Сушка в туннельных сушилках

    Введение

    При изготовлении многих керамических изделий  сушка оказывает решающее влияние  на качество готовой продукции. Так  трещины, появляющиеся при сушке  многих керамических изделий, выводят  изделия в брак, а трещины в  кирпиче существенно снижают  его качество. В ряде случаев деформация изделий при сушке даже при отсутствии трещин также выводит их в брак либо обусловливает снижение сортности.

    Процесс сушки заметно влияет на экономику  производства, поскольку его осуществление  требует значительных расходов топлива  и электроэнергии, а денежные затраты  на этот процесс составляют 10-20% обшей  себестоимости готовых изделий. Значительны также капиталовложения на сооружение сушильных установок, которые растут в прямой зависимости  от продолжительности процесса сушки.

    Во  многих случаях размеры сушильных  установок и интенсивность процесса сушки лимитируют общий выпуск продукции, являясь так называемым «узким местом», и от возможности увеличения производительности сушильного цеха зависит рост общей  производительной мощности завода. Поэтому  нужно стремиться к такой организации  процесса сушки, в котором сочетались бы получение полуфабриката высокого качества, минимальная продолжительность  процесса и возможно малые расходы  тепла и электроэнергии. 

     2 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБРАННОГО СПОСОБА  ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ

    Сушка полуфабрикатов может быть естественной и искусственной. Естественная протекает на открытом воздухе или под навесом за счет свободного взаимодействия материала с окружающим воздухом. Данный вид сушки не отвечает требованиям по производительности заводов керамического кирпича и необходимому качеству полуфабриката.

    Искусственная сушка осуществляется в специальных устройствах и аппаратах под воздействием нагретого воздуха, дымовых газов тепловых лучей, направленных на материал от излучающих твердых тел (нагревателей), электрического тока при непосредственном контакте материала с нагревателями, а также токами высокой частоты.

    Для сушки керамического кирпича  рационально использовать конвективные сушилки. Контактная электросушка, как и сушка токами высокой частоты имеет сложное аппаратурное оформление процесса в условиях массового поточного производства, а также оказывается дороже конвективной.

    При конвективном методе сушки влага  испаряется вследствие теплового и массообмена между теплоносителем и изделием. В качестве теплоносителя используют нагретый воздух или дымовые газы, получаемые от сжигания топлива. Эти теплоносители являются одновременно и влагопоглотителями, так как передают сырцу тепло и поглощают его влагу.

  Процесс испарения и удаления влаги с поверхности изделия называют внешней диффузией.                                                                                                Скорость внешней диффузии зависит от параметров теплоносителя—температуры и влажности, а также от скорости его движения относительно высушиваемого изделия.

  В результате испарения влаги с поверхности  изделия влага из глубинных слоев  перемещается на его поверхность. Этот процесс называют внутренней диффузией.

  Скорость  внутренней диффузии зависит от влагопроводности сырца и возникающего перепада влагосодержания или градиента влажности. Внутренняя диффузия протекает медленнее внешней.

  Наилучшие условия сушки создаются при  одинаковой скорости внешней и внутренней диффузий. Такие условия возможно создать при правильном выборе режима сушки.

  Т.о выбираем конвективную сушильную установку.  

    3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

    3.1 Характеристика выпускаемой продукции, технология ее изготовления

    Камень лицевой нормального формата 2,1НФ

    КЛ 2,1НФ/250/1.0/50

    Номинальные размеры

    Характеристики:

    Марка                                                                              М 250

    Класс средней плотности                                                   1,4

    Средняя плотность, кг/см³                                                                           1200-1400

    Группа  по теплотехнической характеристике    условно-эффективные

    Предел  прочности при сжатии МПа

        Средний для 5 образцов                                                25,0

         Наименьший для отдельного образца                             20,0

              при изгибе

       Средний для 5 образцов                                                  3,9

       Наименьший для отдельного образца                             2,0

    Марка по морозостойкости                                                F50

      Рисунок 1. Камень формата 2,1 НФ  с 18 квадратными отверстиями и  отверстием для захвата

К лицевым  изделиям в соответствии с ГОСТ 530-2007 предъявляются особые требования:

• Изделие должно иметь не менее двух лицевых граней – ложковую и тычковую.
• Не допускаются отколы, вызванные включениями.
• Не допускаются высолы.
• Не допускаются отбитости углов глубиной более 15 мм.
• Не допускаются отбитости рёбер глубиной более 3 мм и длиной более 15 мм.
• Не допускаются трещины.
• В партии не допускается половняк более 5% объема партии.

    Характеристика  сырьевой смеси.

    В качестве основного компонента используется глина Кыштырлинского месторождения.

    Данная  глина является среднепластичной, среднечувствительной к сушке, среднедисперсной, тугоплавкой (плавящейся при температуре от 1350 до 1582˚С)

    Число пластичности                                                         15

    Коэфициент чувствительности к сушке                    1,55

    Общая усадка                                                                 11,4%

    Воздушная усадка                                 7%

    Т.к. глина является среднепластичной и среднечувствительной к сушке в сырьевую смесь вводят корректирующие добавки.

    В качестве отощающей добавки используется шамот, в количестве 5% от массы глины.

    Полуфабрикаты получают методом пластического  формования в горизонтальном вакуумном ленточном прессе. Для ускорения последующей сушки сырца применяется формовка сырца из горячей глины; подогрев глины до 45—50° осуществляется паром.

    Подготовленный  кирпич-сырец имеет влажность 20%.

    Обоснование режима тепловой обработки.

Основными параметрами, определяющими режим  сушки являются: наибольшая температура нагрева материала, продолжительность сушки, температура, относительная влажность и скорость движения сушильного агента, а также изменение этих параметров в различные периоды сушки.

Данная  сырьевая смесь относится к капиллярнопористой коллоидной группе. В таких материалах превалирует капиллярная и осмотически связанная вода.

 Первый  период сушки (период подогрева)  характеризуется повышением температуры  материала, при этом испарения  влаги практически не происходит.

В этот период важно не допустить конденсации  влаги теплоносителя на изделие. Это может произойти если температура полуфабриката ниже температуры точки росы сушильного агента. Для устранения этого явления предусмотрен нагрев сырьевой смеси перед формованием до температуры 50˚С. В этот период влажность теплоносителя максимальна, около 90%, а температура минимальна около 60 ˚С

Второй  период – период постоянной скорости сушки характеризуется постоянством скорости испарения влаги с открытой поверхности материала. В этот период происходит испарение влаги с  поверхности материала (внешняя  диффузия), и поверхность остается влажной за счет поступления влаги  из внутренних слоев изделия (внутренняя диффузия). Большая разница между скоростями внешней и внутренней диффузии может привести к неравномерной усадке различных слоев изделия. Высушиваемые ранее наружные слои стремятся уменьшить свои размеры, а внутренние слои , сохраняя первоначальный размер препятствуют усадке поверхностых. В  следствие этого на поверхности возникают растягивающие, а внутри тела сжимающие усилия, которые могут вызывать опасные деформации. Величина возникающих напряжений пропорциональна разности влагосодержаний ω_сер = ω_сер - ω_пов

Т.о критерием, определяющим допустимый режи сушки является максимально допускаемый перепад влажности между средней влажностью тела и влажностью на его поверхности.

Учитывая  параметры данной сырьевой смеси устанавливаем начальные параметры периода постоянной скорости сушки:

Температура сушильного агента: 100˚С

Относительная влажность сушильного агента 85%

Скорость  сушильного агента  2 м/с

Интенсивность сушки   0,85% час

По мере сушки в следствии уменьшения влажности изделия и увеличения его прочности можно увеличивать интенсивность сушки на 25-30%, за счет увеличения скорости сушильного агента и его температуры.

Продолжительность этого периода составляет около 65% от всей длительности сушильного процесса. Заканчивается период, когда среднее  содержание влаги понизится до критического ω_{кр (}определяющей прекращение усадки), а на поверхности изделия станет равным максимальной гигроскопической влажности ω_г. При этом частицы твердой фазы приходят в непосредственный контакт (твердая фаза становится непрерывной), и дальнейшее испарение воды происходит только с поверхности капилляров. С этого момента начинается период падающей скорости сушки.

Период  ниспадающей скорости сушки.

Этот  период характеризуется тем, что  при уменьшении влажности (ниже максимальной гигроскопической) материала скорость сушки непрерывно замедляется. Это  объясняется уменьшением внешней  диффузии влаги вследствие понижения  парциального давления водяных паров  у поверхности материала по мере уменьшения влажности последнего. Заканчивается  период при достижении поверхностью материала равновесной влажности, когда скорость сушки становится равной нулю и удаление влаги из материала прекращается.

Учитывая что в этот период скорость сушки не лимитируется усадочными напряжениями, можно допустить более жесткий режим, т.е. повышать температуру, скорость сушильного агента и уменьшать его влажность.

Температура сушильного агента 100˚С;

Относительная влажность сушильного агента 85%;

Скорость  сушильного агента 2,5 м/c;

Максимальная  температура поверхности изделия 100˚С.

Таким образом:

Общее время сушки:                                                                                 20 часов

Средняя температура теплоносителя                                                             85˚С

Средняя относительная влажность теплоносителя                                      80%

Средняя скорость газов в сечении туннеля                                              2,1 м/с

Максимальная  температура нагрева поверхности  полуфабриката          90˚С

     Обоснование типа тепловой установки.

     Для сушки штучных материалов конвекционным  методом могут быть использованы следующие сушильные установки

1. Камерные сушилки
2. Конвейерные сушилки
3. Туннельные сушилки.

     Камерные  сушилки относятся к группе периодически действующих сушилок с циклическим  режимом сушки. Цикл сушки в них состоит из загрузки сырца, собственно сушки и разгрузки. В период загрузки и разгрузки сырца камеры не работают.

     По  мере высушивания кирпича при  одном и том же объеме поступающего теплоносителя расход тепла на испарение  влаги снижается, температура теплоносителя  в камере постепенно повышается, а  его относительная влажность  понижается. Внутри камеры движение теплоносителя  происходит за счет того, что горячий  теплоноситель, как более легкий, устремляется из приточных боковых  каналов вверх, охлаждается и  одновременно насыщается влагой. Вытесняемый  новыми порциями горячего теплоносителя  охлажденный теплоноситель, как  более тяжелый, опускается вниз к  среднему вытяжному каналу. Различная  температура и насыщенность среды  по поперечному сечению камеры вызывают значительную неравномерность сушки  кирпича-сырца. По длине камеры кирпич-сырец  также высыхает неравномерно, что  происходит либо из-за неправильного  распределения отверстий в перекрытиях  подводящих каналов, либо их засорения, либо небольшой скорости теплоносителя.

     Достоинствами таких сушилок является возможность  эксплуатации по дискретному режиму, что исключает необходимость  круглосуточной и непрерывной работы заготовительных цехов, позволяет обеспечить более экономичный расход топлива.

     Главный недостаток камерных сушилок состоит  в неравномерной сушке кирпича-сырца как по длине, так и по сечению камер. Это удлиняет сроки сушки, повышает удельный расход тепла и потери от брака.

     Туннельные  сушилки.

     Туннельные  сушилки  - непрерывно действующие. Их рабочей камерой является туннель, по которому ритмично перемещается высушиваемый материал. Для сушки керамического кирпича обычно используются туннельные сушилки с наземным вагонеточным транспортом.

     Туннельные  сушилки отличаются от камерных рядом  преимуществ. Сушка в них идет при установившемся режиме, без регулирования; создаются более благоприятные  условия для сушки — свежесформованный  кирпич-сырец попадает в среду  влажного с небольшой температурой теплоносителя. По мере высыхания сырца  и продвижения вагонеток к  выгрузочному концу кирпич-сырец  встречает теплоноситель с более  высокой температурой и менее  насыщенный влагой, что снижает неравномерность  сушки. Сроки сушки в туннельных сушилках меньше.

     Недостаткам туннельных сушилок являются: возможность  горизонтального расслоения теплоносителя  по температуре и влажности, наличие  в поперечном сечении туннелей не заполненных кирпичом-сырцом пространств - вагонеточного, пристеночного и подпотолочного. Эти недостатки устраняются путем совершенствования конструкции сушила, применения промежуточной рециркуляции теплоносителя.

     В конвейерных сушилах сырец укладывается на конвейер в один или два ряда по высоте, поэтому влажность сырца  не оказывает особого влияния  на способ садки. Конвейерные сушила позволяют более просто, чем туннельные транспортировать изделия от места формовки к сушилам, а от последних к печам. Такие сушила обычно используются для сушки канализационных труб, сантехкерамики, мелких керамических изделий. Обладают меньшей производительностью по сравнению с туннельными вагонеточными сушилками.

     Т.о. учитывая тип обрабатываемого полуфабриката, выбранный режим тепловой обработки  и необходимую производительность выбираем туннельную вагонеточную сушилку.

    Конструкция выбранной тепловой установки. 

     Было  выбрано противоточное туннельное сушило с рециркуляцией отработанного  теплоносителя.

     Стены сушила выполнены из красного строительного  кирпича толщиной 380 мм. Сверху сушило покрыто железобетонными плитами  толщиной 70мм и слоем шлаковой теплоизоляционной  засыпки толщиной 150мм. Дверки со стороны  подачи и выдачи вагонеток выполнены  из дерева толщиной 50мм.

     Используются  вагонетки сушильные консольные СМК 110-А

     Емкость вагонетки, кирпичей                                           336

     Грузоподъемность, кг                                                       1680

     Количество  полок, шт                                                           6

     Шаг полок, мм                                                                     240

     Масса металлической части вагонетки, кг                   202,4

     Масса деревянной части вагонетки, кг                          24,6 

     Работа  установки ее обслуживание и контроль.

     Туннель снабжен двумя вентиляторами: рециркуляционным 1 и отсасывающим 2. Кроме того туннель обслуживается двумя центробежными вентиляторами: один из которых подает отходящие газы из зоны охлаждения печи в распределительный канал 3, а другой нагнетает в специальный канал 4 холодный воздух . Часть отработанного воздуха отсасывающим вентилятором выбрасывается в атмосферу, остальная часть по каналу 5 забирается циркуляционным вентилятором. Циркуляционный воздух в камере 6 смешивается с отходящими дымовыми газами, поступающими в эту же камеру при открытом положении жалюзийного канала 7 на распределительном канале. 

       Смесь рециркулирующего воздуха и отходящих газов подается в туннель сосредоточено на 7 позиции вагонеток, считая с выгрузочного конца. У самой выгрузочной двери из канала 4 сосредоточенно подается холодный воздух для охлаждения высушенных изделий, который затем несколько согревшись, сливается с общим потоком, протекающим по туннелю. Отработанный воздух отбирается на второй позиции вагонеток, считая от загрузочного конца. Регулирование параметров сушильного агента, поступающего в туннель из камеры 6 автоматизировано: открытие жалюзированного клапана управляется регулятором 8, получающим импульс от дистанционного термометра.

     Перемещение вагонеток по длине сушилки осуществляется по наклонной плоскости за счет собственного веса.  Рельсовые пути уложены  с некоторым уклоном в направлении  движения поезда вагонеток от загрузочного конца к выгрузочному. Для удержания поезда на месте в промежутках между периодическими движениями применяют специальное устройство (рисунок 3).

     Рисунок 3 

     При крайнем правом положении рукоятки 1 ролик педали 2 удерживает за ось первую вагонетку у выгрузочного конца и, следовательно весь поезд внутри туннеля. Вторая педаль 3 расположена так, что ее ролик находится ниже оси скатов вагонеток. При переводе рукоятки 1 в крайнее левое положение педаль 2 опускается, ролик освобождает ось ската первой вагонетки и она может свободно выкатится из туннеля. За первой вагонеткой начинает перемещаться весь поезд, однако, при этом педаль 3 оказывается в верхнем положении и ее ролик удерживает за ось ската второй вагонетки весь надвигающийся поезд.

     Сушилка оборудована системой автоматического регулирования температуры теплоносителя в подводящем канале, количества теплоносителя, температуры и давления по длине туннеля, а также дистанционным включением и выключением вентиляторов и дымососов.

     Кроме этого, сушильная установка оборудована системой автоматизации загрузки: подъема и опускания штор, открывания и закрывания (дверей) туннеля.