MISKOLCI EGYETEM
ADALÉKANYAGOK HATÁSA ÉGETETT KERÁMIA ÉPÍTŐELEMEK HŐVEZETÉSI TÉNYEZŐJÉRE
TDK-DOLGOZAT
Készítette: Szunyog Dávid Menyhért Gábor Témavezető:
Kocserha István
Miskolc 2011.november 1
TARTALOMJEGYZÉK: BEVEZETÉS ............................................................................................................ 5 1.AGYAG.................................................................................................................. 6 2. TÉGLAGYÁRTÁS FOLYAMATA ................................................................... 7 2.1. A téglagyártás folyamata ...................................................................... 7 3.HŐSZIGETELÉS FONTOSSÁGA..................................................................... 12 3.1.Falazatok összehasonlítása .................................................................... 14 3.2. A hő átbocsátási tényező csökkentésének lehetőségei ........................ 15 4.A FELHASZNÁLT ANYAGOK BEMUTATÁSA ÉS JELLEMZÉSE .......... 16 4.1. Agyag ...................................................................................................... 16 4.2. Adalékanyagok ...................................................................................... 16 4.3. A felhas znált anyagok jellemzése......................................................... 16 4.4. Morfológiai vizsgálat ............................................................................. 17 4.5. Az elektron mikros zkóppal készített felvételek .................................. 18 4.6. Szemcseeloszlási vizsgálat ..................................................................... 19 4.7. Ömlesztett sűrűség mérése ................................................................... 22 5. A FELHASZNÁLT BERENDEZÉSEK BEMUTATÁSA ............................... 23 5.1. Keverék készítése koller járattal.......................................................... 23 5.2. Mintakészítő keret ................................................................................. 24 5.3. Szárító kemence .................................................................................... 26 5.4. Kiégető kemence .................................................................................... 26 5.5. Hővezetésmérő berendezés ................................................................... 27 6.VIZSGÁLATOK EREDMÉNYEI ...................................................................... 27 7. ÖSSZEFOGLALÁS............................................................................................. 31
2
TÁBLÁZAT JEGYZÉK: 1. táblázat falszerkezeteinek hő átbocsátási tényezőjének összehasonlítás .............. 15 2. táblázat a mintalapok elkészítéséhez használt keverékek százalékos összetétele 18 3. táblázat a kollerjárat adatai ................................................................................... 24 4. táblázat a kiégetett téglák hőátbocsátási tényezői ...................................................... 31 5/1. táblázat az osztályozott puhafa adalékanyag értékei ......................................... 31 5/2. táblázat az osztályozott tölgyfa adalékanyag értékei......................................... 32 5/3. táblázat az osztályozott napraforgó mag adalékanyag értékei........................... 32
ÁBRA JEGYZÉK: 1. ábra Montmorillonit .............................................................................................. 6 2. ábra kaolin............................................................................................................. 6 3. ábra téglagyártás folyamatábrája .......................................................................... 7 4. ábra nyersagyag .................................................................................................... 8 5. ábra agyag a pihentetőben..................................................................................... 8 6. ábra fűrészpor........................................................................................................ 9 7. ábra napraforgóhéj ................................................................................................ 9 8. ábra kvarchomok................................................................................................... 10 9. ábra vákuum extruder ........................................................................................... 10 10. ábra szárítóberendezés ........................................................................................ 11 11. ábra elektromos kemence.................................................................................... 12 12. ábra egy csalási házjelentkező hő veszteség százalékos megosztása ................. 13 13. ábra hőmérséklet eloszlás többrétegű falban ...................................................... 14 14. ábra kiégett falazóblokkok .................................................................................. 16 15. ábra hőátbocsátási tényező függvénye a fal vastagságtól ................................... 16 16. ábra scanning electron microscope ..................................................................... 18 17. ábra tölgyfa apríték morfológiai kép .................................................................. 19 18. ábra puhafa morfológiai képe ............................................................................. 19 19. ábra papíriszap morfológiai képe........................................................................ 19 20. ábra napraforgó mag morfológiai képe............................................................... 20 21. ábra perlit morfológiai képe................................................................................ 20 3
22. ábra szitákból álló osztályozó rendszer .............................................................. 21 23. ábra puhafa áthullási görbe ................................................................................. 22 24. ábra tölgyfa áthullási görbe................................................................................. 22 25. ábra napraforgó mag áthullási görbe .................................................................. 23 26. ábra a kollerjárat elvi felépítése .......................................................................... 24 27. ábra a vizsgálatokhoz használt kollerjárat .......................................................... 24 28. ábra mintakészítő keret ....................................................................................... 25 29. ábra kiégető hő kemence..................................................................................... 26 30. ábra nyers és az égetett agyagtáblák egy részének képei.................................... 26 31. ábra a hő fluxus mérés elvi vázlata ..................................................................... 27 32. ábra A puhafa frakciókkal készült tégla hőátbocsátási értékei ........................... 28 33. ábra A tölgyfa frakciók hőátbocsátási értékei.................................................... 29 34. ábra A perlit frakciók hőátbocsátási értékei ...................................................... 29 35. ábra A napraforgó mag frakciók hőátbocsátási értékei...................................... 30 36. ábra Az összesített diagram ................................................................................ 30
4
BEVEZETÉS Napjainkban az egyre növekvő energiaárak miatt, az energia megtakarításra való törekvés minden eddiginél nagyobb jelentőséggel bír. Ebből kifolyólag a magán és az ipari területen is törekszenek az energiafelhasználás optimalizálására. Az építőipar területén ezt a célt jó hőszigetelő képességű szendvicsszerkezetek előállításával, egyre vastagabb hőszigetelő rétegek elhelyezésével valamint az egyes építőelemek fejlesztésével próbálják elérni. Ilyen kutatási területnek számít a hagyományos égetett kerámiatégla gyár tás is. Ezen a területen belül mind a hazai mind a nemzetközi szabványok egyre szigorúbb feltételeket írnak elő a téglafalazatok hő átbocsátási tényezőjének tekintetében. A hőátbocsátási tényező javítására alkalmas megoldás a tégla üregtérfogatának növelése, valamit a belső üregeket elválasztó falak átfedéses eltolása is, mely nagymértékben befolyásolhatja a hővezetési tényező értékét. Mivel a levegő rossz hővezető, ezért cél tehát az, hogy minél porózusabb szerkezetet állítsunk elő, a szilárdsági értékek figyelembevétele mellett. A porozitás növelhető azáltal, hogy az agyaghoz különböző szerves adalékanyagokat keverünk, melyek kiégés után a tégla alapanyag szerkezetében egy pórusokat hagynak vissza. Ez a megoldás tovább javítja a falazat hőszigetelő képességét. Dolgozatunk első részében az agyagok általános tulajdonságait, majd a téglagyártási technológiát és a falazatokkal kapcsolatos
hőszigetelési fogalmakat mutatjuk be.
Vizsgálataink során a különböző téglaipari adalékanyagok hatását vizsgáltuk az égetett téglák hővezetési tényezőjére. Öt különböző adalékanyagot az agyagba keverve, megmértük a hővezetési tényező értékét, és összehasonlítottuk a kapott értékeket az adalékmentes anyag esetén kapott eredményekkel.
5
1. AGYAG A téglaagyagok 1150-1400° C - on olvadó, üledékes kőzetek, amelyben az agyagásványok mellett karc, földpát, kalcit, dolomit és egyéb, kisebb mennyiségben jelen lévő ásványok is részt vesznek. Az agyagásványok monoklin vagy triklin rendszerben kristályosodó, alumínium- hidroxid-szilikátok. A 2 µm –nél kisebb agyagásványok rácsa tetraéderes vagy oktaéderes rétegekből épül fel. Az agyagok ásványi összetétele a szemcsenagyság függvényében változik [1]. Az agyagban 4 szemcsecsoportot különböztetünk meg: homokfrakció kőzet liszt iszapfrakció agyag ásványfrakció A legdurvább a homokfrakció, amely kvarcból, földpátból épül fel. A kőzet liszt vagy iszap kevés agyagásványt tartalmaz. Az agyagfrakció, ami a legfinomabb szemcséjű, fő alkotórészei az agyagásványok. Az agyagok kerámiai tulajdonságait az ásványi és szemcseösszetétel, illetve ioncsere- kapacitás határozza meg. Az agyag képlékenysége annál nagyobb, minél több agyagásványt ezen belül montmorillonitot tartalmaz [1]. Az agyagásványok növelik a képlékenységet, testsűrűséget, szilárdságot, fagyállóságot, ezzel szemben
csökkentik
a
vízfelvevő
képességet.
A
száradási
érzékenység
egyes
agyagásványoknál nem egyértelmű. Montmorillonité (1. ábra) kedvezőtlen, kaolinité (2. ábra) kedvező. A kvarc csökkenti a massza kép lékenységét és a kiégetett tégla szilárdságát, ezzel ellentétben javítja a száradási tulajdonságot. A durva szemcséjű kvarc növeli a hűlési érzékenységet.
1. ábra montmorillonit
2. ábra kaolin
6
Technológia tulajdonság alapján megkülönböztetünk: Mészmentes agyagok: Lehetnek kis, közepes, képlékeny és nagy képlékenységűek Mészszegény agyagok: Általában 930-1000° C hőmérsékleten égethetők. Alkalmazás: fagyálló épületkerámiai termékek előállítása. Meszes agyagok : Égési hőmérséklet 1100° C felett van. Kis porozitású termékek gyártására nem nagyon alkalmas. Munkánk során a Mályi Tégla Kft által használt agyagfajtákat (kék, sárga, szürke) használtuk fel. Feladatunkhoz ezek keverékeit alkalmaztuk.
2. TÉGLAGYÁRTÁS FOLYAMATA [4] A tégla égetett agyag falazóelem. Vannak olyan téglák is, amelyeket nem falazásra használnak, ilyen a padlástégla, burkolótégla, kábeltégla, de ezek is égetett agyagból készülnek. A tégla az egyik legősibb természetes építő anyag amely, hasonlóan a vályoghoz. Azt lehet mondani, hogy rokonságban, vannak egymással, hiszen a lényeges különbség az, hogy a téglát kiégetik. Az agyag ennek köszönhetően válik teherbíróvá és stabillá. A tégla rendelkezik a kerámia építőanyagok jó tulajdonságaival. A téglagyártás folyamatát a 3. ábra szemlélteti.
finom aprítás adagoló
kiválasztás
bánya
Kemencekocsi, cserép:U-tok, H-tok
Levágó automata
Szárítóregál és szárítókamra
pihentetés
durva aprítás
extrudálás
Keverés agyagreszelő
adagoló
Alagútkemence Cserép préselés
Átrakó és egységrakomány képző - fóliázógép
3. ábra A téglagyártás folyamatábrája
7
2.1. A téglagyártás folyamata [5][6] A tégla gyártás legfontosabb lépései: nyersanyag kiválasztás, az agyag kitermelése, előkészítése, nedvesítése, formázás, szárítás és végül égetés.
- Nyersanyag kiválasztás Alapanyag az agyag. A bányákból felszíni technológiával termelik ki a nyers agyagot (4. ábra). A téglagyárak a bányához közel épülnek, azért, mert a nagy tömegű alapanyag szállítása nagyon drága lenne. A szállítás lehet: szállítószalag, vasút, közúti jármű. Ebből az következik, hogy a téglagyártás környezetkímélő technológia.
4. ábra A nyers agyag [7]
- Alapanyag előkészítés Az agyagot miután kitermelték az előkészítőbe szállítják, ahol a cél az agyag megtisztítása, képlékennyé tétele. Ezt úgy érik el, hogy agyagot pihentetik (5. ábra). Az előkészítőben az agyagot a víz adagolásával összezúzzák. Ennél a folyamatnál történik az adalékanyagok hozzáadása az agyaghoz.
5. ábra A pihentetőben elhelyezett agyag [8]
8
Adalékanyagok a téglaiparban [9] A téglaiparban használt adalékanyagok alkalmazása szorosan összefügg az alakíthatósággal. Az adalékok hozzáadásával az agyag valamilyen kedvezőtlen tulajdonsága kompenzálható vagy az égetett téglatermék valamely tulajdonsága javítható. Az adalékok feloszthatók három nagyobb kategóriába:
Pórusképző adalékanyagok [9] Olyan szerves, vagy szerves anyagot is tartalmazó természetes vagy mesterséges anyagok melyek célja a tégla porozitásának növelése. A felhasznált adalékok forrása számos iparág lehet. A faipari alkalmazásokból felhasznált adalékok a fűrészporok és a faforgácsok különböző fajtái (6. ábra) lehetnek. Növelik a nyerstégla szilárdságát, javítják a kiégetett termék hőszigetelését. Az élelmiszeripari maradékok közül a rizspelyva és napraforgóhéj (7. ábra) mellett, a teamaradék, sörfőzési maradék magok vagy gyógyszeripari hatóanyagok kivonására használt növények maradéka felhasználhatók pórusképző adalékanyagként.
6. ábra fűrészpor [10]
7. ábra napraforgóhéj [10]
Soványító és agyagjavító adalékok [9] Ha az agyag sok finomszemcsét és agyagásványt tartalmaz, akkor a formázása nagy képlékenység mellett nagyobb vízigénnyel is jár. Jelentős zsugorodást okoz, ami repedéshez vezethet. A leggyakrabban használt soványító adalékagyag a kvarchomok (8. ábra).
9
8. ábra A kvarchomok fényképe
Egyéb adalékok [9] Az adalékoknak e csoportja mennyiségüket tekintve sokkal kisebb arányban kerül felhasználásra, mint az előző kettő. Ezek általában a plaszticitás változtatására, valamilyen káros anyag lekötésére vagy a kívánt téglaszín beállítására szolgálnak. - Formázás Történhet kézzel vagy géppel. Kézzel történő formázás, jóval kisebb szilárdságú és kevésbé szabályos alakú. Gépiesített formázás esetén extrudert használtak (9. ábra) a csigaprés száj nyílásából az agyag szalag formában jön ki, amit méretre vágnak.
9. ábra Handle vákuum extruder [11]
- Szárítás Formázás után a nyerstéglát szárítják. A szárítás (10. ábra) [12] az égetés előtti utolsó művelet. A folyamat során a víz távozik, s a részecskék közelebb kerülnek egymáshoz, bekövetkezik a zsugorodás. Ennek az értéke 10% is lehet. Gyors szárítás esetén repedés jöhet létre. A szárítás hőmérséklet változásával és a levegő áramlásának sebességével szabályozható. A korszerű szárításnak számít a zárt helyiségben történő szárítás, amelyet mesterséges hőkezeléssel és szellőztetéssel végzik. A szárítóban 40 – 100 °C közötti 10
hőmérsékleten az agyag 1-2 nap alatt nedvességének túlnyomó többségét elveszíti. A szárítóból speciális kemence kocsikra kerülnek a téglák.
10. ábra Szárítóberendezés - Égetés A gyártás legfontosabb folyamata az égetés, ahol agyagban különböző folyamatok játszódnak le, ez lehet fizikai vagy kémiai. Szárítás után a nyerstéglát égetik. Égetés hatására az agyag kőszerűvé válik, vízben már nem lágyul. A nyersen formázott test az égetéssel válik kerámiai anyaggá, elnyeri szilárdságát, ellenálló képességét, megfelelő porozitását, alak –és térfogatállóságát. A téglák égetése kemencében történik (11. ábra), általában körkemencében. Működése: A nyers agyagot hézagosan rakják a kamrába majd a hőmérsékletet emelve 9501000 °C- on kiégetik. Lehűlés után a kész téglát a kemencéből kihordják. Van olyan eljárás, amikor a téglát nem nagy víztartalmú agyagból formálják, hane m sajtolják. 200-300 atmoszféranyomással 5%-ra lecsökkentik a nedvességtartalmat. A nyerstégla víztartalma olyan kicsi, hogy szárítás nélkül, formázás után ki égethető.
11. ábra
Eelektromos kemence [13]
11
3. HŐSZIGETELÉS FONTOSSÁGA Mindannyiunk számára fontos az energiaforrás és energiafelhasználás csökkentése, melyet hőszigeteléssel érhetünk el. Az utóbbi időben leginkább elterjedt hőszigetelési módok közé sorolható a falazatok, tetőterek és ablakok szigetelése. Mindezeket nemcsak a hőveszteség és hőfelvétel csökkentése érdekében alkalmazzák, hanem ezek az építőelemek befolyással vannak az energiafelhasználással járó környezeti hatásokra, az energiafogyasztásra illetve a vele együtt járó anyagi vonzatára. A 12. ábrán egy családi ház esetén láthatjuk az épületre vonatkozó teljes hőenergia veszteség százalékos megoszlását [2].
12. ábra egy csalási házjelentkező hőveszteség százalékos megosztása [14]
Látható, hogy a mi vizsgálataink tárgyát képező falazati elemek a ház teljes veszteségéhez 31% körüli értéken járulnak hozzá. A falazat legfontosabb feladata, a hőenergia zárt térrészben tartása és a hőáramlás, hőátbocsátás csökkentése. Az épületek szerkezeti felépítéséből adódóan a hőáramlás legtöbbször a levegőből indul, és a levegőben végződik, ezért szükség van a falazatok hővezetési tényezőjének és hőátadási tényezőjének ismeretére. A hővezetési tényező megmutatja, mekkora hőáram halad át időegység ala tt egységnyi vastagságú, az áramlásra merőlegesen egységnyi felülettel bíró anyagon, egységnyi hőmérsékletkülönbség hatására. Jelölése: λ,
[W/mk]
A hőátbocsátási tényező megmutatja, hogy egységnyi hőmérsékletkülönbség hatására, egységnyi felületű szerkezeten, mekkora hőmennyiség (azaz hőáram) halad át. Jelölése: U, [W/m2 K] 12
A hőátbocsátási tényező értéke függ a falszerkezetet alkotó rétegek hővezetési tényezőjétől és rétegeinek vastagságától, melyet az 13. ábra szemléltet.
13. ábra hőmérséklet eloszlás több rétegű falban [2]
A13. ábra jelöléseit felhasználva a hőátbocsátási tényező számítási metódusa [2] a következő:
Ahol: belső felületi hőátadási tényező (W/
K)
: külső felületi hőátadási tényező (W/
K)
: falazat rétegeinek vastagsága (m) a falazat rétegeinek hővezetési tényezője (W/
K)
A falszerkezetek (pl. téglafal és vakolat) hőszigetelő képességét hőátbocsátá si tényezővel jellemezzük mely az épületek energetikai követelményrendszerét előíró – 7/2006. számú TNM – rendeletben meghatározott érték. Általános követelmény értéke: U =0,45 W/m2K. 13
3.1.Falazatok összehasonlítása A családi házak jellemző falszerkezeteinek hőátbocsátási tényezőjének összehasonlítását a 1. táblázat tartalmazza. Ez alapján lehetséges a falazatok összehasonlítása. Kiválasztható az adott falazatot alkotó anyag összetétele, vastagsága, sűrűsége és a szigetelő réteg vastagsága. Mindezek a szerkezetet alkotó anyagok meghatározzák a réteges falazat hőátbocsátási tényezőjét. Azonban a táblázat alapján láthatjuk a falazatunk alapanyagának hőátbocsátó tényezőjét a hőszigetelő réteg nélkül is. 1. táblázat. falszerkezeteinek hőátbocsátási tényezőjének összehasonlítás [15]
Látható tehát a különböző falazatanyagok eltérő hővezetési tényezője. A tudományos diákköri dolgozatunk a hagyományos égetett kerámiaépítő elemekkel, azaz az égetett agyag téglával foglalkozik, melyre példát az 14. ábra mutat be.
14
14. ábra kiégett falazóblokkok [16]
3.2. A hőátbocsátási tényező csökkentésének lehetőségei [2] Az évtizedek során kifejlesztett falazótéglák hőátbocsátási tényezőjének javítására több lehetőség kínálkozik. Lehetséges a falazaton lévő szigetelőréteg vastagságának növelése, azonban ez nem gazdaságos megoldás.
15. ábra Hő átbocsátási tényező függvénye a falvastagságtól. [2]
A hő átbocsátási tényező javítására alkalmas megoldás a tégla 15. ábrán látható méhsejt szerkezet falvastagságainak csökkentése – így a tégla üregtérfogatának növelése, – valamit a „méhsejtek” átfedéses eltolása is, mely nagymértékben befolyásolhatja az λ értékét. Mivel a levegő rossz hővezető, ezért ha a hővezetés útját megnöveljük, akkor csökken a hő átáramlás az egyik térből a másikba. A cél tehát az, hogy minél porózusabb szerkezetet állítsunk elő.
15
A porozitás növelhető azáltal, hogy az agyaghoz különböző szerves adalékanyagokat keverünk, melyek kiégés után a tégla alapanyag szerkezetében egy pórusokat hagynak vissza. Ez a megoldás tovább javítja a falazat hőszigetelő képességét.
A vizsgálatok célkitűzése Az előző fejezetben bemutatottak alapján célunk volt, hogy megvizsgáljuk, a hő átbocsátási tényezőjét az általunk létrehozott kompozit adalékanyagokkal kevert égetett kerámiának.
4. A FELHASZNÁLT ANYAGOK BEMUTATÁSA ÉS JELLEMZÉSE 4.1. Agyag A téglagyártás legfontosabb alapanyaga az agyag. Az egyes bányákban általában többfajta agyag található, és általában ezek keverékét használják annak érdekében, hogy a bányavagyon egyenletesen merüljön ki és a készülő termék tulajdonságait is lehet velük szabályozni. Munkánk során a Mályi Tégla Kft. agyagbányájából származó agyagkeveréket használtuk mely, összetételét tekintve sárga, szürke és kék agyagból áll. A sárga agyag közepes és nagy képlékenységű,
homokos és kőzetliszt felépítésű, a szürke nyugodtabb települési
körülményeket mutató, közepes képlékenységű agyag, amely fokozatosan a kékesszürke, nagy képlékenységű, kevés kőzetlisztet és homokot tartalmazó alsó pannóniai üledékbe megy át. A keverék százalékos összetételét a bányában lelhető rétegek szabályozzák [17]. 4.2. Adalékanyagok A természetben előforduló szerves anyagok közül papírt és kétféle fát, valamint szervetlen vulkánikus kőzetet, azaz perlitet használtunk a vizsgálatokhoz. A későbbiekben leírtak alapján megvizsgáltuk a különböző adalékanyagok befolyását az agyagtábláink nyomószilárdságára.
4.3. A felhas znált anyagok jellemzése A felhasznált anyagokból szitálással különválasztottuk a különböző frakciókat, az 4.6-os fejezetben leírtak alapján. A szerves adalékanyagokat szemcseméretük alapján három, a szervetlen perlitet pedig két különböző méretű frakcióra (átmérőre) osztályoztuk, mely a táblázat 3. oszlopában látható. Erre azért volt szükség, hogy a kiégetett alapanyagok
16
hőátbocsátási tényezőjét mennyire befolyásolja az adalék szemcsefrakció mérete. Az agyaghoz kevert adalékanyag tömegét, százalékos arányban meghatároztuk, amit a táblázat 4. oszlopában feltüntettünk. A bekevert mennyiségeket és az bekevert anyagot jelekkel láttuk el, az alábbiak szerint:pl.: T14 = Tölgyfa fűrészpor 4 m/m%-os adagolás. Eszerint P=puhafa, M=darélt napraforgó maghéj, PERL= perlit. 2.táblázat A mintalapok elkészítéséhez használt keverékek százalékos összetétele Adalékanyag Frakció Adalék Sűrűség (g/cm3) 1 Adalék nélküli 2,1 2 Tölgyfa D <1 mm 4 m/m% 7 m/m% 0,244 3 D <2 mm 4 m/m% 7 m/m% 0,230 4 D <3 mm 4 m/m% 7 m/m% 0,216 5 Puhafa (fenyő nyár keverék) D <1 mm 4 m/m% 7 m/m% 0,179 6 D <2 mm 4 m/m% 7 m/m% 0,134 7 D <3 mm 4 m/m% 7 m/m% 0,136 8 Papíriszap 4 m/m% 7 m/m% 07-1,1 9 Napraforgó maghéj D <1 mm 4 m/m% 7 m/m% 0,226 10 D <2 mm 4 m/m% 7 m/m% 0,210 11 D <3 mm 4 m/m% 7 m/m% 0,217 12 Perlit P1 D <1 mm 4 m/m% 7 m/m% 0,052 13 Perlit P2 D <2 mm 4 m/m% 7 m/m% 0,087
4.4. Morfológiai vizsgálat Az adalékanyagokat morfológiai szempontból is megvizsgáltuk, így szabad szemmel is láthatóvá vált a szemcsék geometriája. A vizsgálathoz használt berendezés a tanszéken található scanning azaz pásztázó elektronmikroszkóp (SEM) melyet az 16. ábrán láthatunk.
16. ábra A TM-1000 pásztázó elektron mikroszkóp [18]
17
4.5. Az elektron mikros zkóppal készített felvételek
17. ábra Tölgyfa apríték morfológiai kép
A kemény tölgyfa (17. ábra) nagyfelbontású képén, láthatóak a szilárdságát alkotó farostok és a köztük szórtan elhelyezkedő edények, melyek a nedvesség szállítására is szolgálnak.
18. ábra Puhafa morfológiai képe
Szerkezetét tekintve a puhafa (18. ábra) kevésbé összetett, mint a tölgyfa, ugyanis az edények, nemcsak a folyadékot továbbítják, hanem ezek dolga a fa szilárdítása is.
19. ábra papíriszap morfológiai képe
18
Az 19. ábrán látható, hogy jól elhatárolt kb. fél mm-es hosszúkás szálakból álló papíriszap között még a kaolinon kívül egyéb agyagásványok is találhatók.
20. ábra Napraforgó mag morfológiai képe
Az 20. ábrán láthatóak a napraforgó mag hosszúkás, néhol töredezett, egymástól jól elkülönült, egyenes szálai, és a rájuk tapadt 10-20 μm-es kisebb darabok.
21. ábra Perlit morfológiai képe Az perlit (21. ábra) vulkanikus, riolitos kőzet. Feldolgozása során a hőmérséklet hatására a kristályvíz elpárolog, ezáltal szivacsos jellegű, üreges anyag marad vissza, melyet a mikroszkópos felvételen jól láthatunk.
4.6. Szemcseeloszlási vizsgálat A különböző cégektől illetve üzemektől beszerzett alapanyagokat használtunk a munkánk során, melyekből eltérő méretű szemcsefrakciókat hoztunk létre az általunk használt osztályozó rendszer segítségével. Az osztályozó rendszerünk más- más lyukbőségű szitákból 22. ábra) áll. 19
22. ábra Szitákból álló osztályozó rendszer
A szita áll egy fém, kör alakú keretből, és köracélok sokaságából, melyek a szita rácsozatát szolgálják. A két párhuzamos és az őket merőlegesen metsző huzalok közbezárnak egy szabályos négyzetet, melynek az oldallapja (D) határozza meg a maximálisan átszitálható szemcsék nagyságát. A huzal átmérőjének (d) és a két huzal közti távolság (D) hányadosa (D/d) adja meg a szita rácssűrűségét. A kézi szitázás alapanyagonké nt három eltérő lyukbőségű szitán történt, mely minden esetben egy kilogrammnyi alapanyagot jelentett. Az adalékanyagok sűrűségét kiszámoltuk (4.7-es fejezet), s a kapott értékeket a 2. táblázatban összefoglaltuk. Ahhoz, hogy meghatározzuk, hogy az adott alapanyag milyen szemcse frakciókból áll, különböző lyukbőségű szitákból álló szitasort kellett összeállítanunk. A szitákat lentről felfelé lyukbőségük szerint növekvő sorrendbe helyeztük egymásra. A szitasorunk aljára úgynevezett „vak” szitát helyeztünk, ugyanis ez egyfajta tároló edényként szolgál, melybe csak a legapróbb szemcsék hullanak. Az előre meghatározott mennyiségű adalékanyagot a szitasorunk tetejére öntve, majd a szitasort egy szitarázó gépre helyeztük. A szitákat három perc rázás után egyesével lemértük, majd kivontuk a kapott értékből az üres sziták tömegét. Ezeket a technológiai lépéseket minden egyes adalékanyagnál elvégeztük. Az így kapott értékekből készítettünk áthullási görbét, mely ábrázolja az adalékanyagunk százalékos szemcse eloszlását.
20
23. ábra A puhafa áthullási görbéje
A diagramon látható az 5/1-es táblázatban leírtaknak megfelelően, meghatározott maximális szemcsefrakciójú puhafa százalékos szemcseeloszlási görbéje. A görbe alakját meghatározza a különböző lyukbőségű szitákon fent maradt frakciók mennyisége.
24. ábra A tölgyfa áthullási diagramja
21
A tölgyfa szemcseméret eloszlásban eltér a puhafától. Az előző diagramon látható, hogy a puhafa esetében a frakciók nagyobb mennyisége inkább az 1 és a 0,63-as szitán maradt fent, míg a tölgyfánál található a 0,4-es szitán is szemcse. Ez azt bizonyítja, hogy a tölgyfa átlagosan kisebb méretű szemcséket tartalmaz, mint a puhafa.
25. ábra A napraforgó mag áthullási görbéje
A napraforgó mag esetében –akárcsak a puhafánál- szintén tartalmaz kisebb részecskéket, de a nagyobb frakciók vannak többségben, hiszen a 12-es szitától szinte egyetlen szemcse sem hullott át a szitán.
4.7. Ömlesztett sűrűség mérése Ömlesztett, vagy halmazsűrűségről beszélünk, ha az anyagrészecskék közti tér hézagokat tartalmaz. A hézaggal kitöltött térfogat részaránya a porozitás. Az említett sűrűség függ a szemcsék alakjától, ugyanis minél jobban eltér a szemcse a gömbalaktól, annál kisebb a sűrűség értéke. A különböző sűrűségű anyagok összehasonlítása a 2 táblában látható.
22
5. A FELHASZNÁLT BERENDEZÉSEK BEMUTATÁSA A minták elkészítéséhez különböző berendezéseket használtunk. A következőkben ezeket szeretném bemutatni Elsősorban a koller járatot. 5.1. Keverék készítése koller járattal A kollerjáratok olyan száraz és nedves őrlésre alkalmas berendezések, ahol a vízszintes tengely körül forgó 2 (vagy 3-4) őrlőtest forgó mozgása végzi a mechanikai aprítást. Egy vízszintesen elhelyezkedő őrlőtányéron, az őrlőtestek (önsúlyukkal) megfelelő finomságúra őrlik a beadagolt anyagot. Az őrlés folyamán a szemcseaprózódás miatt nő a fajlagos felület (m2 /g), és az anyag a beadagolt adalékanyagokkal együtt keveredik és homogenizálódik. A tengelyre (királytengely) rögzített őrlőtestek forgó mozgását egy meghajtó motor bizto sítja, s egy differenciálmű segítségével, ami által a megfelelő áttételek is biztosítva vannak. Forgás közben az őrlőtányéron szétterített anyagot kések terelik vissza az őrlőtest alá. Az őrlőtesten található őrlőkéreg biztosítja az őrlő test épségét, és élettartamát.
26. ábra a kollerjárat elvi felépítése
27. ábra a vizsgálatokhoz használt kollerjárat
23
3. táblázat. A kollerjárat adatai
Típus: RS-315 U= 380/220 V
Őrlőtest adatai: P= 290 W
Ø= 265 mm tömeg: 28 kg
Az megfelelő képlékenységének és formálhatóságának érdekében megfelelő vízmennyiséget kellett a kollerjárat tölcsérén keresztül adagolnunk az agyaghoz. A víztartalom beállítása után a már elkészített adalékanyagok agyaghoz való hozzákeverése következett az 3. táblázatban összefoglalt százalékos arányban. 5.2. Mintakészítő keret A mintáink elkészítéséhez egy 300 x 300 mm-es szögvas keretet használtunk, mely az 28. ábrán látható. A keretben folyamatos döngöléssel létrehoztuk az agyaglapokat, majd a keret eltávolítása után szabadlevegőn tároltuk.
28. ábra Minta készítő keret
5.3. Szárító kemence A nyers táblákat egy napig 80°C-on szárító kemencébe helyeztük. Erre azért van szükség, hogy a felesleges nedvességtartalom eltávozzon, így az égetés során nem lép fel a repedezettség veszélye. 5.4. Kiégető kemence A szárítás után a kiégetési eljárás következett. A kiégetés során az anyagban létrejövő kémiai reakciók kapcsán nagymértékben javul az agyag mechanikai, fizikai – szilárdsági – szempontból való ellenállósága. Az égetés technológiáját tekintve 50°c/h azaz óránként 50°C –kal emeltük az agyagtáblánk égetési hőmérsékletét 600°C-ig, majd onnantól 100°C/h –ra emeltük a hőmérsékletet, míg el nem értük a tényleges égetési hőmérsékletet, azaz a 900°C24
ot. A tényleges hőmérséklet elérése után még 2 órán keresztül hőn tartottuk agyagtábláinkat, hogy az teljes keresztmetszetében kiégjen, majd a kemence magától visszahűlt.
29. ábra Az égetőkemence
30. ábra A nyers és az égetett agyagtáblák egy részének képei
25
5.5. Hővezetés mérő berendezés [3] Munkánk során a RAPID – K típusú hővezetés mérőt használtuk (31.ábra) . A mérőkamrába egy 300x300mm-es mintadarab helyezhető. Fontos feltétel, hogy a felületek párhuzamosak legyenek, a jó hőátadás végett. Az alsó és felső lap között elektromos fűtés van. Állandó homogén hőmérsékletű mező szükséges ahhoz, hogy a hőmérséklet fluktuláció, vagyis a hőmérséklet kilengés abszolút minimum legyen. Az alsó lemez alatt, középen egy hő fluxus detektor van elhelyezve, ami méri az anyagon áthaladó hő fluxust. Az alsó és felső lap hőmérséklete beállítható, így állandó ΔT hőmérséklet alakul ki. Állandó hőmérséklet gradiens mellett a hőáramlás megindul a téglamintán. Az oldalfal szigetelt, hogy a mérést a berendezés oldalán lévő hőmérséklet nem befolyásolja.
31. ábra A hő fluxus mérés elvi vázlata
A hőfluxus detektor által leadott feszültségjelet egy univerzális mérő erősítő jeleníti meg mVban. Az állandósult hőmérsékletkülönbség és az állandó értékű hő fluxus kialakulásához, az előzetes mérések alapján 1 – 1,5 óra szükséges. Egy minta leméréséhez tehát 1,5óra időtartam szükséges. A lemért ΔT hőmérsékletkülönbség és U hőfluxus jel alapján az alábbi képlettel számolható a minta hőellenállása. R = ΔT/(U· k) Ahol:
U – hő fluxus [mV] k – készülék specifikus együttható R – a minta hőellenállása ΔT – alsó és felső lap hőmérséklet különbsége C°]
26
A RAPID – K típusú hővezetésmérő berendezésen lehetséges a behelyezett minta pontos vastagságának lemérése, mely az alábbi képlett szerint szükséges a hővezetési tényező meghatározásához.
λ = Δx/ R Ahol: Δx - a minta vastagsága [m] λ - hővezetési tényező [W/mk] R - a minta hőellenállása [m2 K/W]
6. A VIZSGÁLATOK EREDMÉNYEI Az 4. táblázatban található eredményeket diagramban ábrázoltuk. A diagramok megmutatják az adott összetételű agyagtáblák hőátbocsátási tényezőjét. Az összehasonlítás végett az egymástól eltérő alapanyagokat külön diagramban ábrázoltuk, melynek eredményeképpen jól láthatóak az összetétel és a hőátbocsátási érték összefüggése.
Puhafa 0,30
0,28 0,26
Tiszta agyag 0,242
Hővezetési tényező, λ, W/mK
0,24
P14
P17
P24
P27
P34
P37
0,238
0,22
0,208
0,212 0,193
0,20
0,203 0,188
0,18
0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00
Tiszta agyag
P14
P17
P24
P27
P34
P37
Alapanyag frakciók megnevezése
32. ábra A puhafa frakciókkal készült tégla hőátbocsátási értékei
A 32. ábrán látható, hogy a puhafa esetén, az alapanyag szemcsenagysága, és az alapanyag százalékos eloszlása nagymértékben befolyásolja a hőátbocsátási tényező értékét. Minél nagyobb szemcsenagysággal dolgozunk, annál inkább csökkenő trendet mutat a hővezetési tényező értéke. 27
Tölgyfa 0,30
0,28 0,26
Tiszta agyag 0,242
T17
T24
T27
T34
T37
0,234
0,24
Hővezetési tényező, λ, W/mK
T14
0,220
0,215
0,22
0,205
0,190
0,20
0,190
0,18
0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00
Tiszta agyag
T14
T17
T24
T27
T34
T37
Alapanyag frakciók megnevezése
33. ábra A tölgyfa frakciókkal készült tégla hőátbocsátási értékei
A 32. ábrához hasonlóan a tölgyfa fűrészpor esetén is, a szemcsenagyság és a bekevert mennyiség növekedésével csökkenő a hővezetési tényező értéke. Ennek oka, a kiégetés után visszamaradt pórusok nagysága.
Perlit 0,30 0,28
Hővezetési tényező, λ, W/mK
0,26
Tiszta agyag
PER14
PER17
PER24
PER27
0,242
0,24
0,209
0,22
0,203
0,20
0,181
0,18
0,170
0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04
0,02 0,00
Tiszta agyag
PER14
PER17
PER24
PER27
Alapanyag frakciók megnevezése
34. ábra A perlit frakciókkal készült tégla hőátbocsátási értékei
28
A perlit esetén a hőátbocsátási tényezőre a legalacsonyabb értékeket kaptunk. Ez valószínűleg a perlit üreges szerkezeti felépítésével magyarázható.
Napraforgó mag 0,30
Tiszta agyag
0,28 0,26
0,242
0,236
0,24
Hővezetési tényező, λ, W/mK
M14
M17
0,231
M24
M27
M34 0,242
0,237 0,212
0,22
M37
0,204
0,20 0,18
0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00
Tiszta agyag
M14
M17
M24
M27
M34
M37
Alapanyag frakciók megnevezése
35. ábra A napraforgó mag frakciók hőátbocsátási értékei
A napraforgó mag esetén kevésbé jó eredményeket kaptunk. A maghéj sűrűsége közel azonos a keményfa fűrészpor sűrűségével, azonban a mérési eltérés adódhat az eltérő morfológiából.
Összesített diagram Tiszta agyag
0,26
T14 0,24
T17
0,22
T24 T27
Hővezetési tényező, λ, W/mK
0,20
T34 T37
0,18
P14 P17
0,16
P24 0,14
P27
P34
0,12
P37 0,10
PER14 PER17
0,08
PER24 PER27
0,06
M14 0,04
M17
M24
0,02
M27 M34
0,00 Tiszta T14 agyag
T17
T24
T27
T34
T37
P14
P17
P24
P27
P34
P37 PER14 PER17 PER24 PER27 M14 M17 M24 M27 M34 M37 M37
M37
M37
Alapanyag frakciók megnevezése
36. ábra Az összesített diagram
29
A 36. ábrán látható a hővezetési tényezők értéke valamennyi anyagra összesítve. Látható, hogy a puhafa, tölgyfa és a perlit esetén az alapanyagok szemcsenagysága és százalákos eloszlása hasonló trendet mutat, míg a napraforgó mag esetében ezektől eltérőt. 4. táblázat A kiégetett téglák hővezetési tényezői Minta PER27 Papír4 PER24 P37 T37 T27 P27 PER17 P34 M37 M37 T34 P17 PER14 M27 P24 T24 T17 M17 T14 M14 M24 P14 Tiszta agyag M34
Alsó hőm.
Felső hőm.
T átlag
Hőfluxus
Magasság
Magasság
dT
°C
°C
°C
mV
m
mm
°C
44 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 46 45 46 45 46 46 46 47 46 46 47 45 46
62 62 62 61 62 62 62 62 62 62 62 61 62 62 62 62 62 61 62 62 62 62 62 62 62
53 53,5 53,5 53 53,5 53,5 53,5 53,5 53,5 53,5 53,5 53 54 53,5 54 53,5 54 53,5 54 54,5 54 54 54,5 53,5 54
2,2 2,3 2,2 2,2 2,4 2,4 2,4 2,6 2,6 2,7 2,7 2,4 2,5 2,6 2,7 2,3 2,8 2,7 2,7 2,8 2,6 2,9 2,7 3 3
0,031 0,028 0,031 0,030 0,030 0,030 0,030 0,029 0,029 0,028 0,028 0,030 0,029 0,030 0,027 0,034 0,027 0,027 0,030 0,027 0,032 0,029 0,029 0,030 0,028
30,52 28,15 30,56 29,95 29,50 29,50 29,85 29,00 29,05 28,05 28,05 29,95 29,08 29,85 27,47 34,30 26,95 26,80 29,90 27,40 31,80 28,64 28,95 30,00
18 17 17 16 17 17 17 17 17 17 17 16 16 17 16 17 16 15 16 15 16 16 15 17 16
28,26
k
R
45,691 45,691 45,691 45,691 45,691 45,691 45,691 45,691 45,691 45,691 45,691 45,691 45,691 45,691 45,691 45,691 45,691 45,691 45,691 45,691 45,691 45,691 45,691 45,691 45,691
0,179 0,162 0,169 0,159 0,155 0,155 0,155 0,143 0,143 0,138 0,138 0,146 0,140 0,143 0,130 0,162 0,125 0,122 0,130 0,117 0,135 0,121 0,122 0,124 0,117
lambda W/mK 0,170 0,174 0,181 0,188 0,190 0,190 0,193 0,203 0,203 0,204 0,204 0,205 0,208 0,209 0,212 0,212 0,215 0,220 0,231 0,234 0,236 0,237 0,238 0,242 0,242
A 4. táblázat a különböző adalékanyagokkal készült minták hővezetési tényezőjét mutatja növekvő sorrendben. Látható, hogy a legjobb hővezetési tényező értéket a perlitnél értünk el, valamint a nagyobb bekeverési mennyiség egyértelműen az energiatakarékosság felé mutat.
30
7. ÖSSZEFOGLALÁS Dolgozatunkban és a munkánk során az égetett kerámiák hőátbocsátásával és azok hő vezetési tényezőjének javításával foglalkoztunk. A hővezetési tényező javítására alkalmas megoldás a tégla üregtérfogatának növelése, valamit a belső üregeket elválasztó falak átfedéses eltolása is, mely nagymértékben befolyásolhatja a hővezetési tényező értékét. A mi munkánk során igyekeztünk olyan kompozit anyagot előállítani, mely a való életben is megfelelne a kért elvárásoknak. Az adalékanyagok beszerzését s azok osztályozását követően, 24 eltérő szemcseméretű és összetételű keveréket készítettünk Mályi agyag felhasználásával. A keverékekből 300x300x30mm méretű darabokat készítettük, majd azok kiszárítása után kiégettük azokat. A kiégetés után következett a hővezetési tényező mérése, mely egy RAPIDK típusú gép által készült. A mért eredményeket kiértékeltük, és a kapott értékeket diagramon ábrázoltuk. A mérésekből megállapítottuk, a keményfa, a puhafa fűrészporok valamint darált napraforgó maghéj három különböző szemcsenagyság frakciójának valamint a papíriszapnak mint papírgyártási hulladéknak és a perlit két szemcsenagyság frakciójának hatását a tégla hővezetési tényezőjére. A mérésekből megállapítható, hogy a szemcsenagyság és a bekeverési mennyiség növelésével javul a hőszigetelő képesség. A bekeverhető mennyiségnek azonban határt szab a téglák belső sejtes szerkezetének a falvastagsága. A legjobb hőátbocsátási értékeket a perlit esetében értünk el, ugyanis a bekevert adalékanyag mennyisége jóval több volt, mint a többi adalék estében, ezért több pórust hagy a kiégetés után.
KÖSZÖNETNYÍLVÁNÍTÁS A szerzők köszönetet mondanak a Mályi Téglagyárnak a z agyag, az ANZO Kft.-nek a perlit, a Zöld Láncolat B Kft.-nek és a Ládi fűrésztelepnek a fűrészporok biztosításáért valamint a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 projekt támogatásáért.
31
IRODALOM JEGYZÉK
[1] Szilikátipari Kézikönyv
[2] Mátó Gyula Miből építsem…?Tégla és kerámiacserép
[3] Improvement of insulation properties of conventional brick products Viktor Bánhídi, László A. Gömze
[4] http://www.teglasszovetseg.hu/gyartas
[5] http://epitoanyagok.info/epitoanyag-portal/teglagyartas/
[6] http://www.teglasszovetseg.hu/gyartas
[7] http:// http://hu.wikipedia.org/wiki/Agyag
[8]http://www.wienerberger.hu/servlet/Satellite?pagename=Wienerberger/Page/CallG allery05&cid=1212667825410&sl=wb_xx_home_en&pn=6&gallery=true
[9] http://www.kerpely.uni- miskolc.hu/UserFiles/File/KocserhaIstvan-ertekezes.pdf
[10] http://members.multimania.co.uk/carborobot/HU/Hullad%E9k.htm
[11] http://www.haendle.com/
[12] http://www.beralmar.com/hu/product/show/drying/cdf-combustion-chamber
[13] http://gyorgykeramia.hu/?page_id=289
[14] http://www.meisterhoszigtrend.hu/index.php?tema=hoszigeteles
[15] http://www.pannonmuhely.hu/energetika/hoszigeteles-kalkulator.php
[16] http://koos.hu/2011/04/26/a-homogen-tartofalak-vege/
[17] http://www.malyitegla.hu/
[18] http://www.hht-eu.com/cms/7929.html
32
MELLÉKLET 5/1. táblázat az osztályozott puhafa adalékanyag értékei
. 5/2. táblázat az osztályozott tölgyfa adalékanyag értékei
5/3. táblázat az osztályozott napraforgómag adalékanyag értékei
33
A gyártótól kapott osztályozott perlit szemcseeloszlását tekintve d<1 és d<2 mm-es frakciókból áll.
34
