In einem Trocknungsprozess — Lebensmittel, Pharmazie, Keramik, Holz oder Wäsche — ändert sich die Trocknungsgeschwindigkeit mit der Zeit und wird von zwei verschiedenen Mechanismen begrenzt.
Der Abschnitt konstanter Trocknungsgeschwindigkeit
Zu Beginn ist die Produktoberfläche nass. Die Verdunstung findet an der Oberfläche statt, und ihre Geschwindigkeit bestimmt sich daraus, wie schnell die Luft die Feuchte abführt. Die begrenzende Seite ist die äußere: Luftgeschwindigkeit, Temperatur und relative Luftfeuchte.
In diesem Abschnitt helfen ein größerer Luftstrom oder eine höhere Temperatur unmittelbar. Die Oberflächentemperatur bleibt wegen der Verdunstungskühlung nahe der Feuchtkugeltemperatur der Luft — ein natürlicher Puffer, der das Produkt schützt.
Der Abschnitt fallender Trocknungsgeschwindigkeit
Mit dem Abtrocknen der Oberfläche zieht sich die Verdunstungsfront in das Produkt zurück. Die Feuchte muss nun erst die Oberfläche erreichen, und die Geschwindigkeit bestimmt die innere Diffusion.
In diesem Abschnitt wirken Verbesserungen auf der Luftseite fast nicht mehr. Mehr Luftstrom bereitzustellen verbraucht nur Energie. Schlimmer noch: Da die Oberfläche nicht mehr durch Verdunstung gekühlt wird, steigt die Produkttemperatur rasch an — Anbrennen, Rissbildung und Qualitätsverlust treten genau in diesem Abschnitt auf.
Die Folge für die Auslegung
Ein guter Trockner stellt für die beiden Abschnitte unterschiedliche Bedingungen bereit: zu Beginn hoher Luftstrom und hohe Temperatur, danach eine stufenweise Absenkung. Ein Trockner mit konstanten Bedingungen durchläuft entweder den ersten Abschnitt zu langsam oder schädigt im zweiten das Produkt.
Modellierung
Die Verdunstung ist eine Stoff- und Energiequelle. Der von der Oberfläche abgehende Dampf erhöht die Feuchte der Luft, und die latente Wärme kühlt die Oberfläche; beides muss gemeinsam gelöst werden. Für die Verdunstung an Tropfen oder porösen Oberflächen werden die klassischen Stoffübergangsbeziehungen verwendet [1].
Die Verteilung ist entscheidend. Sollen alle Stücke einer Charge gleich trocknen, zählt nicht der Gesamtvolumenstrom, sondern wie er sich auf die Horden verteilt — ein klassisches Verteilungsproblem.
Die Produktseite wird gesondert modelliert. Die innere Diffusion gehört eher zum Produktmodell als zur Strömungslösung; beide werden an der Oberfläche zusammengeführt.
Referenzen
- Ranz, W. E. & Marshall, W. R. (1952). Evaporation from drops. Chemical Engineering Progress, 48, 141–146 (Part I) and 173–180 (Part II).
- Shah, R. K. & Sekulić, D. P. (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design. John Wiley & Sons. DOI: 10.1002/9780470172605