книги / Тепломассообменные процессы в производстве гипсовых и гипсобетонных строительных материалов

Влияние температуры теплоносителя на интенсивность процесса сушки гипсовых и гипсобетонных изделий исследовалось при 50— 370 °С. Температура теплоносителя — важный фактор существенной, интенсификации процесса. Так, при повышении температуры воздуха от 72 до 365 ЬС время сушки СГШ уменьшалось со 112 до 6 мин (рис. 70). Время сушки гипсобетонных панелей и гипсовых блоков при повышении температуры теплоносителя от 50 до 350 СС уменьшилось с 20 до 1,5 ч (рис. 71).

Время сушки образцов из ГЦПВ при повышении температуры воз­ духа от 60 до 180 °С уменьшилось со 255 до 70 мин (рис. 72). Однако

РИс. 70. Кривые сушки и скорости сушки гипсовых досок при различных теыперату-

Рис. 71. Кривые сушки и скорости сушки гипсобетонных панелей при различных температурах теплоносителя:

i — 60 °С; 2 — 100 “С; 3 — 150 вС; 4 — 200 “С; б — 260 «С; S — 30Q °С; 7 — 350 «О о —

»= 3 м/с, d= 10 г/кг с. в. •

131

возможное с точки зрения хорошего качества материала увеличение температуры теплоносителя при сушке гипсовых и гипсобетонных из* делий ограничено 70—80 СС, так как при больших температурах про* исходит снижение прочности изделий вследствие дегидратации гипса.

Повышение температуры воздуха вызвало изменение первой и вто­ рой критических влажностей исследуемых материалов. Как видно из рис. 70, критическое влагосодержание листовых гипсовых материалов (точки Кх и /(*) с повышением температуры теплоносителя изменялось по некоторой кривой, имеющей максимум. Происходило это по следу­ ющим причинам. Повышение температуры при постоянных v и d вы­ зывает одновременное увеличение интенсивности сушки и коэффици­ ента диффузии влаги ат. Коэффициент ат с повышением температуры материала увеличивается при низких температурах медленно, а потом в области высоких температур — резко. Поэтому отношение j j a m, входящее в выражение для числа Кирпичева, вначале увеличивается с повышением температуры теплоносителя (область низких температур), а потом уменьшается. В результате наблюдается вначале увеличение критического влагосодержания материала (t < 200 °С), а затем его уменьшение (/ ^ 200 °С).

При сушке толстостенных гипсобетонных и гипсовых строитель­ ных материалов в связи со значительной толщиной материала первый период сушки наблюдался только при низких температурах теплоно­ сителя (50—70 °С). При повышении температуры воздуха свыше ука­ занных пределов процесс сушки протекал во втором периоде. Первая и вторая критические влажности гипсобетонных панелей и блоков увеличивались при повышении температуры теплоносителя.

При сушке изделий из ГЦПВ повышение температуры воздуха вы­ зывало изменение первой н второй критических влажностей. Однако при повышении температуры теплоносителя свыше 100 °С не наблю­ далось значительного изменения WKPl и WKPt. Эти значения колеблют­ ся в пределах соответственно 29—30 % и 11—13 %.

Для определения влияния влагосодержания теплоносителя на ин­ тенсивность сушки и качество изделий опыты проводились в интерва­ ле температур 40—250 °С при изменении влагосодержания от 10 до 300 г/кг с. в. Как видно из рис. 73, увеличение влагосодержания су­ шильного агента при / > 100 °С практически не влияет на время суш­ ки материала, но приводит к значительному увеличению первого периода сушки СГШ. При сушкетолстостенных гипсовых и гипсобетон­ ных изделий также установлено, что при высоких температурах теп­ лоносителя влияние влагосодержания на интенсивность процесса неаначительно и приводит к заметному уменьшению второй критической влажности материала. При температурах воздуха ниже 100 °С повы­ шение влагосодержания воздуха значительно увеличивает время суш­ ки материалов.

Особый теоретический и практический интерес представляют опы­ ты по изучению влияния влагосодержания теплоносителя на кинети­ ку сушки изделий из ГЦПВ. Результаты опытов с пластинами разме­ ром 300 х 150 х 30, изготовленными из ГЦПВ, применяемого на Хо­ рошевском ДСК» приведены на рис 74. Видно, что при температуре

132

Рис. 72. Кривые сушки и скорости сушки изделий из ГЦПВ при раз­ личных температурах теплоносителя:

Рис. 73. Кривые сушки и скорости сушки гипсовых досок при различных влагосодержаниях теплоносителя:

теплоносителя 80 СС повышение его влагосодержания приводит к зна­ чительному замедлению процесса сушки. При этом наблюдается уве­ личение первой и второй критических влажностей материала (точки Ki и на рис. 74). Этот факт можно объяснить присутствием цемента в ГЦПВ. При / = 80 °С и d = 10 г/кг с. в. температура материала в первом периоде сушки равна температуре мокрого термометра и со­ ставляет 30 СС, приэтом процесс гидратации цемента протекает медлен­ но и обезвоживание материала происходит вследствие испарения из него влаги. При d = 200 г/кг с. в. температура материала равна

133

Рнс. 74. Кривые сушки и скорости сушки изделий из ГЦПВ при различных влагосодержаниях теплоносителя:

/ — 200 г/кг с. в.; 2 — 50 г/кг с. в.: 3 — 10 г/кг с. в.; < = 80 СС, и = 2 м/с.

64,5 °С, что приводит к значительному (более чем в 2 раза) ускорению процесса гидратации цемента. При этом выделяется некоторое коли­ чество теплоты гидратации, которая идет на нагрев материала и ис­ парение содержащейся в нем влаги. Поскольку количество цемента составляет 10—15 % от массы вяжущего, то выделение теплоты гид­ ратации происходит не во всем объеме, а в местах расположения зе­ рен. Поэтому, несмотря на значительное повышение температуры материала, возможно нарушение движения жидкости в капиллярах изза образования паровых пробок в местах гидратации цемента и увели­ чение критических влажностей, связанное с уменьшением коэффици­ ента диффузии влаги. На величину критических влагосодержаний, по-видимому, оказывает влияние и Локальное изменение структуры ма­ териала в местах гидратации цемента, так как в результате химиче­ ской реакции цемента с водой выкристаллизовываются новообразова­ ния, которые могут существенно уменьшать сечение капилляра.

Опыты показали, что интенсификация гидратации пуццоланового цемента с увеличением влагосодержания теплоносителя способствует повышению прочности материала.

2.Влияние структуры

игеометрических размеров материала на кинетику процесса сушки

Кинетика сушки материала зависит не только от воздействия внеш­ ней среды, но и от процессов перераспределения теплоты и влаги внутри материала, определяемых его структурой и геометрическими размерами. При сушке листовых гипсовых строительных материалов имеем дело с неоднородной структурой, обусловленной наличием ли­ стов армирующего картона. На сушку гипсобетонных и гипсовых па­

134

нелей и блоков оказывает влияние значительная толщина изделий, ко­ торая снижает скорость протекания процесса сушки и повышает ве­ личину критического влагосодержания: На сушку изделий из ГДПВ оказывают влияние добавка цемента, покрытие части поверхности ке­ рамическими плитками и объемность сантехкабин.

Для исследования влияния картонной оболочки на кинетику суш­ ки гипсовых досок проведена серия опытов с гипсовыми пластинами,

рис. 75, а и б, картонная оболочка создает дополнительное сопротив­ ление удалению влаги из материала, о чем свидетельствует увеличе­ ние времени сушки неоднородного материала по сравнению с однород­ ным на 12 мин и снижение интенсивности сушки в первом периоде на 60 %. Характер кривых скорости сушки исследуемых материалов одинаков, и, очевидно, определяется кинетикой сушки гипса. Во вто­ ром периоде сушки на кривой скорости сушки видна характерная для обезвоживания капиллярно-пористых тел точка Кй, определяющая ве­ личину второй критической влажности материала H7KPf, причем, как показали опыты на различных режимах сушки, величины первой и

Рис, 75. Кривые сушки и скорости сушки гипсовой доски толщиной 8 мм, армирован­ ной картоном и однородной гипсовой пластины такой же толщины.

135

второй критических влажностей гипса, армированного картоном, значи­ тельно ниже, чем у однородной гипсовой пластины. Анализ темпера­ турных полей исследуемых материалов позволяет объяснить это об­ стоятельство. Как видно из рис. 75, в таг, температура поверхности од­ нородной гипсовой пластины (кривая 1) в первом периоде сушки равна температуре мокрого термометра при данных параметрах теплоноси­ теля и составляет 46 °С. Градиент температур по толщине материала незначителен, что подтверждает данные [120] о небольшой для гипса величине критерия фазового превращения е. Постоянство температу­ ры материала в первом периоде сушки свидетельствует о том, что в данном случае углубление зоны испарения не имеет места, так как бла­ годаря влагопроводности обеспечивается достаточный подвод влаги к поверхности. При достижении материалом первой критической влаж­ ности (точка /Ci) происходит снижение интенсивности сушки и повы­ шение температуры всех слоев материала. При достижении материа­ лом второй критической влажности WKPt происходит углубление зоны испарения, о чем свидетельствует последовательное резкое увеличе­ ние температуры различных слоев материала (кривые 2 и 3) по мере их высушивания до абсолютно сухой массы.

При сушке неоднородной гипсовой пластины описанный выше ха­ рактер протекания процесса сохраняется, однако температура гип­ сового сердечника (кривые 2 и 3) в первом периоде сушки значительно выше температуры мокрого термометра вследствие пародепрессионного эффекта (см. девятую главу, параграф 4) и составляет на приведен­ ном режиме сушки 71 °С. Градиент температур в гипсовом сердечнике незначителен. Температура армирующих листов картона, как видно из кривой 1, на 10 °С выше температуры гипса. Уменьшение интен­ сивности сушки и повышение температуры материала, обусловлива­ ющее увеличение коэффициента влагопроводности ат, приводит к уменьшению гигрометрического числа Кш и, следовательно, к умень­ шению величины критического влагосодержания.

При достижении материалом первой критической влажности WKVtt как и в случае сушки однородной гипсовой пластины, происходит не­ которое увеличение температуры всех слоев материала, однако в дан­ ном случае оно выражено менее резко.

Начало углубления зоны испарения, соответствующее достижению материалом второй критической влажности (точка /С2), характеризу­ ется последовательным резким повышением температуры слоев мате­ риала (кривые 1, 2, и 3).

Опыты показали, что характер приведенных на рис. 75 кривых распределения температур по сечению неоднородных листовых гип­ совых строительных материалов сохранялся на всех исследуемых ре­ жимах сушки, причем превышение температуры гипсового сердечника над температурой мокрого термометра и температуры картона над температурой гипса тем больше, чем интенсивнее процесс сушки.

Влияние толщины материала на кинетику сушки показано на рис. 76 и 77. Видно, что увеличение толщины материала приводит к замедлению процесса сушки и повышению первой и второй критиче­ ских влажностей, что не противоречит существующим представлениям.

136

Рис. 76. Кривые сушки и скорости сушки гипсовых досок различной толщины::

1 — 8 мм: 2 — 16 мм; 3 - 20 мм: t = 177 'С . v = 2.5 м/с. d = 10 г/кг с. ■.

Рис. 77. Кривые сушки и скорости сушки однородных гипсовых пластин различной' толщины:

1 — 8(мм; 2 — 20 мы; 3 — 30 им; 4 — 80 мм: t — 156 *<2, и = 1 м/с. 4 = 1 0 г/кг с. в.

Результаты опытов использованы для получения зависимостей, необ­ ходимых для расчета сушильных установок.

Исследование влияния цемента на кинетику сушки изделий ив. ГЦПВ изложено в предыдущем параграфе. Значительныйинтерес пред­ ставляют исследования влияния керамического покрытия на процесс сушки сантехкабин. Опыты показали, что при уменьшении вдвое по­ верхности испарения время сушки образца до конечной влажности

13Г

шости. Затем в процессе сушки температура обеих поверхностей выравни­ вается и возрастает далее в одинаковом темпе.

Следует отметить, что температура материала в первом периоде -сушки образца, облицованного с одной стороны керамической плит­ кой, значительно превышает температуру мокрого термометра, что по описанным выше причинам способствует ускорению процесса гидра­ тации цемента и повышению прочности материала. Таким образом, на­ личие облицовочных керамических плиток, несмотря на некоторое за­ медление процесса сушки, оказывает положительное влияние на ка­ чество сантехкабин.

Наиболее опасными с точки зрения обезвоживания гипса являются ^углы изделий, подвергающихся сушке. Для проверки безопасности применения разработанного режима сушки сантехкабин из ГЦПВ вы­ сокотемпературным высоковлажным теплоносителем (см. десятую

.главу) проведены исследования процесса сушки отформованных углов кабин. Образцы помещались в наиболее жесткие условия — пер­ пендикулярно к потоку теплоносителя. В образцы по толщине заде­ лывались термопары для регистрации температуры поверхности и глу­ бинных слоев угла, причем исследовались образцы с чистыми поверх­ ностями и угол, одна сторона которого покрывалась керамическими плитками. Исследования показали, что при оптимальном режиме суш­ ки обезвоживание гипса не происходит и качество материала соответ- •ствует ГОСТу.

3: Влияние процесса углубления зоны испарения на качество термолабильных капиллярно-пористых тел

Как показали проведенные в предыдущем параграфе исследования, интенсификация процесса сушки гипсовых и гипсобетонных изделий повышением температуры теплоносителя приводит к ухудшению их качества: отклеиванию картона от гипсового сердечника и листовых гипсовых изделий и снижению прочности гипсобетонных и гипсовых строительных материалов. Поэтому многие исследователи стремились установить основные факторы, определяющие степень сцепления кар­ тона с гипсом и зависимость прочности изделий от режима сушки.

Как показано в параграфе 2 седьмой главы, еще нет единого мнения по поводу места расположения зоны испарения влаги, механизма сцеп­ ления картона с гипсовым сердечником и кинетике сушки гипсовых досок.

С целью определения расположения зоны испарения при сушке СГШ нами проведены аналитические исследования. Листовая гипсо­ вая штукатурка рассматривалась как неоднородная неограниченная пластина с переменным по толщине материала коэффициентом тепло­ проводности. Дифференциальное уравнение, описывающее процесс в первом периоде сушки, имеет вид

Полагая, что испарение внутри образца не происходит, что не проти-

138

положения зоны испарения в пер­ вом периоде сушки. Обозначения величин, входящих в полученные решения, приведены на рис. 78.

В первом случае граничные и начальные условия можно записать

где R — характерный размер пластины. Из уравнения (9.3) видно, что распределение температуры внутри однородной неограниченной пла­ стины в рассматриваемом случае испарения влаги имеет линейный ха­ рактер. При qm, = qm, = qn температура

t= tc— aqmla ^ t„ ,

т.e. температура во всех точках пластины постоянна и равна темпера­

туре мокрого термометра.

Для решения дифференциального уравнения (9.1) при переменном

Яи первого из рассматриваемых вариантов испарения влаги необхо­ димо составить ряд дополнительных условий.

139

1. Условие стационарного распределения температуры. Полагаем X; и Хг независимыми от температуры и влажности материала:

2. Условие непрерывности температуры и теплового потока. Это условие вытекает из равенства теплового потока, направленного от по­ верхности картона в гипс тепловому потоку в данной половине гипсо­

В результате решения уравнения (9.1) получаем выражения для оп­ ределения температуры в различных точках гипсовой пластины при условиях, сформулированных выше:

на рис. 78 (кривая /). Здесь же дана кривая фактического распределе­ ния температуры по толщине материала при аналогичных параметрах теплоносителя (кривая 2). Сравнение приведенных кривых позволяет сделать вывод, что предположение о расположении зоны испарения влаги в первом периоде сушки гипсовой штукатурки на поверхности картона неверно, так как характер кривой распределения температу­ ры по толщине материала, полученной аналитически, не соответствует опытным данным.

140