Setec خشک کن کم مصرف جدید خود برای چینی بهداشتی و مظروف ارائه می‌کند. این دستگاه که از اوایل سال 2022 به کار گرفته شده، با داشتن چرخۀ خشک کردن کمتر از 8 ساعت، مصرف گرمای 98 کیلو کالری بر کیلوگرم و مصرف برق 0.003 کیلووات ساعت بر کیلوگرم از اهداف در نظر گرفته شده پیشی گرفته است.
Antonio Fortuna, Domenico Massimo Fortuna, Setec (CivitaCastellana, Italy)
با افزایش چشمگیر قیمت گاز طبیعی، امروز بیش از هر زمان دیگری لزوم کاهش مقدار مصرف انرژی در ماشین‌های حرارتی فرآیندهای تولید سرامیک احساس می‌شود. به لطف کمک مالی اروپایی برنامۀ Life، گروه Setec که برای مدت‌ها یکی از نوآوران پیشگام در این عرصه بوده و طی سالیان اخیر بر رویکردهای مبتنی بر کاهش مصرف انرژی تمرکز داشته، فرمولاسیون جدیدی را برای لوازم بهداشتی با دمای پخت پایین (پروژۀ Life Sanitser) و نسل جدید کوره‌های شاتل و تونلی کم مصرف (پروژۀ Life Economick) ارائه داده است.
جدیدترین پروژۀ مرتبط با Setec از ژوئن 2020 با عنوان Life Rapid Dry 2020 به راه افتاده و بر صرفه‌جویی در مصرف انرژی در فرایند خشک کردن چینی آلات بهداشتی و چینی مظروف متمرکز است. دو هدف اصلی این پروژه عبارتند از: ساختن یک خشک‌کن کم مصرف (که در این مقاله شرح داده شده است) و استفاده از مواد بازیافتی برای بهینه سازی بدنۀ لوازم بهداشتی (که در مقالۀ بعدی شرح داده خواهد شد).
پروژۀ Life Rapid Dry با همکاری LCE که یک شرکت ایتالیایی متخصص در LCA است و ارزیابی اثرات اجتماعی- اقتصادی و زیست محیطی انجام شد.
فرایند خشک کردن
در مرحلۀ خشک کردن که یکی از مراحل بسیار مهم در فرایند تولید است، تمام آب غیر شیمیایی از بدنه خارج می‌شود. آب غیر شیمیایی یا در فضای بین ذرات بدنه (آب بین لایه ای) و یا در سطوح اطراف ذرات وجود دارد.
آب در فرایند خشک کردن تبخیر می‌شود و از هوا به عنوان یک سیال گرمایشی و علاوه بر آن وسیله‌ای برای تخلیۀ بخار استفاده می‌شود. بنابراین برای اینکه بتوانیم فرایند خشک کردن را تنظیم کنیم لازم است تا سه مشخصۀ جریان هوا یعنی دما، رطوبت نسبی و سرعت آن را کنترل کنیم. در ادامه نگاه دقیق‌تری بر مکانیسم فرایند و شرایطی که آن را کنترل می‌کند خواهیم انداخت تا درک بهتری از فرایند خشک کردن پیدا کنیم.
با خروج ماده از قالب ریخته‌گری ذرات تشکیل دهندۀ بدنۀ آن توسط یک شبکۀ مویرگی از آب احاطه می‌شوند. این آب در طول فرایند خشک کردن باید بدون اینکه به یک‌پارچگی محصول نیمه تمام آسیبی وارد کند، برای تبخیر شدن به سطح مهاجرت کند.
بنابراین سرعت نفوذ آب در ضخامت قطعه و سرعت تبخیر دو پارامتر مهمی هستند که خشک شدن را کنترل می‌کنند. خشک شدن بهینه در شرایطی رخ می‌دهد که سرعت تبخیر برابر یا کمی کمتر از سرعت نفوذ آب باشد. در این حالت تبخیر آب از سطح تضمین می‌شود و از بروز تبخیر در ضخامت بدنه ممانعت می‌شود. همانطور که در ادامه خواهیم دید در فرایندهای صنعتی به ندرت شاهد چنین شرایطی هستیم.
سرعت نفوذ آب در کانالهای مویرگی به دو عامل بستگی دارد:
- دمای قطعه (سرعت نفوذ با افزایش دما بیشتر می‌شود)
- ترکیب بدنه: هر چه مقدار پلاستیک و مواد بسیار ریز در بدنه بیشتر باشد سرعت نفوذ کاهش پیدا می‌کند. زیاد بودن مقدار پلاستیک در بدنه باعث می‌شود تا در معرض انقباض بیشتری باشد و در نتیجه با مسدود شدن کانال‌هایی که آب از طریق آن‌ها جریان پیدا می‌کند سرعت نفوذ کاهش پیدا کند.
در سه حالت زیر سرعت تبخیرآب افزایش پیدا می‌کند:
- در حالتی که اختلاف بین فشار بخار داخل قطعه و فشار بخار در هوای خشک کن افزایش پیدا کند (برای مثال با افزایش دما)
- با افزایش سرعت هوا در خشک کن
- با افزایش نسبت سطح به حجم (یعنی مساحت سطح ویژه)
در شکل 1 منحنی خشک شدن بدنۀ سرامیک لوازم بهداشتی در شرایط آزمایشی و دما و رطوبت ثابت هوا نشان داده شده است. با مشاهدۀ این نمودار سه مرحلۀ جداگانه به راحتی قابل تشخیص هستند.
مرحلۀ خشک شدن با سرعت ثابت
در این مرحله آب با سرعتی بیشتر از سرعت تبخیر شدن به سطح مهاجرت می‌کند و در نتیجه لایۀ نازکی از آب در سطح قطعه تشکیل می‌شود. آبی که از ماده حذف می‌شود آب میان بافتی است. این آب می‌تواند به راحتی به سمت سطح قطعه جریان پیدا کند و باعث ایجاد انقباض در آن شود. در شکل 2 چگونگی تغییرات ابعادی یک نمونه به عنوان تابعی از مقدار آب میان بافتی آن نشان داده شده است (منحتی Bigot).
مرحلۀ کاهش سرعت
وقتی ذرات به هم نزدیک می‌شوند شکاف‌های محل عبور آب کمتر شده و دیگر سطح قطعه به صورت یکنواخت با آب پوشانده نمی‌شود. در این شرایط تبخیر از داخل ضخامت قطعه هم انجام می‌شود و در نتیجۀ این تبخیر بخار به سطح مهاجرت می‌کند.با حرکت هر چه بیشتر منطقۀ تبخیر به داخل بدنۀ قطعه، سرعت خشک شدن کاهش پیدا می‌کند. گرمایی که به سطح منتقل می‌شود نه تنها به تبخیر آب کمک نمی‌کند بلکه دمای سطح را تا نزدیکی دمای حباب خشک افزایش می‌دهد. در این حالت تا زمانی که ذرات در تماس با یکدیگر قرار بگیرند انقباض ادامه پیدا می‌کند. پس از این مرحله انقباض قطعه به پایان رسیده و تخلخل ایجاد می‌شود.
مرحله‌ای که سرعت تبخیر در آن کاهش پیدا کرده و سمت صفر میل می‌کند
این بخش از منحنی که مربوط به فرایند حذف آب میان بافتی باقی‌مانده و لایۀ آب سطحی اطراف ذرات جامد است، به طور مجانبی به سمت صفر میل می‌کند. در این حالت تبخیر تنها از درون قطعه اتفاق می‌افتد. در حالتی که فشار بخار ایجاد شده بیشتر از مقاومت مکانیکی ماده شود امکان ایجاد شکستگی در ماده وجود دارد بنابراین باید از افزایش شدید فشار داخلی بخار آب جلوگیری کرد. انفجار قطعاتی که در حالت مرطوب داخل کوره قرار داده می‌شوند به همین دلیل اتفاق می‌افتد.
با توجه به موارد گفته شده متوجه می‌شویم که حتی در صورت کنترل دقیق شرایط و توزیع هوای گرم در بهترین عملیات خشک کردن هم نمی‌توانیم از خشک شدن یکنواخت سرامیک‌های سرویس بهداشتی مطمئن باشیم. این موضوع خصوصا در قطعاتی که بخش‌های بزرگی دارند که در معرض هوای گرم قرار نمی‌گیرند مانند لگن دستشویی، بیده (توالت فرنگی) و WC صادق است.
خشک شدن ناهموار باعث می‌شود مقدار انقباض در بخش‌های مختلف سطح با یکدیگر متفاوت باشد و این تفاوت به ایجاد تنش در بدنۀ سرامیکی منتهی می‌شود. در صورتی که مقدار این تنش از مقاومت مکانیکی قطعه بیشتر شود، شاهد ایجاد ترک و شکاف در قطعه خواهیم بود. در نتیجه قطعات باید طوری خشک شوند که گرادیان‌های اجتناب ناپذیر رطوبت در محدوده‌های قابل پذیرش باقی بمانند. این موضوع در روش‌های سنتی خشک کردن از طریق هم‌رفت اجباری، به معنی افزایش زمان چرخه است. قطعات باید برای یکنواخت شدن دما در سرتاسر بدنۀ سرامیکی با هوای گرم بسیار مرطوب احاطه شوند. در ادامه، رطوبت هوا به تدریج کاهش داده می‌شود تا تبخیر مشابه با منحنی‌های خشک شدن شکل 3 آغاز شود.
مقایسۀ خشک‌کن‌های سنتی با خشک‌کن‌های سریع
هدف خشک‌کن‌ها کاهش محتوای آب قطعه به مقادیر نهایی کمتر از %1 وزنی آن است. دستگاه‌های قدیمی‌تر که فاقد سیستم کنترلی واقعی هستند در حقیقت محفظه‌های سادۀ گرمی هستند که در بهترین حالت بدون کنترل رطوبت، دما را ثابت نگه می‌دارند. به همین دلیل است که معمولا چرخه‌های خشک کردن بیشتر از 14 ساعت طول می‌کشند و قطعات بسیار مرطوب اجازۀ ورود به کوره را ندارند.
علاوه بر این، دمای داخل محفظه تنها در حالتی یکنواخت باقی می‌ماند که حجم زیادی از هوا (که معمولا از طریق شبکه‌های سوراخ‌دار توزیع می‌شود) به محفظه وارد شود. این موضوع باعث افزایش اندازۀ قابل توجه فن ورودی و مولد گرما و در نتیجه افزایش قابل توجه مصرف برق و گاز طبیعی می‌شود.
خشک‌کن Rapid Dry با داشتن مصرف کمتر و چرخۀ کوتاه‌تر برای برطرف کردن این مسائل بسیار مهم طراحی شده است.
Setec با بیش از سی سال تجربه در بخش سرامیک جریان‌های حرارتی خشک‌کن را بهینه کرده و با استفاده از نرم‌افزارهای نوآورانۀ مدیریتی بهبود قابل توجهی در کنترل پارامترهای مختلف ایجاد کرده است. از جمله مزایای اعمال این تغییرات می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- امکان روشن/ خاموش کردن مولد حرارتی به گونه‌ای که تنها در صورت نیاز و به مقدار حداقل مورد نیاز حرارت تولید کند.
- کاهش سرعت/ خاموشی همۀ موتورهای الکتریکی (مخروط‌ها و فن‌ها) تا تنها در صورت لزوم به کار بیفتند.
- کنترل مستقل دما و رطوبت با به‌کارگیری غبار (مه) آب برای کنترل خصوصا مراحل اولیۀ چرخه.
- استفاده از مخروط‌های موتوری برای بهبود همگنی محفظه از طریق ایجاد تلاطم کافی در سیال داخل خشک‌کن.
- بهینه‌سازی جریان حرارت به داخل و خارج از محفظۀ خشک کن.
نصب Rapid Dry جدید:
نتایج: خشک کن Rapid Dry در اوایل سال 2022 و با همکاری شرکت F.A Ceramica (مستقر در CivitaCastellana) که برای اولین بار این خشک کن را در کارخانۀ خود امتحان کرد، راه‌اندازی شد. نتایج به دست آمده مطابق با انتظارات و به طور قابل توجهی فراتر از اهداف پروژۀ Life بودند:
- چرخۀ خشک کردن کمتر از 8 ساعت
- مصرف تنها 98 کیلو کالری بر کیلوگرم حرارت در مقایسه با 288 کیلوکالری بر کیلوگرم در نسل قدیمی خشک‌کن‌ها.
- مصرف تنها 0.003 کیلووات ساعت بر کیلوگرم برق در مقایسه با رقم معیار 0.019 کیلووات ساعت.
دستیابی به این پیشرفت‌های بسیار مثبت نتیجۀ درهم آمیختن مجموعه‌ای از نوآوری‌ها است که همراه با کاهش قابل توجه زمان خشک شدن در مقایسه با خشک‌کن‌های نسل استاندارد ارائه شده است. این تغییرات باعث صرفه جویی قابل توجه در هزینه‌ها و کاهش چشمگیر مقدار انتشار گاز دی اکسید کربن شده است. با مشاهدۀ خشک‌کن‌های در حال کار Rapid Dry می‌توانید اطلاعات دست اولی در این رابطه کسب کنید (برای اطلاعات بیشتر به afortuna@setecsrl.it مراجعه کنید)
