Файл: Жуков Д.В. Основы теории и техника сушки теплоизоляционных изделий.pdf

Применение перегретого пара позволяет значительно повысить температуру материала (>100° С), в резуль­ тате чего увеличивается пластичность материала, гра­ диенты влагосодержання в нем имеют меньшую величи­ ну, чем при сушке воздухом с той же температурой. Это ведет к уменьшению усадки и деформации материала.

Повышение средней темпе­ ратуры материала положи­ тельно влияет на изменение его термодинамических ха­ рактеристик и коэффициен­ тов переноса влаги в мате­ риале. Испарение влаги из материала переходит в ее выпаривание. При этом по­ является молярный перенос влаги под действием гради­ ента давления, интенсив­ ность которого в десятки раз больше интенсивности молекулярного переноса, значительно увеличиваются коэффициенты тепло- и влагообмена в процессе сушки. Все это приводит к интенси­ фикации процесса сушки.

Из рис. 88 следует, что преимущества пара перед воз­ духом должны в большей мере сказываться в области высоких температур. В связи с этим производительность сушильных установок резко повышается, поскольку со­ кращается длительность процесса сушки. В результате снижаются капитальные затраты на сооружение сушиль­ ной техники, создаются возможности уменьшения экс­ плуатационных расходов. Поданным Гипродрева, удельные капиталовложения на строительство камер для сушки древесины в среде перегретого пара снижа­ ются почти, в два раза по сравнению с камерами для сушки подогретым воздухом, а эксплуатационные расхо­ ды уменьшаются на 35—40%.

В перегретом паре отсутствует свободный кислород. Этот фактор имеет большое .значение при сушке мате­ риалов, подвергающихся химическим изменениям, гак как под действием кислорода ткани меняют окраску, пищевые продукты теряют питательные свойства,-торф

160

при сушке воздухом температурой 170° С воспламеня­ ется. Указывается также, что сушка материалов под давлением в среде перегретого пара позволяет улучшить структуру и свойства высушенной продукции,'повысить механическую прочность и водостойкость. При сушке перегретым паром необходимость регулирования влагосодержания среды отпадает, потому что температура мокрого термометра остается постоянной. Управление процессом сводится лишь к регулированию температу­ ры перегрева пара, что позволяет автоматизировать процесс сушки.

Одним из недостатков сушильной установки на пере­ гретом паре является необходимость ее тщательной гер­ метизации, в связи с чем возникает проблема непрерыв­ ного ввода и вывода материала. Кроме того, метод сушки перегретым паром не может быть применен для ^термочувствительных материалов. Однако эти недостат­ ки имеют частное значение. Метод сушки перегретым паром находит все более широкое внедрение как в оте­ чественной, так и в зарубежной промышленности.

Из-за отсутствия опыта сушки материалов в среде пе­ регретого пара в первых конструкциях сушилок было много недостатков. По мере освоения нового метода бы­ ли найдены рациональные конструктивные решения. Было доказано, что камерные сушилки, построенные из кирпича и бетона, не являются герметичными и имеют повышенные теплопотери. В настоящее время огражда­ ющие конструкции камер выполняют цельнометалличе­ скими из иекорродирующего металла (например, алю­ миния) с теплоизоляционным слоем.

Метод сушки изделий из неорганических материалов в среде перегретого пара под давлением был разрабо­ тан в Теплопроекте Л. Ф. Никелевым, В. Н. Дворкиным и др. Теоретическое обоснование и сущность нового ме­ тода заключаются в следующем. Тепловлажностную обработку изделий можно производить не только путем нагрева насыщенным паром. Известно, что при сушке в течение длительного времени в изделиях сохраняется вода и в то же время температура их может быть равна температуре кипения. Следовательно, сушка также яв­ ляется процессом гидротермальной обработки изделий. Если сушить изделия в паровой среде под давлением, то можно получить необходимую температуру материа­ ла, поддерживая соответствующее давление в автоклаве.

Изделия по этому методу высушивают в паровой среде под давлением выше атмосферного. Нагревают изделия в автоклаве каким-либо посторонним источни­ ком тепла, например за счет излучения обогреваемых снаружи стенок автоклава. При этом вода частично ис­ паряется из изделий и давление в автоклаве постепенно повышается. Когда давление достигает заданной вели­ чины, избыточный пар из автоклава непрерывно удаля­ ется и давление в нем поддерживается на заданном уровне. Таким образом, сушка происходит при постоян­ ном давлении. При этом процессы структурообразования и сушки протекают одновременно в одном аппарате, что позволяет значительно'сократить длительность теп­ ловой обработки. Сушка и гидротермальная обработка при этом протекают гораздо интенсивнее.

1.Кинетика и динамика сушки материалов

всреде перегретого пара

Первое исследование по сушке материалов в среде перегретого пара при атмосферном давлении принадле­ жит И. М. Федорову. Эти исследования показали, что процесс сушки перегретым паром, так же как и при суш­ ке воздухом, распадается на период постоянной и пада­ ющей скорости сушки. В первом периоде давление пара над поверхностью материала равно атмосферному, чему соответствует температура материала 100° С. Следова­ тельно, температура материала при сушке перегретым паром выше, чем при сушке воздухом. К концу второго периода температура материала достигает температуры среды. В первом периоде скорость сушки определяется температурным перепадом между средой и поверхно­ стью материала и коэффициентами теплообмена, а во втором — зависит также и от скорости внутренней диф­ фузии влаги.

В последнее время был проведен ряд исследований по сушке перегретым паром, в том числе Ю. А. Михайло­ вым, при давлении, превышающем атмосферное. Уста­ новлено, что вначале на кривых сушки наблюдается участок, где влагосодержание увеличивается. Это объ­ ясняется конденсацией пара на поверхности материала. Период постоянной скорости сушки протекает при тем­ пературе материала, соответствующей температуре на­ сыщения (кипения). При повышении давления темпера­

162

тура материала возрастает, что приводит к резкой интен­ сификации фазового превращения; испарение влаги переходит в ее выпаривание. При этом происходит каче­ ственное изменение механизма влагообмена, и главную роль в переносе влаги начинает играть не диффузион­ ный, а молярный (макроскопический) перенос влаги. Основной движущей силой становится градиент давле­ ния. С увеличением давления и, следовательно, с повы­ шением температуры материала увеличивается интенсивность внутреннего парообразования, в связи с чем избыточное давление повышается. Все это приво­ дит к увеличению скорости сушки.

Одной из первых была работа Венцеля и Уайта, в ко­ торой авторы исследовали процесс теплообмена при сушке влажного песка в среде перегретого пара. Этими исследованиями установлено, что для турбулентной об­

При этом за определяющий размер принят эквива­ лентный диаметр.

Для учета влияния влагопереноса на теплообмен при сушке низинного торфа в интервале чисел Рейнольдса 430—4800 10. А. Михайлов установил критериальную зависимость, в которой использовано соотношение, по­ лученное П. Л. Лебедевым:

Ts

определяющего размера здесь использован гидравличе­

В качестве определяющего размера использован раз­ мер образца в направлении потока пара.

Влияние параметров режима при сушке торфа пере­ гретым паром— температуры и давления — показано на рис. 89. Зависимость скорости сушки от температу-

Рис. 89. Зависимость скорости сушки торфа

ры носит примерно линейный характер. Так, при повыше­

11,5 до 22 кг/м2-ч. Повышение давления также приводит к росту скорости сушки. Согласно рис. 89, б, при повыше­ нии давления с 0,98 до 8,82 ат скорость сушки возрастает в среднем с 6 до 17 кг/м2-ч. При постоянной температу­ ре перегрева пара скорость сушки повышается при лю­ бых значениях давления. Исследования по сушке древе­ сины при температуре 112°С показали, что увеличение скорости движения паровой среды от 3 до 11 м/сек по­ вышает скорость сушки в 2,08 раза. С повышением температуры это соотношение возрастает. Установлено, что с повышением температуры перегретого пара все

большую роль начинает приобретать теплообмен излуче­

нием.

164

2. Сушка теплоизоляционных известково-кремнеземистых изделий в среде перегретого пара под давлением

Свойства изделий

Известково-кремнеземистые теплоизоляционные из­ делия являются в настоящее время одним из лучших видов изделий для теплоизоляции промышленных объ­ ектов. Производство их получило большое развитие в ряде стран, в том числе в США, Англин и Канаде. Ос­ новными преимуществами известково-кремнеземистых теплоизоляционных изделий по сравнению с другими яв­

строению, эти изделия имеют низкий коэффициент теп­ лопроводности и малый температурный коэффициент его роста при повышении температуры.

В Теплопроекте разработана технология изделий, не уступающих по физико-механическим свойствам луч­ шим зарубежным образцам. Кроме того, технология их получения значительно усовершенствована и создан новый высокоэффективный метод тепловой обработки, при котором совмещаются процессы запаривания и суш­ ки. Разработанная технология отличается . следующими особенностями:

а) активность используемой негашеной извести должна быть не ниже 70%, асбест марки П-6-45; в ка­ честве кремнеземистого компонента можно применять

= 0,65-г-0,8, содержание асбеста должно быть около 20% веса сухих исходных материалов, содержание воды 450— 500%;

в) асбест должен быть тщательно обработан любым способом до степени распушки не менее 70%; предпоч­ тительно использовать мокрый способ в две стадии: об­ работка на бегунах и в пропеллерной мешалке;

г) известь, загашенная в молокр, и кремнеземистый компонент должны быть совместно измельчены мокрым

165

способом, лучше в вибромелы-шце. В случае использова­ ния в качестве кремнеземистого сырья кварцевого песка последний должен иметь после помола удельную по­ верхность не менее 4,5—5 тыс. см2/г\

д) гидромассу, приготовленную путем смешивания известково-кремнеземистого шлама и асбестовой пуль­ пы, заливают в формы, предварительно смазанные ма­ шинным маслом;

е) формы с гидромассой для получения изделий по­ мещают в автоклав. Гидромасса твердеет в результате растворения извести и кремнезема в воде, выпадения

новообразований, армированного волокнами асбеста. Нагрев гидромассы в автоклаве до температуры 170— 180° С необходим для того, чтобы повысить раствори­ мость кремнезема в воде и увеличить скорость раство­

кальция определяется соотношением в растворе гидрата окиси кальция н кремнекпслоты. На стадии подъема температуры п изотермической выдержки в гидромассе возникает двухосновный гпдроснликат кальция, который после связывания всей извести в новообразования пере-

зовываются в тоберморпт. Изделия, новообразования в которых представлены гпдросплпкатамп кальция CSH(B) с основностью 0,8 и тоберморптом, обладают высокой прочностью и устойчивостью при нагреве до

600—650° С.

Исследования процесса сушки

Лабораторные исследования. При исследовании ки­ нетики и динамики совмещенного процесса тепловой обработки известково-кремнеземистых изделий необхо­ димо было решить ряд вопросов, связанных с тем, что этот процесс происходит в установке, находящейся под давлением. В первую очередь, надо было найти конст­ руктивные решения по обогреву рабочего пространства

166