книги / Тепломассообменные процессы в производстве гипсовых и гипсобетонных строительных материалов
..pdfускорять сушку путем повышения температуры сушильного агента. При повышении температурного напора, т. е. разности температур меж ду окружающим воздухом и поверхностью материала, растет удель ный тепловой поток, благоприятствующий процессу сушки. С энерге тической точки зрения интенсификация сушки повышением начальной температуры теплоносителя приводит к снижению расхода теплоты на килограмм испаренной влаги, уменьшению габаритов сушильных установок и увеличению их эффективности. Однако воспользоваться этим фактором не всегда удается по технологическим соображениям.
Исследования показали, что для многих термонеустойчивых ма териалов, в том числе и для гипса, диапазон применения высоких температур теплоносителя может быть значительно расширен при пра вильной организации процесса.
Анализ кинетики сушки гипсовых строительных материалов по зволил установить, что нарушение качества изделий при воздействии высоких температур теплоносителя происходит во втором периоде сушки при углублении зоны испарения, которое наступает из-за не достаточного подвода влаги из глубинных слоев к поверхностным при интенсивном внешнем подводе теплоты к материалу. При этом момент наступления углубления зоны испарения (второе критическое влагосодержание материала) существенно зависит не только от термодина мических параметров теплоносителя (tc, v, d), но и от состояния мате риала: его температуры, структуры и геометрических размеров.
При сушке гипсовых листовых строительных материалов повыше ние температуры теплоносителя, как видно из рис. 85 (кривые 1 и Г), вначале (до t = 200 еС) приводит к увеличению первого и второго кри тического влагосодержания материала, а затем, начиная с t = 200 еС (в связи с уменьшением отношения q'/a в числе Kim рост коэффициен та диффузии влаги в связи с увеличением температуры материала пре вышает рост интенсивности сушки), — к снижению первого и второго критического влагосодержания материала. Такой характер измене ния критического влагосодержания в зависимости от температуры теплоносителя позволяет сделать вывод о возможности интенсифика ции не только внешнего подвода теплоты к поверхности материала, но и движения влаги из толщи материала к его поверхности. Этому спо собствует также повышение влагосодержания теплоносителя.
При высоких температурах теплоносителя увеличение его влаго содержания незначительно снижает интенсивность процесса сушки, однако в связи с ростом температуры материала приводит, как видно из рис. 85 (кривые 2 и 2'), к существенному снижению первой и вто рой критических влажностей материала.
Отсюда может быть сделан вывод, что значительное ускорение про цесса сушки гипсовых изделий возможно применением высокотемпе ратурного увлажненного теплоносителя, позволяющего интенсифици ровать как внешний подвод теплоты, так и движение влаги из толщи материала к поверхности.
151
2. Пародепрессионный способ сушки
Проведенные в восьмой главе исследования показали, что наруше ние связи картона с гипсовым сердечником и ухудшение качества тер монеустойчивых гипсовых и гипсобетонных изделий происходят при повышенных температурах теплоносителя во втором периоде сушки, из-за углубления зоны испарения, наступающей вследствие недоста точной диффузии влаги из внутренних слоев материала к наружным. Это важное обстоятельство справедливо не только для гипсовых, но
идля ряда других термонеустойчивых материалов. Полученные в седьмой главе зависимости переноса влаги внутри тел от температуры
иопытные данные по кинетике сушки гипсовых и гипсобетоиных из делий дали возможность разработать пародепрессионный метод сушки материалов [124], заключающийся во введении промежуточной среды в виде пористых поверхностей между теплоносителем и материалом, изменяющих условия тепломассообмена изделий с окружающей
средой.
При наличии в гипсе избыточной химически не связанной влаги он не дегидратирует в газовоздушной среде, даже если его температура выше 70 °С. Это свойство гипса использовано для ускорения движе ния влаги из толщи материала к поверхности путем повышения его температуры.
Аналитические и экспериментальные исследования [25, 123] пока зали, что с помощью пародепрессионных поверхностей можно поддер живать температуру материала в пределах 70—95 °С. Это способству ет усиленному подводу влаги из глубинных слоев к поверхностным, удлинению первого периода сушки после начала углубления зоны ис парения.
Опыты по сушке СГШ показали, что повышение температуры теп лоносителя от 150 до 210 °С при его влагосодержании d — 140 г/кг с. в. и скорости воздуха 2 м/с вызывает увеличение температуры материала от 65 до 69 °С. В этом случае интенсивность поверхностного испаре ния влаги возрастает быстрее подвода влаги к поверхности, что при водит к увеличению второй критической влажности, углублению зоны испарения и дегидратации гипса. Последующее повышение температу ры теплоносителя от 250 до 365 °С приводит к увеличению темпера туры материала от 69 до 84 °С. При этом диффузия влаги из внутрен них слоев гипса к поверхности материала, которая, как показали ис следования, приведенные в восьмой главе, в большой степени зависит от его абсолютной температуры, растет быстрее интенсивности поверх ностного испарения, что в конечном счете приводит к уменьшению вто рой критической влажности и второго периода сушки в целом. При температуре гипса 84 СС и выше обеспечивалась настолько интенсив ная диффузия влаги к поверхности, что вторая критическая влажность соответствовала требуемой конечной влажности материала. При этом до конца сушки испарение происходило с поверхности гипса, что ис ключало его дегидратацию и отклеивание картона. Таким образом, высокотемпературный теплоноситель, начиная с / = 365 °С при вы сокой влажности d = 140 г/кг с. в. и скорости движения 2 м/с, обсс-
152
6
Рис. 86. Пародепрессиониын способ сушки листовых гипсовых строитель ных материалов:
г= isrssafrJEsgsrjss&sr3~■— 'у“-
печивает, как видно из рис. 86, б, весьма интенсивное протекание про цесса сушки СГШ и хорошее качество материала. Опыты показали, что температура теплоносителя свыше 400 °С приводит к дальнейшей интенсификации процесса сушки, не ухудшая сцепления картона с гипсом, однако при этом происходит обугливание картона по перимет ру листа, что является ограничивающим фактором для использования еще более высоких температур теплоносителя.
В результате проведенных исследований установлен скоростной режим сушки листовой гипсовой штукатурки [127], предусматриваю щий поддержание следующих параметров теплоносителя: температу ры на входе в сушилку 400 СС, на выходе из нее 300—320 СС, среднего влагосодержания 140—150 г/кг с. в., скорости движения воздуха 1,5—2 м/с. Подобное сочетание параметров теплоносителя обеспечи вает эффективную сушку гипсовой штукатурки в течение 9, 5—10 мин вместо 55—65 мин в действующих сушилках.
Принципиальная схема установки и параметры процесса сушки приведены на рис. 86, а, б. Теплоноситель — газовоздушная смесь — из теплогенератора 1 подается в сопловые аппараты, расположенные в средней части сушильной камеры 4, и расходится в обе стороны су шила. Отработанный теплоноситель засасывается вентиляторами 3 и направляется на рециркуляцию и на выхлоп. Перед выхлопом в ат мосферу часть теплоты отработанных газов утилизируется в регене раторе 2 и передается наружному воздуху, который подается в тепло генераторы для обеспечения полноты сгорания газов.
Пародепрессионный способ сушки успешно применяется для обез воживания различных материалов. Применение его для сушки колло идного капиллярно-пористого тела — искусственного волокна, намо танного в виде полых цилиндров, затормаживает наступление углуб ления зоны испарения с W = 100 % до W = 55 %, что позволяет со кратить время сушки с 50—60 до 8—9 ч [124].3
3. Зональная сушка материалов
Проведенные исследования позволили разработать ряд новых ме тодов скоростной конвективной сушки гипсовых и гипсобетонных ма териалов [128, 129], которые заключаются в разделении процесса на две стадии: до начала углубления зоны испарения и после нее. Интен сификация достигается в первой стадии благодаря применению повы шенных температур теплоносителя, остальные параметры — скорость и влажность — выбираются исходя из технологических свойств ма териала. После наступления углубления зоны испарения скорость -сушки снижается, чтобы не допускать порчи изделий.
Так, новый двухзональный метод сушки гипсовых досок позволяет повысить температуру теплоносителя от 160 до 240 °С в первой и вто рой зонах сушила, где процесс сушки протекает в первом периоде (рис. 87). В третьей зоне поддерживается температура 80—100 еС, с тем чтобы при наступлении углубления зоны испарения температура ■обезвоженных слоев гипса не превышала 70 °С. Здесь также целесо образно применение теплоносителя с высоким влагосодержанием, так
J54
как это позволяет снизить первую и вторую критические влажности материала и увеличить время воздействия высоких температур тепло носителя для общей интенсификации процесса.
Общее время сушки СГШ составляет 38 мин вместо 55—65 мин на прежнем режиме.
155
Создание новых или совершенствование традиционных строитель ных материалов в свою очередь требует создания новых или модерни зации действующих сушильных установок. Например, трудности, возникающие при сушке СГШ,— отклеивание картона от гипсового сердечника, снижение прочности и т. д.,— усугубляются при перехо де на сушку гипсокартонных листов. Анализ работы действующих па заводах сушильных установок, на которых внедрен разработанный в ИТТФ АН УССР режим сушки, принятый для СГШ, показал, что для ГКЛ одинаковой толщины с СГШ продолжительность процесса сушки может увеличиваться на 30—40 %. Для сохранения производитель ности цехов при переходе на ГКЛ разработан трехступенчатый способ сушки, предусматривающий максимальную интенсификацию процес са в первой стадии от начального влагосодержания материала до \VKPi
путем применения параметров |
теплоносителя t — 300...320 rC, d = |
|||||
= 105...110 г/кг с. |
в., v = |
2,5...3,5 м/с. Во |
второй |
стадии — от |
||
WAр, до WKPt— применяется теплоноситель с параметрами |
t = 200... |
|||||
220 “С, d = ’80...90 г/кг с. в. и v = |
2...2,5 м/с, |
в третьей |
стадии — |
|||
от WKPl до WKon — t = |
70...80 |
СС, d |
= 65 ... 70 г/кг с. |
в., |
v = 3,5... |
4,5 м/с. Такой режим сушки может быть организован в шестияруснсй сушильной установке, снабженной теплогенераторами, позволяющи ми регулировать параметры теплоносителя в каждой зоне (см. рис. 87). Разработан также новый конвективно-радиационный способ суш
ки ГКЛ. Исследования показали, что использование радиационных тепловых потоков на отдельных участках сушильной установки и по следовательное чередование радиационной и конвективной сушки в зонах позволяют организовать высокоинтенсивный процесс сушки ГКЛ, обеспечить равномерность обезвоживания по ширине листов, исключить обезвоживание гипса и обгорание кромок листов. В резуль тате сокращается продолжительность сушки и улучшается качество материала ИЗО, 131).
Радиационную сушку осуществляют с помощью излучающих по верхностей, поступающих от теплогенераторов. В связи с этим разме ры сопел обусловливаются интенсивностью потоков теплоты, необхо димой для обеспечения требуемой производительности установки, а увеличение коэффициента теплообмена от теплоносителя к внутренней поверхности сопел достигается изменением скорости движения тепло носителя и размещением на внутренней стенке сопла турбулизирующих насадок.
Оптимальные условия сушки обеспечиваются при создании радиа ционных потоков теплоты порядка 5800—8200 Вт/м2. Температура стенки сопла при этом должна составлять 350—400 СС. Параметры теплоносителя, движущегося с соплах, следующие: v = 20...30 м/с, t = 430...450 СС, d = 75...85 г/кг с. в.
Конвективно-радиационный способ сушки ГКЛ может быть реа лизован в действующих конвективных многоярусных сушильных ус тановках, схема работы которых показана на рис. 88. Газовоздушная смесь из теплогенератора первой зоны с требуемыми параметрами на правляется по каналу в распределительные сопла первой зоны. На этом этапе происходит интенсивный радиационный теплоподвод к
156
ГКЛ, проходящим между соплами. При этом торцевые участки карто на не обгорают, как это наблюдалось при высокоинтенсивном конвек тивном обезвоживании в случае использования температур теплоно сителя порядка 420—450 'С. Дело в том, что до этого изделия уже об дувались в противотоке теплоносителем, вышедшим из соплового участка и имеющим пониженную температуру. Просасывание тепло носителя между ярусами камеры в противотоке с материалом осущест вляется с помощью вентилятора. Отработанный теплоноситель пер вой зоны полностью возвращается по каналам к теплогенераторам пер вой и второй зон.
Во второй зоне осуществляется сначала радиационная сушка, а затем конвективная, причем теплоноситель движется в прямотоке с ГКЛ. Отработанный теплоноситель второй зоны по каналу подается в теплогенератор третьей зоны. Отработанный теплоноситель с по мощью отсасывающего вентилятора третьей зоны полностью выбрасы вается в атмосферу.
Для обезвоживания толстостенных гипсовых и гипсобетонных из делий также предложен скоростной двухзональный способ сушки [1291, который предусматривает повышение температуры теплоноси теля до 200—250 СС в первой стадии процесса сушки с последующим снижением температуры до 70—80 °С при наступлении углубления
зоны испарения. При этом v = 2,5...3 |
м/с, |
d = 70...80 г/кг с. в. |
Еесь процесс обезвоживания от Wn = |
35 % |
до В7К= 8 % при опи |
санном режиме сушки происходит за 9—10 ч вместо 24—30 ч в сущест вующих сушильных установках [25, 132—134, 155].
Для этих изделий разработаны также новые способы зональной сушки (134, 136], позволяющие использовать явление термовлагопроводности для ускорения процесса внутреннего переноса влаги. В со ответствии с этим процесс сушки разделен на три зоны. В первой зоне (рис. 89) сушка проводится теплоносителем с t = 220...250 °С с вы
соким |
влагосодержаиием d = 120... |
150 г/кг с. в. и скоростью v — |
||
= |
1,5...2 м/с. При |
этом достигается повышение температуры матери |
||
ала |
до |
64—66 °С, |
что обеспечивает |
интенсивное движение влаги из |
внутренних слоев материала к наружным. Температура наружных слоев материала на 2—2,5 ’С выше температуры.внутренних слоев, и термовлагопроводность препятствует движению влаги к поверх ности. Однако, как видно из рис. 46, величина 6 при влажности матери ала 31—25 % незначительна, поэтому в данном диапазоне изменения влажности гипсовых изделий целесообразно интенсивное удаление влаги без учета противодействующего влияния термовлагопроводности. В дальнейшем значение коэффициента б возрастает, что может привести к быстрому углублению зоны испарения. Поэтому преду смотрена вторая зона, где процесс сушки происходит при пониженном влагосодержании теплоносителя. Например, для гипсобетонных про
катных |
панелей d = 70...80 г/кг с. в., t = 170...200 еС. |
При ука |
занных |
параметрах теплоносителя температура материала |
t = 55... |
57 °С, причем падение температуры происходит быстрее в поверхност ных слоях материала. Возникший градиент температур способствует перемещению влаги к поверхности изделия. Коэффициент термовла
157
гопроводности в диапазоне влажности материала 22—80 % имеет максимальное значение 6 = 0,15 %/°С, что позволяет использовать термовлагопроводность для создания дополнительного потока влаги от центра к поверхности и значительно интенсифицировать процесс сушки во второй зоне применением не только высоких температур, но и высоких скоростей движения теплоносителя: v = 3,5.„4,5 м/с. При этом часть влаги испаряется из-за теплоты, аккумулированной ма териалом, и улучшается равномерность сушки изделий. В третьей ста дии процесса при наступлении углубления зоны испарения темпера тура теплоносителя снижается до / = 60...65 °С, с тем чтобы не допустить перегрева верхних обезвоженных слоев материала. Этот спо соб позволяет на 25—30 % интенсифицировать процесс по сравнению с двухзональным способом сушки и улучшить качество изделий.
Сложными с точки зрения организации сушильного процесса являются изделия на основе ГЦПВ, состоящего из компонентов, обла дающих различными теплофизическими и физико-химическими свой ствами. При сушке изделий из ГЦПВ пр.иходится преодолевать про тиворечие между стремлением обеспечить максимально возможную интенсивность удаления влаги с целью достижения высокой производи тельности сушильной установки и необходимостью исключить или хотя бы замедлить испарение влаги для создания оптимальных усло вий гидратации цемента.
Рис, 89. Способ скоростной зональной сушки толстостенных гипсобетонных панелей:
о — схема установки: 1 — подтопок; 2 — камера смещения: |
3 — нагпетающиП иен- |
тнлятор; 4 — рециркуляция теплоносителя на первой зоны; |
5 — туннели сушиль |
ной установки; 6. 7 — ввод наружного воздуха: 8 — отсасывающий вентилятор; 6 — параметры процесса сушки: I — кривая сушки; И — температуро теплоноси теля; 111 — влагосодержанне теплоносителя.
158
Рис. 90. Сушка изделий из ГЦПВ:
а — схема сушильной установки: / — подтопок: 2 — камера смешения- 3 — на гнетающий пентилятор; 4 — туннели сушильной установки; 5 — подача насыщенного
пара |
на участок пропарки: 6 — рециркуляция парогазовоздушной смеси из первой |
|
зоны: |
7,8 — ппод наружного воздуха; 9 — отсасывающий вентилятор; б — парамет |
|
ры промесса сушки: I — кривая сушки; II — температура |
теплоносителя; i l l — |
|
|
влагосодержаине теплоносителя; IV — температура |
материала. |
В сушильных установках с режимами сушки, принятыми для гип собетонных панелей, тепловлажностные условия не позволяют прео долеть это противоречие: цемент гидратируется не полностью, изде лия выходят с пониженной прочностью.
Разработанный способ сушки позволяет интенсифицировать про цесс обезвоживания изделий из ГЦПВ увеличением скорости гидра тации цемента и интенсивности удаления влаги. Он заключается в том» что на первом этапе изделия пропариваются насыщенным паром ат мосферного давления, при этом они нагреваются до 90—95 °С, в ре зультате чего резко интенсифицируется процесс гидратации цемента» нарастает прочность изделий.
Рассмотрим схему работы сушильной установки для сушки изде лий из ГЦПВ, в которой реализован описанный способ (рис. 90). В су шильную установку подается насыщенный пар атмосферного давле ния. В результате пропаривания температура материала повышается»
как указывалось, до |
90—95 °С и обеспечивается высокая скорость |
|||
гидратации |
цемента. |
После пропаривания изделия поступают в пер |
||
вую зону |
установки, |
в которой |
обдуваются |
теплоносителем с t — |
= 220...250 °С, d = 100...170 г/кг |
с. в. и v = |
2...2,5 м/с, направляе |
мым циркуляционным вентилятором в сушильную установку по кана лу 4. Поступивший в сушилку теплоноситель разделяется на два по тока, величину которых рассчитывают в соответствии с количеством влаги, испаряемой в зонах противотока и прямотока. Высокая влаж-
159.
«ость теплоносителя способствует дальнейшему протеканию процес са сушки в первом периоде.
На втором этапе сушки термовлагопроводность материала обеспе чивает дополнительное движение влаги из глубинных его слоев к по верхности, что дает возможность и на этом этапе использовать высо котемпературный теплоноситель, лишь незначительно снизив его параметры: t = 180...220СС, d = 95... 120 г/кг с. в., v = 2.5...3 м/с. Сни жение температуры и влагосодержания теплоносителя происходит в результате подсоса наружного воздуха в туннели сушильной уста новки.
На третьей стадии процесса сушки также путем подсоса наружно го воздуха снижают температуру и влагосодержание теплоносителя, чтобы не допустить повышения температуры гипса свыше 70 °С и, как следствие, его дегидратацию (t = 60...65 'С, d = 65...70 г/кг с. в.). Отработанный теплоноситель удаляется из сушильной установки и выбрасывается в атмосферу отсасывающим вентилятором.
Описанный способ сушки позволяет на 25—40 % интенсифици ровать процесс обезвоживания изделий из ГЦПВ, сократить расход топлива на сушку, улучшить качество выпускаемой продукции.
4. Фильтрационная сушка гипсовых и гипсобетонных изделий
Одним из важных путей снижения энергоемкости производства гипсовых и гипсобетонных строительных материалов является при менение способов фильтрационной сушки изделий, позволяющих вы давливать из материала влагу в капельно-жидком состоянии: эта про блема становится особенно актуальной при изготовлении гипсовых плит пазогребневой конструкции, у которых расход воды на затворение рабочего раствора составляет 80—100 % от массы сухого гип сового вяжущего. Кроме того, наличие пазов и гребня затрудняет в полной мере использование способов скоростной сушки высокотемпера турным теплоносителем из-за разной толщины материала.
Предварительный анализ показал, что для обезвоживания такого рода изделий целесообразно использовать комбинированный способ сушки, предусматривающий максимальное фильтрационное удаление влаги в Жидком состоянии с последующей досушкой изделия в конвек тивной сушильной установке при температуре теплоносителя, не пре вышающих 70 °С.
Проведенные исследования позволили установить параметры про цесса фильтрационного обезвоживания гипсовых изделий и разрабо тать ряд устройств для его осуществления. На рис. 91 изображена ус
тановка |
для обезвоживания гипсовых плит размером 800 х 400 |
х |
|
X 80 мм |
[115]. Установка содержит две вертикальные пластины |
4, |
|
скрепленные между собой на расстоянии осями 5. |
В центральной пло |
||
скости между пластинами закреплена ребристая |
проставка И с вер |
тикальными ребрами. На пластинах 4 симметрично расположены ре зиновые уплотнительные рамки /, которые по внешнему и внутренне му периметрам через прокладки 12 прижаты к пластинам болтами 2.
160