книги / Тепломассообменные процессы в производстве гипсовых и гипсобетонных строительных материалов

ускорять 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

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

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

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

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:

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

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»

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

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