книги / Тепломассообменные процессы в производстве гипсовых и гипсобетонных строительных материалов

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

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

£нами разработан пародепрессион-

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

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

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

Время до начала углубления зоны испарения определяем по формуле

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

По этим формулам устанавливаем зависимость количества влаги в си­ стеме G от времени до начала углубления зоны испарения

где l0 — длина капилляров.

На рис. 83 представлены результаты расчета, выполненного при

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

носителя.

147

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

Параметр Ьн, характеризующий влияние массообмена на теплообмен, нашел широкое распространение при изучении задач турбулентного пограничного слоя на проницаемой поверхности вдув — отсос газа 130, 126],

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

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.

150