Trocknen von Platten

Abstract

Die Trocknung von porösen Platten ist ein gekoppeltes Problem der Impuls-, Wärme- und Stoffübertragung zwischen den Platten und dem Luftstrom, der sie überströmt. Methoden aus dem Bereich der Strömungsmechanik für turbulente Strömungen werden untersucht und auf den Trocknungsprozess angewendet, die Ergebnisse validiert und zur Prognose möglicher Änderung der Prozessparameter bei gleicher Trocknungsqualität verwendet. Grundlage für das Simulationsmodell bildet ein Trockner, der rund 2,9 m breit, 3,3 m hoch und 112 m lang ist. Gipskartonplatten werden nach vollständig abgeschlossener Kristallisation in 10 Ebenen über Rollen mit rund 2,8 m/min erst durch eine Vorheizzone und danach durch 3 Trocknungszonen geführt. Mittels Gasbrenner und Gebläse wird ein rund 200 °C heißer Luftstrom zur Trocknung der Platten in die Zonen eingebracht, der diese mit rund 10 m/s in Zone 1 entgegen und in den Zonen 2 und 3 mit der Plattenlaufrichtung überströmt. Im Zuge der Arbeit wird eine Recherche zu Literatur durchgeführt, die sich mit ähnlichen Trocknungsprozessen auseinandersetzt. In weiterer Folge wird ein quasi ein-dimensionales Modell zur Simulation entwickelt. Hierbei wird das System in die zwei Bereiche Platten und Luftstrom aufgeteilt, die als homogene Medien angenommen werden und deren querschnittsgemittelte Zustände nur in Bewegungsrichtung variieren können. Der Wärme- und Stoffübergang in senkrechter Richtung zwischen den beiden Bereichen wird mittels Koeffizienten beschrieben und Ströme in horizontaler Richtung werden vernachlässigt. Mittels Kanalströmungstheorie für die Luft und die einseitige Diffusion in porösen Medien für die Platte können für alle Zonen Simulationsergebnisse erzielt werden, die qualitativ und quantitativ gut mit den Messdaten im Trockner korrelieren. Mit dem Simulationsmodell können die Einflüsse der unterschiedlichen Parameter (z.B. Temperatur und Geschwindigkeit des Trocknungsluftstroms) auf die Trocknungsrate evaluiert werden. So kann beispielsweise gezeigt werden, dass eine Erhöhung der Temperatur und/oder derStrömungsgeschwindigkeit der Trocknungsluft zu einer höheren Trocknungsrate führt. Außerdem kann aufgrund des Zusammenspiels von Temperatur und Massenstrom der Trocknungsluft gezeigt werden, dass bei gleicher Trocknungsrate eine Erhöhung der Temperatur zu einer Verringerung des Energiebedarfs zur Erwärmung der Luft führen kann.

Drying of porous boards is a coupled problem of momentum-, heat- and mass transport between the boards and the airstream. Methods of fluid dynamics for turbulent flows are evaluated and used to simulate the drying procedure. The results are validated and used to get the same drying rate with different process parameters. A dryer of approximately 2,9 m width, 3,3 m height and 112 m length forms the basis for the simulation model. The dryer has 10 layers of metal rolls to transport the gypsum platerboards through the dryer with a speed of about 2,8 m/min after complete crystallization. The dryer is seperated in a pre-heating and three drying zones. The airstream for the drying process is heated up to around 200 °C with a gas burner and is blown into the drying zones by fans with around 10 m/s. In zone 1, the air streams against the movement of the plasterboards, in zones 2 and 3 it streams with the moving direction. After pre-heating, the boards enter thedryer with a temperature of about 40 °C and a water content of about 0,4 kg/kg dry board. To achieve a targeted low water content at the end of the dryer, approximately 240 kg water must be removed within one hour. To describe the drying process, a quasi one-dimensional simulation-model is developed. Thesimulation domain consists of two regions, boards and airstream, which are both assumed to be homogeneous media. The cross-sectionally averaged state of these regions only can change in the direction of movement, variations transverse to the direction of movement can’t be described within the one-dimensional description. The heat and mass transfer between these two media is described by correlations retrieved from literature. Using channel flow theory for the air and one-sided diffusion in porous media for the boards, simulation results can be achieved for all drying zones that correlate qualitatively and quantitatively well with the measurement data in the dryer. With the simulation model, the influences of the parameters (e.g. temperature and flow rate of the drying air-stream) on the drying rate can be evaluated. It can be shown that by increasing the flow rate and/or the temperature of the air-stream, the drying rate can be increased or vice versa. Looking at the energy needed to heat the air, the simulation shows, that lessenergy might be required if the air temperature is higher, because the mass flow rate of air can become significantly smaller.