Secado rápido por convección de ladrillos huecos

Secado rápido por convección de ladrillos huecos

(FH) Ralf König, ingeniero diplomado, D-Krumbach

Abstracto

Ralf König: secado rápido por convección de ladrillos comunes
El rápido desarrollo que tiene lugar en nuestra sociedad industrial exige un máximo de flexibilidad y disposición para la innovación por parte de las empresas. Esto también se aplica a la tecnología de secado en la industria de la arcilla pesada. Un paso revolucionario en este campo es la introducción de la técnica de secado rápido. Este artículo dará una explicación gráfica del principio de secado rápido de ladrillos estriados.

El rápido desarrollo industrial actual exige que cada empresa lleve a cabo innovaciones tecnológicas con la máxima flexibilidad y rapidez, según su propia situación. Este principio también se aplica al campo de la tecnología de secado en la industria de fabricación de ladrillos. Hace unos 100 años, los ladrillos verdes todavía se secaban en tendederos llamados "hacks" (es decir, secado natural). Hoy en día, este proceso de secado natural está completamente obsoleto. Permitía únicamente una producción estacional, con ciclos de secado de 2 a 3 semanas; los tendederos, o patios de secado al aire libre, sólo podían rotarse entre 10 y 12 veces al año. Sin un número suficiente de tendederos, dicho proceso de secado no podría adaptarse a la producción continua en hornos.

El primer avance en la tecnología de secado fue el llamado "cobertizo de secado de gran capacidad", construido sobre hornos de anillo o en zigzag, utilizando para el secado el aire caliente que ascendía desde la superficie del horno. Esto redujo el ciclo de secado a 10 días.

Los secadores de cámara o de túnel actuales utilizan el calor residual de los hornos de túnel para el secado artificial. El ciclo de secado depende del tipo de producto y de las propiedades de la materia prima, oscilando entre 1 y 3 días. Otro paso revolucionario en este campo fue la introducción de la tecnología de secado rápido, es decir, un tiempo de secado de sólo 1 a 2 horas. Este artículo proporciona una ilustración gráfica del principio de secado rápido para ladrillos huecos de alto vacío y analiza sus perspectivas de inversión.

Origen del secado rápido

A mediados del decenio de 1980 comenzaron a desarrollarse en la República Federal de Alemania fábricas que fabricaban catalizadores industriales. Estos cuerpos de catalizador tenían una sección transversal de 150 mm * 150 mm, una longitud de aproximadamente 1,0 a 1,2 m y una fracción de huecos muy alta. En ese momento, muchos de los secadores de estas fábricas recién desarrolladas procedían de Novokaram. Con respecto a la calidad y el tiempo de secado, los mejores resultados se lograron sólo cuando los cuerpos verdes se sometieron a flujo continuo y cruzado de aire. Si el secado forzado requerido excede un cierto nivel, también influyen otros parámetros de producción, como la velocidad del aire a través de los agujeros y sobre las superficies de los cuerpos verdes, así como el estado de transporte de calor del gas a medida que los cuerpos avanzan. Se descubrió que en algunos casos, debido a que la presión del vapor de agua saturado en el gas excedía con creces la del cuerpo verde, un tercio de los cuerpos secos finalmente resultaban dañados por el agua condensada adsorbida.

El calentamiento por microondas o alta frecuencia serían métodos ideales para calentar el flujo de aire. Sin embargo, se encontraron problemas prácticamente insuperables. Aquí se mencionan dos cuestiones representativas:

a. En algunas regiones, el calentamiento de alta frecuencia se utiliza únicamente para componentes metálicos de equipos, como sensores y fundas para sensores; Naturalmente, las tablas de secado que han llevado cuerpos verdes no se pueden reutilizar.
b. El calentamiento de alta frecuencia genera una considerable electricidad estática en la zona de calentamiento. Incluso una película de agua muy fina sobre el cuerpo verde o entre el cuerpo verde y la tabla de secado de plástico puede hacer que la tabla se queme o incluso se dañe debido a la velocidad de descarga.

Por lo tanto, el método de precalentamiento intermedio mediante placas de secado calentables (para evitar la condensación en los cuerpos verdes) resultó exitoso en la práctica. De hecho, la experiencia adquirida en el secado de catalizadores de Novokaram inspiró la idea de desarrollar una cámara de secado rápido para ladrillos perforados. En los últimos años, Novokaram ha realizado extensas pruebas de secado, con productos que van desde grandes losas (50 * 30 * 300 cm) hasta ladrillos perforados comunes de longitud tradicional. Se ha demostrado sistemáticamente que el secado por convección puede lograr plenamente los resultados requeridos.

Principio básico del secado rápido por convección

El ejemplo más familiar de secado por convección es secar el cabello con un secador de pelo. El principio básico es que el medio de secado (normalmente aire caliente) pasa sobre la prenda a secar, evaporándose y eliminando la humedad. Dado que la evaporación requiere calor, el medio de secado se enfría gradualmente y absorbe más agua durante el proceso (ver Fig. 1). La capacidad del aire para absorber humedad está limitada por un valor que depende de la temperatura: la llamada "presión de vapor de agua saturada". Si se supera este valor, el exceso de humedad natural se condensa en forma de niebla o condensado, lo que es especialmente temido durante el secado. El estado del aire en una cámara de secado suele expresarse en términos de temperatura (°C) y humedad relativa (%). Por cierto, cuando se utiliza un diagrama h-x, estos dos parámetros son valores fundamentales.

Lograr el equilibrio en el estado de flujo

El punto de partida para considerar el secado rápido es que el tiempo de secado de los ladrillos verdes en los secadores tradicionales siempre está determinado por los ladrillos que se secan más lentamente. Esto está directamente relacionado con la posición de los ladrillos verdes en la secadora (ver Fig. 2). Por ejemplo, los ladrillos del exterior se secan mucho más lentamente que los que están más cerca del ventilador del interior. Por lo tanto, a medida que el aire de secado del pasaje intermedio fluye más, su velocidad de flujo disminuye gradualmente, su temperatura cae, se satura más y su capacidad de absorción de humedad disminuye. Incluso cuando se pueden quitar los ladrillos del interior de la secadora, el sistema de secado debe continuar funcionando hasta que los ladrillos mal colocados también estén secos, aunque la mayoría de los ladrillos en la secadora no necesitaron un proceso de secado prolongado.

Por lo tanto, el primer paso para un secado rápido es equilibrar las condiciones del flujo de aire en toda la sección transversal de la circulación directa de aire. De esta forma, el proceso de secado de cada ladrillo verde es independiente de su posición en la secadora, es decir, debe ser el mismo en cualquier momento del secado.

Aumento de la velocidad del aire

Mientras existan condiciones climáticas adecuadas, la velocidad del aire tiene una influencia muy específica en la velocidad de secado. En consecuencia, un aumento en la velocidad del aire acelera la velocidad de secado. Las velocidades bajas producen un flujo laminar uniforme; un ejemplo de flujo relativamente uniforme en la naturaleza es un gran río que fluye tranquilamente. El aumento de la velocidad hace que el flujo sea más turbulento. Una analogía en la naturaleza es un arroyo de montaña que corre por un desfiladero durante el deshielo.

La implicación de la turbulencia en el secado es que hay una capa de aire estacionaria sobre la superficie del cuerpo verde, la llamada capa límite. Esta capa dificulta el secado y se vuelve más delgada durante el proceso de secado (ver Fig. 3). Las partículas de aire que se mueven rápidamente absorben las partículas de agua mucho más fácilmente que las que se mueven más lentamente.

Después de aumentar la velocidad del aire, la velocidad de secado se acelera rápidamente y el contenido de humedad del gas aumenta en más del 5%. Por supuesto, a velocidades de aire más altas, la condición principal que se debe observar es que el estado de flujo continuo del gas debe ser uniforme para lograr resultados satisfactorios. Es decir, los cuerpos verdes en toda la sección transversal deben estar expuestos al flujo de aire y la velocidad del aire debe ser la misma. Es más fácil decirlo que hacerlo y, dadas las condiciones del momento, este estudio experimental llevó más de un año.

Relación de flujo cruzado a flujo pasante

Debido a las nuevas regulaciones recientes sobre aislamiento térmico, el volumen vacío ha aumentado. Esto significa que las paredes interiores de los agujeros son cada vez más delgadas. Estas paredes delgadas de los agujeros tienen sus ventajas y plantean pocos problemas durante el secado, ya que, aparte del diferente espesor de la pared, sólo surge una ligera diferencia: la cantidad de humedad generada es diferente (ver Fig. 4). Si la diferencia en el contenido de humedad es muy pequeña, la diferencia en la contracción también es pequeña y el riesgo de grietas por secado parece muy bajo.

Por otro lado, debido a que el área de superficie juega un papel decisivo en el secado por convección, estos productos huecos de alto vacío tienen una gran superficie interna, aproximadamente tres veces la superficie externa. Por lo tanto, para un contenido de humedad dado, cuanto mayor sea la superficie, más fácil será el secado.

La relación entre el flujo transversal y el flujo pasante para los ladrillos perforados debe satisfacer una determinada proporción. Esta proporción depende de la altura A del espacio entre la superficie superior del cuerpo verde inferior y la superficie inferior de la tabla de secado superior, y del ancho B del espacio entre dos ladrillos adyacentes (como se muestra en la Fig. 6). Sin embargo, debido a las limitaciones de la disposición de los ventiladores en los secadores convectivos y los secadores de túnel, no siempre se puede lograr la relación de flujo adecuada, o no siempre se puede lograr por completo. Un secado rápido exitoso requiere tres condiciones: las condiciones de flujo en toda la sección transversal deben ser las mismas (la misma velocidad del aire para flujo transversal y a través de flujo); la velocidad del aire no debe caer por debajo de cierto valor; y las tasas de flujo cruzado y de flujo pasante para cada ladrillo deben ser consistentes.

Experiencia en el campo del secado rápido

Durante los últimos dos años, Novokaram ha llevado a cabo investigaciones continuas en su fábrica, obteniendo información importante en el campo del modelado aerodinámico. Además, se han confirmado conclusiones teóricas. Basándose en estos principios fundamentales, se construyó una planta de demostración a gran escala para el secado rápido de productos huecos de arcilla y, posteriormente, se equiparon tres fábricas de ladrillos diferentes con el método de secado rápido. Los parámetros característicos de secado relevantes se enumeran como ejemplos a continuación.

Grietas de secado y secado rápido

A menudo se afirma erróneamente que las grietas por secado son una consecuencia directa de la contracción. Como se describe brevemente en este artículo, las grietas por secado no son el resultado directo de la contracción. Las grietas por secado son causadas por una contracción diferencial dentro del cuerpo verde, que a su vez depende de diferentes distribuciones de humedad. En el caso de secado rápido, las masas verdes deben exponerse uniformemente al aire para que las diferencias de humedad generadas sean muy ligeras. Con estos antecedentes en mente, es fácil ver por qué el secado rápido no necesariamente atribuye las grietas por secado a una alta sensibilidad al secado.

Una comparación de ladrillos secados por métodos tradicionales con aquellos secados muy rápidamente confirmó la conclusión anterior. Al mismo nivel de calidad, la calidad de los ladrillos de secado rápido es mayor.

Humedad residual y tiempo de secado

Nuestro objetivo inicial era un tiempo de secado ≤ 2 horas. La humedad residual después del secado depende del ciclo de secado, las especificaciones del producto y las materias primas, y generalmente oscila entre 0,5% y 2,5%. Cabe señalar que extender el proceso de secado solo unos minutos en el secado rápido puede reducir significativamente la humedad residual. En la misma planta, el tiempo de secado tradicional era de aproximadamente 32 a 48 horas, con un contenido de humedad residual de 1,0% a 2,5%. No hubo diferencia en la calidad de cocción entre los productos secados rápidamente y los secados por métodos tradicionales.

Curva de secado óptima

Al igual que en el secado por convección convencional, para un secado rápido se debe encontrar una curva de secado adaptada a la materia prima. La curva de secado rápido puede concebirse como una versión comprimida de la curva de secado tradicional; desde este punto de vista, el secado rápido es simplemente un secado convencional de "movimiento rápido".

Proceso de secado rápido

Si los cuerpos verdes han sido tratados con vapor, es importante, como en el secado normal, transferirlos de la extrusora a la cámara de secado en el menor tiempo posible. Cuanto mayor es la temperatura de los cuerpos verdes, más intenso es el secado temprano, es decir, los cuerpos verdes ya comienzan a secarse a una temperatura más alta, sin una fase de calentamiento gradual en la cámara de secado, evitando así una pérdida de tiempo valiosa.

Ya se ha enfatizado la relación entre el flujo cruzado y el flujo pasante durante el secado. Esta relación depende fundamentalmente de la precisión del ajuste de los ladrillos en el taller. Sin embargo, una mayor precisión de configuración significaría una mayor inversión. Por lo tanto, se llevó a cabo un estudio experimental especial para ver si todavía se podía aceptar un patrón de configuración razonablemente preciso. Los resultados de las pruebas mostraron que las tolerancias de los dispositivos convencionales de ajuste y descarga son aceptables para todo el proceso y no tienen ningún efecto adverso en la relación entre el flujo transversal y el flujo pasante. Esto significa que, en las condiciones tecnológicas actuales, se pueden utilizar dispositivos de ajuste convencionales.

Ventajas del secado rápido

Al presentar un nuevo diseño, todo empresario pregunta inmediatamente sobre sus ventajas, y el secado rápido por convección no es una excepción.

¿Cuáles son las ventajas del secado rápido por convección en comparación con el secado por convección tradicional? El aspecto más fundamental e importante es la calidad. Especialmente la reducción de los requisitos de tiempo es una prioridad. En muchas fábricas diferentes de ladrillos de arcilla se llevaron a cabo pruebas de secado rápido sin establecer curvas de secado complejas, y los ladrillos cocidos obtuvieron buena o muy buena calidad. En comparación con los ladrillos producidos con métodos tradicionales, los ladrillos seleccionados para un secado rápido fueron al menos tan buenos como los secados con métodos tradicionales, incluso sin saber necesariamente si la curva de secado se adaptaba a las materias primas disponibles.

Otra ventaja muy importante es la reducida inversión necesaria para la construcción de una planta de secado rápido. Como se muestra en la Fig. 7, toda la cámara de secado rápido ocupa considerablemente menos espacio en el edificio de producción. Esto significa que, para la misma producción, se reduce la superficie de producción o, alternativamente, se aumenta la producción, logrando un efecto de ahorro. Además, se simplifica el proceso de secado rápido, se acortan las rutas de transporte y se simplifica el equipo de transporte necesario, lo que también contribuye a una menor inversión de capital.

Por último, cabe mencionar algunos datos técnicos. En las cámaras de secado tradicionales, el consumo de calor ronda los 3200-3600 kJ/kg H₂O. El consumo de electricidad depende de las características de eliminación de agua de la propia materia prima. Según los registros de diferentes fábricas de ladrillos, el consumo de electricidad es de 5 a 11 kWh por tonelada de material cocido.

Ejemplo de producción de secado rápido

La Fig. 7 es una representación esquemática del proceso productivo en una fábrica de ladrillos donde se ha sustituido el proceso de secado tradicional por un sistema de secado rápido.

De manera similar, en otras fábricas de ladrillos, los ladrillos verdes se cortan, se colocan sobre tablas de secado y luego se transfieren a carros de secado. Las tablas de secado se colocan sobre los carros de secado, que luego pasan por la cámara de secado rápido. La cabina de secado permanece durante un tiempo determinado en cada compartimento, es decir, en cada etapa prevalecen diferentes condiciones. La velocidad del aire varía en cada compartimento, pero el principio de secado de flujo cruzado y pasante y la velocidad de desplazamiento del carro de secado son los mismos en todos los compartimentos. Cuando el carro secador entra a la circulación, ya se ha completado la mitad del proceso de secado. Durante la etapa de presecado, a medida que se pasa de un compartimento al siguiente, la temperatura aumenta continuamente mientras que la humedad relativa disminuye continuamente. La cámara de secado rápido aquí descrita tiene 10 secciones en cada dirección. Si uno piensa superficialmente en un secador de túnel tradicional, naturalmente consideraría que tiene 20 zonas de secado.

Después de que el carro de secado sale de la cámara de secado rápido, los pasos siguientes continúan como de costumbre. Los ladrillos secos se retiran del carro de secado, se colocan en vagones de horno túnel, esperan ser cargados en el horno y luego quemados. La descarga y el embalaje del horno túnel no se ven afectados por el rápido secado.

Fuente del artículo

Este artículo fue escrito por el autor Ralf König, ingeniero diplomado (D‑Krumbach), y publicado originalmente en International Brick and Tile Industry (ZI‑China Issue), 1996–1998, edición combinada china, Bauverlag GmbH. Se publica aquí únicamente con fines de aprendizaje y referencia. Los derechos de autor pertenecen al autor original y al editor original.

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