книги из ГПНТБ / Жуков Д.В. Основы теории и техника сушки теплоизоляционных изделий

при сушке воздухом температурой 170° С воспламеня­ ется. Указывается также, что сушка материалов под давлением в среде перегретого пара позволяет улучшить структуру и свойства высушенной продукции,'повысить механическую прочность и водостойкость. При сушке перегретым паром необходимость регулирования влагосодержания среды отпадает, потому что температура мокрого термометра остается постоянной. Управление процессом сводится лишь к регулированию температу­ ры перегрева пара, что позволяет автоматизировать процесс сушки.

Одним из недостатков сушильной установки на пере­ гретом паре является необходимость ее тщательной гер­ метизации, в связи с чем возникает проблема непрерыв­ ного ввода и вывода материала. Кроме того, метод сушки перегретым паром не может быть применен для ^термочувствительных материалов. Однако эти недостат­ ки имеют частное значение. Метод сушки перегретым паром находит все более широкое внедрение как в оте­ чественной, так и в зарубежной промышленности.

Из-за отсутствия опыта сушки материалов в среде пе­ регретого пара в первых конструкциях сушилок было много недостатков. По мере освоения нового метода бы­ ли найдены рациональные конструктивные решения. Было доказано, что камерные сушилки, построенные из кирпича и бетона, не являются герметичными и имеют повышенные теплопотери. В настоящее время огражда­ ющие конструкции камер выполняют цельнометалличе­ скими из иекорродирующего металла (например, алю­ миния) с теплоизоляционным слоем.

Метод сушки изделий из неорганических материалов в среде перегретого пара под давлением был разрабо­ тан в Теплопроекте Л. Ф. Никелевым, В. Н. Дворкиным и др. Теоретическое обоснование и сущность нового ме­ тода заключаются в следующем. Тепловлажностную обработку изделий можно производить не только путем нагрева насыщенным паром. Известно, что при сушке в течение длительного времени в изделиях сохраняется вода и в то же время температура их может быть равна температуре кипения. Следовательно, сушка также яв­ ляется процессом гидротермальной обработки изделий. Если сушить изделия в паровой среде под давлением, то можно получить необходимую температуру материа­ ла, поддерживая соответствующее давление в автоклаве.

Изделия по этому методу высушивают в паровой среде под давлением выше атмосферного. Нагревают изделия в автоклаве каким-либо посторонним источни­ ком тепла, например за счет излучения обогреваемых снаружи стенок автоклава. При этом вода частично ис­ паряется из изделий и давление в автоклаве постепенно повышается. Когда давление достигает заданной вели­ чины, избыточный пар из автоклава непрерывно удаля­ ется и давление в нем поддерживается на заданном уровне. Таким образом, сушка происходит при постоян­ ном давлении. При этом процессы структурообразования и сушки протекают одновременно в одном аппарате, что позволяет значительно'сократить длительность теп­ ловой обработки. Сушка и гидротермальная обработка при этом протекают гораздо интенсивнее.

1.Кинетика и динамика сушки материалов

всреде перегретого пара

Первое исследование по сушке материалов в среде перегретого пара при атмосферном давлении принадле­ жит И. М. Федорову. Эти исследования показали, что процесс сушки перегретым паром, так же как и при суш­ ке воздухом, распадается на период постоянной и пада­ ющей скорости сушки. В первом периоде давление пара над поверхностью материала равно атмосферному, чему соответствует температура материала 100° С. Следова­ тельно, температура материала при сушке перегретым паром выше, чем при сушке воздухом. К концу второго периода температура материала достигает температуры среды. В первом периоде скорость сушки определяется температурным перепадом между средой и поверхно­ стью материала и коэффициентами теплообмена, а во втором — зависит также и от скорости внутренней диф­ фузии влаги.

В последнее время был проведен ряд исследований по сушке перегретым паром, в том числе Ю. А. Михайло­ вым, при давлении, превышающем атмосферное. Уста­ новлено, что вначале на кривых сушки наблюдается участок, где влагосодержание увеличивается. Это объ­ ясняется конденсацией пара на поверхности материала. Период постоянной скорости сушки протекает при тем­ пературе материала, соответствующей температуре на­ сыщения (кипения). При повышении давления темпера­

162

тура материала возрастает, что приводит к резкой интен­ сификации фазового превращения; испарение влаги переходит в ее выпаривание. При этом происходит каче­ ственное изменение механизма влагообмена, и главную роль в переносе влаги начинает играть не диффузион­ ный, а молярный (макроскопический) перенос влаги. Основной движущей силой становится градиент давле­ ния. С увеличением давления и, следовательно, с повы­ шением температуры материала увеличивается интенсивность внутреннего парообразования, в связи с чем избыточное давление повышается. Все это приво­ дит к увеличению скорости сушки.

Одной из первых была работа Венцеля и Уайта, в ко­ торой авторы исследовали процесс теплообмена при сушке влажного песка в среде перегретого пара. Этими исследованиями установлено, что для турбулентной об­

При этом за определяющий размер принят эквива­ лентный диаметр.

Для учета влияния влагопереноса на теплообмен при сушке низинного торфа в интервале чисел Рейнольдса 430—4800 10. А. Михайлов установил критериальную зависимость, в которой использовано соотношение, по­ лученное П. Л. Лебедевым:

Ts

определяющего размера здесь использован гидравличе­

В качестве определяющего размера использован раз­ мер образца в направлении потока пара.

Влияние параметров режима при сушке торфа пере­ гретым паром— температуры и давления — показано на рис. 89. Зависимость скорости сушки от температу-

Рис. 89. Зависимость скорости сушки торфа

ры носит примерно линейный характер. Так, при повыше­

11,5 до 22 кг/м2-ч. Повышение давления также приводит к росту скорости сушки. Согласно рис. 89, б, при повыше­ нии давления с 0,98 до 8,82 ат скорость сушки возрастает в среднем с 6 до 17 кг/м2-ч. При постоянной температу­ ре перегрева пара скорость сушки повышается при лю­ бых значениях давления. Исследования по сушке древе­ сины при температуре 112°С показали, что увеличение скорости движения паровой среды от 3 до 11 м/сек по­ вышает скорость сушки в 2,08 раза. С повышением температуры это соотношение возрастает. Установлено, что с повышением температуры перегретого пара все

большую роль начинает приобретать теплообмен излуче­

нием.

164

2. Сушка теплоизоляционных известково-кремнеземистых изделий в среде перегретого пара под давлением

Свойства изделий

Известково-кремнеземистые теплоизоляционные из­ делия являются в настоящее время одним из лучших видов изделий для теплоизоляции промышленных объ­ ектов. Производство их получило большое развитие в ряде стран, в том числе в США, Англин и Канаде. Ос­ новными преимуществами известково-кремнеземистых теплоизоляционных изделий по сравнению с другими яв­

строению, эти изделия имеют низкий коэффициент теп­ лопроводности и малый температурный коэффициент его роста при повышении температуры.

В Теплопроекте разработана технология изделий, не уступающих по физико-механическим свойствам луч­ шим зарубежным образцам. Кроме того, технология их получения значительно усовершенствована и создан новый высокоэффективный метод тепловой обработки, при котором совмещаются процессы запаривания и суш­ ки. Разработанная технология отличается . следующими особенностями:

а) активность используемой негашеной извести должна быть не ниже 70%, асбест марки П-6-45; в ка­ честве кремнеземистого компонента можно применять

= 0,65-г-0,8, содержание асбеста должно быть около 20% веса сухих исходных материалов, содержание воды 450— 500%;

в) асбест должен быть тщательно обработан любым способом до степени распушки не менее 70%; предпоч­ тительно использовать мокрый способ в две стадии: об­ работка на бегунах и в пропеллерной мешалке;

г) известь, загашенная в молокр, и кремнеземистый компонент должны быть совместно измельчены мокрым

165

способом, лучше в вибромелы-шце. В случае использова­ ния в качестве кремнеземистого сырья кварцевого песка последний должен иметь после помола удельную по­ верхность не менее 4,5—5 тыс. см2/г\

д) гидромассу, приготовленную путем смешивания известково-кремнеземистого шлама и асбестовой пуль­ пы, заливают в формы, предварительно смазанные ма­ шинным маслом;

е) формы с гидромассой для получения изделий по­ мещают в автоклав. Гидромасса твердеет в результате растворения извести и кремнезема в воде, выпадения

новообразований, армированного волокнами асбеста. Нагрев гидромассы в автоклаве до температуры 170— 180° С необходим для того, чтобы повысить раствори­ мость кремнезема в воде и увеличить скорость раство­

кальция определяется соотношением в растворе гидрата окиси кальция н кремнекпслоты. На стадии подъема температуры п изотермической выдержки в гидромассе возникает двухосновный гпдроснликат кальция, который после связывания всей извести в новообразования пере-

зовываются в тоберморпт. Изделия, новообразования в которых представлены гпдросплпкатамп кальция CSH(B) с основностью 0,8 и тоберморптом, обладают высокой прочностью и устойчивостью при нагреве до

600—650° С.

Исследования процесса сушки

Лабораторные исследования. При исследовании ки­ нетики и динамики совмещенного процесса тепловой обработки известково-кремнеземистых изделий необхо­ димо было решить ряд вопросов, связанных с тем, что этот процесс происходит в установке, находящейся под давлением. В первую очередь, надо было найти конст­ руктивные решения по обогреву рабочего пространства

166

установки, способу циркуляции паровой среды, замеру убыли влаги из образца, способу ввода термопар и др.

Первые опыты проводили на лабораторной установ­ ке (рис. 90), в которой температуру поддерживали за счет радиации нагреваемых снаружи электронагрева­ телями стенок автоклава. Принудительная циркуляция

/ — манометр; 2 — крышка автоклава; 3 — корпус автоклава; 4 — термопары для замера температуры в материале; 5 — электронагреватели; 6 — термопара; 7 — образец; 8 — электронный двухпозицнонный регулятор; 9 — реле; 10— весы; // — водяной холодильник; /2 — вентиль; 13 — потенциометр

паровой среды отсутствовала. Убыль влаги из образца замеряли следующим образом. При нагревании изделия вода из него начинает испаряться, а давление в автокла­

кривую сушки изделий. Для быстрого создания паровой среды в автоклаве в начальный период на дно внутрен­

При проведении опытов изучали влияние предвари­ тельной изотермической выдержки после достижения'

167

заданного давления перед сушкой па свойства изделий, а также влияние температуры корпуса автоклава, тол­ щины и формы изделий на процесс сушки и свойства изделий. Исследования показали, что предварительная изотермическая выдержка пли пропаривание даже в те­ чение 24 ч при получении известково-диатомовых изде­ лий не повышает их прочности при изгибе. Поэтому теп­ ловую обработку этих изделий целесообразно произво-

Рис. 91. Зависимость продолжитель­ ности сушки изделии от температуры стенки автоклава

/ — 200° С ; 2 — 250° С ; 3 — 300° С

дить путем непрерывной сушки под давлением без предварительной выдержки. Изотермическая выдержка известково-песчаных изделий перед сушкой длительно­ стью до 4 ч предотвращает усадку изделий и повышает их прочность. Изотермическая выдержка может быть заменена медленной сушкой изделий.

Кривые сушки известково-диатомовых плит толщи­ ной 50 мм при давлении 8 ат в зависимости от темпера­ туры корпуса автоклава приведены на рис. 91. Как видно из рисунка, скорость сушки при повышении температу­ ры с 200 до 300° С резко возрастает. Так, при темпера­ туре 300° С продолжительность сушки до влагосодержания 1 кг/кг составляет 140 мин, а при температуре 200° С — 350 мин, т. е. при увеличении температуры в 1,5 раза продолжительность сушки сокращается в 2,5 раза. При дальнейшем повышении температуры до 400° С скорость сушки возрастает в меньшей степени, в то же время прочность изделий снижается. Повышать темпе­

168

ратуру выше 300° С нецелесообразно, так как при этом требуется значительное увеличение толщины стенок ав­ токлава или применение легированных сталей. Поэтому следует считать оптимальной температуру 250—300° С.

В опытах было установлено, что продолжительность сушки мало зависит от давления. Такой вывод объясня­ ется, видимо, особым способом подвода тепла к образцу и отсутствием замеров температуры паровой среды.

Рис. 92. Схема усовершенствованной экспериментальной установки

/ — переносной потенциометр; 2 — переключатель термопар; 3 — потенцио­

рис. 90) была доказана возможность применения совме­ щенного процесса тепловой обработки известково-крем­ неземистых изделий и установлены основные технологи­ ческие параметры. Однако принятый способ замера убыли влаги из образца в процессе сушки взвешивани­ ем конденсата пара не обеспечивал необходимой точ­ ности вследствие утечек пара через неплотности. Кроме того, отсутствие циркуляции пара в рабочем простран­ стве и обогрев его излучением стенок исключали воз­ можность аналитической обработки результатов опытов и использование этого способа в производственных ус­ ловиях.

Новая конструкция, в которой указанные недостатки в основном устранены (рис. 92), включает лаборатор­

169

ный автоклав диаметром 400 и длиной 600 мм, оборудо­ ванный средствами обогрева, циркуляции пара, замера убыли влаги и температур. Установка работает следую­ щим образом. Изделие (образец) в форме загружают во внутреннюю камеру, которая защищает его от прямо­ го излучения стенками автоклава п организует поток паровой среды. Циркуляционный вентилятор направля­ ет паровую среду в зазор между стенками внутренней камеры и стенками автоклава, обогреваемыми электро­ нагревателями. Подогретая газовая среда вблизи крыш­ ки поступает во внутреннюю камеру, нагревает изделия и отбирается циркуляционным вентилятором. Затем цикл повторяется.

Изменение веса образца в процессе сушки определя­ ли непосредственным взвешиванием по методике, разра­ ботанной в Горьковском инженерно-строительном ин­ ституте. Образец, помещенный внутри автоклава, подве­ шивали на струне диаметром 0,2 мм к техническим ве­ сам, расположенным вне автоклава. В месте прохода струны через стенку автоклава установлено уплотнение. Уплотнение состоит из вваренного в автоклав стакана, внутри которого размещена прокладка из термостойкой силиконовой резины. Поджатпем этой прокладки и обе­ спечивают минимальные зазоры в уплотнении. По­ грешность взвешивания определяется величиной трения струны о прокладку п не превышает 2,5%•

В качестве образцов использовали плиты размером

400X200X50 мм, объемным весом 180—200 кг/м3. Ско­ рость движения пара в автоклаве устанавливали на холодном воздухе путем изменения числа оборотов вентилятора п измеряли интегральным насадком с пе­ ресчетом па перегретый пар. Для измерения температу­ ры пара, материала и стенок автоклава использовали термопары ХК и потенциометры. Для получения сопо­ ставимых результатов в установке предусмотрен и ме­ тод определения убыли влаги в образце взвешиванием конденсата. Все электровводы выполнены при помощи автомобильных свеч. При необходимости ввода в авто­ клав стороннего пара в установке имеется отдельный парогенератор. Для наблюдения за состоянием мате­ риала в процессе сушки в крышке автоклава вмонти­ ровано смотровое окно, состоящее из двух обогреваемых кварцевых стекол. Образцы и внутренний объем автокла­ ва освещали фотолампой с перекалом,

170