Secagem rápida por convecção de tijolos ocos

Secagem Rápida Convectiva de Tijolos Ocos

(FH) Ralf König, Engenheiro Diplomado, D-Krumbach

Resumo

Ralf König: Secagem rápida convectiva de tijolos comuns
O rápido desenvolvimento que ocorre na nossa sociedade industrial exige um máximo de flexibilidade e disponibilidade para a inovação por parte das empresas. Isto também se aplica à tecnologia de secagem na indústria de argila pesada. Um passo revolucionário neste campo é a introdução da técnica de secagem rápida. Este artigo fornecerá uma explicação gráfica do princípio de secagem rápida para tijolos xadrez.

O rápido desenvolvimento industrial de hoje exige que cada empresa realize inovações tecnológicas com a máxima flexibilidade e rapidez, de acordo com a sua situação. Este princípio também se aplica ao campo da tecnologia de secagem na indústria de tijolos. Cerca de 100 anos atrás, os tijolos verdes ainda eram secos em escorredores chamados “hacks” (ou seja, secagem natural). Hoje, esse processo de secagem natural está completamente ultrapassado. Permitia apenas a produção sazonal, com ciclos de secagem de 2 a 3 semanas; os escorredores, ou pátios de secagem ao ar livre, só podiam ser virados 10 a 12 vezes por ano. Sem um número suficiente de racks de secagem, tal processo de secagem não poderia se adaptar à produção contínua em forno.

O primeiro desenvolvimento na tecnologia de secagem foi o chamado “galpão de secagem de grande capacidade”, construído sobre fornos circulares ou fornos em ziguezague, utilizando o ar quente que sobe da superfície do forno para a secagem. Isso reduziu o ciclo de secagem para 10 dias.

Os secadores de câmara ou de túnel atuais utilizam o calor residual dos fornos de túnel para secagem artificial. O ciclo de secagem depende do tipo de produto e das propriedades da matéria-prima, variando de 1 a 3 dias. Outro passo revolucionário neste campo foi a introdução da tecnologia de secagem rápida, ou seja, um tempo de secagem de apenas 1–2 horas. Este artigo fornece uma ilustração gráfica do princípio de secagem rápida para tijolos vazados de alto volume e discute suas perspectivas de investimento.

Origem da secagem rápida

Em meados da década de 1980, começaram a desenvolver-se fábricas na República Federal da Alemanha que fabricavam catalisadores industriais. Esses corpos catalíticos tinham uma seção transversal de 150 mm x 150 mm, um comprimento de cerca de 1,0 a 1,2 m e uma fração de vazios muito alta. Naquela época, muitos dos secadores dessas fábricas recém-desenvolvidas vinham de Novokaram. No que diz respeito à qualidade e ao tempo de secagem, os melhores resultados foram alcançados apenas quando os corpos verdes foram submetidos a fluxo de ar contínuo e cruzado. Se a secagem forçada necessária exceder um determinado nível, outros parâmetros de produção também desempenham um papel, como a velocidade do ar através dos orifícios e sobre as superfícies dos corpos verdes, bem como o estado de transporte de calor do gás à medida que os corpos avançam. Verificou-se que, em alguns casos, como a pressão do vapor de água saturado no gás excedeu em muito a do corpo verde, um terço dos corpos secos acabou por ser danificado pela água condensada adsorvida.

O aquecimento por microondas ou de alta frequência seriam métodos ideais para aquecer o fluxo de ar. No entanto, foram encontrados problemas praticamente intransponíveis. Duas questões representativas são mencionadas aqui:

um. Em algumas regiões, o aquecimento de alta frequência é usado apenas para componentes metálicos de equipamentos, como sensores e mangas de sensores; naturalmente, as tábuas de secagem que continham corpos verdes não podem ser reutilizadas.
b. O aquecimento de alta frequência gera eletricidade estática considerável na zona de aquecimento. Mesmo a película de água muito fina no corpo verde ou entre o corpo verde e a placa de secagem de plástico pode causar queimaduras ou até mesmo danos à placa devido à taxa de descarga.

Portanto, o método de pré-aquecimento intermédio por meio de placas de secagem aquecíveis (para evitar a condensação nos corpos verdes) revelou-se bem sucedido na prática. Na verdade, a experiência adquirida na secagem catalítica da Novokaram inspirou a ideia de desenvolver uma câmara de secagem rápida para tijolos perfurados. Nos últimos anos, a Novokaram conduziu extensos testes de secagem, com produtos que vão desde grandes lajes (50 * 30 * 300 cm) até tijolos perfurados comuns de comprimento tradicional. Verificou-se consistentemente que a secagem convectiva pode atingir plenamente os resultados desejados.

Princípio Básico de Secagem Rápida Convectiva

O exemplo mais familiar de secagem convectiva é secar o cabelo com secador de cabelo. O princípio básico é que o meio de secagem (geralmente ar quente) passe sobre a peça a ser seca, evaporando e removendo a umidade. Como a evaporação requer calor, o meio de secagem esfria gradualmente e absorve mais água durante o processo (ver Fig. 1). A capacidade do ar para absorver humidade é limitada por um valor dependente da temperatura – a chamada “pressão de vapor de água saturada”. Se este valor for ultrapassado, o excesso de humidade natural condensa-se sob a forma de nevoeiro ou condensado, o que é particularmente temido na secagem. O estado do ar numa câmara de secagem é normalmente expresso em termos de temperatura (°C) e humidade relativa (%). Aliás, ao usar um diagrama h‑x, estes dois parâmetros são valores fundamentais.

Alcançando o equilíbrio no estado de fluxo

O ponto de partida para considerar a secagem rápida é que o tempo de secagem dos tijolos verdes nos secadores tradicionais é sempre determinado pelos tijolos que secam mais lentamente. Isto está diretamente relacionado com a posição dos tijolos verdes no secador (ver Fig. 2). Por exemplo, os tijolos do lado de fora secam muito mais lentamente do que aqueles mais próximos do ventilador do lado de dentro. Assim, à medida que o ar de secagem da passagem central flui mais, a sua velocidade de fluxo diminui gradualmente, a sua temperatura cai, torna-se mais saturado e a sua capacidade de absorção de humidade diminui. Mesmo quando os tijolos no interior do secador podem ser removidos, o sistema de secagem deve continuar a funcionar até que os tijolos mal posicionados também estejam secos – mesmo que a maioria dos tijolos no secador não necessite do processo de secagem prolongado.

Portanto, o primeiro passo na secagem rápida é equilibrar as condições do fluxo de ar em toda a secção transversal da circulação direta de ar. Dessa forma, o processo de secagem de cada tijolo verde independe de sua posição no secador – ou seja, deve ser o mesmo em qualquer momento da secagem.

Aumentando a velocidade do ar

Desde que existam condições climáticas adequadas, a velocidade do ar tem uma influência muito específica na taxa de secagem. Um aumento na velocidade do ar acelera a taxa de secagem de acordo. Baixas velocidades produzem um fluxo laminar uniforme - um exemplo de fluxo relativamente uniforme na natureza é um grande rio que flui silenciosamente. Aumentar a velocidade torna o fluxo mais turbulento. Uma analogia na natureza é um riacho de montanha correndo por um desfiladeiro durante o degelo.

A implicação da turbulência na secagem é que existe uma camada de ar estacionária na superfície do corpo verde, a chamada camada limite. Esta camada dificulta a secagem e torna-se mais fina durante o processo de secagem (ver Fig. 3). As partículas de ar que se movem rapidamente absorvem as partículas de água com muito mais facilidade do que as que se movem mais lentamente.

Depois de aumentar a velocidade do ar, a taxa de secagem acelera rapidamente e o teor de umidade do gás aumenta em mais de 5%. É claro que, em velocidades de ar mais elevadas, a condição primária a ser observada é que o estado de fluxo contínuo do gás seja uniforme para obter resultados satisfatórios. Ou seja, os corpos verdes em toda a secção transversal devem estar expostos ao fluxo de ar e a velocidade do ar deve ser a mesma. É mais fácil falar do que fazer e, nas condições da época, este estudo experimental demorou mais de um ano.

Proporção entre fluxo cruzado e fluxo direto

Devido às recentes novas regulamentações sobre isolamento térmico, o volume vazio tornou-se maior. Isto significa que as paredes internas dos furos estão se tornando cada vez mais finas. Estas paredes de furos finos têm as suas vantagens e apresentam poucos problemas na secagem, porque, para além das diferentes espessuras da parede, surge apenas uma ligeira diferença – a quantidade de humidade gerada é diferente (ver Fig. 4). Se a diferença no teor de umidade for muito pequena, a diferença no encolhimento também será pequena e o risco de fissuras secas parecerá muito baixo.

Por outro lado, como a área de superfície desempenha um papel decisivo na secagem convectiva, estes produtos ocos com elevado volume de vazios têm uma grande área de superfície interna – cerca de três vezes a área de superfície externa. Assim, para um determinado teor de humidade, quanto maior for a área superficial, mais fácil será a secagem.

A relação entre fluxo cruzado e fluxo direto para tijolos perfurados deve satisfazer uma certa proporção. Esta proporção depende da altura A do vão entre a superfície superior do corpo verde inferior e a superfície inferior da tábua de secagem superior, e da largura B do vão entre dois tijolos adjacentes (como mostrado na Fig. 6). No entanto, devido às limitações da disposição dos ventiladores em secadores convectivos e secadores de túnel, a taxa de fluxo adequada nem sempre pode ser alcançada – ou totalmente alcançada. Uma secagem rápida bem sucedida requer três condições: as condições de fluxo em toda a secção transversal devem ser as mesmas (mesma velocidade do ar para fluxo cruzado e fluxo direto); a velocidade do ar não deve cair abaixo de um determinado valor; e as taxas de fluxo cruzado e de passagem para cada tijolo devem ser consistentes.

Experiência na área de secagem rápida

Nos últimos dois anos, a Novokaram realizou pesquisas contínuas em sua fábrica, obtendo informações importantes na área de modelagem aerodinâmica. Além disso, conclusões baseadas em teoria foram confirmadas. Com base nestes princípios fundamentais, foi construída uma instalação de demonstração em grande escala para a secagem rápida de produtos ocos de argila e, posteriormente, três olarias diferentes foram equipadas com o método de secagem rápida. Os parâmetros característicos de secagem relevantes estão listados como exemplos abaixo.

Secagem Rápida e Rachaduras de Secagem

Muitas vezes é afirmado erroneamente que as fissuras de secagem são uma consequência direta do encolhimento. Conforme brevemente descrito neste artigo, as fissuras de secagem não são o resultado direto do encolhimento. As fissuras de secagem são causadas pelo encolhimento diferencial dentro do corpo verde, que por sua vez depende de diferentes distribuições de umidade. Na secagem rápida, os corpos verdes devem ser expostos uniformemente ao ar para que as diferenças de umidade geradas sejam muito pequenas. Com este contexto em mente, é fácil ver por que a secagem rápida não atribui necessariamente as fissuras de secagem à alta sensibilidade de secagem.

Uma comparação entre tijolos secos por métodos tradicionais e tijolos secos confirmou muito rapidamente a conclusão acima. No mesmo nível de qualidade, a qualidade dos tijolos de secagem rápida é superior.

Umidade residual e tempo de secagem

Nossa meta inicial era um tempo de secagem ≤ 2 horas. A umidade residual após a secagem depende do ciclo de secagem, das especificações do produto e das matérias-primas, geralmente variando de 0,5% a 2,5%. Deve-se notar que prolongar o processo de secagem por apenas alguns minutos em secagem rápida pode reduzir significativamente a umidade residual. Na mesma fábrica, o tempo de secagem tradicional foi de cerca de 32 a 48 horas, com teor de umidade residual de 1,0% a 2,5%. Não houve diferença na qualidade da queima entre produtos secos rapidamente e aqueles secos por métodos tradicionais.

Curva de secagem ideal

Tal como acontece com a secagem convectiva convencional, deve ser encontrada uma curva de secagem adaptada à matéria-prima para uma secagem rápida. A curva de secagem rápida pode ser concebida como uma versão comprimida da curva de secagem tradicional – nesta visão, a secagem rápida é apenas uma secagem convencional de “movimento rápido”.

Processo de Secagem Rápida

Se os corpos verdes tiverem sido tratados com vapor, é importante – como na secagem normal – transferi-los da extrusora para a câmara de secagem no menor tempo possível. Quanto maior a temperatura do corpo verde, mais intensa é a secagem precoce – ou seja, os corpos verdes já iniciam a secagem em temperatura mais elevada, sem fase de aquecimento gradual na câmara de secagem, evitando assim perda de tempo valioso.

A relação entre fluxo cruzado e fluxo direto durante a secagem já foi enfatizada. Esta proporção depende criticamente da precisão da colocação dos tijolos na oficina. No entanto, uma maior precisão de configuração significaria um maior investimento. Portanto, um estudo experimental especial foi conduzido para verificar se um padrão de configuração razoavelmente preciso ainda poderia ser aceito. Os resultados dos testes mostraram que as tolerâncias dos dispositivos convencionais de assentamento e descarregamento são aceitáveis ​​para todo o processo e não têm efeito adverso na relação entre fluxo cruzado e fluxo direto. Isto significa que, nas actuais condições tecnológicas, podem ser utilizados dispositivos de regulação convencionais.

Vantagens da secagem rápida

Ao introduzir um novo design, cada empresário pergunta imediatamente sobre as suas vantagens – e a secagem rápida por convecção não é exceção.

Quais são as vantagens da secagem rápida convectiva em comparação com a secagem convectiva tradicional? O aspecto mais fundamental e importante é a qualidade. Especialmente a redução dos requisitos de tempo é uma prioridade. Em diversas fábricas de tijolos de barro, foram realizados testes de secagem rápida sem estabelecer curvas de secagem complexas, e os tijolos cozidos obtiveram qualidade boa ou muito boa. Quando comparados com os tijolos produzidos por métodos tradicionais, os tijolos selecionados para secagem rápida eram pelo menos tão bons quanto os secos por métodos tradicionais – mesmo sem necessariamente saber se a curva de secagem estava adaptada às matérias-primas disponíveis.

Outra vantagem muito importante é a redução do investimento necessário para a construção de uma planta de secagem rápida. Como mostrado na Fig. 7, toda a câmara de secagem rápida ocupa consideravelmente menos espaço no edifício de produção. Isto significa que, para a mesma produção, a área de produção é reduzida ou, alternativamente, a produção é aumentada – conseguindo um efeito de poupança. Além disso, o processo de secagem rápida é simplificado, as rotas de transporte são encurtadas e o equipamento de transporte necessário é simplificado, o que também contribui para reduzir o investimento de capital.

Finalmente, alguns dados técnicos devem ser mencionados. Nas câmaras de secagem tradicionais, o consumo de calor é de cerca de 3.200–3.600 kJ/kg H₂O. O consumo de energia elétrica depende das características de remoção de água da própria matéria-prima. De acordo com registos de diferentes olarias, o consumo de electricidade é de 5–11 kWh por tonelada de material queimado.

Exemplo de produção de secagem rápida

A Fig. 7 é uma disposição esquemática do processo de produção numa olaria onde o processo de secagem tradicional foi substituído por um sistema de secagem rápida.

Da mesma forma, em outras olarias, os tijolos verdes são cortados, colocados em tábuas de secagem e depois transferidos para carros de secagem. As tábuas de secagem são colocadas nos carros de secagem, que passam pela câmara de secagem rápida. O carro secador permanece por um determinado tempo em cada compartimento – ou seja, prevalecem condições diferentes em cada etapa. A velocidade do ar varia em cada compartimento, mas o princípio de secagem do fluxo cruzado e do fluxo direto e a velocidade de deslocamento do carro de secagem são os mesmos em todos os compartimentos. Quando o carro secador entra em circulação, metade do processo de secagem já foi concluído. Durante a fase de pré-secagem, à medida que se move de um compartimento para o outro, a temperatura aumenta continuamente enquanto a humidade relativa diminui continuamente. A câmara de secagem rápida aqui descrita possui 10 seções em cada direção. Se pensarmos superficialmente em um secador de túnel tradicional, naturalmente consideraríamos que ele possui 20 zonas de secagem.

Depois que o carro de secagem sai da câmara de secagem rápida, as etapas subsequentes prosseguem normalmente. Os tijolos secos são retirados do vagão de secagem, colocados nos vagões do forno túnel, aguardando para serem carregados no forno e depois queimados. A descarga e embalagem do forno túnel não são afetadas pela secagem rápida.

Fonte do artigo

Este artigo foi escrito pelo autor Ralf König, Diploma Engineer (D‑Krumbach), e publicado originalmente na International Brick and Tile Industry (ZI‑China Issue), 1996–1998, edição combinada chinesa, Bauverlag GmbH. Ele é postado aqui apenas para fins de aprendizagem e referência. Os direitos autorais pertencem ao autor original e ao editor original.

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