Secado rápido por convección de ladrillos huecos

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

Resumen
Ralf König: Secado rápido por convección de ladrillos comunes
El rápido desarrollo de nuestra sociedad industrial exige de las empresas la máxima flexibilidad y disposición para la innovación. Esto también se aplica a la tecnología de secado en la industria de la arcilla cocida. Un paso revolucionario en este campo es la introducción de la técnica de secado rápido. Este artículo ofrece una explicación gráfica del principio de secado rápido para ladrillos con celdillas.

El rápido desarrollo industrial actual exige que cada empresa realice 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 ladrillera. Hace unos 100 años, los ladrillos en verde se secaban todavía en bastidores llamados «hack» (secado natural). Hoy en día, este proceso natural está completamente obsoleto. Solo permitía una producción estacional, con ciclos de secado de 2 a 3 semanas; los bastidores o secaderos al aire libre solo podían rotarse de 10 a 12 veces al año. Sin un número suficiente de bastidores, este proceso no podía adaptarse a la producción continua de los hornos.

El primer desarrollo en la tecnología de secado fue el llamado «secadero de gran capacidad», construido sobre hornos anulares o de zigzag, utilizando el aire caliente que se elevaba de la superficie del horno para el secado. Esto redujo el ciclo de secado a 10 días.

Los secaderos actuales de cámara o de túnel utilizan el calor residual de los hornos 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, con un tiempo de secado de solo 1 a 2 horas. Este artículo ofrece una ilustración gráfica del principio de secado rápido para ladrillos huecos de alta vacuidad y analiza sus perspectivas de inversión.

Origen del secado rápido

A mediados de los años 80, se desarrollaron en la República Federal de Alemania fábricas de catalizadores industriales. Estos cuerpos catalíticos tenían una sección transversal de 150 mm × 150 mm, una longitud de unos 1,0–1,2 m y un alto porcentaje de huecos. En aquel momento, muchos de los secaderos de estas nuevas fábricas procedían de Novokaram. En cuanto a la calidad y el tiempo de secado, los mejores resultados se obtenían solo cuando las piezas en verde eran sometidas a flujo transversal y flujo a través. Si el secado forzado requerido supera cierto nivel, otros parámetros de producción también influyen, como la velocidad del aire a través de los huecos y sobre las superficies de las piezas, así como el estado calorífico del gas a medida que las piezas avanzan. Se descubrió que, en algunos casos, debido a que la presión de vapor de agua saturado en el gas superaba con creces la de la pieza en verde, un tercio de las piezas secadas acababan dañándose por condensación adsorbida.

El calentamiento por microondas o alta frecuencia sería un método ideal para calentar el flujo de aire. Sin embargo, en la práctica se encontraron problemas difícilmente superables. Se mencionan aquí dos problemas representativos:

a) En algunas regiones, el calentamiento por alta frecuencia se utiliza solo para componentes metálicos de equipos, como sensores y fundas de sensores; naturalmente, las placas de secado que han soportado las piezas no pueden reutilizarse.
b) El calentamiento por alta frecuencia genera una electricidad estática considerable en la zona de calentamiento. Incluso la película de agua muy fina sobre la pieza o entre la pieza y la placa de plástico puede carbonizar la placa y dañarla debido a la velocidad de descarga.

Por lo tanto, el método de precalentamiento intermedio mediante placas de secado calefactables (para evitar la condensación sobre las piezas) resultó exitoso en la práctica. De hecho, la experiencia adquirida en el secado de catalizadores en Novokaram inspiró la idea de desarrollar una cámara de secado rápido para ladrillos perforados. En los últimos años, Novokaram ha realizado numerosos ensayos de secado, desde grandes planchas (50×30×300 cm) hasta ladrillos perforados comunes de longitud tradicional. Se ha comprobado consistentemente 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 secarse el cabello con un secador. El principio básico es que el medio de secado (generalmente aire caliente) pasa sobre el artículo a secar, evaporando y eliminando la humedad. Dado que la evaporación requiere calor, el medio de secado se enfría gradualmente y absorbe más agua durante el proceso (véase 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 saturado». Si se supera este valor, el exceso de humedad se condensa en forma de niebla o condensado, algo especialmente temido en el secado. El estado del aire en una cámara de secado se expresa normalmente mediante la temperatura (°C) y la humedad relativa (%). Por cierto, cuando se utiliza un diagrama h‑x, estos dos parámetros son valores fundamentales.

Logro del equilibrio en el estado de flujo

El punto de partida para considerar el secado rápido es que el tiempo de secado de los ladrillos en verde en los secaderos tradicionales viene determinado siempre por los ladrillos que se secan más lentamente. Esto está directamente relacionado con la posición de los ladrillos en el secadero (véase Fig. 2). Por ejemplo, los ladrillos exteriores se secan mucho más lentamente que los situados cerca del ventilador en el interior. A medida que el aire de secado del pasillo central fluye más lejos, su velocidad disminuye gradualmente, su temperatura desciende, se satura más y su capacidad de absorción de humedad se reduce. Incluso cuando los ladrillos de la parte interior del secadero ya pueden extraerse, el sistema debe seguir funcionando hasta que también estén secos los ladrillos en posiciones desfavorables – aunque la mayoría de los ladrillos del secadero no necesitarían un proceso de secado prolongado.

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

Aumento de la velocidad del aire

Siempre que existan condiciones climáticas adecuadas, la velocidad del aire tiene una influencia muy específica en la velocidad de secado. Un aumento de la velocidad del aire acelera correspondientemente la velocidad de secado. A bajas velocidades se produce un flujo laminar uniforme – un ejemplo en la naturaleza de un flujo relativamente uniforme es un gran río que fluye tranquilamente. Al aumentar la velocidad, el flujo se vuelve más turbulento. Un símil en la naturaleza es un torrente de montaña que se precipita por una garganta durante el deshielo.

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

Después de aumentar la velocidad del aire, la velocidad de secado se acelera rápidamente y el contenido de humedad del gas aumenta más de un 5%. Por supuesto, a velocidades de aire más altas, la condición principal que debe observarse es que el estado de flujo continuo del gas debe ser uniforme para lograr resultados satisfactorios. Es decir, las piezas en toda la sección transversal deben ser expuestas al flujo de aire, y la velocidad del aire debe ser la misma. Esto es más fácil de decir que de hacer – y en las condiciones de entonces, este estudio experimental llevó más de un año.

Relación entre flujo transversal y flujo a través

Debido a las recientes normativas sobre aislamiento térmico, el volumen de huecos ha aumentado. Esto significa que las paredes internas de los huecos se están volviendo cada vez más delgadas. Estas paredes delgadas tienen sus ventajas y plantean pocos problemas en el secado, porque aparte del diferente espesor de pared, solo surge una pequeña diferencia – la cantidad de humedad generada es diferente (véase 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 de secado parece muy bajo.

Por otro lado, dado que la superficie juega un papel decisivo en el secado por convección, estos productos huecos de alta vacuidad 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 a través para ladrillos perforados debe satisfacer cierta proporción. Esta proporción depende de la altura A del espacio entre la superficie superior del ladrillo inferior y la superficie inferior de la placa de secado superior, y de la anchura B del espacio entre dos ladrillos adyacentes (como se muestra en la Fig. 6). Sin embargo, debido a las limitaciones impuestas por la disposición de los ventiladores en los secaderos convectivos y de túnel, no siempre se puede lograr – o lograr plenamente – la relación de flujo adecuada. Un secado rápido exitoso requiere tres condiciones: las condiciones de flujo en toda la sección transversal deben ser las mismas (misma velocidad de aire para el flujo transversal y el flujo a través); la velocidad del aire no debe caer por debajo de un cierto valor; y las velocidades del flujo transversal y del flujo a través para cada ladrillo deben ser consistentes.

Experiencia en el campo del secado rápido

En los últimos dos años, la empresa Novokaram ha llevado a cabo investigaciones continuas en su fábrica, obteniendo información importante en el campo del modelado aerodinámico. Además, se han confirmado conclusiones de base teórica. Basándose en estos principios fundamentales, se construyó una planta piloto 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. A continuación se enumeran como ejemplo los parámetros característicos del secado.

Secado rápido y grietas de secado

A menudo se afirma erróneamente que las grietas de secado son una consecuencia directa de la contracción. Como se ha explicado brevemente en este artículo, las grietas de secado no son el resultado directo de la contracción. Las grietas de secado son causadas por una contracción diferencial dentro de la pieza en verde, que a su vez depende de diferentes distribuciones de humedad. En el secado rápido, las piezas deben ser sometidas uniformemente al flujo de aire para que las diferencias de humedad generadas sean muy pequeñas. Con esto en mente, es fácil entender por qué el secado rápido no atribuye necesariamente las grietas a una alta sensibilidad al secado.

La comparación de ladrillos secados por métodos tradicionales con los secados muy rápidamente confirmó la conclusión anterior. Al mismo nivel de calidad, la calidad de los ladrillos secados rápidamente es superior.

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 se sitúa generalmente entre el 0,5% y el 2,5%. Cabe señalar que prolongar el proceso de secado solo unos minutos en el secado rápido puede reducir significativamente la humedad residual. En la misma fábrica, el tiempo de secado tradicional era de unas 32–48 horas, con una humedad residual del 1,0%–2,5%. No hubo diferencia en la calidad después de la cocción entre los productos secados rápidamente y los secados por métodos tradicionales.

Curva de secado óptima

Al igual que en el secado convectivo tradicional, para el secado rápido es necesario 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 el secado tradicional «en movimiento rápido».

Proceso de secado rápido

Si las piezas en verde han sido tratadas con vapor, es importante – como en el secado ordinario – transferirlas desde la extrusora a la cámara de secado en el menor tiempo posible. Cuanto mayor sea la temperatura de la pieza en verde, más intenso será el secado inicial – es decir, las piezas comienzan a secarse a una temperatura más alta, sin una fase de calentamiento gradual en la cámara de secado, evitando así perder un tiempo valioso.

La relación entre el flujo transversal y el flujo a través durante el secado ya se ha enfatizado. Esta relación depende críticamente de la precisión del apilado de los ladrillos en el taller. Sin embargo, una mayor precisión significaría una mayor inversión. Por ello, se realizó un estudio experimental especial para ver si una precisión de apilado razonable podía seguir siendo aceptable. Los resultados de las pruebas mostraron que las tolerancias de los dispositivos de apilado y desapilado convencionales son aceptables para todo el proceso y no tienen un efecto adverso en la relación entre el flujo transversal y el flujo a través. Esto significa que, bajo las condiciones tecnológicas actuales, se pueden utilizar los dispositivos de apilado convencionales.

Ventajas del secado rápido

Cuando se presenta un nuevo diseño, todo empresario pregunta inmediatamente por sus ventajas – y el secado rápido por convección no es una excepción.

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

Otra ventaja muy importante es la reducción de la inversión necesaria para construir una instalación 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, el proceso de secado rápido se simplifica, las rutas de transporte se acortan y el equipo de transporte necesario se simplifica, lo que también contribuye a una menor inversión de capital.

Finalmente, se deben mencionar algunos datos técnicos. En los secaderos tradicionales, el consumo de calor es de aproximadamente 3200–3600 kJ/kg H₂O. El consumo de electricidad depende de la capacidad de eliminación de agua de la 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 con secado rápido

La Fig. 7 es un esquema del proceso productivo en una fábrica de ladrillos donde el sistema de secado rápido ha sustituido al proceso de secado tradicional.

De manera similar, en otras fábricas, los ladrillos en verde se cortan, se colocan sobre placas de secado y luego se trasladan a vagonetas de secado. Las placas se colocan sobre las vagonetas, que luego pasan a través de la cámara de secado rápido. La vagoneta permanece un cierto tiempo en cada compartimento – es decir, en cada etapa predominan condiciones diferentes. La velocidad del aire varía en cada compartimento, pero el principio de secado (flujo transversal y flujo a través) y la velocidad de desplazamiento de la vagoneta son los mismos en todos los compartimentos. Cuando la vagoneta entra en la circulación, ya se ha completado la mitad del proceso de secado. Durante la etapa de presecado, al pasar 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 se considera superficialmente un secadero túnel tradicional, se podría pensar naturalmente que tiene 20 zonas de secado.

Después de que la vagoneta sale de la cámara de secado rápido, los pasos siguientes se realizan como de costumbre. Los ladrillos secos se retiran de la vagoneta, se colocan sobre vagonetas de horno túnel, esperando la carga en el horno, y luego se cuecen. La descarga y el embalaje del horno túnel no se ven afectados por el secado rápido.

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 en chino, Bauverlag GmbH. Se publica aquí solo con fines de aprendizaje y referencia. Los derechos de autor pertenecen al autor original y al editor original.

Información de contacto:
Si algún autor o titular de derechos considera inapropiada la forma de cita en este sitio web, o desea modificar/eliminar el contenido, por favor contáctenos a través de:
Correo electrónico: [info@Brictec.com]
Teléfono: [029-89183545]
Dirección: [ZTE Industrial Park, No. 10 South Tangyan Road, Xi’an High‑tech Zone, China]
Nos comprometemos a responder en un plazo de 24 horas después de recibir su notificación y a gestionar el asunto con prontitud de acuerdo con su solicitud.

Compromiso de integridad académica:
Nuestra empresa se adhiere estrictamente a los principios de integridad académica y respeta la propiedad intelectual de todos los académicos. Si existiera alguna cita inapropiada, ofrecemos nuestras sinceras disculpas y la corregiremos de inmediato.