Теоретические основы сушки и сушильные устройства (стр. 2 из 2)

Удаление влаги при постоянном объеме изделий вызывает образование пор. Эта влага называется водой пор, и для пластичных масс ее количество составляет 10—18%. Количество усадочной воды зависит от первоначальной влажности массы, в то время как вода пор является величиной постоянной для данной массы.

Воздушная усадка полуфабриката начинается в местах интенсивной влагоотдачи, т. е. с его поверхности. Усадка поверхностных слоев при влажных внутренних слоях сопровождается образованием в них растягивающих усилий. Давление сжимающих поверхностных слоев вызывает сжатие внутренних слоев. Пока масса полуфабриката сохраняет пластические свойства, растягивающие усилия в поверхностном слое компенсируются пластическими деформациями. Если растягивающие усилия превысят прочность, на полуфабрикате образуются поверхностные трещины, что чаще наблюдается в начале сушки.

С перемещением зеркала испарения влаги внутрь массы изделия происходят изменения усадочных напряжений: в поверхностном прочном слое возникают сжимающие усилия; во внутреннем, стремящемся к сокращению объема— растягивающие, в силу прочных связей внутренних и поверхностных слоев. Это иногда приводит к образованию внутренних трещин (структурных), что обычно наблюдается в третьем периоде сушки. С прекращением усадки ослабевают внутренние напряжения и дальнейшее удаление влаги не вызывает деформаций полуфабриката.

При неравномерной сушке в различных сторонах полуфабриката возможно его коробление. При скорости сушки, значительно превышающей допустимую для данной массы, в высушенном полуфабрикате могут сохраниться остаточные напряжения, придающие ему хрупкость.

Величина воздушной усадки зависит от свойства массы и определяет чувствительность ее к сушке. Величина воздушной усадки должна быть минимальной, но достаточной для свободного отделения и освобождения изделий из формы. Повышенная усадка массы сопровождается деформацией, появлением трещин, увеличением остаточных напряжений. Усадка, как и величина усадочных напряжений, регулируется вводом добавочных материалов, изменяющих условия внутренней и внешней диффузии влаги.

Регулирование внутренней диффузии влаги в полуфабрикате достигается согласованными действиями по двум направлениям: замедлением внешней диффузии путем изменения температуры, относительной влажности и скорости теплоносителя и увеличением внутренней диффузии влаги вводом в массу отощающих материалов — кварцевого песка, боя изделий и др. Электролиты с двухвалентным катионом (Са2+ и др.) также снижают формовочную влажность массы, вызывают коагуляцию глинистых частиц, способствуют укрупнению капилляров, освобождая их от взвешенных частиц, улучшают влагопроводность материала, снижая его воздушную усадку. Вакуумирование массы также способствует уменьшению усадки при сушке.

Снижение воздушной усадки массы приобретает особую актуальность в условиях автоматизированного производства ввиду более жестких условий тепловой обработки изделий.

Продолжительность сушки изделий зависит от технологических свойств массы, начальной и конечной температуры полуфабриката и теплоносителя, относительной влажности теплоносителя, размера, вида и конфигурации изделий, температурного режима, конструктивных особенностей сушильных устройств. Она колеблется от 10—13 мин до 4 и более часов в искусственных и до 2 суток в естественных сушилках и может быть сокращена в первом периоде за счет добавки в массу отощающих материалов, а во втором — за счет повышения температуры и скорости теплоносителя.

Использование части отработанного теплоносителя или добавочное увлажнение его при работе на калориферах, а также организация сушки полуфабриката большими объемами теплоносителя сокращают продолжительность второго периода сушки. Сокращение третьего периода сушки достигается повышением температуры.

Исследования показали, что длительность сушки, например фарфоровых и фаянсовых тарелок, может быть значительно сокращена как при одностадийной, так и при двухстадийной сушке при условии цикличной подачи теплоносителя, нагретого до 140—320° С, направленным потоком на изделия со скоростью 1,5—2 м/с (рис. 62). Одностадийная сушка фаянсовых тарелок возможна за 9—10 мин (кривая 1), двухстадийная за 8— 10 мин до влажности 3— 4% (кривая 3). Фарфоровые тарелки можно высушить до влажности 3—4% на гипсовой форме (одностадийная сушка) за 11—16 мин, при двухстадийной сушке до влажности 2—3% за 10—11 мин (кривые 2 и 4). Замена гипсовых форм на формы из других материалов и подача теплоносителя направленным потоком позволяют повысить температуру сушки до 250—320° С при его цикличной подаче. Использование радиационного обогрева позволяет сократить при двухстадийной сушке первую стадию сушки полых изделий до 3—4 мин, вторую стадию сушки плоских изделий — до 10 мин и полых — до 3—4 мин. При любом форсировании процесса сушки скорость ее не должна превышать максимально допустимую, так как возможно растрескивание изделия (на рис. 63 заштрихованная область).

Рис. 62. Изменение влажности при одностадийной сушке на гипсовых формах фаянсовых (1) и фарфоровых (2) тарелок и при двухстадийной сушке фаянсовых (3) и фарфоровых (4) тарелок

Рис. 63. Кривые скорости сушки 1 — максимально допустимой; 2 — фактической; 3 — область вероятного растрескивания изделий

Наименее эффективным при сушке является испарение влаги с полуфабриката методом конвективного нагрева его теплоносителем, так как передача теплоты изделию осуществляется недостаточно интенсивно из-за плохой теплопроводности воздуха, омывающего поверхность изделия, Использование радиационного обогрева электрическими и газовыми излучателями с направленным потоком лучистой энергии на каждое изделие в отдельности наиболее эффективно.

Основным преимуществом новых методов сушки является непосредственное повышение температуры в самом подвергающемся сушке полуфабрикате без участия газовой (воздушной) среды как передатчика теплоты.

Эти методы сушки могут быть различны: кондуктивные, диэлектрические, сверхвысокочастотные или микроволновые. При диэлектрической сушке можно применять прерываемый (импульсный) режим. Недостаток этих методов сушки — высокая стоимость и сложность установок для сушки полуфабриката.

Сушка инфракрасным излучением — один из новых и весьма перспективных методов сушки, широко внедряемый в промышленность совместно с конвективным нагревом. При нагреве полуфабриката инфракрасными лучами происходит поглощение материалом изделия лучистой энергии с длиной волны 140—650 нм с последующим переходом ее в тепловую энергию. Глубина проникновения инфракрасного излучения в керамический полуфабрикат определяется его материалом и структурой, но вообще мала — 0,05—1 мм. Капилляры или поры многократно отражают лучи от своих стенок, энергия этих лучей может поглощаться почти полностью, как абсолютно черным телом. Шероховатость поверхности изделий, наличие царапин, волнистости, загрязнения поверхности увеличивают коэффициент поглощения лучей.

При сушке изделий инфракрасными лучами учитывают, что фарфоровое изделие поглощает значительно большее количество лучистой энергии, а гипсовая форма поглощает ее во много раз меньше, что может привести к ее перегреву. При замене гипсовых форм на формы из других материалов (керамических и др.) опасность их перегрева снижается. Продолжительность сушки изделий 15—30 мин при толщине стенок 2,5— 4 мм. Широкому распространению сушил радиационного типа способствует резкое сокращение продолжительности сушки за счет повышения средней скорости влагоотдачи до 3,25 кг/м2 ч против 0,4 кг/м2 ч, достигаемой при конвективной сушке.

При использовании инфракрасного излучения или комбинированной сушке необходимо обеспечить интенсивный отбор влажного воздуха, так как пары воды, образующиеся над поверхностью изделий, сильно поглощают инфракрасные лучи, снижая тем самым эффективность сушки.

При газовом отоплении в качестве излучателей применяют инжекторные горелки (микрофакельные), при электронагреве — лампы марок ЗС, ЗС-1 и другие мощностью 500 Вт, карбидокремневые нагреватели, металлические нагреватели из нихромовой проволоки. Температура нагрева излучателей около 850—650° С. При сушке в первой стадии в гипсовых формах мощность лучистой энергии определяется необходимостью частичного нагрева гипсовой формы и достигает 25 Вт/см2, в то время как во второй стадии без формы она снижается до 0,2—0,8 Вт/см2. Продолжительность первой стадии сушки 15—20 мин, второй 10—15 мин. Расход электроэнергии в первой стадии сушки около 2 Вт-ч на 1 кг испаряемой влаги.

Организация скоростной, в том числе и высокотемпературной сушки наиболее полно отвечает требованиям автоматизированного производства изделий.