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

где а — коэффициент линейной усадки, показывающий относительное уменьшение линейного размера изделия при удалении 1% влаги; /о — постоянная линейная величина, равная отрезку, отсекаемому прямой усадки на оси ординат.

Коэффициент линейной усадки может быть подсчи­ тан по тангенсу угла наклона прямой усадки, т.е.

момент различна в наружных и внутренних слоях, сле­ довательно, различна и величина относительной усадки наружных и внутренних слоев. Сокращение размеров наружных слоев в большей мере, чем внутренних, вызы­ вает предельные напряжения в наружных слоях и вле­ чет за собой образование трещин на поверхности изде­ лия. Поверхностные трещины могут возникнуть в пер­ вом периоде сушки, а внутренние трещины — во втором периоде в результате действия остаточных напряжений. Граница указанных периодов — время достижения по­ верхностью изделия влажности, соответствующей концу усадки.

Таким образом, усадка изделий — основное препятст­ вие, ограничивающее быструю сушку; поэтому она явля­ ется объектом первоочередного анализа при установле­ нии оптимального режима сушки. Поскольку напряжен­ ное состояние в процессе сушки обусловливается нерав­ номерным распределением влажности в материале, то критерием трещинообразования должен быть некоторый

31

параметр, характеризующий поле влагосодержаний. В качестве такого критерия, как упоминалось выше, мо­ жет быть использован критерий Кирпичева.

3. Методика исследований процесса конвективной сушки изделий

О форме связи влаги с материалом, величинах рав­ новесной и гигроскопической влажности легче всего су­ дить по изотермам десорбции материалов. Для построе­ ния этих кривых величины равновесной влажности опре­ деляли тензиметрическим методом. Опыты по сушке теп­ лоизоляционных изделий в лабораторных условиях про­

Установка работает с замкнутой циркуляцией возду­ ха при помощи центробежного вентилятора № 5, обеспе­ чивающего скорость движения воздуха в рабочем кана­ ле до 8 м!сек. Воздух подогревают в электрокалорифере

ностью 6 кет, работающим в автоматическом режиме от мокрого термометра через контактный гальванометр и контактор, воздействующий на тэны парогенератора. Пи­ тание парогенератора водой автоматическое при помо­ щи поплавкового регулятора, установленного в питатель­ ном бачке. Температуру воздуха t0 регулируют транс­ форматором ТС-3 (типа «темнителя»), воздействующим на электрокалорифер от рычага ручного регулирования или через программный регулятор и датчик-термопару. Скорость движения воздуха в сушилке устанавливают при помощи шибера на всасывающей ветви вентилятора и замеряют пиевмометрической трубкой. Для измерения температур воздуха и изделий используют хромель-ко- пелевые термопары диаметром 0,2—0,4 мм и потенцио­ метр.

Последовательность операций при исследовании про­ цесса сушки изделий была принята следующей. Одно­ временно изготовляли три образца. Из первого образца брали пробу для определения средней влажности изде­ лий. Второй образец устанавливали в сушилку на метал­ лическую подставку. В этот образец закладывали термо­ пары и определяли температуры в образце. Третий об-

32

со

-J to

Рис. 7. Схема лабораторной сушилки

8

разед укладывали на металлический поддон, а затем на люльку, подвешенную в сушилке через тягу к коромыс­ лу весов, установленных над сушилкой. По нему оп­ ределяли убыль влаги из образца в процессе сушки и изменение усадки. После окончания опыта образец раз­ резали и брали пробы для определения влажности по его сечению. По каждому режиму проводили одну-две серии опытов по три опыта на каждый режим сушки. По полученным из опытов средним данным строили кривые сушки, скорости сушки, распределения влаж­ ности в образцах, температурные кривые и устанавли­ вали обобщающие зависимости, характеризующие про­ цесс сушки данного вида изделий.

Точность и воспроизводимость основных характерис­

поэтому на методике этих замеров остановимся более подробно. Как известно, непрерывное дистанционное из­ мерение веса с высокой точностью и надежностью и осо­ бенно в нестационарных условиях протекания процессов тепло- и влагообмена — одна из сложных эксперимен­ тальных проблем. К сожалению, несмотря на многооб­

В Теплопроекте разработана конструкция автомати­ ческих весов для исследования процессов сушки п теп­ ловой обработки материалов (рис. 8). Весы имеют в за­ висимое,™ от конструктивных параметров достаточно широкие для лабораторных условий пределы измере­ ния— от нескольких граммов до нескольких килограм­ мов. Благодаря применению в системе обратной связи грузовой цепи, удерживающей коромысло весов в поло­ жении исходного равновесия, они имеют линейную за­ висимость показаний самопишущего потенциометра от изменения веса и надежны в работе. Достоинствами ве­ сов также являются высокая точность измерения и воз­ можность быстрого изменения пределов измерения пу­ тем замены грузовой цепи.

Схема весов состоит из механической и электриче­ ской частей. Механическая часть (рис. 8, а) представля­ ет собой весы В, к одному плечу которых подвешен ис­ пытуемый образец О с изменяющимся во времени весом.

34

На другом плече весов закреплена грузовая цепь Ц. Она представляет собой набор грузов, соединенных прочной нитыо. Свободный конец грузовой цепи при помощи тросика Т соединен с исполнительным механизмом ИМ. Тросик намотан на шкив с двумя канавками, который установлен на валу исполнительного механизма ИМ.

Водной из канавок тросик намотан по часовой стрелке,

вдругой—против нее. На тросике укреплен движок то­

косъемника Д, перемещающийся по реохорду Р.

3*

Электрическая часть весов (рис. 8,6) разделена на цепь управления исполнительным механизмом I, сило­ вую цепь II и регистрирующий узел III. В цепь управле­ ния исполнительным механизмом входят выпрямитель М, реле управления РУ, конденсатор С, фотосопротивление Гф и лампочка Л\. Силовая цепь состоит из электродви­ гателя ЭД исполнительного механизма, силового реле PC, имеющего нормально закрытые (н. з.) и нормально открытые (н. о.) контакты, и двух сигнальных лампочек Л2 и Л3. Регистрирующий узел включает в себя реостат­ ный датчик, состоящий из реохорда Р и токосъемника Д. Реохорд Р питается постоянным напряжением от бата­ реи Б, включенной в цепь источника регулируемого на­ пряжения ИРН. Контролируют это напряжение перио­ дически переносным потенциометром П. Часть подава­ емого на реохорд Р напряжения, соответствующая поло­ жению движка токосъемника Д, снимается электронным автоматическим потенциометром ПС, шкала которого отградуирована в единицах веса.

Принцип работы устройства автоматической записи основан на преобразовании изменения веса образца О в изменение напряжения, снимаемого с реохорда Р. Схе­ ма работает по следящей системе, поэтому действитель­ ная величина изменения веса определяется как средняя между максимальной и минимальной величинами в рас­ сматриваемый период времени. Запись изменения веса производится следующим образом. В начальный момент времени, когда коромысло весов находится в равнове­ сии, на фотосопротнвление Гф падает луч от лампочки Л). Контакты реле управления РУ замыкаются. При этом силовое реле PC замыкает н. о. контакты, исполнитель­ ный механизм ИМ начинает опускать грузовую цепь Ц и одновременно перемещать движок токосъемника Д. На ленте электронного автоматического потенциометра начинает записываться линия 0—1 (рис. 8, в), в то вре­ мя как действительный процесс пойдет по линии СМ. При опускании грузовой цепи коромысло весов выходит из состояния равновесия и шторка Ш перекрывает луч света, падающий на фотоэлемент. Этот процесс продол­ жается в течение времени ть определяемого инерцион­ ностью фотоэлектрического датчика.

В момент времени п сопротивление фотоэлемента резко возрастает, ток в цепи управления уменьшается и контакты реле управления РУ размыкаются. При этом

36

замыкаются н. з. контакты силового реле PC и исполни­ тельный механизм начинает поднимать грузовую цепь, возвращая коромысло весов в положение равновесия. На диаграммной ленте начинает записываться линия 1—3. Скорость изменения весового воздействия грузо­ вой цепи на коромысло весов должна быть заведомо большей, чем скорость изменения веса образца. В мо­ мент времени т коромысло весов возвратится в положе­ ние равновесия и фотоэлемент будет освещен. Однако ввиду его инерционности направление вращения элек-. тродвигателя не изменится до момента времени Тз. Вре­ мя задержки равно тз—Тг, а погрешность в измерении

приводит к увеличению погрешности измерения в про­ цессе подъема грузовой цепи.

На рис. 9 приведена кривая нарастания убыли влаги из перлитобитумной плиты размером 500X250X50 мм. Кривая получена для следующих значений параметров режима сушки: скорость теплоносителя 3 м/сек, темпе­ ратура теплоносителя 150° С, относительная влажность 4%. Как видно из рисунка, весы позволяют автомати­ чески регистрировать изменение веса до 3000 г. Погреш­ ность измерений не превышает 1,5% предела показаний по шкале потенциометра. При обработке результатов исследований полученные на диаграммной ленте кривые пересчитывают в кривые сушки с координатами w,

% — х,ч.

37

Методика исследования процесса сушки изделий в производственных условиях заключалась в следующем. Во время исследований измеряли расход теплоносителя и его температуру, давление — разрежение в различных точках тракта теплоносителя и в сушилке, производи­ тельность сушилки, качество продукции, характеристики топок и вентиляторов. В ряде случаев замеряли убыль влаги из изделий в процессе сушки.

Расходы теплоносителя в трубопроводах и каналах носителя в каналах — промышленными термопарами, а внутри сушилки — анемометрами; температуру тепло­ носителя в каналах — промышленными термопарами, а внутри сушилки и изделиях —«ползущими» термопара­ ми; разрежение — давление — U-образнымн пли наклон­ ными тягомерами и микроманометрами; убыль влаги из изделий — путем установки весов с изделием в рабочем пространстве сушилки и наблюдением за изменением веса изделия через контрольные окна в стенке сушилки. Объем высушенной продукции определяли по емкости ва­ гонеток и количеству загрузок в 1 ч. Качество продукции устанавливали согласно требованиям ГОСТов.

4. Сушка безобжиговых теплоизоляционных изделий

Перлитоцементные изделия

Лабораторное исследование. При производстве пер­ литоцементных изделий вспученный перлитовый песок объемным весом 60 кг/м3, портландцемент и распушен­ ный асбест 6-го сорта берут в соотношении 43, 41 и 16%

по весу. Количество воды принимаютот 140до200% ве­ са сухих материалов соответственно при объемном весе изделий 400—250 кг. Вначале перемешивают асбест и цемент с водой, затем добавляют перлитовый песок. По­ лученную массу формуют на прессе. Сформованные из­ делия (скорлупы или плиты) имеют прочность, доста­ точную только для сохранения формы, поэтому в сушил­ ку их подают на поддонах, где они набирают необходи­ мую прочность. Таким образом, перлитоцементные из­ делия являются типичными изделиями, при сушке ко­ торых должна быть удалена влага и сохранены условия тепловлажностной обработки, обеспечивающие рост их прочности.

Начальное влагосодержание изделий составляет в среднем 220%. Насколько нам известно, условия тверде­

38

ния изделий на цементном вяжущем (например, легких бетонов) со столь высоким водозатвореиием не исследо­ вали. Вместе с тем для ускорения нарастания прочности бетонов широко применяют их тепловлажностную обра­ ботку в пропарочных камерах. Поэтому в первых иссле­ дованиях перлитоцементные изделия пропаривали. Од­ нако опыты показали, что пропаривание изделий даже при 3-суточном хранении их в нормальных условиях до тепловлажностной обработки не дает такой прочности, как сушка, и, кроме того, пропаренное изделие необхо­ димо еще сушить. Результаты анализа прочности изде­ лий при сушке и пропаривании приведены на рис. 10.

Рис. 10. Рост прочности перлитоцементных изде­ лий при сушке и пропа­ ривании

/ — пропаривание сразу пос­ ле прессования; 2 — пропари­ вание после 3-суточного со­ зревания; 3 — сушка сразу после прессования

Рис. 11. Изотерма десорб­ ции перлитоцементных изделий (/с =20°С )

В качестве образцов для установления оптимальных параметров режима сушки изделий использовали плиты

(500X250X50 мм) и скорлупы (длина 500 мм, dn—

=220 мм, dвн— ПО мм). На рис. 11 приведена изотерма десорбции перлитоцементных изделий, откуда следует, что равновесная влажность растет с повышением ср. Аб­ солютные значения равновесной влажности не превыша­ ют 6%.

По современным представлениям, минералы порт­ ландцемента растворяются в воде и, взаимодействуя

39

пересыщения раствора. Чем она больше, тем меньше кристаллы, тем их больше в единице объема раствора. Сразу после выпадения из раствора кристаллы сраста­ ются, образуя решетку, придающую прочность изделию. По мере растворения исходных материалов цемента прочность кристаллической решетки из новообразований может расти, оставаться неизменной или падать.

При пропаривании, когда величина В/Ц высока, пе­ ресыщение раствора невелико, поэтому места срастания кристаллов в решетке могут вновь растворяться. Кроме того, размеры кристаллов при этом больше, чем при ма­ лом В/Ц, и рост их вызывает внутренние напряжения, снижающие возможную прочность материала. Образу­ ется структура, которая затем остается и после сниже­ ния В/Ц, например во время сушки или при дальнейшем твердении на воздухе. Поэтому пропаренные перед суш­ кой изделия имеют меньшую прочность, чем изделия, не подвергавшиеся пропариванию.

Во время сушки создаются более благоприятные ус­ ловия твердения, чем при пропаривании или созревании в нормальных условиях. Величина В/Ц при сушке все время падает, раствор минералов цемента получается сильно пересыщенным по отношению к новообразовани­ ям, в связи с чем они быстрее кристаллизуются, при этом образуются мелкие кристаллы, что способствует снятию внутренних напряжений. Уменьшается также возможность растворения контактов между кристаллами. Однако скорость сушки должна быть такой, чтобы раз­ мер кристаллов был оптимальным, а количество новооб­ разований достаточно большим, чтобы возникла сплош­ ная пространственная решетка. Количество новообразо­ ваний растет с температурой, поэтому важно быстро про­ греть изделие.

Очевидно, прямоточная или прямоточно-противоточ- ная сушка будет предпочтительней по сравнению с противоточной при условии обеспечения повышенной влаж­ ности теплоносителя. При исследовании вначале был ус­ тановлен прямоточный, но ступенчатый режим сушки (рис. 12). Чтобы быстро прогреть изделия, температуру теплоносителя поддерживали равной 150° С; затем ее резко снижали до 80° С и выдерживали в течение 3—4 ч,

40