Выдержки из конспекта лекций «Глинистое сырье, его свойства и методы анализа, добыча и переработка глинистого сырья, формовка сырца, сушка сырца» Кондратенко В. А.
Технология производства керамического кирпича выделяет сушку как одну из важных частей производственного процесса. На этом участке происходит удаление из сформованного изделия почти всей влаги: как полученной с сырьем, так и добавленной при формовке.
Сушка сырца приводит к удалению в среднем 85% влажности, остаточные 15% удаляются при обжиге.
Завод по производству керамического кирпича расходует на частичное удаление влаги во время сушки значительные средства (если сравнивать со всеми затратами на процесс обжига изделий). Расход условного топлива на сушку 1000 штук кирпича составляет (в среднем) 60 – 100 кг.
Однако, при производстве керамического кирпича пластического формования, особенно при изготовлении изделий из массы с формовочной влажностью (без вакуумирования или подогрева шихты), а также без использования отощителей, сложно переоценить роль сушки в общей технологической линии.
Главной задачей сушки является не столько удаление влажности из сформованного кирпича, сколько сохранение формы изделия при удалении влаги.
Для этого должны быть созданы такие условия сушки, при которых удаление влаги из сырца строго соответствовало бы усадочным свойствам материала.
Мероприятия по снижению величины усадки керамических изделий за счет снижения формовочной влажности или подбора состава шихты очень важны для процесса сушки.
Однако сушильщик чаще всего имеет дело с уже заданной величиной усадки сырья для производства керамического кирпича. Поэтому приходится подбирать режим сушки для изделий из массы с определённой характеристикой, а не характеристику сырья по существующему режиму сушки.
Основная задача технолога во время сушки состоит в том, чтобы обеспечить равномерное высыхание без резких колебаний содержания влаги как на поверхности, так и по толщине кирпича.
Технология производства керамического кирпича работает над созданием оптимальных условий сушки. Идеально, когда изделие подвергается сушке в одинаковой среде с такой скоростью, при которой количество влаги, удаляемой с поверхности равно количеству влаги, одновременно поступающей на нее из внутренних слоев кирпича.
Создание одинаковых условий сушки для каждой отдельной точки изделия с заданной скоростью переходов – практически невыполнимая задача для технолога.
Особенно это сложно воплотить в жизнь при выпуске керамических изделий сложной формы, которые имеют разную толщину стенок (пустотелый кирпич, керамические блоки, черепица).
Поэтому технология производства керамического кирпича уделяет повышенное внимание увеличению внутреннего сцепления частиц глиняной массы между собой и повышению механической прочности сырца. Это позволяет уменьшить образование трещин на изделии во время его сушки.
Если трудно создать одинаковую сушку для каждой точки изделия, то значительно труднее обеспечить одинаковые условия сушки для всех изделий, находящихся в сушильной камере или туннеле.
Получение более равномерной сушки изделия в поперечном сечении по длине камеры и туннеля сушилки зависит от их конструкции, от характера движения сушильного агента и других условий, которые подробно будут рассмотрены ниже.
Сушка сырца связана не только с процессом удаления влаги из изделия вообще, и не всей влаги, содержащейся в изделии, а определённого её количества.
Становится очевидным связь сушки с предыдущими частями производства – обработкой массы и формованием изделий, на которых масса изделия увлажняется, и с последующим этапом производства – обжигом, на котором заканчивается полное удаление влаги.
Так, допустим, что формовочная влажность изделия по каким-либо причинам оказалась 23% (вместо заданной 20%). Мы знаем, что влажность кирпича пластического формования, поступающего на обжиг, не должна быть 3%. Поэтому количество влаги, которая подлежит удалению в процессе сушки, будет 20% вместо расчетных 17%. Это скажется на производительности сушильного устройства и ряде других показателей его работы.
Необходимость проведения сушки в срок, максимально приближенный ко времени, определенному в лабораторных условиях, без нарушения форм, внешнего вида и механической прочности изделия, заставляет строго следить за соблюдением не только установленного режима сушки, но и режима обработки массы и формования изделий.
Нередко из сушки в обжиг поступают изделия с искривлённой поверхностью, покрытые сетью трещин, и эти дефекты относят к сушильному браку.
Иногда действительно брак обусловливается нарушением установленного режима сушки, но очень часто этот брак является результатом нарушения рецептуры сырья для производства керамического кирпича при его дозировке, нарушением режима его обработки и формования изделий.
Такой брак, выявленный после сушки, легко устраним, если указанные переделы производства поддаются контролю.
Дозированная подача воды для шихты различной влажности
На заводе по производству керамического кирпича есть ряд процессов, где существующие методы контроля явно недостаточны. В частности, в производстве блоков и кирпича подача воды или пара в глиномешалку контролируется только «заливщицей», которая выполняет эту операцию «на глаз».
Известно, что у разных заливщиц разный опыт, и даже непрерывный контроль работы одной и той же работницы показывает, что средняя влажность массы колеблется от 17 до 22%. Более того, колебание влажности отдельных проб, взятых из одного и того же сырца, составляет до 3%.
При подаче в пресс сырья для производства керамического кирпича, которое имеет различную влажность, наблюдается различная скорость бруса на выходе.
Так, если в головке и мундштуке пресса проходит масса с меньшей влажностью, чем в цилиндре, то наблюдается снижение скорости прохождения бруса. Если, наоборот, с большей влажностью, то скорость выхода бруса увеличивается.
Производительность пресса при этом скачкообразно меняется. Изделие, которое сформовано в таких условиях имеет различное содержание влаги по сечению. Это влечет за собой разную усадку отдельных участков продукта и образование трещин во время сушки.
В лучшем случае происходит снижение механической прочности кирпича пластического формования после его сушки и обжига в печи.
Становится очевидным, что на заводе по производству керамического кирпича наряду с автоматической дозировкой компонентов шихты при поступлении в глиноперерабатывающую машину, необходимо обеспечить автоматическое дозирование количества воды для сырьевой массы различной влажности.
Одним из доступных методов контроля постоянства влажности бруса при формовании сырца в технологии производства керамического кирпича является контроль нагрузки на электродвигатель мешалки и шнекового пресса.
При этом основным критерием есть предельная и номинальная (рабочая) нагрузка по току на электродвигатель. С достаточной степенью точности предельная нагрузка по току на электродвигатель может быть установлена по следующей формуле:
Jmax = 2 × N,
где:
Jmax – предельное значение тока в Амперах на электродвигатель;
N – мощность электродвигателя, кВт.
Номинальная (рабочая) нагрузка (в Амперах) на электродвигатель должна составлять 0,8 от предельной нагрузки.
Для контроля влажности на амперметрах несмывающейся краской наносят отметки предельной и номинальной нагрузок на электродвигатель. На трубе подачи воды в пресс устанавливают два крана: верхний для регулировки объёма подаваемой воды (игольчатый кран) и нижний (пробковый) для отключения и включения воды при остановках и запусках пресса.
Практический опыт в сушке сырца показывает, что самим узким местом в этом процессе является начальный период.
Здесь, наряду с интенсивной влагоотдачей с поверхности сформованного керамического изделия происходит процесс выравнивания влажности по сечению и угасание деформаций при формовке. Что является завершающим этапом процесса формовки.
Краткие сведения об агенте сушки и теплоносителе
Технология производства керамического кирпича называет газообразную среду, которая при соприкосновении с высушиваемым материалов передаёт ему тепло и одновременно воспринимает пары удаляемой из него влаги, агентом сушки.
В качестве агента сушки чаще всего используют:
- «чистый» воздух, который нагревают в специальных калориферах или отбирают из зон охлаждения обжигательных печей;
- дымовые газы, которые получают при сжигании топлива в специальных топках или отбирают от обжигательных печей, котлов и других источников тепла;
- смесь «чистого» воздуха и дымовых газов.
Роль дымовых газов или «чистого» воздуха (как агента) в процессе сушки сырца состоит в том, чтобы внести тепло в камеру или туннель, передать его на испарение влаги из изделия, поглотить пары воды, образовавшиеся в результате испарения, и унести их из сушилок.
Однако не всё тепло, поступающее с агентом сушки, используется для испарения влаги. Значительная часть его или теряется с отходящими газами, или расходуется на нагревание самих изделий, на нагревание стен и сводов сушил, сушильных рамок, вагонеток и т.д.
Это тепло остаётся в сушилках и затем безвозвратно теряется (нагрев стен, сводов, вагонеток, рамок) или поступает в обжигательные печи вместе с высушенными изделиями.
На заводе по производству керамического кирпича тепло в сушилки может поступать не только с воздухом или дымовыми газами, непосредственно соприкасающимися с изделиями, но и с горячей водой, газами или паром, подаваемыми в камеру или туннель изолированно по трубам.
В этом случае вода, газ или пар передают тепло изделиям или сушильному агенту не соприкосновением с ними, а через стенки труб или стенки специальных устройств – калориферов. В отличие от сушильного агента пар, вода или газ при этом не поглощают паров воды испаряемой влаги и не уносят их из сушилки.
Такая среда (вода, газ, пар), с помощью которой в сушилки вносится тепло, но которая не соприкасается с высушенными изделиями и не участвует в удалении образовавшихся паров воды, называется теплоносителем.
Роль агента сушки очень важна для организации процесса удаления влаги из сырца. Поэтому необходимо знать все его характеристики до поступления на сушку, в течение всего процесса сушки и при удалении из сушилок или калорифера.
Основные характеристики агента сушки
Способность воздуха или дымовых газов участвовать в процессе сушки характеризуется их температурой и относительной влажностью.
Относительная влажность газа, или степень его насыщения, это отношение массы водяного пара, которая содержится в 1 м3 влажного воздуха, к предельной массе водяного пара при тех же условиях в 1 м3 газа. Она измеряется в долях единицы или в процентах.
Относительную влажность газа измеряют прибором, называемым психрометром.
Значение температуры и относительной влажности газа позволяет определить такие его характеристики, как теплосодержание, влагосодержание, и парциальное давление паров воды, содержащихся в нём.
Теплосодержание -это количество тепла, которое необходимо для нагрева тела (газа, воды, массы изделия) от 0°С до требуемой температуры. Теплосодержание зависит от теплоёмкости тела и его температуры. Выражается оно в килокалориях на 1 кг веса изделия (ккал/кг).
При сушке кирпича пластического формования значение имеет главным образом теплосодержание сухих и влажных газов.
Теплосодержание сухого газа, состоящего из «чистого» воздуха, мало отличается от теплосодержания дымовых газов (при той же температуре), так как разница в их теплоёмкости незначительна.
Так, количество тепла, необходимое для подогрева на 1°С 1 кг воздуха (теплоёмкость) при температуре 100°С составляет 0,241 ккал, а для нагрева 1 кг дымовых газов – необходимо около 0,220 ккал. Поэтому, если в сушку подаются вместо воздуха дымовые газы, то теплосодержание их обычно считают также одинаковыми.
Но в практике для сушки сырца сухой газ почти не применяется: в нём всегда содержатся пары воды, теплоёмкость которых значительно больше, чем теплоёмкость сухого газа.
Теплоёмкость паров воды при этой же температуре (100°С, прим. автора) 0,451 ккал/кг. Поэтому, чем больше в газе содержится паров воды, т.е. чем выше его относительная влажность, тем больше в нём содержится тепла (при одинаковой температуре).
При охлаждении в сушилке 1 кг влажного и сухого воздуха на 1°С количество тепла, выделенного на испарение влаги, будет различным: влажный воздух передаёт тепла больше, чем сухой.
Воздух или дымовые газы в сушилке не только передают тепло на испарение влаги, но и должны удалять пары этой влаги в атмосферу. Всё сказанное говорит о важности и необходимости контроля влагосодержания воздуха в процессе сушки.
Влагосодержание газа определяется весом (в граммах) водяного пара, который содержится в 1 кг сухого газа или (г/кг).
Способность сухого газа поглощать и удерживать пары воды зависит от температуры: с увеличением температуры влагосодержание может быть увеличено. Это говорит о том, что при одинаковом влагосодержании относительная влажность газа будет снижаться с ростом температуры и увеличиваться при охлаждении.
Так, например, если влагосодержание 1 кг сухого воздуха при температуре 120°С было 33 г, то это соответствует относительной влажности 5%. Этот же воздух, охлаждённый до 35°С, будет иметь те же 33 г воды, но относительная влажность его будет уже 90%.
Если в сушку ввести воздух с такой характеристикой, то охлаждать его ниже 35°С практически нельзя, потому что он не только не поглотит испаряемой влаги, но выделит часть содержащейся в нём влаги.
Из этого примера видно, что воздух, поступающий в сушилку, хотя и несёт тепло для испарения содержащейся в материале влаги, но сушка не будет происходить, т.к. испарённая влага не может быть удалена из сушилки этим количеством воздуха: произойдёт конденсация (выпадение) влаги на поверхность изделий.
Влажный газ – это смесь водяного пара и сухого газа. Общее их давление считается равным барометрическому. Это значит, что давление водяного пара (парциальное), которое находится в смеси с воздухом, всегда ниже, чем барометрическое (атмосферное) давление.
Однако это справедливо только при температуре влажного газа ниже 100°С. Если температура достигает 100°С (температура кипения воды), то давление пара в воздушной смеси остаётся постоянным и равным барометрическому.
Пар, который находится в равновесии с водой, называют насыщенным.
При нормальном процессе сушки влажный газ может быть насыщенным только при удалении его из сушилки. При входе газа в сушилку он имеет наименьшую относительную влажность, а при выходе – наибольшую.
Парциальное давление водяного пара определяется на основании относительной влажности воздушной смеси.
Если мы знаем температуру и относительную влажность газа, мы можем вычислить парциальное давление водяного пара или P, кг/м2 .
Р = (Рн×φ)/100,
где:
PH– парциальное давление насыщенного водяного пара при данной температуре, кг/м2;
φ – относительная влажность, %.
Технология производства керамического кирпича уверяет, что знание величин парциального давления пара во влажном газе и на поверхности изделия во время сушки имеет значение, так как их разность определяет интенсивность испарения влаги, т.е. интенсивность удаления влаги с поверхности, а иногда и непосредственно из массы изделия.
Таким образом, для того чтобы происходила сушка сырца, должна быть обязательно разница парциальных давлений пара на поверхности изделия и в окружающей изделие газовой среде: чем больше эта разница, тем интенсивнее испарение.
Парциальное давление водяных паров во влажном газе при полном его насыщении равно давлению пара, находящегося в равновесии с водой, т.е. в этом случае вода может быть и в газообразном состоянии (пар) и в жидком. Это состояние паров воды называется точкой росы.
Точка росы характеризуется температурой, до которой нужно охладить влажный газ, чтобы он стал насыщенным с влагосодержанием, соответствующим полному насыщению сухого газа водяными парами (относительная влажность 100%).
Переход воды из газообразного состояния в жидкое (конденсация) всегда сопровождается выделением тепла. Обращение воды из жидкого состояния в газообразное (испарение) – затратой его.
Тепло, расходуемое на преобразование воды в пар, является скрытой теплотой парообразования. Количество тепла, которое затрачивается для превращения 1 кг воды в пар или выделяется при превращении такого же количества пара в воду (при 0°С и обычном атмосферном давлении), всегда одинаково и равняется 595 ккал.
Знание температуры и относительной влажности газа, участвующего в процессе сушки, даёт возможность определять его тепло- и влагосодержание, а также знать парциальное давление паров воды, которые содержатся в нём.
Вес 1 м3 сухого газа (в кг) называется удельным весом, а объём 1 кг газа (в м3) – удельным объёмом. Удельный вес и удельный объём газа зависят от температуры: с повышением температуры удельный вес газа уменьшается, а удельный объём увеличивается.
Удельный вес воздуха Yв средней влажности:
Yв = 1,3 – 0,004 × t
удельный вес дымовых газов Yг среднего состава:
Yг = 1,62 – 0,0034 × t
Здесь t – температура воздуха (газа), при которой определяется удельный вес.
С увеличением содержания водяных паров удельный вес их уменьшается. Это значит, что при одинаковой температуре и атмосферном давлении влажный воздух легче сухого.
Топливо, которое применяется для сушки сырца и его сжигание
Теплотворная способность топлива выражается количеством тепла, которое выделяется при сгорании 1 кг топлива. В практике количество выделяемого тепла чаще всего измеряется в калориях или килокалориях и обозначается кал/кг или ккал/кг. В настоящее время часто пользуются измерением количества тепла в Дж или кДж (1 кал = 4,186 Дж).
Объем воздуха, необходимый для сжигания 1 кг топлива, называется теоретическим количеством воздуха, потребным для горения.
В действительности же при сгорании всякого топлива трудно распределить воздух во всей его массе и обеспечить всегда достаточно высокую температуру в топке.
Поэтому для полного сгорания топлива приходится вводить большее количество воздуха, чем это требуется теоретически. Практически в топках сушилок топливо сгорает при количестве воздуха в 1,5-2 раза больше теоретического.
Величина, которая указывает во сколько раз объем воздуха больше его теоретического количества, называется коэффициентом избытка воздуха.
Температуру горения обуславливают теплотворная способность топлива и избыток воздуха: чем ниже теплотворная способность топлива, тем ниже температура в топке, и чем меньше избыток воздуха, тем выше температура. Температура в топках сушильных установок на заводе по производству керамического кирпича не должна быть ниже 950°С.
При сгорании топлива часть выделяемого им тепла теряется и не используется для сушки.
Это зависит от вида топлива, конструкции топки, от квалификации обслуживающего персонала, от соблюдения установленного режима работы оборудования.
Так как для сушки сырца необходимо иметь газ, не засоряющий каналы и не создающий вредных условий труда для обслуживающего персонала (вследствие присутствующего в нём окиси углерода), то в топках сушилок предпочтительнее сжигать газообразное и жидкое топливо.
По этим же причинам, по технологии производства керамического кирпича из видов твёрдого топлива предпочтительнее сжигать крупное и сравнительно малозольное топливо типа антрацита крупного (АК), мелкого (АМ), семечко (АС) и крупного каменного угля.
При оценке различных видов топлива при расчетах топок и сушил часто пользуются выражением условное топливо, за которое принимают горючий материал с теплотворной способностью 7000 ккал/кг.
Процесс сушки керамического кирпича
Отличительным признаком процесса сушки от других способов снижения влажности, является одновременное протекание испарения содержащейся в них влаги и удаление образующихся паров воды.
Сформованный кирпич сырец имеет влажность примерно 18-25%. Перед обжигом в сформованном изделии необходимо максимально уменьшить влажность. При обжиге в туннельных печах до 2-3% и до 4-6% – при обжиге в кольцевых печах.
На заводе по производству керамического кирпича для процесса сушки необходимо подобрать такой оптимальный режим, который сможет сочетать в себе наименьшую длительность по времени, минимальные затраты по энергии и высокое качество полуфабриката – отсутствие трещин, коробления и скрытых напряжений, которые могут вызвать появление трещин при обжиге.
Сушка сырца происходит только при подводе тепла, необходимого для испарения из него влаги, и при существовании разницы парциальных давлений паров воды на поверхности изделия и в окружающей среде.
По технологии производства керамического кирпича сушка представляет собой сложный теплофизический и технологический процесс, который обусловлен различными явлениями, происходящими в материале и в окружающей среде. Если проанализировать процесс массообмена при сушке в целом, то его можно разделить на следующие три основных элементарных процесса.
Виды массообмена при сушке кирпича сырца
1. Переход влаги, которая подлежит удалению, из жидкого состояния в парообразное.
2. Перемещение образовавшегося пара с поверхности изделия в окружающее пространство.
3. Перенос влаги в жидком или парообразном состоянии из внутренних частей кирпича сырца наружу.
Усадка изделий начинается с момента испарения влаги с их поверхности, но заканчивается обычно раньше, чем они будут высушены полностью.
В начальный период сушки величина объёмной усадки приближенно равна объёму испарившейся из изделия влаги, т.е. усадка сформованного кирпича происходит за счет сближения частиц глины, без образования внутренних трещин.
Затем наступает момент, когда некоторое количество частиц глины приходит в соприкосновение друг с другом и величина объёмной усадки становится меньше объёма испарившейся воды, т.е. удаление влаги происходит и за счет снижения объёма изделий, и за счет образования внутренних пор в его массе.
В последующем усадка практически почти прекращается, хотя испарение влаги, а значит и снижение влажности массы, всё еще продолжается, т.е. сушка продолжается только за счет образования внутренних пор.
В начале технологического процесса поверхностные слои изделия, которые отдают больше влаги, чем внутренние, должны подвергаться и большей усадке.
Но уплотнению верхних слоёв керамического изделия мешает противодействие влажной внутренней части, которая медленнее уменьшается в объёме.
В результате поверхностные слои начинают испытывать растягивающие усилия, а внутренние – сжимающие. Пока материал влажный и сохраняет достаточную пластичность, а перепад между влажностью поверхностных и нижележащих слоёв невелик, растягивающие усилия компенсируются пластическими деформациями и трещины могут не образовываться.
Но по мере удаления влаги пластические свойства поверхностных слоёв уменьшаются и часто растягивающие усилия оказываются выше прочности материала, т.е. появляются трещины.
Кроме того, как уже указывалось, при сушке кирпича пластического формования неизбежна неравномерность высыхания отдельных участков его поверхностей: углы и рёбра высыхают быстрее, чем боковые стороны.
Это обстоятельство определяет не только наличие неодинаковой усадки на отдельных участках самого поверхностного слоя, но и возникновение дополнительных усадочных напряжений между ними.
Поверхностный слой изделия в этом случае будет состоять из нескольких участков, имеющих разную пластичность массы, разную сопротивляемость растягивающим усилиям, разную способность к пластическим деформациям, и растрескивание изделий в начале сушки чаще всего происходит за счет неравномерного высыхания его поверхностного слоя.
Когда поверхностные слои достигают влажности, при которой их усадка прекращается, они образуют как бы бандаж из затвердевшей глины для остальной, всё еще влажной, массы изделия. В этот период сушки распределение усадочных напряжений еще более усложняется.
При сушке слоев, расположенных между верхней частью и серединой изделия, усадке не препятствуют и более влажная глина в средних слоях, и высохшие слои на поверхности.
Во время сушки средних слоев изделия их усадке препятствуют только слои с меньшей влажностью, которые располагаются ближе к поверхности.
Усадочные напряжения зачастую вызывают возникновение трещин на керамических кирпичах пластического формования. Они образуются там, где частицы глины имеют наименьшее внутреннее сцепление между собой.
При формовке полнотелого кирпича на ленточном прессе, в массе его иногда можно наблюдать слоистую структуру с ослабленной связью между отдельными слоями. В результате в этом месте возникают структурные трещины или так называемая «свиль», которая полностью разрушает целостность черепка.
Таким образом, материал изделия во время сушки постоянно испытывает внутренние напряжения из-за неравномерной усадки. Эти напряжения в технологии производства керамического кирпича называют усадочными.
Размер усадочных напряжений находится в прямой зависимости от перепада влажности слоев на поверхности и в средине материала изделия. Чем больше эта разность, тем выше напряжения.
В процессе сушки керамического полуфабриката вода из него удаляется в основном путем испарения с внешней поверхности, к которой она подводится из внутренних слоёв в результате возникновения перепада влажности и явления влагопроводности.
Испарение влаги с поверхности кирпича сырца (внешняя диффузия)
Испарение и удаление влаги с поверхности изделия называется внешней диффузией.
Для осуществления перехода жидкости в пар требуется затрата определённого количества тепла. При сушке изделий нагретым сушильным агентом для осуществления процесса теплообмена необходимо наличие перепада температур между сушильным агентом и материалом.
Количество тепла, передаваемого изделию из окружающей среды при конвективном теплообмене вычисляется по формуле:
Q = α (t“ – t‘) F, ккал/час
где: α – коэффициент теплоотдачи от окружающей среды к материалу, ккал/м2 ·час·град;
t‘ – температура поверхности изделий, град;
t“ – температура агента сушки, град;
F – поверхность теплообмена, м2.
При сушке сырца в камерных сушилах до достижения первой критической влажности, процесс происходит при температуре среды порядка 40°С и незначительном температурном перепаде между средой и изделием. При этом температура поверхности сырца в течении всего периода сушки примерно постоянна и равна температуре мокрого термометра.
При постоянном температурном перепаде и постоянном количестве агента сушки, подаваемого в камеру в течение всего процесса сушки, количество отдаваемого изделию тепла в единицу времени также постоянно и целиком расходуется при прогретом сырце лишь на испарение влаги:
Qисп = m·F·r, ккал/час
где: m – интенсивность испарения, кг/м2·час;
F – площадь испарения, м2;
r – теплота десорбции, ккал/кг.
В туннельных сушилах наряду с испарением влаги процесс прогрева сырца идёт непрерывно, так как по мере продвижения материала он встречается с сушильным агентом меньшей влажности, нагретым до более высокой температуры. Тепло, которое отдаёт агент сушки изделиям, расходуется на испарение влаги, а также нагрев материала и может быть определён из уравнения:
Q = Qисп + Qнагр = m·F·r + G·Свл·∆t, ккал/час
где: G – вес влажного материала, кг/час;
Свл – средняя теплоёмкость влажного материала, ккал/кг;
∆t – средняя разность температур.
При незначительном температурном перепаде между средой и сырцом усиление теплообмена при ускоренной сушке достигается за счет увеличения скорости газового потока.
Необходимым условием влагообмена между материалом и окружающей средой является наличие разности парциальных давлений пара. В процессе сушки парциальное давление пара у поверхности (Рм) больше, чем в окружающей среде (Рс).
Уравнение массообмена между материалом и агентом сушки выражается следующей формулой:
М = α‘ (Рм – Рс)· F· (760/Р0)
где: М – количество влаги, испаряющейся с поверхности материала, кг/час;
α‘ – коэффициент массообмена при нормальном барометрическом давлении, кг/м2 · час·мм. рт.ст., характеризующий интенсивность испарения на единицу поверхности при разности парциального давления на поверхности тела и в воздухе, равный 1 мм рт. ст.;
760/Р0 – коэффициент, учитывающий отклонение атмосферного давления от нормального.
По данным Всесоюзного Теплотехнического института, где проверялась зависимость коэффициента α‘ от скорости газового потока в интервале от 0 до 6 м/сек при параллельном потоке:
α‘ = 0,0229 + 0,0174·v, кг/м2·час·мм рт. ст.
Главное сопротивление диффузии пара с поверхности материала в окружающую среду (так же как при теплообмене) оказывает пограничный слой у поверхности материала. Чем меньше толщина пограничного слоя, тем меньше его сопротивление и лучше условия влаго- и теплообмена.
Коэффициенты тепло- и массообмена при конвективной сушке зависят, в первую очередь от скорости газового потока, причем с увеличением скорости они увеличиваются, а толщина и сопротивление пограничного слоя уменьшаются.
Следовательно, в процессе сушки повышенными скоростями газового потока, влаго- и теплообмен улучшается и скорость сушки при незначительном температурном перепаде между газовой средой и прогретым сырцом возрастают вместе с увеличением скорости агента сушки. В результате внешней диффузии влажность массы на поверхности изделия уменьшается и становится ниже влажности массы в его середине.
Однако, для каждого состава сырьевой шихты, из которой сформован сырец, и в зависимости от других параметров сушки существует своя предельно допустимая скорость агента сушки через садку сырца.
Максимально допустимая скорость агента сушки через садку сырца при входе его в сушилку зависит от коэффициента чувствительности глины к сушке (Кч), относительной влажности агента сушки при его выходе из сушилки (φс.в.), температуры свежесформованного сырца (Тсырца), влажности сырца (Wс), глубины вакуума при формовании сырца (Вак), пустотности кирпича-сырца (Пуст).
Математическая зависимость допустимой скорости агента сушки через садку сырца в сушилке в зависимости от указанных параметров:
Vмах.=(Тсырца)0,33·((φс.в./95)0,33/(Wс)0,25)·(Пуст +0,001)0,02·(Кч)0,2·(1/(Вак + 0,0001))0,2
Движение влаги в массе изделий (внутренняя диффузия)
Как уже отмечалось, движение влаги в материале из внутренних слоёв к поверхности возможно только в том случае, если влажность глины на поверхности меньше, чем влажность её в середине кирпича. Естественно, чем больше этот перепад (градиент) влажности, тем интенсивнее движение влаги из середины к поверхности. К сожалению, осуществить процесс сушки с большим перепадом влажности не удаётся.
Свойства потока влаги внутри материала описывают уравнением:
J = amρ0 ∆V± αTρ0 ∆T + Kp∆P где:
am – коэффициент диффузии влаги;
ρ0 – плотность сухого тела;
∆V – разность величин влагосодержания в разных точках;
αT – коэффициент, характеризующий термодиффузию;
∆T – перепад температуры;
Kp – коэффициент, показывающий молярный перенос влаги;
∆P – перепад давления.
Уравнение показывает, что переход влаги в материале происходит в результате разности влагосодержания (это изотермическая диффузия), разности температур (это термическая диффузия) и разности общего давления (это конвективная диффузия).
Второй член уравнения выражает составляющую термодиффузии в общей величине интенсивного потока влаги внутри материала от его центра к поверхности. Наличие впереди этого члена знака «±» означает, что направление градиента или перепад температур может иметь встречное направление с потоком влаги или они могут совпадать.
В первом случае диффузия будет притормаживать поток влаги со средины к поверхности материала, а во втором случае его усиливать. Таким образом, первый член отражает закон изотермической влагопроводности, а второй – закон термовлагопроводности.
Уравнение показывает также, что поток влаги от средины к поверхности материала может происходить и при отсутствии градиента влагосодержаний, т.е. когда ∆V = 0, а ∆T ≠ 0. Тогда влага внутри материала будет перемещаться только за счет термодиффузии. Практически это происходит тогда, когда температура в центре материала выше, чем на его поверхности, например, при сушке прогретого кирпича-сырца.
Если при сушке материала влага испаряется внутри его толщи и водяные пары не успевают из него полностью удалиться, то внутри материала возникает избыточное давление, которое также становиться фактором, ускоряющим перемещение влаги внутри материала, что в уравнении отражает третий член правой части.
Избыточное давление водяных паров внутри сохнущего материала может появиться уже при нагревании до температуры около 70°С. Давление их может иногда оказаться настолько большим, что вызывает разрушение материала при его сушке. Чаще всего это проявляется во время обжига, когда в печь загружают недостаточно высушенный сырец.
Важной задачей технологии сушки является определение минимального времени, в течении которого керамические изделия могут быть высушены до заданной влажности без коробления, трещин и других дефектов. Продолжительность сушки любого материала зависит не только от сушильных свойств, но также и от внешних условий, т.е. омывающей среды.
Важнейшими её характеристиками являются температура, относительная влажность, иногда влагосодержание и скорость движения сушильного агента. Сочетание этих показателей и их изменение за время сушки принято называть режимом сушки.
Схематично процесс сушки можно представить следующим образом. Нагретый воздух или дымовые газы омывают изделие и передают тепло для испарения влаги, содержащейся на его поверхности, а так же поглощают образующиеся пары воды.
Если движение влаги в материале достигло величины, соответствующей максимально допустимому при данном режиме сушки перепаду влажности, то дальнейшее поступление влаги к поверхности может быть осуществлено за счет снижения сопротивлений её движению.
Необходимо отметить, что доступный градиент влажности определяется всегда опытным путём, так как величина его не только различна для разных глин, но и неодинакова для одной и той же глины, если она высушивается в среде с различной температурой и относительной влажностью
Как известно, «чистые» глины принадлежат к коллоидно-капиллярно-пористым материалам, у которых между микроскопически малыми твёрдыми частицами вещества имеются поры (пустоты) и капилляры, т.е. мельчайшие каналы. Наличие в глине более грубого материала – песка, шамота, опилок – увеличивает объём и количество пор.
Если провести грубое сравнение капилляров и пор, расположенных между частицами глины, которые слагают массу изделия с сетью водопроводных труб, то количество воды, которое может передвигаться по труба
