книги / Тепломассообменные процессы в производстве гипсовых и гипсобетонных строительных материалов

При сушке ГКЛ и СГШ влага, перемещаясь внутри гипсового сер­ дечника, выносит к поверхности раздела (место соприкосновения гип­ сового сердечника с картоном) клеящие вещества (декстрин или ССБ), растворенные в жидкости, которые, концентрируясь на границе раз­ дела (картон обладает значительно меньшей пористостью по сравне­ нию с гипсом), должны в процессе сушки прочно приклеивать лист картона. Однако исследуя механизм сцепления картона с гипсом, Я. 3. Забежинский и Н. Д. Белов [100] установили, что весьма незна­ чительный расход клеящего вещества, составляющий 15 г на 1 ма при­ клеиваемой поверхности, не может обеспечить в достаточной степени чщепление картона с гипсом. Ими высказано предположение, что сцеп­ ление происходит в результате проникновения гипса в норы картона и затвердевания в них. Роль же ССБ и аналогичных добавок заключа­ ется в пластификации гипсового теста, что обеспечивает более свобод­ ное и полное проникновение в поры картона.

Таким образом, приведенные работы свидетельствуют об отсутствии единого мнения по поводу механизма сцепления картона с гипсовым

тоном и гипсовым сердечником, а через картон проходят только пары влаги.

Определение места нахождения зоны испарения влаги в процессе сушки листовых гипсовых изделий имеет весьма важное значение для интенсификации процесса. В случае расположения зоны испарения между картоном и гипсом можно предположить, что при интенсивном испарении произойдет отрыв картона от гипса из-за повышения давле­ ния пара под картоном. Кроме того, можно также предположить, что даже в случае менее интенсивного испарения в связи с превышением температуры картона над температурой гипсового сердечника может начаться дегидратация гипса в порах картона и его отклеивание от сердечника.

Все это свидетельствует о том, что существующие представления о кинетике сушки листовых гипсовых строительных материалов не ис­ черпывают всего комплекса явлений, знание которых необходимо для существенной интенсификации процесса. Более обстоятельных иссле­ дований этого вопроса нам обнаружить не удалось.

Исследованию процесса сушки крупнопанельных гипсобетонных строительных материалов посвящены работы [102—104]. В работе [104] изучен процесс структурообразования при сушке гипсовых про­ катных панелей и его влияние на внутренний массоперенос и предло­ жен импульсно-вакуумный способ сушки, в котором вакуумирование материала осуществляется импульсами, что, по мнению авторов ме­ тода, существенно ускоряет внутренний перенос влаги в материале. Из-за больших энергетических затрат и сложности организации про­ цесса в производственных условиях метод не получил распространения в промышленности.

112

В работах 1102, 103] осуществлялась интенсификация процесса не­ посредственно в заводских условиях. Автору удалось сократить вре­ мя сушки от 35 до 24 ч интенсификацией внешнего подвода теплоты к материалу. При этом подвод теплоты ограничивался повышением тем­ пературы гипса до значений выше 70 °С, что ограничило дальнейшую интенсификацию процесса.

Известно, что изменение температуры материала в период сушки зависит от кинетики сушки, которая в общем случае определяется теп­ ло- и массообмеиом между поверхностью материала и окружающей средой, а также процессами переноса теплоты и вещества внутри ма­ териала. Интенсификация только внешнего тепло- и массообмена мо­ жет привести к быстрому перегреву поверхностных слоев гипсобетона и их дегидратации. Как показала Н. С. Михеева [101], исследовавшая внешний тепло- и массообмен при жестких режимах конвективной сушки гипсовых пластин, температура материала только в первый мо­ мент равна температуре мокрого термометра, а затем непрерывно рас­ тет. Следует отметить, что деление режимов конвективной сушки на мягкие и жесткие можно применить лишь условно, так как качество режима зависит не только от параметров сушильного агента, но и от самого сушимого материала, величины коэффициента диффузии влаги в материале и главным образом от его толщины. Так, мягкий режим сушки для материала толщиной 10 мм, когда его температура в первом периоде остается постоянной и равной температуре мокрого термомет­ ра, окажется жестким для материала, равного по толщине гипсобетон­ ным панелям (80 мм). В этом случае температура поверхности гипсо­ вого изделия может соответствовать температуре, при которой начнет­ ся его дегидратация в самом начале процесса сушки.

Из анализа проведенных работ можно сделать вывод, что для су­ щественной интенсификации процесса сушки гипсобетонных и гипсо­ вых строительных материалов необходимо проведение исследований кинетики их сушки.

Г л а ва в о с ь м а я

ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА ВО ВЛАЖНЫХ ТРЕХФАЗНЫХ СРЕДАХ

1. Молярный перенос влаги в гипсе под действием градиента избыточного давления

Поиск путей и методов интенсификации процесса сушки термоне­ устойчивых капиллярно-пористых тел, к которым относятся гипсобе­ тонные и гипсовые строительные материалы, неразрывно связан с со­ зданием методов интенсификации внутреннего переноса влаги в мате­ риале. Разработка и внедрение таких методов справедливо является основной задачей теории и техники сушки.

113

В отличие от керамических ма­ териалов пластического формова­ ния гипс вводонасыщенном состоя­

нии быстро набирает значительную прочность, что является предпо­ сылкой для создания интенсивных и экономичных способов обезвожи­ вания гипсовых изделий, основан­ ных на молярном переносе жидкой влаги в материале вследствие созда­ ния в нем избыточного давления водяных паров и защемленного воздуха, а также в результате вы­ теснения находящейся в порах изде­ лия свободной влаги иод влиянием приложенного давления воздуха.

В первом случае [1051 проводи­ лись исследования процесса обезво­ живания гипсовых пластин при на­ гревании их электрическим током промышленной частоты. Опыты про­ водились на установке, схема ко­ торой приведена на рис. 52. В ре­ зультате значительного нагрева и создания в образце градиента из­

быточного давления влага из образцов выделялась в капельно-жидком состоянии. Это обстоятельство позволяет существенно интенсифици­ ровать процесс сушки при минимальных затратах электроэнергии.

Физической основой фильтрационного обезвоживания является максимальное использование эффекта молярного переноса жидкости под действием градиента избыточного давления.

На основании экспериментальных исследований в теории тепло- и массопереноса применительно к данному случаю можно записать сле­

где cg — теплоемкость гипсового образца; св — коэффициент, харак­ теризующий емкость капиллярно-пористого тела по отношению к влажному воздуху в процессе движения парогазовой смеси; е' — кри­ терий фазового превращения; 0 — потенциал влагопереноса; ХР{ —

коэффициент молярного переноса влаги; — коэффициент массопроводности; i = l — жидкая фаза; i = 2 — паровая фаза.

114

Основную роль в процессе играет молярный перенос вещества, по­ этому

2 2

2 к у р - » 2 ( ц т е + к р т .

Наиболее значительный перенос влаги происходит под действием дав­ ления, поэтому можем принять, что е' = 0. Оценка члена уравнения, учитывающего конвективный переностеплоты 2cp<X,P(VPW посравнению

с источником теплоты qv показывает, что он составляет незна­ чительную часть теплопереноса. После упрощений система (8.1) при­ мет вид

Основную роль в процессе обезвоживания играет электроконтактное нагревание. Этот процесс проходит в две стадии: прогрев материа­ ла до 100 °С при граничных условиях третьего рода, затем дальней­ ший нагрев, который сопровождается значительным выделением влаги в жидком состоянии. В первой стадии функция распределения тем­ пературы по толщине пластины должна удовлетворять дифференци­ альному уравнению

Опыты показали, что нагрев гипсовой пластины толщиной 2R =

— 0,03 м происходит в течение 2 мин. Коэффициент температуропро­

водности гипса при W = 35 % равен 4,7 • 10-3 м2/ч. При этом Fo = = 0,66. Оценка ряда в уравнении (8.7) позволяет с небольшой погреш­ ностью получить следующую формулу:

Ток во времени на протяжении второго периода уменьшается по экс­ поненциальному закону I = 10ехр (—Ат), т > т1( где /0 — начальный

115

ток второго периода; k — постоянная, равная скорости изменения то­ ка. Удельная мощность источника теплоты также изменяется по экс­ поненциальному закону.

Граничные условия теплообмена второй стадии определяются фа­ зовым переходом на поверхности пластины. Начальное условие опре­ деляется выражением (8.8). Ввиду небольшой толщины исследуемых

Давление при нагревании в данном случае является функцией только температуры, поэтому уравнение (8.3) можно аппроксимировать вы­ ражением

где Рг — давление в материале в конце первой стадии прогрева; с (t) — коэффициент зависимости парциального давления пара от температу­ ры без учета давления защемленного воздуха.

Предполагая постоянство коэффициентов переноса, записываем

Такое предположение оправдано тем, что основной перенос влаги про­ исходит под действием градиента избыточного давления. Тогда из (8.11) и (8.12) получаем

П 6

Интегрируя это выражение, находим изменение влажности во второй стадии процесса обезвоживания

Влажность образца при т -+• оо определяет постоянную интегрирова­ ния с = UK. Результаты экспериментального обезвоживания опытных влажных образцов гипса, представленные на рис. 53, подтверждают характер этой зависимости. Штриховой кривой показана зависимость V (т), построенная по уравнению (8.14) на основании графических ре­ шений [106], так как в исследуемом случае Pd да 16, что намногобольше j.ij, и вид кривой после Fo > 0,2 определяется вторым слагаемым в скобках выражения (8.14).

Теплоизоляция и минимальные размеры каналов для удаления влаги в экспериментальной установке обеспечивают незначительную величину Bi и в соответствии с выражением (8.8) быстрый прогрев об­ разца. Во второй стадии скорость обезвоживания оказывается про­ порциональной интенсивности внутренних источников теплоты. Од­ нако увеличение подводимой к образцу мощности ограничивается низ­ кой прочностью структуры гипса, разрушающейся при повышении порового давления выше 0,4—0,5 МПа.

Для второго случая исследовалась [107] фильтрационная сушка гипсовых материалов, осуществляемая вытеснением находящейся в порах изделия свободной влаги приложенным давлением воздуха.

Кинетика фильтрационной сушки гипсовых образцов исследовалась на экспериментальной установке (рис. 54). Гипсовый образец с задан-

vs

\

\\

/——^

7 ^

/

Рнс. 53. Изменение температуры и влажности образца при нагревании.

Рис. 54. Схема установки для исследования кинетики фильтрационной сушки:

1 — гипсовый образец; 2 - металлический стакан; 3 — резиновые прокладки; 4 — плита: 5 — манометр; 6 — вентиль; 7 — газовый счетчик.

117

1 МПа. Заметное выделение воды из образца начиналось при давлении свыше 0,15 МПа.

Изменение кинетики сушки гипса в зависимости от прикладывае­ мого давления сжатого воздуха при температуре образцов 35 °С пока­ зано на рис. 55 (кривые 1—3). Видно, что с повышением давления до 0,7 МПа процесс выдавливания воды существенно интенсифицируется: увеличивается скорость процесса и количество выдавливаемой влаги. При давлении более чем 0,7 МПа ухудшаются прочностные свойства гипса и значительно увеличивается расход сжатого воздуха.

Кривые удаления влаги из материала отражают три характерных периода: первый соответствует поршневому вытеснению капиллярной влаги с постоянной скоростью (одно- и двухфазная фильтрация) и про­ должается до момента, когда раздел воздуха и воды в наиболее круп­ ных порах доходит до границы материала; второй — период падающей скорости вытеснения влаги, характеризуется постепенным снижением числа пор, в которых раздел воды и воздуха не дошел до границы ма­ териала; третий период соответствует удалению влаги преимуществен­ но благодаря насыщению влагой фильтрующего воздуха. Так как ин­ тенсивность сушки в третьем периоде сравнительно невысока, то про­ цесс фильтрационной сушки можно ограничить двумя периодами.

При повышении температуры гипсовых образцов интенсифициру­ ется процесс выдавливания воды. Эго объясняется снижением ее вяз­ кости и уменьшением вследствие этого сопротивления движению воды в порах. Кроме того, несколько снижается остаточная влажность об­ разцов, что обусловливается увеличением отношения вязкости воздуха и вязкости воды, так как последний показатель при повышении темпе­ ратуры снижается сильнее, чем первый. На рис. 55 (кривая 4) показа­

118

но влияние предварительного подогрева образца на кинетику выдав­ ливания.

Экономически более целесообразно не подогревать изделия, а ис­ пользовать для затворения подогретую воду. Можно заменить ее (час­ тично или полностью) оборотной водой, выдавленной из изделий с тем­ пературой 50—70 °С.

Для определения влияния процесса фильтрационной сушки на ме­ ханические свойства твердеющего гипса вместо цилиндра использо­ вали прямоугольную разборную форму на четыре кубических образца, изготовленную из стали толщиной 10 мм. В форме было отлито 16 об­ разцов с одинаковым водогипсовым фактором. Половину из них под­ вергли фильтрационной сушке при 50 °С в сушильном шкафу до посто­ янной массы вместе с контрольными образцами, которые фильтраци­ онной сушке не подвергались.

Прочность на сжатие образцов, подвергнутых фильтрационной сушке, повышается на 5—10 %. Это можно объяснить частичным уда­ лением растворимых солей, отрицательно сказывающихся на механи­ ческих свойствах гипса.

Исследовалась также фильтрационная сушка гипсобетонных про­ катных панелей. Исследования проводились с формовочной массой следующего состава: строительный гипс Киевского комбината строи­ тельных изделий — 100 частей (по массе), кварцевый песок — 100 и древесные опилки 12. Гипсобетонные образцы формовались в виде ци­ линдров высотой 80 мм. Давление сжатого воздуха изменялось в пре­ делах 0,2—0,9 МПа. Опыты подтвердили высокую скорость процесса фильтрационного обезвоживания гипсобетонных прокатных панелей при давлении воздуха 0,6 МПа и подогреве изделия благодаря исполь­ зованию в качестве воды затворения оборотной (вытесненной из изде­ лия) воды, а также повышение прочности образцов из гипсобетона на 5 -1 0 %.

2.Кинетика фильтрационной сушки

Расчет кинетики фильтрационной сушки для оптимизации режимов и проектирования оборудования обычными методами по осредненным массообменным характеристикам 121, 109] не позволяет получить до­ статочно надежные и точные результаты [ПО], поскольку при этом не учитывается распределение объема пор по размерам.. Однако прямое ис­ пользование распределения пор по размерам также оказывается не­ достаточным, если не учитывается кинетика вытеснения поровой жидкости.

В настоящей работе для определения распределения объема пор по размерам и расчета кинетики фильтрационной сушки используется модель пористой структуры в виде пересекающихся неточных пор, рас­ положенных под углом 30° к поверхности фильтрации. Расчеты коэф­ фициентов воздухопроницаемости пористых материалов по этой моде­ ли удовлетворительно согласуются с экспериментальными данны­ ми [111].

119

Рассмотрим течение жидкости по одиночному неточному капилля­ ру, используя эффективные характеристики длины 1Э= \h (h — тол­ щина материала, £ — коэффициент извилистости пор, | = 2 в соот­ ветствии с моделью работы [111]) и радиуса R9. Уравнение Пуазейля для жидкости, вытесняемой воздухом, запишем в виде

dl Rl(P ~ 2а cos Q/R9)

Распределение объема пор по размерам определялось по методике работы 1112], основанной на вытеснении поровой влаги из образца сжатым воздухом при ступенчатом подъеме давления и измерении расхода воздуха, прошедшего через образец. Кинетика вытеснения по­ ровой жидкости воздухом учитывалась с помощью выражения (8.16) при /п = 0 путем задания времени выдержки образца на ступенях подъема давления. При расчете фильтрационного массопереноса вмес­ то распределения объема пор по размерам использовалось распределе­ ние влагосодержания по капиллярному давлению Рк = 2о cos Q/P3t которое определяется распределением размера пор

Распределение влагосодержания пористого гипса по размерам оп­ ределялось по образцам толщиной 5 • КГ3 м. Максимальное давление сжатого воздуха составляло 0,8 МПа. Результаты представлены на рис. 56. Видно, что зависимость (8.17) позволяет непосредственно оце­ нить минимальное давление сжатого воздуха, необходимое для фильт­ рационного обезвоживания материала до требуемой влажности. Так, для получения из композиции с водогипсовым фактором 1 без специ­ альных приемов (подогрева воды затворения или введения ПАВ) ко­ нечного влагосодержания гипсовых изделий, равного 25, 20 и 12 %, требуется избыточное давление сжатого воздуха соответственно не ни­ же 4 . 106; 5 • 10Б и 75 - 10* Па.

Расчет кинетики процесса фильтрационной сушки гипсовых изде­ лий при выбранном давлении сжатого воздуха ведется следующим об­ разом. Кривая распределения влагосодержания по размерам пор (или

120