Способ объемного нагрева и упрочнения диэлектрических капиллярно-пористых коллоидных материалов

 

Сущность изобретения: способ объемного нагрева и упрочнения включает предварительное увлажнение и уплотнение материалов и использование электрического тока с напряжением 50 - 20 В путем передачи положительного напряжения от анода к нагреваемому объекту посредством электропроводной жидкости, увлажняющей слой капиллярно-пористого материала, отделяющий анод от непосредственного контакта с объектом нагрева, причем нагреваемый материал перед пропусканием тока пропитывают жидким электролитом и уплотняют в закрытом пространстве. В качестве электропроводной жидкости используют водные 0,5 - 5,0% растворы солей металлов, обработку электрическим током производят и при непрерывном перемещении уплотнений массы по трубопроводу переменного сечения, а подвод тока выполняют по периметру внутренней поверхности трубопровода в зоне наибольшего уплотнения массы, при этом перед обработкой током материал подвергают вакуумированию. Предлагаемый способ позволяет производить ускоренный равномерный нагрев всей массы нагреваемого материала и при этом в десятки раз снижается расход энергоносителя. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к физико-химическим процессам нагрева и упрочнения диэлектрических капиллярно-пористых коллоидных материалов, например: силикатов, керамики, кирпича, бетона древесины и др. и может быть использовано как нетрадиционный, эффективный, энергосберегающий, новый способ ускоренного объемного нагрева и упрочнения полуфабрикатов и изделий в различных отраслях народного хозяйства, в частности в промышленности строительных материалов для интенсификации процессов нагрева и упрочнения керамических масс, для улучшения технологических свойств этих материалов и полуфабрикатов, для повышения качества изделий и, что особенно важно для значительного снижения удельных энергетических затрат на этих технологических операциях при производстве изделий.

В различных отраслях промышленности широко применяют объемный нагрев коллоидных материалов и изделий с целью улучшения структуры и свойств: пароувлажнение керамических масс и бетона; сушка, спекание и обжиг керамического кирпича и бетона, обезвоживание древесины и т.д.

Существенным недостатком известных способов объемного нагрева этих материалов является перепад температуры по сечению нагреваемого объекта, т.е. объемная неравномерность нагрева, а также большая энергоемкость и длительность процесса нагрева из-за низкой теплопроводности материалов и значительных непроизводительных потерь тепла, вызванных несовершенством используемых методов нагрева.

Эти недостатки обусловлены природой (механизмом) протекающих процессов теплопередачи и теплообмена при использовании известных способов объемного нагрева материалов. Как правило, тепло подводится к наружной поверхности нагреваемого объекта и вследствие диффузии распространяется вглубь, а так как тепло может передвигаться только от более нагретых участков объема к менее нагретым, то неизбежно возникает объемная неравномерность нагрева материала по сечению со всеми негативными последствиями такого процесса теплообмена, т. е. при применении известных способов процесс нагрева материала сопровождается возникновением термических напряжений, короблением, трещинами, неоднородностью структуры и свойств по сечению.

Устранение вышеуказанного недостатка объемного нагрева диэлектрических коллоидных материалов с помощью известных способов является проблемной задачей.

Целью технического решения является обеспечение равномерности объемного нагрева и упрочнения материала, снижение энергетических затрат на этой операции и, как следствие, улучшение технологических свойств материала, повышение качества изделий и снижение себестоимости продукции.

Анализ показывает, что эта цель может быть реализована только в двух случаях: 1. Когда материал обладает сверхвысокой теплопроводностью. Тогда при обычном подводе тепла со стороны поверхностных слоев не будет заметного перепада температуры нагрева между внутренними и периферийными слоями, т.е. высокая теплопроводность обеспечит равномерность объемного нагрева материала.

2. Когда нагреву одновременно подвергается вся масса материала, т.е. тепло подводится таким образом, что нагреву подвергаются одновременно и внутренние и поверхностные слои материала.

Решение задачи по первому варианту не известно, а по второму в технике такой процесс нагрева возможен, например, для гетерогенных (многокомпонентных) материалов, находящихся в механической смеси между собой.

Так, если приготовить равномерную механическую смесь из двух порошкообразных материалов: диэлектрика и проводника электрического тока и пропустить ток, то в результате омического электросопротивления проводника будет выделяться джоулевое тепло и вся масса такого материала будет подвергаться одновременному равномерному объемному нагреву при прохождении электрического тока. При этом, если материал-диэлектрик обладает относительно высокой огнеупорностью, а материал-проводник относительно низкой температурой перехода в газообразное состояние, и эту смесь поместить в закрытое пространство и пропустить электрический ток такой силы, чтобы в результате нагрева проводник перешел частично или полностью в газообразное состояние, то в закрытой полости возникает значительное давление из-за стремления проводника увеличить занимаемый объем.

Так известно, что переход вещества из твердого или жидкого состояния в газообразное сопровождается весьма значительным увеличением объема (по литературным данным в 1860 раз). Увеличение объема вещества при переходе его в газообразное состояние это результат мгновенного разрушения всех видов межмолекулярных связей, при котором высвобождается (выделяется) громадная энергия (скрытая потенциальная энергия вещества).

В технике известно много примеров использования энергии, выделяемой при преднамеренном переводе вещества из твердого или жидкого состояния в газообразное. Это причина выстрела (полета) снаряда или пути, движение пароходов, принцип выработки электроэнергии на тепловых электростанциях и т.д.

Известным техническим решением, использующим аналогичное физическое явление может служить способ упрочнения внутренних полостей изделий (авт.св. СССР N 346354). Техническая сущность этого способа заключается в том, что полость изделия заполняют песчано-глинистой смесью (капиллярно-пористым коллоидным материалом), затем это изделие нагревают в печи до температуры выше 500^o C и погружают в жидкую среду (воду).

После погружения нагретого изделия в жидкость, последняя проникает в поры в полости изделия (явление осмоса). Так как масса жидкости в поровом пространстве относительно массы всего нагретого изделия, включая песчано-глинистую смесь, мала, а температура изделия значительно превышает температуру парообразования жидкости, то последняя быстро превращается в пар. В результате парообразования в закрытом пространстве взрывообразно выделяющаяся энергия переходит в механическую энергию удара на внутренние стенки полости изделия, что обуславливает поверхностное упрочнение материала (наклеп).

Выделяющаяся при парообразовании, так называемая, энергия увеличения объема вещества по количественному показателю, значительно превосходит количество энергии, затраченной на парообразование всей массы жидкости, превращенной в пар, и может стать источником (основой) создания энергосберагающих технологий.

Более близким по техническому замыслу к предлагаемому способу является способ формования керамического кирпича выдавливанием глиняной массы через мундштук ленточного пресса с использованием электроосмоса, при котором электрическое поле создают в полости мундштука, присоединяя к его корпусу катод, а к движущемуся глиняному брусу анод, и пропуская через формуемую массу постоянный электрический ток [1] Недостаток способа состоит в стабильности процесса электроосмоса из-за образования сухого слоя керамики на аноде, что либо вообще прерывает протекание тока через формуемую смесь, либо сопряжено с большими энергозатратами, если источник тока имеет неограниченную мощность.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу по совокупности общих существенных признаков является способ [2] который стабилизирует процесс электроосмоса по времени, т.е. позволяет диэлектрическому по свойствам материалу стать слабым проводником электрического тока, на достаточном для осуществления электроосмоса.

Этот способ неэффективен для использования его в качестве метода объемного нагрева материала из-за большого расхода электроэнергии, нестабильности в достижении равномерности нагрева и сложности в обеспечении управления процессом нагрева материала.

Для обеспечения равномерного нагрева и упрочнения всего объема материала и снижения энергетических затрат, а также для возможности регулирования и управлять процессом нагрева предлагается способ объемного нагрева и упрочнения диэлектрических капиллярно-пористых коллоидных материалов, включающий их увлажнение, уплотнение и использование постоянного электрического тока путем передачи положительного потенциала от анода к нагреваемому объекту посредством электропроводной жидкости, увлажняющей слой капиллярно-пористого материала, отделяющего анод от непосредственного контакта с объектов нагрева.

Отличие предлагаемого способа от известного выражается в том, что нагреваемый материал предварительно пропитывают (увлажняют) электропроводной жидкостью, затем уплотняют в закрытом пространстве и пропускают постоянный электрический ток с напряжением 50 250 В.

В качестве электропроводной жидкости используют, например, водные 0,5 - 5,0% -ные растворы солей металлов, обработку материала электрическим током производят и при непрерывном перемещении уплотненной массы по трубопроводу переменного сечения, а подвод тока выполняют по периметру внутренней поверхности трубопровода в зоне наибольшего уплотнения массы, при этом перед обработкой током материал подвергают вакуумированию.

Существо предлагаемого способа сводится к следующему: во-первых, в качестве объекта нагрева по предлагаемому способу используются только изделия и массы из диэлектрических капиллярно-пористых коллоидных материалов. В сухом состоянии эти материал диэлектрики, а во влажном проводники второго рода. По своему строению этот класс материалов содержит многочисленные капилляры и поры, заполненные воздухом в сухом состоянии, а во влажном водой, т.е. материалы обладающие высокой гигроскопичностью; во-вторых, для улучшения проводимости электрического тока материал дополнительно пропитывают жидкими электролитами, одним из требуемых свойств которых является низкая температура перехода в газообразное состояние, например, водные растворы солей металлов с невысокой концентрацией солей (0,5 5,0); в третьих, в качестве электролитической энергии используется постоянный электрический ток, для направленного перемещения влаги от анода к катоду, что способствует более эффективному заполнению порогового пространства электропроводной жидкостью и обеспечивает тем самым равномерный нагрев всей массы материала; в четвертых, нагреваемый материал необходимо уплотнять в закрытом пространстве для обеспечения эффективности процесса нагрева при наименьшем расходе энергоносителя.

При пропускании электрического тока, часть подводимой электрической энергии расходуется на преодоление электросопротивления материала, которая выделяется в виде джоулевого тепла, расходуемого главным образом на нагрев проводника-электролита, заполнившего капилляры, главным образом, на нагрев проводника-электролита, заполнившего капилляры и поры нагреваемого материала, так как при подключении диэлектрического материала в электрическую цепь электрический заряд может перемещаться только по многочисленным капиллярам и порам, являющимися проводниками электрического тока. А так как капилляры - проводники тока пронизывают весь объем материала, то обеспечивается при пропускании тока равномерное выделение тепла по всему объему материала и равномерный его нагрев.

В предлагаемом способе отличительные признаки: материал предварительно пропитывают электропроводной жидкостью; пропускают постоянный ток с напряжением 50 250 В; материал перед обработкой током подвергают вакуумированию, обеспечивают необходимые и достаточные условия для стабильного прохождения тока по всему объему нагреваемого материала.

Указанные пределы напряжения тока являются оптимальными и обеспечивают регулировку процесса нагрева материала в широком диапазоне температур. При напряжении ниже 50 В существенно снижается сила тока, т.е. количество электричества, проходимого в ед. времени, и следовательно, интенсивность объемного нагрева, а при напряжении выше 250 В ухудшается экономичность процесса, при этом эффективность практически не увеличивается, поэтому для процесса нагрева напряжение выше 250 В не рационально.

Предлагаемые пределы концентрации растворов солей металлов также являются оптимальными. Электропроводность жидкости, в которой соли металлов растворены в указанных пределах, в сочетании с током заявленном диапазоне напряжений позволяют регулировать процесс нагрева материала в широком диапазоне температур и обеспечить высокую интенсивность нагрева. Вакуумирование материала, т.е. отсос воздуха улучшает равномерность и интенсивность процесса нагрева. Однако эффективность этой операции наблюдается только при создании вакуума в пределах 0,9 1,0 атм.

Уплотнение материала в закрытом пространстве, как необходимое условие, в совокупности с остальными отличительными признаками обеспечивает в данном способе эффективное выполнение второй важнейшей задачи, обеспечивающих экономическую целесообразность, а именно снижение энергетических затрат за счет эффективного использования энергии увеличения объема при парообразовании жидкости.

Исследования показали, что предлагаемый способ позволяет в десятки и даже в сотни раз снизить расход (потребление) энергоносителя нагрев материала, в данном случае расход электроэнергии по сравнению с традиционным пароувлажнением керамической смеси на операции формования кирпича. Чем дисперснее строение материала, т.е. выше процент глинистой составляющей в керамической смеси и больше степень ее уплотнения, тем меньший объем занимает в материале поровое пространство, и тем эффективнее и экономичнее процесс нагрева.

При меньшем расходе электроэнергии, выделяемое джоулевое тепло при прохождении тока по капиллярам оказывается достаточным для превращения жидкости, заполнившей капилляры, в газообразное состояние.

При нагревании материала в закрытом пространстве под воздействием электрического тока выделяемая энергия при парообразовании жидкости частично расходуется на уплотнение (упрочнение) массы, частично на нагрев окружающей среды, т.е. всего объема материала, но при этом образовавшийся пар снова конденсируется во влагообразное состояние.

При непрерывном прохождении тока процесс парообразования и конденсации влаги повторяется до тех пор пока нагреваемый материал не достигнет температуры парообразования жидкости и процесс конденсации пара прекратится. В этом случае будет достигнуто практически максимальное упрочнение (уплотнение) материала, а процесс нагрева материала будет продолжаться до тех пор будет сохраняться электропроводность материала или не произойдет разрушение оболочки, т.е. когда внутреннее давление превысит прочность материала оболочки. Из механизма нагрева материала по предлагаемому способу следует:
1. Нагрев материала можно производить до температуры, при которой большая часть объема затворенной влаги практически превратится в пар и дальнейшее ведение процесса станет или нерациональным или невозможным.

2. Из-за высокой интенсивности процесс нагрева материала целесообразно осуществлять при его непрерывном перемещении (движении) через закрытую полость.

3. Процесс нагрева материала должен предусматривать возможность управления, т.е. должен быть регулируемым.

Предлагаемый способ и его варианты полностью удовлетворяют вышеперечисленным требованиям.

Предлагаемый способ используется для нагрева керамической смеси при формовании кирпича на ленточном прессе взамен пароувлажнения смеси.

Вариантом устройства для осуществления предлагаемого способа может служить известное устройство [2]
На фиг. 1 и 2. представлена схема устройства для электроосматической обработки глиняного бруса.

Устройство состоит из мундштука 17, крепежной плиты 6, анодного узла 7, удлинителя мундштука 4, закрепленных шпильками 15 и гайками 16 к головке пресса 3, а также автономной емкости 11, системы электропитания и пульта управления (фиг. 2)
Анодный узел подключен к положительному полюсу источника питания; мундштук, крепежная плита и удлинитель мундштука к отрицательному, т.е. являются катодом. Для охлаждения анодного узла и автономной циркуляции электропроводной жидкости устройство содержит емкость 11 с насосом 9. Питание устройства осуществляется от источника постоянного тока (250 В, 40 А, 1 кВт). Анодный узел 7 содержит электрод 2, соединенный с источником питания через клемму 18, расположенную в нижней части электрически изолированного корпуса 5, и капиллярно-пористые керамические пластины 1 с внутренней стороны корпуса анода. Внутри корпуса циркулируют электропроводная жидкость. Посредством штуцеров 8 и резиновых шлангов анодный узел соединен с емкостью 11.

Автономная емкость 11 состоит из насоса 9, бака 13. На баке установлен уровнемер 14. В бак вмонтирован электродвигатель 12. Для измерения температуры воды установлен термометр 10.

Керамическая смесь для производства кирпича приготавливается на типовом оборудовании по традиционной технологии. Только для приобретения формовочной влажности в глиномесе вместо пароувлажнения подается электропроводная жидкость (2%-ный растствор поваренной соли NaCl в воде). Из глинозема керамическая смесь с влажностью 20% поступает в вакуум камеру шнекового пресса, а затем уплотняется в цилиндре пресса и в полости мундштука. Анодный узел устанавливается на прессе между прессовой головкой и корпусом мундштука и подключается к клемме (+) источника тока, мундштук подключается к клемме (-).

Насос автономной емкости сблокирован с приводом шнека пресса. При включении пресса одновременно включается насос и электропроводная жидкость, которая под давлением циркулирует в проточном канале корпуса анодного узла. При заполнении полости мундштука керамической массой электрическая цепь замыкается и электрический ток от анода посредством электропроводной жидкости через керамическую массу передается на корпус мундштука (катод). При прохождении электрического тока через керамическую массу в полости пресса происходит ее объемный нагрев и дополнительное упрочнение глиняного бруса.

Параметры процесса:
Скорость движения глиняного бруса 100 110 мм/сек
Напряжение тока 160 В
Сила тока 12 15 А
Мощность тока 1,9 2,40 кВт/ч
Объем нагреваемого материала в уплотненном состоянии 11,7 12,8 м³/ч
Исходная температура керамической массы 20^o C
Конечная температура керамической массы 45^o C
Температура объемного нагрева керамического бруса 25^o C
Удельный расход электроэнергии на объемный нагрев керамической массы - 0,15 кВт/ч (1 м³ смеси)
Влажность керамической смеси 20
Исходная карьерная влажность глины 13 14
Дополнительное увлажнение керамической смеси электропроводной жидкостью (по массе) 6 7
Твердость уплотнения смеси до обработки током по твердомеру 75 80 ед.

Твердость упрочненной смеси по твердомеру 90 95 ед.

Предлагаемый способ может успешно применяться не только при пластическом формовании керамических изделий на ленточном прессе, но и при изготовлении бетонных плит и изделий, при обезвоживании различных капиллярно-пористых материалов, как грунт под котлованы зданий и сооружений; древесина, торф, при сушке стен и фундаментов зданий и т.д. c использованием для этой цели электроосмоса, а также в литейном производстве при сушке крупногабаритных стержней и форм из песчано-глинистых смесей и в других областях техники.

Использованная литература:
1. Дроздов М.Е. Механическое оборудование керамических предприятий. М. Машиностроение, 1975, с.37
2. Кузнецов А.Н. Народницкий Д.Б. Способ формования керамических изделий и устройство для его осуществления. Патент РФ N 2018443. МКИ B 28 B 3/26, 3/20. Бюл. N 16. 30.08.94.

Формула изобретения

1. Способ объемного нагрева и упрочнения диэлектрических капиллярно-пористых коллоидных материалов и изделий, включающий их увлажнение, уплотнение и использование постоянного электрического тока путем передачи положительного потенциала от анода к объекту нагрева посредством электропроводной жидкости, увлажняющей слой капиллярно-пористого коллоидного материала, отделяющего анод от непосредственного контакта с объектом нагрева, отличающийся тем, что объект нагрева предварительно пропитывают, увлажняют электропроводной жидкостью, уплотняют в закрытом пространстве и пропускают постоянный электрический ток напряжением 50 250 В.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве электропроводной жидкости используют жидкие электролиты, например водные 0,5 5,0%-ные растворы солей металлов.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что передачу положительного потенциала от анода к объекту нагрева осуществляют при непрерывном перемещении объекта нагрева по трубопроводу переменного сечения.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что объект нагрева до уплотнения подвергают вакуумированию.

5. Способ по пп.3 и 4, отличающийся тем, что передачу положительного потенциала от анода к объекту нагрева осуществляют в зоне наибольшего уплотнения.

6. Способ по пп.3 5, отличающийся тем, что передачу положительного потенциала осуществляют по периметру внутренней поверхности трубопровода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2