Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопросапо рассматриваемой проблеме 10
1.1 Значимость процесса сушки в технологии строительных материалов и изделий 12
1.1.1 Возникновение усадочных деформаций при высушивании изделий 18
1.1.2 Перспективные направления реализации бездефектного процесса сушки сырца керамических изделий 20
1.2 Основные закономерности, проявляющиеся при взаимодействии глинистых минералов с водой 27
1.2.1 Взаимодействие глин с водой 27
1.2.2 Энергетические аспекты процесса сушки 33
1.3 Особенности распределения влаги во влажном капиллярно-пористом материале при его сушке 35
Выводы по главе 1 40
2 Методика экспериментальных исследований 41
2.1 Характеристика сырьевых материалов 41
2.2 Характеристика материалов-посредников 42
2.3 Методика исследований 43
2.3.1 Методика оценки свойств материалов-посредников 44
2.3.2 Методика оценки физико-механических свойств керамических изделий 47
2.3.3 Методика определения массообменного критерия Кирпичева... 47
2.3.4 Методика определения коэффициента диффузии влаги и коэффициента поверхностной влагоотдачи 48
2.3.5 Методика определения удельной изотермической влагоем-кости и потенциалов влагопереноса материалов-посредников и глиняного сырца
3 Повышение эффективности сушильных процессов путем применения контактно-диффузионного способа сушки 52
3.1 Научно-практическое обоснование возможности использования контактно-диффузионной сушки капиллярно-пористых материалов ... 52
3.2 Предварительная оценка эффективности контактно-диффузионного способа сушки 55
Выводы по главе 3 59
4 Обоснование основных характеристик материалов-посредников 60
4.1 Обоснование выбора материалов-посредников для контактно-диффузионного способа сушки 60
4.2 Удельная изотермическая влагоемкость и потенциал влагопереноса как главные критерии при выборе материалов-посредников 75
4.3 Влажностные характеристики материалов-посредников и сырца в динамическом их равновесии при изменении внешних параметров среды 84
Выводы по главе 4
5 Оптимизация режимов сушки керамических изделий при контактно-диффузионном способе 118
5.1 Подбор оптимального режима контакгао-диффузионной сушки 118
5.2 Предложения по расчетам оптимальных режимов контактно-диффузионной сушки на основе математической модели влагопереноса 131
5.3 Результаты опытно-промышленных испытаний контактно-диффузионного способа сушки керамических изделий 143
Выводы по главе 5
Основные выводы 149
- Значимость процесса сушки в технологии строительных материалов и изделий
- Методика оценки свойств материалов-посредников
- Научно-практическое обоснование возможности использования контактно-диффузионной сушки капиллярно-пористых материалов
- Обоснование выбора материалов-посредников для контактно-диффузионного способа сушки
Введение к работе
Актуальность работы.
Несмотря на большое разнообразие строительных и облицовочных материалов, современное строительство невозможно представить без лицевого керамического кирпича, сочетающего в себе такие положительные свойства, как долговечность возводимых из него зданий, их архитектурная выразительность, а также хорошие экологические показатели и комфортность жилья.
Вместе с тем большинство заводов по производству кирпича в нашей стране не могут выпускать лицевой кирпич, так как технология этого изделия ориентирована на сырье высокого качества, которое не во всех регионах имеется. В частности, в Воронежской области наблюдается некоторый дефицит высококачественного глинистого сырья для производства строительной керамики. В связи с этим возникает необходимость изыскания путей создания качественных изделий, в том числе и из высокочувствительного к сушке сырья. Главным, на наш взгляд, здесь является управление технологическим процессом и прежде всего - процессом сушки сырца.
В связи с изложенным, актуальной является проблема повышения эффективности сушильных процессов керамических изделий, которая в данной работе решается за счет использования принципиально нового способа сушки, в котором определяющим является диффузионный перенос влаги из высушиваемого сырца к материалу-посреднику, находящемуся с одной стороны в контакте с сырцом, а с другой - с конвективно движущимся теплоносителем. Такая схема влагопереноса дает возможность более тонко управлять процессами тепло - и массопереноса, позволяет избежать образования недопустимых влажностных градиентов и, соответственно, гарантировать высокое качество готовых изделий. Предлагаемый способ сушки мы назвали контактно-диффузионным.
Управление процессом контактно-диффузионной сушки удается осу-
ществлять, прежде всего, за счет влагоемкостных параметров посредника и параметров конвективной составляющей процесса, совокупность которых предопределяет направление и интенсивность суммарного влагопереноса.
Предлагаемый способ сушки через посредника аналогов в отечественной и мировой практике не имеет.
Цель работы - теоретическое обоснование и практическое подтверждение использования контактно-диффузионного способа сушки для повышения эффективности высушивания строительных материалов с капиллярно-пористой структурой на примере сырца керамического кирпича.
Основные задачи работы:
рассмотреть закономерности, проявляющиеся при высушивании влажных капиллярно-пористых материалов;
углубить представления о причинах возникновения усадочных явлений и деформаций сырца в процессе сушки, установить условия образования трещин;
получить зависимость деформаций усадки от уровня влажности высокочувствительной к сушке глины;
установить общую закономерность влагопереноса при контакте сырца с посредником на основании их влагоемкостных характеристик;
обосновать возможность управления диффузионной сушкой через вла-гоемкостные свойства материала-посредника и параметры окружающей среды;
выявить благоприятные, с точки зрения высокого качества и сокращения продолжительности высушивания, режимы сушки при использовании материалов-посредников из различных материалов;
решить оптимизационную задачу в математическом представлении для отыскания безопасных режимов сушки;
провести опытно-промышленные испытания контактно-диффузионного способа сушки.
Объект исследований - сырец керамического кирпича пластического
формования из глины высокочувствительной к сушке.
Теоретической и методологической основой исследований являются разработки отечественных и зарубежных ученых в области материаловедения, тепло- и массопереноса, технологии керамики. Для решения вопросов, поставленных в диссертационной работе использовались стандартные методы определения физико-механических свойств глиняных образцов и материалов-посредников и нестандартные методики, позволяющие определить значения массообменного критерия Кирпичева, коэффициентов диффузии и поверхностного испарения, оценить величину изотермической влагоемкости и значения потенциалов влагопереноса.
Научная новизна.
Усадочные явления, происходящие при удалении влаги из сырца, могут рассматриваться как структурообразующий фактор с точки зрения получения изделий высокого качества.
Теоретически обоснована и практически подтверждена возможность использования контактно-диффузионного способа сушки для капиллярно-пористых строительных материалов.
Установлены общие закономерности влагопереноса при контактно-диффузионной сушке, которые определяются величинами потенциала переноса влаги и удельной влагоемкости глиняного сырца и материалов-посредников.
Изучена кинетика изменения влажности высушиваемого сырца и посредников при различных соотношениях внешних параметров среды, на основании которой спроектированы варианты практической реализации процесса.
Научно обоснованы оптимальные режимы сушки с применением посредников из различных материалов.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением в исследованиях научно обоснованных методик, вероятностно-статистических методов обработки полученных результатов; использованием аттестованного
лабораторного оборудования; сопоставимостью полученных результатов с ранее выполненными исследованиями других авторов, а также опытными испытаниями и их положительным практическим эффектом.
Практическое значение работы состоит в возможности использования контактно-диффузионного способа сушки для различных строительных материалов с капиллярно-пористой структурой, что позволит обеспечить управление процессом высушивания без превышения критических влажно-стных градиентов, какие имеют место при непосредственном контакте сушильного агента с поверхностью сырца; сократить время сушки, вследствие возможности использования скоростных режимов сушки материала-посредника по сравнению с режимами сушки самого сырца; исключить образование сушильных трещин и тем самым повысить качество готовых изделий.
Внедрение результатов работы.
В промышленных условиях на предприятии по производству керамического кирпича ОАО «ВАСО» в г. Воронеже выпущена опытно-промышленная партия керамического кирпича пластического формования, высушенная контактно-диффузионным способом. Результаты показали преимущества предлагаемого способа сушки по сравнению с традиционно применяемым конвективным.
Результаты экспериментальных исследований, полученные при выполнении диссертационной работы, внедрены в учебный процесс для студентов ВГАСУ специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» при изучении дисциплин «Технология строительной керамики» и «Технология изоляционных строительных материалов и изделий», а также при выполнении УИРС по курсу «Основы научных исследований и технического творчества».
На защиту выносятся:
1. Научное обоснование возможности применения контактно-диффузионного способа сушки для капиллярно-пористых материалов.
Экспериментальные данные влагоемкостных характеристик материалов-посредников и их влияние на направление и интенсивность влагопе-реноса при контакте посредника с сырцом керамических изделий.
Результаты исследования закономерностей влагопереноса при контактно-диффузионной сушке.
4. Практические рекомендации по применению контактно-
диффузионного способа сушки сырца керамических изделий.
Апробация работы.
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях международного, республиканского и др. уровней: «Актуальные проблемы современной науки» (Самара 2003 г., 2004 г., 2005 г.), «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (Тула 2004 г.), «Высокие технологии в экологии» (Воронеж 2005 г., 2006 г.), «Туполевские чтения» (Казань 2005 г.), «Строительные и отделочные материалы» (Новосибирск 2006 г.), на десятых Академических Чтениях РААСН «Достижения, проблемы и перспективные направления развития теории и практики строительного материаловедения» (Казань-Пенза 2006 г.), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского государственного архитектурно-строительного университета (Воронеж 2003-2006 гг.).
Публикации по теме работы. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 12 научных публикациях (статьях), из них 2 - в изданиях из перечня ВАК. По материалам исследований получен патент на изобретение № 2274621 «Способ сушки отформованного кирпича-сырца».
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, изложена на 176 страницах, содержит 111 страниц машинописного текста, 71 рисунок, 29 таблиц, список литературы из 135 наименований и 2 приложения.
Работа выполнена в Воронежском государственном архитектурно-
строительном университете на кафедре строительного материаловедения.
Автор выражает благодарность и глубокую признательность научному консультанту - доктору технических наук, профессору, зав. каф. технологии строительных изделий и конструкций Е.И. Шмитько за помощь в постановке проблемы и при проведении экспериментальных исследований.
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО РАССМАТРИВАЕМОЙ ПРОБЛЕМЕ
В настоящее время в связи с развитием индивидуального жилищного строительства все большим спросом пользуются мелкоштучные стеновые материалы. Эта большая группа строительных материалов, которая включает изделия из ячеистого и поризованного бетонов, керамический и силикатный кирпич, деревянные конструкции и др.
В России, как известно, более 80 % от общего объема производства стеновых материалов приходится на штучные изделия. Даже в годы наибольшего развития крупнопанельного строительства большая часть зданий в нашей стране возводилась из мелкоштучных стеновых материалов. В последнее время в строительстве все чаще используется комбинированное решение стен зданий, наружная часть которых выполняется из мелкоштучных изделий высокого качества и архитектурной выразительности, чаще всего -лицевого кирпича [1...3].
Поэтому перед предприятиями-производителями кирпича остро стоит проблема повышения качества, увеличения объемов производства и расширения ассортимента выпускаемой продукции.
Вместе с тем большинство заводов по производству керамического кирпича в нашей стране не могут выпускать лицевой кирпич, так как технология этого изделия ориентирована на сырье высокого качества, которое не во всех регионах имеется. В частности, в Воронежской области наблюдается некоторый дефицит высококачественного глинистого сырья для производства строительной керамики, в связи с этим возникает необходимость изыскания путей создания качественных изделий, в том числе и из низкосортного высокочувствительного к сушке сырья. Но на наш взгляд проблема здесь все-таки не в том, что в большинстве регионов наблюдается нехватка высококачественного глинистого сырья, а в том, что мы пока не умеем достаточно эффективно управлять технологическим процессом, прежде всего - процессом сушки сырца.
На керамических предприятиях, работающих по технологии пластического формования, процесс сушки занимает центральное место, как по продолжительности, так и по его влиянию на качество готовой продукции и на ее себестоимость.
Известно [4...7], что препятствием к интенсивной сушке изделий является их растрескивание. Образование трещин происходит в результате объемно-напряженного состояния, которое возникает из-за неравномерного удаления влаги из различных зон сырца, возникновения влажностных градиентов. Это обусловлено относительно быстрым испарением влаги с поверхности сырца при существующих конвективных способах сушки. Если существующий влажностный градиент превышает предел, называемый критическим перепадом влагосодержания или критическим градиентом влажности [8... 13], то кирпич-сырец растрескивается. Поэтому, условия сушки должны быть такими, при которых образующийся перепад влагосодержания не превышает критического значения. Наилучшие условия сушки создаются при одинаковой скорости внешней и внутренней диффузии влаги.
В связи с изложенным, актуальной является проблема повышения эффективности сушильных процессов керамических изделий, которая в данной работе решается за счет использования принципиально нового способа сушки, в котором определяющим является диффузионный перенос влаги от поверхности высушиваемого сырца к посреднику.
Значимость процесса сушки в технологии строительных материалов и изделий
Сушка является наиболее распространенным технологическим переделом; нет такой отрасли промышленности, где бы этот процесс не имел места. Достаточно указать, что на сушку тратится более 12 % топлива, добываемого в нашей стране [8], чтобы оценить энергоемкость этого процесса.
Процесс сушки является одним из важнейших и ответственных моментов в технологии производства строительных материалов и изделий. В производстве керамического кирпича этот процесс оказывает решающее влияние на качество готовой продукции, так как именно в этом периоде закладывается структурный фундамент для получения кирпича высокого качества. Трещины, появляющиеся при сушке, обуславливают брак изделий, неравномерные деформации даже при отсутствии трещин также ведут к браку изделий или к снижению их сортности.
В технологии строительных материалов существует и применяется множество способов сушки [14...17, 26, 27]: конвективные, когда высушиваемый материал омывается потоком предварительно нагретого сушильного агента; радиационные, где высушивание происходит под воздействием инфракрасного излучения [18]; контактные [19] где высушиваемый материал находится в непосредственном контакте с нагреваемой поверхностью; высокочастотные, когда влага удаляется под воздействием электрического поля высокой частоты [8,20...25].
Наиболее широкое промышленное применение получил конвективный способ сушки влажных материалов при их подготовке к переработке, использованию или хранению [28...30]. При конвективной сушке теплоноситель, в качестве которого могут использоваться горячий воздух, топочные газы и др. конвективно движется в аппарате, непосредственно соприкасаясь с высушиваемым материалом. При этом происходят тепломассообменные процессы между сушильным агентом и влагой сырца. Давление паров жидкости на поверхности сырца с повышением температуры возрастает, и пары диффундируют в поток сушильного агента. Возникающий при этом градиент концентрации влаги в материале заставляет ее перемещаться из глубинных слоев к поверхности со скоростью, зависящей от характера связи влаги с материалом и от внешних параметров среды (теплоносителя).
При определенном сочетании температуры - t, влажности - ф и скорости движения - и сушильного агента, может быть достигнут тот или иной режим конвективной сушки. Как правило, если теплоноситель имеет высокую температуру, низкую влажность и относительно высокую скорость движения являющиеся предельно допустимыми для высушиваемого материала, то режим сушки является жестким. В этом случае возможно растрескивание высушиваемого материала в результате возникновения недопустимых градиентов влажности в объеме сырца.
При более низкой или плавно возрастающей в течение сушки температуре теплоносителя, повышенной его влажности и невысокой скорости движения создаются более благоприятные, с точки зрения исключения появления критических влажностных градиентов и сохранения целостности материала, условия сушки, которые называются мягкими.
В некоторых случаях режим сушки может быть комбинированным: на начальном этапе высушивания, когда происходит удаление свободной и основной части связанной воды, применяется мягкий режим, после чего сырец высушивают в жестком режиме.
В связи с вышесказанным остановимся на рассмотрении существующих вариантов конвективной сушки, применяемых в технологии производства керамического кирпича и обеспечивающих высушивание сырца в заданном режиме.
Основной схемой процесса конвективной сушки является схема, в которой воздух - сушильный агент (для простоты будем считать, что это воздух) нагревается только в подогревателе (калорифере) перед сушилкой и однократно проходит через сушилку. Принцип устройства такой сушилки
В таком варианте сушки, при направлении движения теплоносителя в сушильной камере, совпадающим с направлением движения влажных изделий (пунктирная стрелка на рисунке 1.1), создаются жесткие условия. Это объясняется тем, что вся теплота, необходимая для испарения влаги из материала, подводится однократно и воздух нагревается сразу до высокой температуры tb являющейся обычно предельно допустимой для высушиваемого материала. При нагревании воздуха резко падает его относительная влажность (фі « фо), что является причиной образования высоких влажностных градиентов между поверхностными и центральными слоями сырца и усугубляет процесс.
В том случае, когда изделия двигаются в направлении, противоположном направлению движения сушильного агента (штрихпунктирная стрелка на рисунке 1.1), режим сушки несколько смягчается. При входе в сушильную камеру сырец сталкивается с теплоносителем, имеющим более низкую температуру в результате того, что часть теплоты уже расходована на высушивание изделий, выходящих из сушилки, и более высокую относительную влажность ф из-за насыщения сушильного агента парами влаги удаленной из сырца.
Методика оценки свойств материалов-посредников
В первом опыте из глины формовался образец-сырец размерами 5x2x1,5 см и укладывался сверху на посредник, в качестве которого в разных опытах использовались: огнеупорный пеношамотный легковес, огнеупорный корундовый легковес, теплопор, цементо-перлит состава Ц:Пер = 1:2 и Ц:Пер = 1:2,5, цементный камень с различными значениями В/Ц (0,3; 0,4; 0,47) и цементно-песчаный раствор (Ц:П = 1:3 и Ц:П = 1:4). Затем система, состоящая из двух материалов, влагоизолировалась от внешней среды полиэтиленовой пленкой и, таким образом, в процессе опыта (см. рисунок 4.17 а) мы смогли непосредственно оценить количество влаги, которое может поглотить посредник из влажного глиняного сырца. При этом следует учитывать, что в начале опыта незначительное количество влаги будет испаряться с поверхности сырца до тех пор, пока под полиэтиленовой пленкой не установится равновесная относительная влажность.
Во втором опыте (рисунок 4.17 б) отформованный глиняный сырец вводился в тесный контакт с посредником. Затем система «сырец-посредник» помещалась в эксикатор с влажностью среды ф = 80 %. Эксикатор плотно закрывался крышкой и в процессе всего эксперимента находился в изотермических условиях при температуре равной 20 С. При такой схеме сырец находился в соприкосновении с посредником, но в то же время контактировал с внешней средой.
Условия проведения третей серии экспериментов представлены на рисунке 4.17 в. Здесь глиняный сырец размером 5x5x5 см также находился в контакте с посредником, но был изолирован от окружающей среды при помощи влагонепроницаемого, теплоизолирующего колпака. Система «сырец-посредник» в процессе опыта находилась в условиях открытого воздуха при температуре 20 С, относительной влажности ф = 80 % и была подвержена естественной конвекции (и = 0,01 м/с).
Заключительная четвертая серия экспериментов проводилась следующим образом. Из глины формовались образцы-сырцы, которые укладывались сверху на посредники, накрывались специальным колпаком, как показано на рисунке 4.17 г) и помещались в сушильный шкаф. В сушильном шкафу создавалась повышенная температура 50 С и пониженная относительная влажность 45 %, характерные для конвективной сушки керамических изделий изготовленных на основе высокочувствительных глин. При помощи встроенного вентилятора нагретый воздух приводился в движение со скоростью и = 0,37 м/с.
Таким образом, моделировались четыре случая влагообмена между сырцом и посредником: в закрытой системе (рисунок 4.17 а), которая не имела внешнего влагообмена с окружающей средой, в открытой системе (рисунок 4.17 б), в которой происходил обмен влагой с внешней средой и в двух частично закрытых системах (по отношению к сырцу), в которых сырец не имел возможности непосредственно участвовать в процессе влагообмена с окружающей средой. При этом одна частично закрытая система находилась в естественных условиях (рисунок 4.17 в), другая в искусственно созданных с повышенной температурой, пониженной влажностью и принудительным движением сушильного агента (рисунок 4.17 г).
Образцы периодически вынимались из эксикаторов и взвешивались с целью определения их влагосодержания. Эксперимент считался законченным, когда последнее взвешивание и сырца и посредника по своему результату не отличалось от предыдущего более чем на 0,1 г. В этом случае считалось, что в системе достигнуто влажностное равновесие. Полученные результаты влагопереноса в закрытой и открытой системах «сырец-посредник», представленные в графическом виде на рисунках 4.18...4.27, требуют некоторых пояснений. Как видим, влажность посредника во всех рассмотренных случаях всегда превышает равновесную, что подтверждает принятое положение о потенциале влагопереноса и определяющем значении влагоемкостной характеристики. При этом разность между величиной равновесной влажности данного посредника и его максимальной сорбционной влажностью выявляет то количество влаги, которое он способен поглотить из сырца. посредника выступает пеношамотный легковес, сырец способен потерять не 90 большое количество влаги (см. рисунок 4.18 а). При этом рассчитанный материальный баланс, который представлен в таблице 4.8, показывает, что лишь малое количество влаги (30,8 %) от общего количества, потерянного сырцом, переходит к посреднику, в связи с низким показателем удельной изотермической влагоемкости пеношамотного легковеса. Значительная часть влаги в закрытой системе поглощена внешней (по отношению к образцам) средой, что, в общем-то, ведет к насыщению внутреннего пространства влагой, в результате чего в скором времени и устанавливается относительная влажность среды (р 100 %. В свою очередь это является причиной скорого прекращения высыхания сырца, хотя посредник еще некоторое время увлажняется за счет высокой относительной влажности. В открытой системе влага со свободных поверхностей сырца будет испаряться интенсивней, а процесс влагоотдачи будет происходить до тех пор, пока парциальное давление паров влаги на поверхности сырца не сравняется с парциальным давлением паров в окружающей среде. При этом лишь небольшое количество влаги из сырца переходит непосредственно в объем посредника, о чем свидетельствует незначительное повышение его влажности по сравнению с сорбционным увлажнением (см. рисунок 4.18 б). Следует учитывать, что значительная часть влаги (98,4 %) из сырца испаряется в паровоздушную смесь, а затем абсорбируется раствором H2SO4, в результате чего понижается его концентрация. Однако это количество влаги настолько мало по сравнению с объемом самого раствора в эксикаторе, что влажность среды практически не меняется и ее можно принять постоянной.
Научно-практическое обоснование возможности использования контактно-диффузионной сушки капиллярно-пористых материалов
Таким образом, промышленное испытание выявило действительное преимущество контактно-диффузионного способа сушки перед конвективным. На основании полученных результатов было установлено: 1) Применение контактно-диффузионного способа обеспечивает протекание процесса сушки без превышения критических влажностных градиентов, какие имеют место при непосредственном контакте сушильного агента с поверхностью сырца (при конвективном способе сушки); 2) Исключается образование сушильных трещин на кирпиче-сырце, что в итоге позволяет существенно повысить качество готовой продукции; 3) В результате реализации усадочных явлений, которые при контактно-диффузионном высушивании происходят более полно и равномерно, получена более плотная структура изделия, что отражается показателями предела прочности при сжатии и водопоглощения. Выводы по главе 5 1. Установлено, что при конвективной сушке изделий, изготовленных из высокочувствительных глин, получить качественный лицевой кирпич в короткие сроки практически невозможно. Интенсификация процесса сопровождается образованием недопустимых влажностных градиентов и ведет к растрескиванию сырца. Оптимальный режим конвективной сушки может быть получен при температуре теплоносителя t = 20...40 С, его относительной влажности ф = 60...80 % и скорости движения D = 0,01...0,37 м/с, при котором критическая влажность сырца достигается лишь к 90 часам. 2. Контактно-диффузионная сушка позволяет не только получить бездефектный лицевой кирпич, но и значительно сократить длительность процесса, так как сушку, в случае отсутствия непосредственного контакта теплоносителя с сырцом, можно осуществлять в более жестком режиме. 3. Для жестких режимов сушки, где в качестве материала-посредника применяется пеношамотный легковес, оптимальными будут следующие параметры теплоносителя: t = 60 С, ф = 30 % и и = 0,37 м/с. При этих условиях влажность посредника поддерживается на уровне 1,05 %, что позволяет достичь критической влажности сырца к 70 часам. Для мягких режимов наиболее благоприятными с точки зрения сокращения времени высушивания будет t = 80 С, ф = 15 % и и = 0,37 м/с. В этом случае влажность посредника из цементного камня устанавливается на границе 9 %, что обеспечивает достижение безопасной критической влажности сырца через 80 часов высушивания. 4. Разработана математическая модель контактно-диффузионного способа сушки глиняного кирпича, которая позволяет обосновано выбирать безопасные режимы. Полученные в работе значения коэффициентов диффузии Д поверхностного испарения /?, удельной изотермической влагоемкости Ст служат входными (исходными) данными для решения этой модели. 5. Опытно-промышленные испытания, проведенные на кирпичном заводе ОАО «ВАШ», по высушиванию керамического кирпича пластического формования размером 250x120x88 мм показали эффективность контактно-диффузионной сушки по сравнению с конвективной. В частности, было установлено, что применение диффузионного способа высушивания позволяет исключить образование сушильных трещин на кирпиче-сырце, что в итоге существенно повышает качество готовой продукции. 1. Научно обоснована возможность применения контактно диффузионного способа сушки керамических изделий, в котором основной перенос влаги осуществляется путем диффузии из высушиваемого сырца к материалу-посреднику. 2. Доказано, что контактно-диффузионный способ сушки, более эффективен, чем конвективный. При этом способе сушки практически отсутствует поверхностное испарение влаги из сырца и не образуются недопустимые влажностные градиенты, приводящие к растрескиванию, воздушная усадка происходит равномерно по всему объему изделия и может рассматриваться как структурообразующий фактор с точки зрения получения наиболее плотной и, соответственно, прочной структуры сырца. 3. Предложены критерии для выбора материалов-посредников; наиболее объективными из которых являются потенциал влагопереноса в, обеспечивающий заданную скорость сушки, и удельная изотермическая влагоем-кость Ст характеризующая количество поглощенной материалом-посредником влаги. Косвенными характеристиками посредников могут служить показатели сорбционного увлажнения, капиллярного подсоса, водопо-глощения. 4. Доказано, что управление процессом контактно-диффузионной сушки, с целью получения качественных изделий, возможно осуществлять за счет варьирования влагоемкостными характеристиками материалов-посредников и параметров сушильного агента, совокупность которых определяет направление и интенсивность влагопереноса. 5. Доказано, что материалы-посредники из пеношамотного и корундового легковесов, а также из ячеистого бетона - теплопора обеспечивают жесткие (ускоренные) режимы сушки, но сами требуют мягких параметров высушивания. Цементный камень, цементо-перлит и цементно-песчаный раствор высушивают глиняный сырец в мягком (замедленном) режиме, но требуют для себя жестких параметров сушильного агента. Их применение наиболее эффективно для крупногабаритных изделий или изделий сложной конфигурации. 6. Установлены безопасные с точки зрения риска трещинообразования режимы контактно-диффузионной сушки. Для жестких режимов оптимальными будут параметры теплоносителя с t = 60...80 С, ф = 15...30 % и г» = 0,37 м/с. При этих режимах критическая влажность сырца достигается к 50...80 часам, что способствует уменьшению продолжительности процесса по сравнению с конвективной сушкой на 10...40 часов. Для мягких режимов наиболее благоприятными с точки зрения снижения риска трещинообразования будут температура сушильного агента 80 С, относительная влажность 15 % и скорость движения 0,37 м/с. В этом случае сырец высыхает до критической влажности за 80 часов, что позволяет сократить время сушки в сравнении с конвективным способом на 10 часов.
Обоснование выбора материалов-посредников для контактно-диффузионного способа сушки
При использовании остальных посредников (цементный камень, цемен-то-перлит, цементно-песчаный раствор) сырец высыхает значительно медленнее (что также не противоречит нашим предварительным заключениям), поэтому эти материалы целесообразнее применять для мягких режимов сушки для крупногабаритных изделий или изделий сложной конфигурации.
Полученные результаты характеризуют лишь сушильные свойства материалов-посредников, но они никак не могут утверждать опасность или безопасность того или иного режима. В принципе мы увидели, что каждый из рассмотренных материалов может выступать в качестве посредника, но при этом следует учитывать, что чем ниже влажность посредника, соответствующая 10 %-ной влажности сырца, тем осторожнее следует вести процесс. Для определения допустимых скоростей сушки следует поставить специальные эксперименты. Выводы по главе 4 1. Проведенные в этой главе исследования подтвердили наши предпосылки и обосновано доказали правомерность использования выбранных материалов для контактно-диффузионной сушки в качестве посредников. 2. Наиболее объективным критерием выбора материала-посредника является уровень поверхностной избыточной энергии, который определяется, в первую очередь, потенциалом влагопереноса в данного материала. 3. Установлено, что при тесном контакте посредника и сырца, находящихся в среде с одинаковой относительной влажностью, влага будет перетекать из тела с большим потенциалом к телу с меньшим потенциалом, т.е. из сырца к посреднику, что позволит обеспечить контактно-диффузионную сушку сырца. 4. Косвенными характеристиками потенциала влагопереноса могут служить показатели сорбционного увлажнения материалов, капиллярного подсоса, водопоглощения. 5. Интенсивность диффузионного высушивания будет зависеть не только от поглощающей способности посредника, характеризующейся в первую очередь удельной изотермической влагоемкостью, но и от того с какой легкостью этот посредник способен отдавать влагу в окружающую среду и какие установлены внешние параметры сушильного агента. 6. Проведенные исследования позволили выявить общие закономерности влагопереноса между сырцом и материалом-посредником при их соприкосновении, наметили наиболее благоприятные соотношения влагоемкостных характеристик посредников и параметров окружающей среды. 7. Из принятого для анализа ряда материалов-посредников процессу ускоренной сушки будут способствовать огнеупорная керамика и теплопор, которые показывают максимальную разность потенциалов влагопереноса от носительно глиняного сырца, что обеспечит протекание процесса сушки в же стком режиме. При использовании цементного камня, цементного раствора и цементо-перлита интенсивность контактно-диффузионной сушки будет сни жаться, поэтому эти материалы-посредники рационально использовать для мягких режимов сушки крупногабаритных изделий и изделий сложной кон фигурации. 8. Наиболее перспективными для дальнейших исследований из каждой группы посредников представляются пеношамотныи легковес и цементный камень, так как они могут обеспечить управление процессом диффузионного высушивания глиняного сырца в наиболее широком диапазоне влажностей. 9. Безопасные режимы контактно-диффузионной сушки будут установлены в дальнейшем в ходе специальных исследований.
Результаты предыдущей главы диссертации позволяют нам вполне обосновано гарантировать получение критической влажности глиняного сырца в зависимости от вида посредника и его влажностных характеристик, определяемых параметрами внешней среды. В частности, было установлено, что при низких относительных влажностях сушильного агента требуется меньше времени, чтобы высушить сырец, однако при этом значительно повышается риск трещинообразования. Поэтому важным этапом в наших исследованиях является подбор оптимального режима контактно-диффузионной сушки с учетом влажностных деформаций.
Оптимальным режимом сушки будем считать такой режим, который обеспечивает минимальную продолжительность процесса с наименьшими затратами энергии и при котором на поверхности сырца не образуются усадочные трещины. Оценку напряженного состояния будем вести по критерию трещинообразования - массообменному критерию Кирпичева (Ki).
На первом этапе нами был определен оптимальный режим конвективной сушки. Для этого из высокочувствительной глины Семилукского месторождения формовались образцы размерами 4x9x16 см, которые затем помещались в сушильный шкаф на металлические рамки (см. рисунок 5.1). Выбранная схема садки, представленная на рисунке 5.1, имитирует процесс сушки керамического кирпича в сушилках камерного типа. Это сделано с учетом того, что практическое внедрение предлагаемого способа высушивания будет осуществлено на предприятии, где используются именно эти тепловые агрегаты. И хотя размеры экспериментальных образцов несколько меньше размеров реальных керамических кирпичей, полученные данные позволят прогнозировать закономерности влагопереноса.
