшая —в центре. Влага испаряется в основном с поверхности материала, при этом влажность поверхностных слоев постепенно уменьшается, о чем свидетельствует рост их темпе ратур. При достижении средней влажности образца 12 % влажность поверхностного слоя становится равной нулю, что подтверждается рез ким возрастанием температуры. При углублении зоны испареЕшя, как уже говорилось, происходит процесс дегидратации обезвоженных сло ев гипса, что приводит к ухудшению качества материала.
Установленное влияние процесса углубления зоны испарения на качество материала относится не только к термолабильным гипсовым и гнпсобетонным изделиям, но и к многим другим капиллярно-порис тым коллоидным телам, например к широкому классу изделий радио керамики — ферритам.
Сушка является важным этапом производства ферритов и во мно гом определяет качество готовых изделий. Применяемый в настоящее время естественный способ сушки в течение 3—4 суток неблагоприят но сказывается на качестве готовых изделий и препятствует созданию поточно-механизированных линий.
Проведенные нами исследования тепломассообменных процессов при сушке бариевых ферритов показали, что в процессе углубления зоны испарения проиходит резкое падение прочности заготовок, так как перестают действовать силы капиллярной контракции. Установ ление этой и других закономерностей кинетики сушки ферритов поз волило разработать новый двухступенчатый метод их обезвоживания
11211.
4.Обезвоживание капиллярно-пористых коллоидных тел при введении пародепрессионных поверхностей
между теплоносителем и материалом
Ускорение процесса сушки материалов возможно только при ин тенсификации как внешнего тепло- и массообмена, так и внутреннего подвода влаги из толщи материала к поверхности испарения. Внешний тепло- и массообмен может быть в несколько раз ускорен усиленным подводом теплоты при использовании высоких температур теплоносителя, мощных радиационных потоков и т. п. Однако, если при этом интенсивность движения влаги из внутренних слоев матери ала к поверхностным недостаточна, сократится первый период сушки и ускорится момент углубления зоны испарения. Последнее, как по казано выше, вызывает дегидратацию обезвоженных поверхностных слоев гипсобетонных и гипсовых изделий и их порчу. Таким образом, основным фактором, ограничивающим интенсивность обезвоживания не только гипсовых, по и других термонеустойчивых материалов, яв ляется скорость переноса влаги из глубинных слоев к поверхностным. Известно [21, 122], что процесс переноса влаги в материале существен но ускоряется при повышении его температуры. Существуют методы сушки, основанные на этом положении (ТВЧ, перегретым паром),
К5
|
однако из-за сложности осуществ |
|
ления такого рода сушильных |
I I I I I I I I I I M M I I I I I M I I I |
устройств эти методы не полу |
lllllllllllllllilllllljT |
чили широкого распространения |
в промышленности. |
|
|
С использованием зависимос |
|
тей переноса влаги внутри тел |
|
от температуры и опытные дан |
|
ные, полученных при сушке СГШ, |
£нами разработан пародепрессион-
JTiTiT |
Mill llllllllllll |
пый метод сушки [123, 124] ма |
||||
<4£1 |
|
111 [ 11111111 |
териалов, |
заключающийся |
во |
|
___ 1 |
введении |
пористых |
оболочек |
н |
||
|
H I M Ml Mil |
поверхностей, изменяющих ме |
||||
IKD |
4 |
ханизм тепломассообмена изделий |
||||
|
|
|
с окружающей средой и струк |
|||
Рис. 82. Модель капиллярно-пористого |
турно-реологические |
свойства |
||||
тела из капилляров различного диаметра: |
поверхностного слоя |
материала. |
||||
J — в начале сушин; |
2 — при критической |
Рассмотрим модель капилляр |
||||
капилляров |
|
|
но-пористого тела, состоящего из |
|||
разных размеров (рис. 82). Предположим, что система со |
стоит из п капилляров радиусом гх и капилляра радиусом г2. Капилля ры гх соединены с капилляром г2 таким образом, что влага из более толстого капилляра поступает беспрепятственно в тонкие и ее испаре ние происходит только из тонких капилляров. Для этой системы ка пилляров определим количество удаляемой влаги до начала углубле ния зоны испарения в тонких капиллярах в зависимости от времени протекания процесса для случаев испарения влаги непосредственно в воздух и через паропроницаемую перегородку. Последнюю модели руем капиллярами длиной /э, радиус которых гэ больше г1для предот вращения возможного всасывания влаги из тонких капилляров. Ес тественно, эти капилляры создают дополнительное сопротивление диффузии пара (аналог картонной оболочки у СГШ). Количество вла ги, испаряющейся из капилляров, определяем по формуле
qu = b (P „ - P n). |
(9.13) |
Коэффициент массообмена Ь [37]
(9.14)
Коэффициент массоотдачи, отнесенный к разности парциальных дав лений Р/>, при испарении влаги со свободной поверхности определяем из предположения, что выполняется соотношение Льюиса ос/р = рср [24, 32], по формуле Р/>= Р/Р„Т. Температуру рассматриваемой си стемы определяем из уравнения теплового баланса в первом периоде сушки методом последовательных приближений, поскольку для вы числения qu необходимо также знать температуру системы
tu — tc — qurla. |
(9.15) |
146
Углубление зоны испарения начинается в момент равенства капилляр ного давления АРЫ= 2о (\!гх — 1/г2) и силы трения в тонких капил
лярах АРТр = Бл/кр/У^РжИз этих уравнений определяем длину, на которую понизится уро
вень влаги в широком капилляре до начала углубления зоны испаре
ния в узком капилляре: |
|
|
|
Up = |
— |
гх1гг). |
(9.16) |
Время до начала углубления зоны испарения определяем по формуле
тКр = Гг/крРж/^илг!, |
(9.17) |
аиспаренное за это время количество влаги будет Сукр =qunnr]xit? =
=я/^крРж* Тогда отношение 0икр к начальному количеству жидкости в системе я (пг] + г\) /„рж будет иметь вид
Gt/Kp/Go = *кр// n (rjr^ + 1 * |
(9 -18) |
По этим формулам устанавливаем зависимость количества влаги в си стеме G от времени до начала углубления зоны испарения
_G_ |
Go__ . |
Qynrjx |
G0 |
Go |
(9.19) |
(nr* + г*) рж ’ |
где l0 — длина капилляров.
На рис. 83 представлены результаты расчета, выполненного при
следующих условиях: |
а = 46,5 |
Вт/(м2 • гС), /с = 150 °С, |
Ри |
= |
|
= 266,6 Н/м2, 10 = 1,5 |
м, |
rt = 10-7 м, п — 10 шт, г2 = 2 • |
Ю-7 |
м. |
|
Число толстых капилляров |
1, /, = |
КГ2 м. Видно, что при пористой |
перегородке углубление зоны испарения наступает через 57 ч вместо 16, количество удаляемой влаги в первом периоде увеличивается. Опыты показали, что в процессе сушки можно поддерживать темпера туру материала в пределах 70—95 еС. Это способствует усиленному
подводу влаги из глубинных слоев к |
|
|
|||||
поверхностным, |
удлинению |
первого |
п |
|
|||
периода сушки, |
равномерному |
рас |
|
||||
пределению влаги по слоям материа |
j |
||||||
ла и |
исключению или |
резкому |
со |
|
|||
кращению периода сушки после на |
|
Ь |
|||||
чала |
углубления |
зоны |
испарения. |
|
|
||
Некоторое уменьшение коэффициента |
|
к |
|||||
теплоотдачи к материалу в резуль |
|
||||||
тате введения промежуточной |
порис |
|
30 40 50 1,ч |
||||
той перегородки компенсируется воз |
Рис. 83. Кривые сушки модели ка |
||||||
можностью усиленного |
подвода |
теп |
|||||
лоты повышением температуры тепло |
пиллярно-пористого тела: |
носителя.
147
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 20 |
|
Материал |
Пределы изменения |
|
|
Формулы |
||
|
параметров |
|
|
|||
Листовые, армированные |
= 345...638 К, |
|
Nu = |
0,032 • |
Re0,8 (1 - |
|
картоном гипсовые из |
Re = |
1,1 • Ю5...2,4 • |
I05, |
|
|
|
делия |
Ьн = 0,0165...0,155 |
|
Nu = |
0,032 |
Re0-8 (1 — |
|
Изделия из ГЦПВ |
Тт = 323...525 К, |
|
||||
|
Re = |
1,25 • 10s...1,9 • |
105, |
- *„)* |
|
|
|
b „ = |
0,0155.. .0,095 |
|
Nu = |
0,032Re°8 (1 — |
|
Гипсобетонные панели, |
Tm= 323...525 К, |
|
||||
плиты |
Re = |
1,05 • 105...2,2 • |
105, |
-*„)2-9 |
|
|
|
b„ = 0,0172...0,122 |
|
|
|
|
5. Тепло- и массообмен при сушке гипсовых и гипсобетонных изделий
Выполненные исследования позволили получить зависимости для расчета коэффициентов тепло- и массообмена, которые дополняют и обобщают результаты исследований, проведенных нами ранее [25, 125]. Обработка результатов проводилась по принципу суперпозиций от дельных воздействий по формулам
Nu = Nu0 (1 — b„)n. |
(9.20) |
Параметр Ьн, характеризующий влияние массообмена на теплообмен, нашел широкое распространение при изучении задач турбулентного пограничного слоя на проницаемой поверхности вдув — отсос газа 130, 126],
К = Cpwpwvw/cP'Opmv„S\0, |
(9 21) |
где cP[V, срм — теплоемкости газа на стенке и в набегающем потоке; V\x- и Vco— скорости газов; pur и р» —соответственно плотности газов
Рис. 84. Тепломассообмен при сушке гипсобетонных и гипсовых стро ительных материалов:
/ — листовые, армированные картоном гипсовые изделия; 2 — изделия из ГЦПВ; 3 — гипсобетонные паиелн и плиты.
148
на стейке и в потоке: р^о — интенсивность испарения влаги из матери ала, рцyv= j\ St0 — безразмерный коэффициент теплообмена непро ницаемой поверхности при тех же тепловых и гидродинамических условиях, St0 = Nu0RePr.
Для определения Nu0 использовались известные соотношения для теплообмена при внешнем обтекании одиночных непроницаемых тел, помещенных в одинаковые тепловые и гидродинамические условия с исследуемыми.
Проведенные исследования показали, что для расчета теплообме на ГКЛ, изделий из ГЦПВ, гипсобетонных панелей щ\плит в ламинар ном режиме с достаточной для практики точностью можно пользовать ся известными соотношениями для Nu0. При турбулентном течении увеличение потока массы приводит к снижению теплообмена (рис. 84), что согласуется с имеющимися в литературе данными по испаритель ному охлаждению и испарению воды из пористых материалов [21]. Ре комендуемые для расчета теплообмена формулы приведены в табл. 20.
Г л а в а д е с я т а я
СПОСОБЫ СКОРОСТНОЙ СУШКИ ГИПСОВЫХ И ГИПСОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ
1. Особенности сушки термочувствительных капиллярно-пористых тел
Установленный на базе проведенных исследований характер проте кания тепло- и массообмена при сушке гипсовых изделий позволяет приступить к решению основной задачи — разработке методов ско ростной их сушки.
Ускорение процесса сушки возможно при интенсификации как внешнего тепло- и массообмена, так и внутреннего подвода влаги из толщи материала к поверхности испарения. Внешний тепло- и массообмен при конвективной сушке материалов может быть в несколько раз ускорен усиленным подводом теплоты при применении теплоноси теля с высокой температурой или увеличением коэффициента тепло отдачи а. Если при этом движение влаги из внутренних слоев матери ала к поверхностным будет недостаточно интенсивным, происходит нежелательное сокращение первого периода сушки и быстрее начина ется углубление зоны испарения, обусловливающее пересушивание обезвоженных поверхностных слоев материала, дегидратацию гипса и порчу изделия. Из этого следует вывод, что основным процессом, ограничивающим интенсивность сушки гипсовых и гипсобетонных из делий, является недостаточная скорость перемещения влаги из глу бинных слоев материала к поверхностным.
Добиваясь ускорения как внешнего подвода теплоты, так и движе ния влаги из толщи материала к поверхности, можно было бы интенси фицировать весь процесс сушки в целом. Проведенные исследования позволили установить влияние различных параметров теплоносителя
149
Ша Жь Х |
|
8 |
Г |
18 уMb |
на интенсивность |
сушки |
и |
качество |
||||||
|
|
^ г и п с о б е т о н н ы |
х |
и листовых |
гипсовых |
|||||||||
|
|
|
|
|
строительных |
материалов. |
Наиболее |
|||||||
|
|
|
|
|
безопасным |
с точки зрения |
обеспечен |
|||||||
|
|
|
|
|
ния нужных свойств изделий являлся |
|||||||||
|
|
|
|
|
бы такой режим сушки, при котором |
|||||||||
|
|
|
|
|
температура теплоносителя не превы |
|||||||||
|
|
|
|
|
шает 70 °С. В этом случае интенсифи- |
|||||||||
|
|
|
|
|
. нация процесса была бы возможна пу |
|||||||||
|
|
|
|
|
тем повышения |
скорости |
движения |
|||||||
|
|
|
|
|
теплоносителя. |
Однако |
такой |
путь |
||||||
|
|
|
|
|
нецелесообразен |
по следующим |
при |
|||||||
|
|
|
|
|
чинам. |
Для |
правильного |
суждения |
||||||
|
|
|
|
|
о том, |
насколько |
эффективен способ |
|||||||
|
|
|
|
|
интенсификации сушки, |
прежде всего |
||||||||
|
|
|
|
|
необходимо определить, |
какой |
энер |
|||||||
Рис. 85. Зависимость величин И |
гетической |
ценой |
он достигается. |
|||||||||||
Увеличение скорости движения теп |
||||||||||||||
и WKPt гипсовых строительных ма |
||||||||||||||
лоносителя |
приводит к |
увеличению |
||||||||||||
териалов от параметров теплоноси |
||||||||||||||
|
|
теля: |
|
|
коэффициента тепло- и массообмепа. |
|||||||||
/ я — изменение соответственно пер |
При этом следует иметь |
в |
виду, что |
|||||||||||
вой и второй |
критических влажностей |
мощность, |
затрачиваемая на движе |
|||||||||||
при увеличении |
влагосодержания теп |
|||||||||||||
лоносителя: 2 |
и |
2’ — изменение соот |
ние среды, растет в третьей степени |
|||||||||||
ветственно первой н второй критиче |
||||||||||||||
ских влажностей при изменении темпе |
от скорости, |
в |
то |
время как интен |
||||||||||
ратуры теплоносителя; |
3 и |
3’ — рост |
сивность теплообмена растет в степени |
|||||||||||
соответственно первой и второй крити |
||||||||||||||
ческих влажностей при изменении ско |
0,5 при Re < |
105 |
и в степени 0,8 при |
|||||||||||
рости |
теплоносителя. |
Re > |
106. |
Такое |
сравнительно |
не |
||||||||
большое увеличение |
|
|||||||||||||
интенсивности |
теплообмена объясняется |
тем, |
что толщина пограничного слоя, тормозящего теплоотдачу от воз духа к материалу и переход влаги от материала к воздуху, умень шается менее интенсивно по сравнению с возрастающими скоростями движения воздуха. Кроме того, увеличение скорости движения тепло носителя приводит к ускорению подвода теплоты и интенсификации процесса в первом периоде сушки. При этом скорость переноса влаги из глубинных слоев материала к поверхностным изменяется мало, так как температура материала остается постоянной. С увеличением скорости теплоносителя, как видно из рис. 85, растет значение первой и второй критической влажности материала (кривые 3 и 3'), сокраща ется первый период сушки, в связи с чем снижается общий эффект ин тенсификации процесса, достигнутый в этом периоде. Во втором же периоде сушки интенсивность процесса в основном определяется ско ростью перемещения влаги к поверхности материала и мало зависиит от скорости теплоносителя. Это свидетельствует о нецелесообразности осуществления интенсификации процесса сушки гипсобетонных и ли стовых гипсовых строительных материалов путем значительного уве личения скорости движения теплоносителя.
Параметром, |
позволяющим в несколько раз интенсифицировать |
|
процесс сушки |
материалов, является |
температура теплоносителя^ |
В сушильной |
технике существует |
общеизвестная тенденция. |
150