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7/8 | 2013

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Bild 1: Unseparierte

Bild 1: Unseparierte (links) und separierte Gärreste (rechts) nach 1,5 hTrocknungszeit Grafik 1: externe Prüfstrecke für Durch-(1) und Überstromtrocknung (2) Im Rahmen des Projektes wird eine neue,auf Experimente und Computersimulationen (CFD) gestützte Entwicklungsmethodik eingesetzt. Das Trocknungsverhalten von Gärresten wird in umfangreichen Versuchsreihen an Trocknungsanlagen und speziell entwickelten Prüfständen untersucht und in mathematische Kennfelder überführt. Mit Hilfe dieser Kennfelder wird eine Anlagenentwicklung möglich, die zunächst ausschließlich im Rechner stattfindet. Nach Klärung grundsätzlicher Fragen zu Bandanzahl, Bandgeschwindigkeit, Vorvermischung und Schütthöhe und begleitenden Untersuchungen an einem vorhandenen Trocknersystem werden im zweiten Schritt in Kooperation mit dem Industriepartner RIELA neue Versuchstrockneraufgebaut und optimiert. Materialspezifische Vorversuche ZurBeschreibungder Materialparameter von Gärresten aus landwirtschaftlichen Biogasanlagen werden sowohl Literaturwerteherangezogen als aucheigene Untersuchungendurchgeführt. Im ersten Schritt wurden Versuche in einemKlimaschrank zurErmittlung von Trocknungskurven von separierten und unseparierten Gärresten bei freier Konvektionmit unterschiedlichenTemperaturen und Raumluftfeuchten durchgeführt. Dabei hatte die Raumluftfeuchte einen größeren Einfluss auf die Trocknungszeit als die Temperatur. So verdoppelte sich zumBeispieldie Trocknungszeit von vier auf acht Stunden durch Erhöhung der Raumluftfeuchte von40auf 60 Prozent. DerUnterschiedzwischen separierten und unseparierten Gärresten wird in Bild 1deutlich. In dieser sind separierte und unseparierte Gärreste nach einer Trocknungszeit von 1,5 Stunden bei 75 °C und 60 Prozent Raumluftfeuchte abgebildet. Die unseparierten Gärreste bilden während des Trocknungsvorganges an der Oberfläche eine Kruste aus, die den Wärmeübergang behindert. Dagegen haben die separierten Gärreste, aufgrund der vorherigen Abtrennung eines Großteils des Wassers, bereits eine faserige Struktur,sodass eindeutlichbesseres Trocknungsergebnis erzielt werden kann. Bei der direkten Trocknung von nicht separiertem Material ist daher der Eintrag mechanischer Energie notwendig,umdie sich bildenden Krustenstrukturen zu zerstören und ein gutes Trocknungsergebnis zu erzielen. Alternativ dazuist auchdie Rückmischung vongetrocknetem Material mit unseparierten Gärresten möglich, was inder Praxis in einigen Anlagenkonzepten bereits eingesetztwird. Anforderung anden Prüfstand Zur realistischen Abbildung des Gärrest-Trocknungsverhaltens wurdeander Hochschule ein Versuchsstand aufgebaut, bei dem die Gärreste vergleichbar der späteren Bandtrocknung im Durchströmverfahren getrocknet werden können. Volumenstrom, Strömungsrichtung, Temperatur und Feuchte sind bei diesem Prüfstand in weitenGrenzen frei wählbar.Als Versorgungseinheit dient einüber eine externe Messstrecke erweiterter Klimaschrank. In Vorversuchen wurden die Anforderungen an denPrüfstand ermittelt: 7 Strömungsgeschwindigkeit im Prüfbehälter: etwa 2m/s (aufwärts/abwärts), 7 Temperaturbeständigkeit imBereich von20bis 80 °C, 7 Dichtigkeitder gesamten Umluftstrecke, 7 Sensorik zur Bestimmung von Lufttemperatur und Feuchte, 7 hochauflösende Volumenstrommessung und 7 Isolierung zur Vermeidung von Kondensation. Der angegebene Bereich der relativen Luftfeuchtigkeit (relative humidity, RH) wurde auf 0bis 80 Prozent RH festgelegt. Die Probe kann im Prüfstand sowohl über-als auchdurchströmt werden.Die Messstrecke wird über einen externen Ventilator angetrieben.Sie verfügtüber eine präzise Volumenstrommessung und eine Wägeeinrichtung. In definierten Zeitabständen erfolgt eine Wägung derProbe. DieVersuchsreihenerfolgten zunächst im Durchströmverfahren. Grafik 1zeigt den schematischen Aufbau des Prüfstandes. Die wichtigsten Komponenten sind: 7 Trockenschrank beziehungsweise Prüfraum, 7 Klimaschrank, 7 Ventilator, 7 Normblendenmessstrecke, 7 Bypassund 7 Drosselklappen. Die im Klimaschrank vorkonditionierte Luftwirddurch das Prüfgutgeleitet und anschließend zur Regeneration erneut dem Klimaschrank zugeführt. Eine speziell entwickelte Luftführung im Schrank unterstütztdie Effizienz der Vorkonditionierung.ImFalle einerWägung wird die Strömung über eine Bypassregelungunterbrochen. DieMessung derrelevantenKenngrößenerfolgtanmehrerenPunkten innerhalb der Prüfstrecke. Der Klimaschrank verfügt über eine eigenständige Regelung und gibt die gemessenen Momentanwerte aus. Parallel wird der Differenzdrucküber denPrüfbehältergemessen, um eventuelles Fluidisieren/ UmweltMagazin Juli -August2013 49

TECHNIK UND MANAGEMENT Energie/Erneuerbare Energien Grafik 2: Prinzipskizze der Verdunstungsberechnung im Bandtrockner Durchblasungendes Schüttguteszudetektieren. Über drei verfahrbare Thermoelemente wird die Temperatur des Prüfgutesgemessen. So kann die im Prüfgut fortschreitende Trocknungsfront präzise bestimmt werden. Zusätzlich wird die Temperatur deraufgefeuchteten Abluft anzwei Positionen direkt oberhalb der Gärrestprobe erfasst. Eine weitere Temperaturmessung direkt hinter der Normblendenmessstrecke unterstützt die Volumenstrommessung. Versuchstrockner und Simulation Für begleitende Versuche stellte das Unternehmen Riela einen transportablen Dreibandtrockner mit Direktbeheizung durch einen 100 Kilowatt Ölbrenner zur Verfügung. Dieser wurde experimentell und parallel auchüber Simulationsrechnungen untersucht. Ziele waren die präzise Untersuchung des thermischen Haushalts des Versuchstrockners,der eingehende Test der Versuchstechnik sowie der Aufbau belastbarer Simulationsmodelle, die mit den durchgeführten Messungen validiert wurden. Als Trockengut wurde in diesem Fall nicht auf Gärreste, sondern auf Kokostorfzurückgegriffen. Parallel zuden Versuchen wurde ein detailliertes Simulationsmodell des Versuchstrockners aufgebaut. Es erlaubteinen Blick indas Innere des Trockners, führt zueinem verbesserten Verständnis der durchgeführten Messungen, ermöglicht die gezielte Variationund Untersuchung einzelnerParameter(individuelle Schütthöhe, Bandgeschwindigkeit, etagenspezifische Wärmezufuhr und Strömungsgeschwindigkeit) und Bild und Grafiken (2): FH Münster dient als Basis für die weitere Entwicklungsarbeit. Trocknungsverhalten Parallel zuden Messungen wurde ein Rechenmodell zur thermodynamisch korrekten Beschreibung des Verdunstungsverhaltens entwickelt, um die experimentell gewonnenen Verdunstungsdatenindie Simulationsrechnungen der Zielsysteme einzubetten. Der Ablauf der Berechnung ist inGrafik 2 schematisiert. In der Berechnung bewegt sich das Förderband mit definierter Geschwindigkeitdurch denTrockner. Der Gärrest wird durchströmt. Wasser verdunstet aus dem Gärrest und wird inForm von Wasserdampf vom Trockengas aufgenommen. Die Menge des verdunsteten Wasser hängt zum einen von den Anströmbedingungen und zum anderenvon der aktuellen und über die Lauflänge variablenGutsfeuchte ab. Derverdunstende Wasseranteil im Gärrestwird auf Basis des experimentell ermittelten Kennfeldes inAbhängigkeit der aktuellen thermodynamischen Bedingungen berechnet und in der CFD-Berechnung über Quelltermemodelliert. Der Abströmzustand wird vom Verdampfungsvorgang im Gärrest bestimmt und ist aufgrund der unterschiedlichen Verdunstungsrate im Verlauf des Bands nicht konstant über die Lauflänge. Die dem Trocknungsgas durchVerdampfung entzogene Energie wird über entsprechende Senkenterme beschrieben. Der Betrag der verdunsteten Wassermasse wird dem Trockengas hinzugefügt und dem Wasseranteil desGärrestes entzogen. Fazit und Ausblick Durch die bisherigen Untersuchungen konnten bereits erste Optimierungspotenziale zur weiteren Steigerung der Leistungsfähigkeit für den betrachteten Dreibandtrockner ermittelt werden, die auch grundsätzlich für die Trocknung von Gärresten von Belang sind: 7 Gleichmäßige Materialaufgabe und -höhe zur Vermeidung von Durchblasungen, 7 Vermeidung von Bypassströmungen durch sorgfältige Abdichtung der durchströmten Bandbereiche je Ebene und 7 Zuführung der Trocknungsluft über die gesamteBandlänge durch einneues, energieoptimiertes Zuführsystem. Die skizzierte Auslegungsmethodik wird imweiteren Projektverlauf fertiggestellt: Auf Basis der experimentell ermittelten Trocknungskurven werden die mathematischenKennfelderzunehmend komplettiert und verfeinert. Ergänzt werden sie durchweitere Messreihen aneinem neu aufgebauten Bandtrocknersystem, das in den kommenden Monaten in Betrieb genommen wird. Nach erfolgreichem Testlauf der Berechnungen und Abgleich mit Messreihenamneuen Bandtrocknerwerden auf Basis derbisher gewonnenenErfahrungen und Berechnungsergebnisse neue Ziel-Trocknersysteme definiert, im Rechner als Computermodelle aufgebaut und unter Verwendung der experimentell ermittelten Kennfelder numerisch optimiert. Die Berechnungen werden durch Versuchsreihen am neuen Riela-Bandtrockner überprüft undabgesichert. Prof. Dr.-Ing. Hans-Arno Jantzen, Dipl.-Ing. Torsten Krohner, Holger Czajka, Prof. Dr.- Ing. Christof Wetter, Dr.-Ing. Elmar Brügging, Daniel Baumkötter, Fachhochschule Münster, jantzen@fh-muenster.de Projektpartner: Landwirtschaftskammer Nordrhein-Westfalen, Dr. Joachim Matthias 50 UmweltMagazin Juli -August2013

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