Технология кирпича

Конвективная быстрая сушка пустотелого кирпича

(FH) Ральф Кёниг, дипломированный инженер, D-Крумбах

Аннотация
Ральф Кёниг: Конвективная быстрая сушка обычного кирпича
Быстрое развитие нашего индустриального общества требует от фирм максимальной гибкости и готовности к инновациям. Это относится и к технологии сушки в промышленности строительной керамики. Революционным шагом в этой области является внедрение технологии быстрой сушки. Данная статья даёт наглядное пояснение принципа быстрой сушки для пустотелого кирпича.

Сегодняшнее быстрое развитие промышленности требует от каждого предприятия с максимальной гибкостью и оперативностью проводить технологические инновации с учётом собственной ситуации. Этот принцип применим и к области техники сушки в кирпичной промышленности. Около 100 лет назад сырцовый кирпич сушили ещё на так называемых «hack» – сушильных стеллажах (естественная сушка). Сегодня этот процесс полностью устарел. Он позволял только сезонное производство с циклами сушки 2–3 недели; сушильные стеллажи или открытые сушильные сараи оборачивались всего 10–12 раз в год. Без достаточного количества таких стеллажей этот процесс не мог обеспечить работу непрерывных печей.

Первым шагом в развитии техники сушки стало строительство так называемых «больших сушильных сараев» над кольцевыми или зигзагообразными печами, где поднимающийся от поверхности печи горячий воздух использовался для сушки. Это сократило цикл сушки до 10 дней.

Сегодня камерные или туннельные сушилки используют тепло отходящих газов туннельных печей для искусственной сушки. Цикл сушки составляет 1–3 дня в зависимости от типа продукции и свойств сырья. Ещё одним революционным этапом стало внедрение технологии быстрой сушки, при которой время сушки составляет всего 1–2 часа. В этой статье даётся графическое пояснение принципа быстрой сушки высокопустотелых кирпичей и рассматриваются перспективы инвестиций.

Зарождение быстрой сушки

В середине 80‑х годов в Федеративной Республике Германии развивались заводы, производящие промышленные катализаторы. Эти катализаторные блоки имели сечение 150×150 мм, длину около 1,0–1,2 м и высокую пустотность. В то время многие сушилки на этих новых заводах поставляла компания Novokaram. С точки зрения качества и времени сушки наилучшие результаты достигались только при сквозном и поперечном обдуве сырцовых изделий. Если требуемая принудительная сушка превышает определённый уровень, начинают играть роль и другие параметры, например скорость воздуха в пустотах и на поверхности сырца, а также теплосодержание газа при движении изделий. Было обнаружено, что в некоторых случаях, когда давление насыщенного водяного пара в газе значительно превышало парциальное давление у сырца, треть высушенных изделий в конечном счёте повреждалась из‑за адсорбции конденсата.

Микроволновой или высокочастотный нагрев был бы идеальным способом нагрева воздушного потока. Однако на практике возникли трудноразрешимые проблемы. Упомянем две характерные:

а) В некоторых регионах высокочастотный нагрев используется только для металлических компонентов оборудования, таких как датчики и чехлы датчиков; естественно, поддоны, на которых находились сырцы, не могут быть использованы повторно.
б) Высокочастотный нагрев генерирует значительное статическое электричество в зоне нагрева. Даже очень тонкая водяная плёнка на сырце или между сырцом и пластиковым поддоном может привести к обугливанию поддона и его повреждению из‑за скорости разряда.

Поэтому на практике успешно зарекомендовал себя метод промежуточного предварительного подогрева с помощью нагреваемых поддонов (для предотвращения конденсации на сырце). Опыт, полученный при сушке катализаторов в Novokaram, стимулировал разработку камеры быстрой сушки для пустотелого кирпича. За последние годы Novokaram провела множество испытаний по сушке: от крупных плит (50×30×300 см) до обычного пустотелого кирпича традиционной длины. Постоянно подтверждалось, что конвективная сушка полностью даёт требуемые результаты.

Основной принцип конвективной быстрой сушки

Самый знакомый пример конвективной сушки – сушка волос феном. Основной принцип: сушильный агент (обычно горячий воздух) проходит над высушиваемым изделием, испаряя и удаляя влагу. Поскольку испарение требует тепла, сушильный агент в процессе постепенно охлаждается и поглощает больше воды (см. рис. 1). Способность воздуха поглощать влагу ограничена температурно‑зависимой величиной – так называемым «давлением насыщенного водяного пара». При превышении этого значения избыточная влага конденсируется в виде тумана или конденсата, что особенно опасно при сушке. Состояние воздуха в сушильной камере обычно описывается температурой (°C) и относительной влажностью (%). Кстати, при использовании h‑x‑диаграммы эти два параметра являются базовыми.

Достижение равновесия в потоке

Исходная точка для рассмотрения быстрой сушки заключается в том, что время сушки сырца в традиционных сушилках всегда определяется самым медленно сохнущим кирпичом. Это напрямую связано с положением кирпича в сушилке (см. рис. 2). Например, кирпичи с краю сохнут гораздо медленнее, чем кирпичи ближе к вентилятору. По мере дальнейшего движения сушильного воздуха из центрального прохода его скорость постепенно уменьшается, температура падает, он становится более насыщенным, а его влагопоглощающая способность снижается. Даже когда кирпичи во внутренней части сушилки уже можно вынимать, система вынуждена продолжать работу, пока не высохнут и кирпичи в плохих позициях – хотя большинство кирпичей в сушилке не нуждалось в продлении сушки.

Поэтому первый шаг к быстрой сушке – сбалансировать условия воздушного потока по всему поперечному сечению циркуляции воздуха. Таким образом, процесс сушки каждого кирпича не зависит от его положения в сушилке, т.е. в любой момент времени должен быть одинаковым.

Увеличение скорости воздуха

При подходящих климатических условиях скорость воздуха оказывает очень специфическое влияние на скорость сушки. Рост скорости ускоряет сушку. При низких скоростях образуется равномерный ламинарный поток – пример относительно равномерного течения в природе – спокойно текущая большая река. При увеличении скорости поток становится более турбулентным. Аналогия в природе – горный ручей, несущийся по ущелью во время таяния снега.

Значение турбулентности в сушке: на поверхности сырца имеется неподвижный слой воздуха – так называемый пограничный слой. Этот слой препятствует сушке и утончается в процессе сушки (см. рис. 3). Быстро движущиеся частицы воздуха поглощают частицы воды гораздо легче, чем медленные.

После увеличения скорости воздуха скорость сушки быстро возрастает, а влагосодержание газа увеличивается более чем на 5%. Разумеется, при более высоких скоростях воздуха главное условие – равномерность непрерывного потока для достижения удовлетворительных результатов. То есть сырцы по всему сечению должны обдуваться воздухом, и скорость воздуха должна быть одинаковой. Это легче сказать, чем сделать – в тех условиях экспериментальное исследование заняло более года.

Соотношение поперечного и сквозного потоков

Из‑за новых норм по теплоизоляции объём пустот стал больше. Это означает, что внутренние стенки становятся тоньше. Такие тонкие стенки имеют свои преимущества и создают мало проблем при сушке, потому что, кроме разной толщины стенок, возникает лишь небольшое различие – выделяется разное количество влаги (см. рис. 4). Если разница во влажности очень мала, то и разница в усадке мала, и риск появления трещин сушки выглядит очень низким.

С другой стороны, поскольку площадь поверхности играет решающую роль в конвективной сушке, эти высокопустотелые изделия имеют большую внутреннюю поверхность – примерно в три раза больше наружной. Таким образом, при заданной влажности, чем больше площадь поверхности, тем легче сушка.

Соотношение поперечного и сквозного потоков для пустотелого кирпича должно удовлетворять определённой пропорции. Эта пропорция зависит от высоты зазора A между верхней поверхностью нижнего кирпича и нижней поверхностью вышележащего поддона, а также от ширины зазора B между двумя соседними кирпичами (как показано на рис. 6). Однако из‑за ограничений, связанных с расположением вентиляторов в конвективных и туннельных сушилках, подходящее соотношение не всегда может быть достигнуто – или достигнуто полностью. Успешная быстрая сушка требует трёх условий: одинаковые условия потока по всему сечению (одинаковая скорость воздуха для поперечного и сквозного потоков); скорость воздуха не должна опускаться ниже определённого значения; скорости поперечного и сквозного потоков для каждого кирпича должны быть согласованы.

Опыт в области быстрой сушки

За последние два года компания Novokaram проводила непрерывные исследования на своём заводе, получив важную информацию в области аэродинамического моделирования. Кроме того, были подтверждены теоретические выводы. На основе этих фундаментальных принципов была построена крупная опытно‑промышленная установка для быстрой сушки глиняных пустотелых изделий, а затем три различных кирпичных завода были оснащены методом быстрой сушки. Соответствующие характерные параметры сушки приведены ниже в качестве примеров.

Быстрая сушка и трещины сушки

Часто ошибочно утверждают, что трещины сушки являются прямым следствием усадки. Как кратко пояснено в статье, трещины сушки – не прямое следствие усадки. Трещины вызваны неравномерной усадкой внутри сырца, которая, в свою очередь, зависит от различного распределения влажности. При быстрой сушке сырец должен равномерно обдуваться воздухом, чтобы перепады влажности были очень незначительными. С учётом этого легко понять, почему быстрая сушка не обязательно приписывает трещины высокой чувствительности к сушке.

Сравнение кирпичей, высушенных традиционным и очень быстрым способами, подтвердило вышеуказанный вывод. При одинаковом уровне качества кирпичи, высушенные быстро, имели более высокое качество.

Остаточная влажность и время сушки

Изначально мы ставили цель – время сушки ≤ 2 часов. Остаточная влажность после сушки зависит от цикла сушки, характеристик продукции и сырья и находится в диапазоне 0,5%–2,5%. Следует отметить, что увеличение процесса сушки всего на несколько минут при быстрой сушке может значительно снизить остаточную влажность. На том же заводе традиционное время сушки составляло около 32–48 часов, а остаточная влажность – 1,0%–2,5%. Качество обожжённых изделий после быстрой сушки не отличалось от качества изделий после традиционной сушки.

Оптимальная кривая сушки

Как и для обычной конвективной сушки, для быстрой сушки необходимо найти кривую сушки, адаптированную к сырью. Кривую быстрой сушки можно представить как сжатую традиционную кривую – в таком понимании быстрая сушка – это просто «ускоренное действие» обычной сушки.

Технологический процесс быстрой сушки

Если сырец прошёл паровую обработку, важно – как и при обычной сушке – как можно быстрее передать его от экструдера в сушильную камеру. Чем выше температура сырца, тем интенсивнее начальная сушка – то есть сырец начинает сушиться при более высокой температуре, без фазы постепенного нагрева в сушильной камере, избегая потери драгоценного времени.

Соотношение поперечного и сквозного потоков при сушке уже подчёркивалось. Это соотношение критически зависит от точности укладки кирпича в цехе. Однако более высокая точность означала бы более высокие инвестиции. Поэтому было проведено специальное экспериментальное исследование, чтобы выяснить, можно ли приемлемую точность укладки по‑прежнему считать достаточной. Результаты испытаний показали, что допуски традиционных устройств укладки и разгрузки приемлемы для всего процесса и не оказывают негативного влияния на соотношение поперечного и сквозного потоков. Это означает, что при современном уровне технологии можно использовать традиционные укладочные устройства.

Преимущества быстрой сушки

Внедряя новую конструкцию, каждый предприниматель немедленно спрашивает о её преимуществах – и конвективная быстрая сушка не исключение.

Каковы преимущества конвективной быстрой сушки по сравнению с традиционной конвективной сушкой? Самый фундаментальный и важный аспект – качество. Особенно приоритетно сокращение времени. На многих разных кирпичных заводах проводились испытания быстрой сушки без задания сложных кривых сушки, и обожжённый кирпич получался хорошего или очень хорошего качества. При сравнении с кирпичом, произведённым традиционными методами, кирпич, отобранный для быстрой сушки, был по крайней мере не хуже кирпича, высушенного традиционными методами – даже без точного знания, адаптирована ли кривая сушки к используемому сырью.

Другое очень важное преимущество – снижение инвестиций в строительство установки быстрой сушки. Как показано на рис. 7, вся камера быстрой сушки занимает значительно меньше места в производственном здании. Это означает, что при той же производительности уменьшается производственная площадь, или, альтернативно, увеличивается производительность – достигается экономический эффект. Кроме того, упрощается процесс быстрой сушки, сокращаются транспортные маршруты и упрощается необходимое транспортирующее оборудование, что также снижает капитальные вложения.

Наконец, несколько технических данных. В традиционных сушильных камерах расход тепла составляет около 3200–3600 кДж/кг H₂O. Расход электроэнергии зависит от влагоудаляющей способности сырья. Согласно записям с разных кирпичных заводов, расход электроэнергии составляет 5–11 кВт·ч на тонну обожжённого материала.

Пример производства с быстрой сушкой

На рис. 7 показана схема производственного процесса на кирпичном заводе, где традиционная сушка заменена на систему быстрой сушки.

Аналогично на других заводах: сырец режут, укладывают на поддоны, затем передают на сушильные вагонетки. Поддоны ставят на сушильные вагонетки, которые затем проходят через камеру быстрой сушки. Вагонетка находится в каждой секции определённое время – т.е. на каждом этапе создаются различные условия. Скорость воздуха в каждой секции разная, но принцип сушки (поперечный и сквозной поток) и скорость движения вагонетки одинаковы во всех секциях. Когда вагонетка входит в циркуляцию, половина процесса сушки уже завершена. На предварительном этапе сушки, при переходе из одной секции в следующую, температура непрерывно повышается, а относительная влажность непрерывно снижается. Описанная здесь камера быстрой сушки имеет по 10 секций в каждом направлении. Если поверхностно подходить к традиционной туннельной сушилке, её можно было бы представить как имеющую 20 зон сушки.

После выхода вагонетки из камеры быстрой сушки дальнейшие операции выполняются обычным порядком. Высушенный кирпич снимают с вагонетки, укладывают на вагонетки туннельной печи, ожидающие загрузки в печь, и затем обжигают. Разгрузка и упаковка туннельной печи не зависят от быстрой сушки.

Источник статьи

Эта статья написана автором Ральфом Кёнигом, дипломированным инженером (D‑Крумбах), и впервые опубликована в International Brick and Tile Industry (ZI‑China Issue), 1996–1998, китайское комбинированное издание, Bauverlag GmbH. Размещена здесь только для учебных и справочных целей. Авторские права принадлежат автору и оригинальному издателю.

Контактная информация:
Если какой‑либо автор или правообладатель считает способ цитирования на этом веб‑сайте неуместным или желает изменить/удалить контент, пожалуйста, свяжитесь с нами:
Электронная почта: [info@Brictec.com]
Телефон: [029-89183545]
Адрес: [ZTE Industrial Park, No. 10 South Tangyan Road, Xi’an High‑tech Zone, China]
Мы обязуемся ответить в течение 24 часов после получения вашего уведомления и оперативно решить вопрос в соответствии с вашим запросом.

Обязательство об академической честности:
Наша компания строго соблюдает принципы академической честности и уважает интеллектуальную собственность всех учёных. Если имеется какое‑либо некорректное цитирование, мы приносим искренние извинения и немедленно исправим ситуацию.