Technologieverkenning Industriële Droogtechnieken

Technologieverkenning Industriële Droogtechnieken Studiegebied Industriële wetenschappen en technologie Opleiding Master in de industriële wetenschappen: Milieukunde Academiejaar 2008-2009 Gerlinde De Vogeleer

DANKBETUIGING Droogtechnieken. Velen kijken maar raar als ik de titel van mijn eindwerk uitleg. Wat begon als een tof onderwerp, is voor mij uitgegroeid tot een echte interesse in de biomassasector. Ik zou graag mijn promotor bedanken die mij dit onderwerp aanreikte en mij gedurende heel het jaar geduldig begeleidde. Spiessens nv introduceerde mij in de droogindustrie en leerde mij kostbare praktijkervaring, waardoor ik heel veel bijleerde. Ook zou ik graag Naten Van Hemelrijk en Kurt Sys bedanken die me inzicht deden krijgen! Mijn ouders wil ik hiermee ook even ophemelen omdat ze mij de kans gaven om verder te studeren en mij ook geduldig gesteund hebben! Ik stuur ook nog een dankuwel 1150 km verder naar mijn tweelingbroer Karel voor al zijn hulp, en natuurlijk ook naar Hans die ik meestal binnen een straal van 10m terug kon vinden! I

INHOUDSOPGAVE 1 Inleiding 2 2 Theorie omtrent het droogproces 4 2.1 Definitie....................................... 4 2.2 Mechanisme..................................... 5 2.3 Massa- en energiebalans.............................. 6 3 Beïnvloedbare factoren 9 3.1 Droogcurve..................................... 9 3.2 Mollier........................................ 11 3.2.1 Opwarmen en afkoelen van de lucht................... 12 3.2.2 Mengen van lucht............................. 12 3.2.3 Het verhogen van de vochtigheidsgraad[7]................ 12 3.2.4 Toepassingen Mollier............................ 14 4 Warmte-overdracht 18 4.1 Conductie of geleiding............................... 18 4.2 Convectie...................................... 19 4.3 Straling....................................... 19 4.4 Algemene definities................................. 19 4.4.1 Soortelijke of specifieke warmte...................... 19 4.4.2 Relatieve en absolute vochtigheid..................... 20 4.4.3 Droge- en natteboltemperatuur...................... 20 4.4.4 Enthalpie.................................. 20 II

5 Drogers 22 5.1 Indeling....................................... 22 5.1.1 Transportmethoden............................ 23 5.1.2 Batch of continu.............................. 23 5.1.3 Warmte-overdracht............................. 23 5.1.4 Druk..................................... 24 5.2 Overzicht...................................... 24 5.3 Convectiedrogers.................................. 26 5.3.1 Trommeldroger............................... 26 5.3.2 Kamerdroger................................ 30 5.3.3 Sproeidroger................................ 33 5.3.4 Wervelbeddroger.............................. 35 5.3.5 Straaldrogen................................ 37 5.3.6 Schudbeddrogen.............................. 37 5.3.7 Pneumatische droger............................ 38 5.3.8 Solar drogen................................ 40 5.4 Conductiedroger.................................. 42 5.4.1 Walsdroger................................. 42 5.4.2 Vacuümdroger............................... 43 5.5 Stralingsdrogen................................... 45 5.5.1 Infrarood stralingsdroger......................... 45 5.5.2 Ultraviolet stralingsdroger......................... 46 5.6 Diëlektrisch droger................................. 47 5.6.1 Microgolfdroger............................... 48 5.7 Vriesdroger..................................... 49 5.8 Stoomdroger.................................... 52 5.9 Vergelijkende tabel................................. 53 5.10 Keuze drogers voor digestaat........................... 54 5.10.1 Keuze algemeen.............................. 54 5.10.2 Digestaatdroging.............................. 54 6 Case rond mechanisch ontwateren 57 6.1 Probleemstelling.................................. 58 6.2 Wetgeving...................................... 59 6.3 Samenstelling afvalwater en afvalgas....................... 59 6.3.1 Digestaat.................................. 59 6.3.2 Afvalwater................................. 61 6.3.3 Afvalgas................................... 61 6.4 Ontwateren..................................... 62

6.4.1 Bezinking.................................. 62 6.4.2 Filtratie................................... 62 6.4.3 Centrifuge.................................. 65 6.5 Waterzuivering................................... 66 6.5.1 Membraanfiltratie............................. 66 6.5.2 fysicochemie................................ 68 6.5.3 Strippen van ammoniak.......................... 69 6.5.4 Biologische zuivering........................... 69 6.6 Luchtbehandeling.................................. 70 6.6.1 De stofvanger................................ 71 6.6.2 De luchtwasser............................... 72 6.6.3 De biofilter................................. 73 6.6.4 Thermische naverbranding......................... 73 6.6.5 De actief koolfilter............................. 74 6.7 Energiestudie.................................... 74 6.7.1 Beschikbare warmte............................ 75 6.7.2 Volledig thermisch drogen......................... 75 6.7.3 Deels thermisch en deels mechanisch ontwateren............ 77 6.7.4 Conclusie berekeningen.......................... 78 6.8 Bemerkingen bij keuze.............................. 79 6.8.1 Drogen zonder ontwatering........................ 80 6.8.2 Drogen met ontwatering.......................... 80 6.9 Kost mechanische ontwatering........................... 81 6.10 Conclusie...................................... 82 7 Optimalisatie droger Spiessens 85 7.1 Algemeen...................................... 85 7.1.1 Efficiëntie en prestatie van de droger................... 87 7.2 Optimalisatie droogproces............................. 88 7.2.1 Droogproces van het product....................... 89 7.2.2 Optimalisatie droger............................ 92 7.3 Recuperatie restwarmte.............................. 95 7.3.1 Luchtrecirculatie.............................. 95 7.3.2 Warmtewisselaars.............................. 97 7.3.3 Mechanische voorontwatering....................... 99 7.4 Optimalisatie aanvoer warmte........................... 100 7.4.1 Warmte-inhoud lucht............................ 100 7.4.2 Aanvoer lucht................................ 101 7.4.3 Brandrisico................................. 101

7.5 Conclusie...................................... 102 8 Algemeen besluit 103 A Het Mollier-diagram 1 B Vergelijkende tabel 7 C Banddroger van Spiessens 8 C.1 Bredere context................................... 8 C.2 Voordroger..................................... 9 C.3 Nadroger...................................... 10 C.3.1 De opstart.................................. 10 C.3.2 Het droogproces.............................. 11 C.3.3 Einde cyclus................................ 12 C.3.4 Gegevens drooginstallatie......................... 12 C.4 Drooglucht..................................... 13 C.4.1 Generatorwarmte.............................. 13 C.4.2 Stalwarmte................................. 13

LIJST VAN FIGUREN 2.1 Massatransport bij het drogen van een materiaal................ 5 2.2 Energiebalans continu proces........................... 7 2.3 Energiebalans batch proces............................ 7 2.4 Massabalans continu proces............................ 8 2.5 Massabalans batch proces............................. 8 3.1 De droogcurve: (X kr ) kritische vochtgehalte................... 9 3.2 Droogcurve: droogtijd t.o.v. vochtgehalte; (X kr ) kritische vochtgehalte; (X ev ) evenwichtsvochtgehalte............................... 10 3.3 Opwarmen en afkoelen lucht............................ 12 3.4 Mengen van lucht................................. 13 3.5 Verhogen van de vochtigheidsgraad........................ 13 3.6 Recirculatie lucht in een droger: (1) verse lucht; (2) gemengde lucht; (3) opgewarmde gemengde lucht; (4) lucht na droging................... 14 3.7 Voorbeeld luchtrecirculatie............................. 15 3.8 Grafische voorstelling herwarmen lucht...................... 17 5.1 Overzicht drogers.................................. 25 5.2 De trommeldroger: (1) verwarmer ingaande lucht; (2) omhuizing trommel; (3) cycloon; (4) stof; (5) ventilator; (6) uitgaande lucht............... 27 5.3 Luchtrichtingen in een droger: door het materiaal; gelijkstroom; tegenstroom. 27 5.4 Soorten schoepen: (1) buigvleugel; (2) kanaalvleugel............... 28 5.5 Hellingshoek.................................... 28 5.6 Tegenwijzersin schoepen in een trommeldroger................. 29 5.7 Trommeldroger................................... 29 VI

5.8 De kamerdroger: (1) ingaande lucht; (2) uitgaande lucht; (3) ventilator; (4) verwarmer; (5) droogkamer............................. 30 5.9 Hopdroger in Poperinge.............................. 31 5.10 De vertikale droogkamer: (1) droogkamer; (2) ventilator; (3) luchtdistributiekanaal; (4) verwarmer; (5) uitlaat/recirculatie lucht; (6) zuigkanaal ingaande lucht......................................... 32 5.11 Banddroger nv Spiessens.............................. 33 5.12 De sproeidroger: (1) toevoertank; (2) filter; (3) pomp; (4) verstuiver; (5) luchtwarmer; (6) ventilator; (7) luchtverspreider; (8) droogkamer; (9) cycloon; (10) ventilator voor uitgaande lucht........................... 34 5.13 De wervelbeddroger: (1) ventilator; (2) luchtverwarmer; (3) droogkamer; (4) cycloon; (5) stof; (6) uitgaande lucht........................ 36 5.14 De straaldroger: (1) gecontroleerde deeltjesstroom; (2) droogruimte; (3) scheve luchtdistributieplaat; (4) luchtpijp......................... 38 5.15 De schudbeddroger: (1) transportband; (2) warme lucht; (3) nat product; (4) droog product.................................... 38 5.16 De pneumatische droger: (1) mixer; (2) pneumatisch transportkanaal; (3) lucht verwarmer; (4) expansienaad; (5) ventilator ingaande lucht; (6) cycloon; (7) filter; (8) ventilator uitgaande lucht; (9) gerecycleerd product.......... 39 5.17 Ringdroger..................................... 40 5.18 Solar drogen: (1) droogmaker; (2) luchtstroom; (3) zonnecollectorbox; (4) zonnecollectorpaneel; (5) metalen dak......................... 41 5.19 De wals: (1) damp afvoer; (2) walsdroger; (3) toevoer stoom; (4) afvoer condensaat; (5) transportband; (6) zeef........................ 42 5.20 De vacuümdroger: (1) vacuüm bron; (2) barometer condensor (laag); (3) warme bron; (4) natte stofcollector; (5) droge stofcollector; (6) stortklep; (7) laadingang; (8) vacuüm trommeldroger; (9) snelheidsvertrager............. 43 5.21 Spectrum elektromagnetische golven....................... 45 5.22 De infrarooddroger: (1) gasbevoorrading; (2) gasstroomcontrole; (3) emitter; (4) aluminium behuizing; (5) droogblad; (6) controlesysteem; (7) thermokoppel; (8) te drogen goed............................... 46 5.23 de diëlektrische droger............................... 47 5.24 De microgolfdroger onder atmosferische druk: (1) transportband; (2) microgolfafsluiter; (3) controleveiligheid; (4) geleidingsplaat; (5) kanaal; (6) generator; (7) tunneloven; (8) gedwongen lucht........................ 48 5.25 de microgolfdroger................................. 49

5.26 De vriesdroger: (1) droogkamer; (2) ijscondenskamer; (3) koeleenheid; (4) koel/verwarm-eenheid voor de platen; (5) vacuüm eenheid; (6) isolatieklep; (7) siliconenpomp; (8) koel/verwarmplaat; (9) vriesspoel; (10) condensor vacuümklep....................................... 50 5.27 De vriesdroger................................... 51 5.28 Gebied waar vriesdrogen voorkomt........................ 51 5.29 De stoomdroger: (1) ventilator; (2) oververhitter; (3) cycloon; (4) reststoom; (5) gerecycleerde stoom............................... 52 5.30 Principe stoomdroger: (1) compressor; (2) gerecycleerde stoom; (3) oververhitter; (4) product; (5) licht oververhitte stoom; (6) stoomoverschot; (7) directe benutting stoom; (8) warmtewisselaar; (9) warmteterugwinning; (10) afvoer condensaat...................................... 53 6.1 Schroefpers..................................... 63 6.2 Zeefbandpers.................................... 63 6.3 Kamerfilterpers................................... 64 6.4 Zeefbocht...................................... 65 6.5 De decanter-centrifuge............................... 65 6.6 Principe membraanfiltratie............................ 67 6.7 Deel van de ultrafiltratie-opstelling [34]...................... 68 6.8 Principe gaswasser................................. 72 6.9 Principe biofilter.................................. 73 6.10 Principe aktief koolfilter.............................. 74 6.11 Kostenverloop toepassen mechanische ontwatering............... 83 7.1 Meetpunten voor het monitoren van drogers................... 86 7.2 De droogcurve: (X kr ) kritische vochtgehalte................... 89 7.3 Het multistaged drogen.............................. 91 7.4 Volgorde uitvoeren van de hygiënisatie; V: vergisting; D: droging; H: hygiënisatie. 92 7.5 Verdiepingen in de drooginstallatie........................ 94 7.6 Het keren van de drooglucht............................ 94 7.7 Voorbeeld luchtrecirculatie............................. 95 7.8 Het warmtewiel................................... 97 7.9 Het opwarmen van de lucht onder het dak.................... 100 7.10 Het inbrengen van de lucht............................ 101 A.1 Recirculatie in het Mollierdiagram........................ 2 A.2 Recirculatie in het Mollierdiagram........................ 3 A.3 Herwarmen van de drooglucht in het Mollierdiagram.............. 4 A.4 Voorbeeld mechanische ontwatering in het Mollierdiagram.......... 5

A.5 Voorbeeld Warmteterugwinning met een warmtewisselaar ; 1: drooglucht voor warmtewiel; 2: drooglucht na warmtewiel; 3: buitenlucht voor warmtewiel; 4: voorverwarmde buitenlucht na warmtewiel.................... 6 B.1 Vergelijkende tabel drogers............................ 7 C.1 Zij-aanzicht van de banddroger.......................... 9 C.2 De indikker..................................... 9 C.3 Respectievelijk de rakel en het begin van de droogband............. 11 C.4 Luchtdoorstroom in respectievelijk het zij-aanzicht en de doorsnede van de droger 11 C.5 Gehele opstelling van de banddroger met de indikkers, generator, warmtewisselaar en luchtwasser................................. 12

LIJST VAN TABELLEN 3.1 Vergelijking drogen met en zonder recirculatie.................. 16 3.2 Vergelijking drogen met en zonder herwarmen van de lucht.......... 17 6.1 Energieverbruik voor droging (MJ/ton ingaand) [29].............. 59 6.2 Emissiegrenswaarden water............................ 59 6.3 Emissiegrenswaarden lucht............................. 60 6.4 Voorbeeld samenstelling digestaat [38]...................... 60 6.5 Samenstelling dunne en dikke fractie (digestaat Kraanswijk EKO)...... 61 6.6 Voorbeeld samenstelling dunne fractie [34].................... 61 6.7 Voorbeeld resultaten ammoniakmeting in drooglucht[32]............ 61 6.8 Membraanfiltratie................................. 67 6.9 Gegevens meetwaarden [45]............................ 75 6.10 Volume thermisch verwijderd water........................ 76 6.11 Gegevens luchtomstandigheden.......................... 76 6.12 Volume mechanisch en thermisch verwijderd water............... 77 7.1 Nodige metingen voor het monitoren van drogers [54].............. 87 7.2 Gegevens luchtstromen warmtewiel........................ 98 X

GEBRUIKTE SYMBOLEN EN AFKORTINGEN XI

a AK BZV CZV DS G h h b h v HF IR k m MBR MDR p Q RO RV T t n U UF UV VLAREM VOS VSEP W WKK x ϕ σ z Fractie uitgezonden straling Aktiefkool Biologisch zuurstofverbruik Chemisch zuurstof verbruik Drogestof massa Enthalpie Bindingsenergie Verdampingsenergie Hoge Frequentie Infrarood Constante Massa Membraanbioreactor Mechanische Damprecompressie Druk Warmte Reversed osmose Relatieve vochtigheid Temperatuur Natteboltemperatuur Inwendige energie Ultrafiltratie Ultraviolet Vlaams reglement betreffende de milieuvergunning Vluchtige organische stoffen Vibrating mebrane separation Arbeid Warmtekrachtkoppeling Vochtigheidsgehalte Relatieve vochtigheid Stralingsconstante 1

HOOFDSTUK 1 INLEIDING Drogen is wereldwijd een veelgebruikt proces in de industrie. De redenen waarom gedroogd wordt, zijn zeer uiteenlopend: voor gewichtsbesparing, voor eenvoudiger transport, om de houdbaarheid van voeding te verlengen, om een product te verkrijgen dat verder bewerkt kan worden, enz... Niettegenstaande het droogproces een meerwaarde of een economische besparing kan betekenen, is het proces energievretend. Drogen is een complex mechanisme waar niet altijd veel over geweten is. Er zijn Britse cijfers bekend van meerdere sectoren, waar de energieconsumptie voor het drogen 12% van de totale verbruik bedraagt. Hogere percentages, van 17 to 25%, komen zelfs voor in andere Europese landen en de Verenigde Staten [1]. Door de hoge energievraag die het drogen vergt, worden veel studies aan het droogproces besteed. Zo kan het droogproces beter worden begrepen en bijgevolg kan mogelijk het warmteverbruik met zijn kosten beperkt worden door efficiënt te drogen. De oorspronkelijke bedoeling van mijn eindwerk is een technologieverkenning van industriële drogers te maken. Om deze theorie toe te passen is hierbij nog een theoretische optimalisatiestudie gebeurd op de banddroger van Spiessens nv. Door deze optimalisatie kwam ik veel in contact met digestaatdroging en kwam de uitdaging om nog een case te bespreken omtrent een voorafgaande mechanische ontwatering bij digestaatdroging. Hierbij heb ik teruggaand naar het eerste hoofdstuk ook de toepasbaarheid van de drogers op digestaat besproken. Dit eindwerk bevat dan ook volgende hoofdstukken: Theorie omtrent het drogen: het droogproces wordt uitgediept; 2

Hoofdstuk 1. Inleiding Technologieverkenning van industriële drogers: een overzicht wordt gegeven van de brede waaier aan drogers; Case rond mechanisch ontwateren: ontwateren worden besproken; de voor- en nadelen van het vooraf mechanisch Optimalisatie van een convectiedroger: een theoretische studie werd besteed aan het optimaliseren van een convectiebanddroger waar hoofdzakelijk mest en digestaat op gedroogd wordt. 3

HOOFDSTUK 2 THEORIE OMTRENT HET DROOGPROCES Om energie-efficiënt te drogen, is het belangrijk de processen te verstaan die het drogen stimuleren. Daarom wordt in dit hoofdstuk de theorie achter het drogen uitgelegd, zodat beter begrepen kan worden welke factoren het proces kunnen verbeteren. 2.1 Definitie Drogen wordt o.a. gedefinieerd als het verwijderen van vluchtige substanties, vocht genoemd, door warmte uit een mengsel en vervolgens een vast product voortbrengt [3]. Drogen is H 2 O-moleculen (of solventen) verwijderen. Hiervoor is energie nodig om mogelijke bindingsenergie te overtreffen van het water met de materie en verdampingsenergie toe te voeren. H = h b + h v (2.1) H= de totale energie nodig h b = bindingsenergie h v = verdampingsenergie Om te kunnen drogen, moet het vocht in de materie warmte krijgen van zijn omgeving zodat verdamping kan plaats vinden. Om dit vocht af te voeren is een draaggas nodig. Meestal is dit gas lucht en is het vocht water, waardoor dat deze lucht direct in de atmosfeer kan uitgestoten worden. Het vocht kan echter ook een waardevol solvent zijn, dat opgevangen 4

Hoofdstuk 2. Theorie omtrent het droogproces 2.2. Mechanisme moet worden. Echter is de verzadigde drooglucht meestal vervuild. Om aan emissie-eisen te voldoen, wordt de uitgestoten lucht dan niet meteen vrijgelaten in de atmosfeer maar wordt die eerst behandeld. Om vloeistoffen te drogen, wordt gedestilleerd of gefractioneerd gedestilleerd. In dit eindwerk wordt vooral gespecifieerd op het drogen van vaste materie, niet op het concentreren van gassen of vloeistoffen. 2.2 Mechanisme Als een vochtige stof droogt, vinden er simultaan twee processen plaats. De snelheid van het drogen is beperkt door de snelheid van een van deze twee mechanismen [4]: Warmte-overdracht om het vochtig product op te warmen en te verdampen Massa-transport van het intern vocht tot het oppervlak, gevolgd door verdamping Bij drogen komt het er op neer dat de energie zo efficiënt mogelijk geleverd wordt om deze mechanismen te bevorderen. Warmte-overdracht gebeurt door convectie, conductie, straling of een combinatie van deze (uitzondering: diëlektrische of HF-droger waar de warmte intern gegenereerd wordt) en het massatransport is ook afhankelijk van zijn bepaalde factoren. Figuur 2.1: Massatransport bij het drogen van een materiaal Massa-transport (fig.2.1) wordt beïnvloed door processen die tegelijk gebeuren en elk de limiterende factor kunnen zijn: beweging van het vocht in de stof, afhankelijk van interne condities en de hoeveelheid vocht Door warmte-overdracht in een vochtig product, wordt er een temperatuursgradiënt ontwikkeld vanuit het opgewarmd oppervlak naar binnenin, terwijl verdamping optreedt 5

Hoofdstuk 2. Theorie omtrent het droogproces 2.3. Massa- en energiebalans langs de buitenkant. Het vocht migreert naar buiten door mechanismen als diffusie, capillaire krachten en interne druk door het krimpen van de stof tijdens het drogen. Deze mechanismen gebeuren tegelijk, maar de meest doorwegende zal afhangen van iedere situatie. Door de temperatuursgradiënt is een vochtgradiënt gecreëerd door de dikte van het materiaal. In het begin van het drogen vindt vrije verdamping plaats. Bij het einde zullen deze mechanisme de beperkende factor worden door de lage hoeveelheden vocht in het product. Langere contactperioden en hogere temperaturen zijn nodig. Sommige materialen zijn gevoelig voor te hoge vochtgradiënten omdat barsten of het scheeftrekken van het product kunnen voorkomen (bv. bij keramiek). beweging van de damp van het oppervlak door externe condities als temperatuur, luchtvochtigheid, luchtstroom, druk en de oppervlakte De externe essentiële variabelen zijn temperatuur, vochtigheid, hoeveelheid en richting van de luchtstroom, de fysische vorm van de te drogen stof en de wens van agitatie. In de eerste momenten van het drogen is het belangrijk een zo groot mogelijke oppervlakteverdamping te creëren, omdat er veel vrij ongebonden vocht aanwezig is. Deze oppervlakteverdamping is afhankelijk van de diffusie van damp van het oppervlak naar de omgeven lucht door een relatieve stationaire luchtfilm dat in contact staat met het oppervlak. Deze luchtfilm is een weerstand voor de dampstroom en is een soort isolatie. De dikte van de film vermindert snel als de snelheid van het overstromende gas groter wordt, ook al verdwijnt de laag nooit helemaal. 2.3 Massa- en energiebalans Tijdens het droogproces blijven de totale energie en massa altijd gelijk, de inkomende is altijd gelijk aan de uitgaande hoeveelheid. Bij de meeste droogprocessen moet voor de energiebalans enkel rekening gehouden worden met de enthalpie van de processtromen, de arbeid geleverd door de ventilatoren en in sommige gevallen de arbeid om het product te transporteren. Kinetische, potentiële en oppervlakte energieën zijn hierbij verwaarloosbaar. De balansen kunnen opgesplitst worden voor continue en batchdrogers [6]. Energiebalans continu proces Q in Q verl +W vent = (m l h lu +m du h du )+(m s h su +m wu h wu ) (m l h li +m di h di ) (m s h si +m wi h wi ) (2.2) 6

Hoofdstuk 2. Theorie omtrent het droogproces 2.3. Massa- en energiebalans Figuur 2.2: Energiebalans continu proces Q in = ingaande hoeveelheid warmte Q verl = hoeveelheid warmteverlies W vent = ingevoerde arbeid ventilator m l = massa lucht m s = massa droog product h li = enthalpie ingaande lucht; h lu = enthalpie uitgaande lucht m di = massa ingaande damp; m du = massa uitgaande damp h di = enthalpie ingaande damp; h du = enthalpie uitgaande damp h si = enthalpie ingaand droog product; h su = enthalpie uitgaand droog product m wi = massa ingaand productwater; m wu = massa uitgaand productwater h wi = enthalpie ingaand productwater; h wu = enthalpie uitgaand productwater Energiebalans batch proces Q in Q verl + W vent = (m l h lu + m du h du ) (m l h li + m di h di ) mh w (2.3) Figuur 2.3: Energiebalans batch proces 7

Hoofdstuk 2. Theorie omtrent het droogproces 2.3. Massa- en energiebalans Massabalans continu proces (m l + m di ) + (m s + m wi ) (m l + m du ) (m s + m wu ) = 0 (2.4) m wi m wu = m du m di (2.5) Figuur 2.4: Massabalans continu proces Massabalans batch proces (m l + m di ) (m l + m du ) = m (2.6) m di m du = m (2.7) Figuur 2.5: Massabalans batch proces 8

HOOFDSTUK 3 BEÏNVLOEDBARE FACTOREN 3.1 Droogcurve Het droogproces is karakteristiek voor elk product. Het droogproces verandert bij elke variatie in conditie van luchtsnelheid, druk en temperatuur. Bij een hogere temperatuur en luchtsnelheid stijgt de droogsnelheid, bij een lagere druk stijgt deze droogsnelheid doordat het kookpunt van de vloeistof verlaagt. Deze belangrijke informatie wordt weergegeven in een droogcurve (fig.7.2, 3.2). Als deze curve bepaald is, kan de optimale temperatuur en luchtsnelheid bepaald worden om te drogen [2]. Figuur 3.1: De droogcurve: (X kr ) kritische vochtgehalte. De droogcurve bestaat uit drie delen, de initiële periode, de constante snelheidsperiode en de 9

Hoofdstuk 3. Beïnvloedbare factoren 3.1. Droogcurve vallende snelheid periode. De initiële periode: In de initiële periode wordt het product, inclusief het vocht, opgewarmd door voelbare warmte. De verdampingssnelheid stijgt sterk. Vrij vocht wordt verdampt zonder hindering. De constante snelheidsperiode: Zolang het product nat blijft aan het oppervlak, is de snelheid van drogen onafhankelijk van de interne mechanismen in het product zoals besproken en is gelijk aan de snelheid van het verdampen van het water. De temperatuur van de bovenste wateroppervlak zal gelijk zijn aan de natteboltemperatuur van de warme lucht die erdoor gestuurd wordt. In het algemeen is de constante snelheidsperiode afhankelijk van de warmte- of massatransport coëfficiënt, het contactoppervlak en het verschil in temperatuur en vochtigheidsgraad van het product en het droogmedium. Tijdens deze periode blijft de temperatuur van het product redelijk constant door de koeling van de verdamping. De afnemende snelheidsperiode: Tijdens de afnemende snelheidsperiode is er geen vrij vocht meer dat verdampt kan worden, en is de verdampsnelheid beperkt door de snelheid van vochtdiffusie, bindingsenergie van het water en capillaire krachten in de te drogen stof. Druk zal hier ook een rol beginnen spelen als het product begint te krimpen door het drogen. Er treedt gehinderde verdamping op. Figuur 3.2: Droogcurve: droogtijd t.o.v. vochtgehalte; (X kr ) kritische vochtgehalte; (X ev ) evenwichtsvochtgehalte. 10

Hoofdstuk 3. Beïnvloedbare factoren 3.2. Mollier Het punt tussen de constante en de afnemende snelheidsperiode is het kritische vochtgehalte van het product. In dit deel van de droogcurve zal een deel van het oppervlak al droog zijn, andere delen zullen nog vochtig zijn. Na een bepaalde periode zullen er enkel nog droge oppervlakken zijn en zal de mogelijkheid van het vocht om naar het oppervlak te raken het hele droogproces domineren. Luchtsnelheid is nu minder van belang doordat het droogproces niet meer afhangt van de verdampingssnelheid. Nu worden de temperatuur, de vochtigheid en de dikte van het materiaal het belangrijkst. De verdampingssnelheid varieert met de vierkantswortel van de dikte van het materiaal [4]. Tijdens deze periode stijgt de temperatuur van het product sterk omdat de koeling van de verdamping sterk gedaald is. Tussen de constante snelheidsperiode en de afnemende snelheidsperiode bestaat een verband. Als een materiaal snel gedroogd wordt bij hoge vochtigheidsgraad, zal het ook snel drogen bij een lage vochtigheidsgehalte. Dit kan toegeschreven worden aan de poreuze structuur. De capillairen hebben liever een snelle diffusie naar het oppervlak toe zodat het vocht sneller aan het oppervlak geraakt om te drogen [4]. De temperatuur van het drogen moet uiteindelijk worden verhoogd door verliezen die optreden door slechte isolatie, conductie en/of stralingen,... 3.2 Mollier Een Mollierdiagram maakt het mogelijk om de toestandsveranderingen in de lucht eenvoudig grafisch voor te stellen (zie bijlage A). Met het diagram kunnen zonder berekeningen, enthalpie, temperatuur, relatieve vochtigheid en absolute vochtigheid bepaald worden vanaf het moment dat twee van deze grootheden gekend zijn. Omdat de meeste droogprocessen verlopen onder constante druk wordt de toestand van de vochtige lucht meestal in isobaren voorgesteld [7]. Men kan kiezen tussen twee van de vier grootheden om tegenover elkaar te zetten, maar het Mollierdiagram maakt gebruik van de grootheden enthalpie I en absolute vochtigheid x voor de assen. Deze assen vormen geen 90 om de praktische reden dat anders de meeste informatie in een hoek gedrukt wordt. Tussen de assen bevindt zich een hoek groter dan 90. De andere twee grootheden, temperatuur T en de relatieve vochtigheid ϕ, worden in constante lijnen voorgesteld. De isothermen, de lijnen die de constante temperatuur aanduiden, worden voorgesteld door rechten, de constante vochtigheidsgraad door krommen. In volgende paragrafen worden enkele processen uitgelegd met het Mollier-diagram. De pro- 11

Hoofdstuk 3. Beïnvloedbare factoren 3.2. Mollier cessen vinden plaats in convectiedrogers. 3.2.1 Opwarmen en afkoelen van de lucht In het Mollierdiagram wordt het afkoelen en opwarmen van lucht voorgesteld door een verticale lijn (fig.3.3). Als gevolg veranderen de grootheden enthalpie en relatieve vochtigheid. De absolute vochtigheid blijft constant. Figuur 3.3: Opwarmen en afkoelen lucht 3.2.2 Mengen van lucht Als een bepaalde luchtstroom met massa G 1 en vochtgehalte X 1 gemengd wordt met een andere luchtstroom G 2 en vochtgehalte X 2, wordt een nieuwe luchtstroom gevormd met massa G M en vochtgehalte X M. De massa blijven voor en na menging behouden. De nieuwe warmte-inhoud van de menglucht kan bekomen worden door volgende formules toe te passen. De verhoudingen treden als volgt op: G 1 + G 2 = G M (3.1) X 1 G 1 + X 2 G 2 = X M G M (3.2) Als we deze menging in het Mollierdiagram uitzetten zien we dat deze punten op een bepaalde lijn liggen en dat de afstanden P 2 P M en P 1 P M zich verhouden als de massa s G 1 /G 2 (fig. 3.4). 3.2.3 Het verhogen van de vochtigheidsgraad[7] Dit kan gebeuren door toevoegen van water. Heeft het toegevoegde water een andere temperatuur, dan zal de lijn t.o.v. het oorspronkelijke punt licht horizontaal hellen afhankelijk van 12

Hoofdstuk 3. Beïnvloedbare factoren 3.2. Mollier Figuur 3.4: Mengen van lucht de enthalpie van het toegevoegde water (fig. 3.5). Er kan ook isenthalpische verandering optreden. In dit geval bezit het toegevoegde water geen warmte-inhoud. Dit komt voor bij toevoegen van water van 0 C. De vochtigheidsgraad kan ook verhoogt worden bij constant watergehalte. Hierbij begeeft men zich net als bij het opwarmen langs een verticale lijn. Een adiabatische en isotherme stijging van de vochtigheidsgraad. Bij een gelijkblijvende temperatuur volgt men de lijn van de isothermen en voor de adiabatische stijging blijft de warmteinhoud gelijk en volgt men de isenthalpen. Figuur 3.5: Verhogen van de vochtigheidsgraad 13

Hoofdstuk 3. Beïnvloedbare factoren 3.2. Mollier 3.2.4 Toepassingen Mollier Recirculatie van lucht Recirculatie van lucht (fig. 3.6) wordt toegepast om de energie per kg verdampt water te beperken zodat de thermische efficiëntie verbetert [14]. Een deel van de uitgaande verzadigde lucht wordt gebruikt om te mengen met verse lucht en terug in de droger te sturen. Niettegenstaande de recirculatielucht praktisch verzadigd is, heeft dit toch een positief effect op het warmteverbruik. De uitgaande lucht is meestal niet meer bruikbaar om water op te nemen omdat ze verzadigd is, maar ze bezit wel nog grote hoeveelheden latente en voelbare warmte. Deze warmte kan gerecupereerd worden door ze met de ingaande drooglucht te mengen voor ze de droger in gaat. Het proces wordt visueel getoond in het Mollierdiagram. Door luchtrecirculatie toe te passen wordt een energetisch voordeel verkregen. Het droogproces gaat echter trager doordat de drooglucht minder capaciteit heeft, nl. de relatieve vochtigheid is hoger zodat minder water opgenomen wordt. Door de recirculatie gaat minder voelbare warmte verloren en het energieverbruik per kg verdampt water daalt. Figuur 3.6: Recirculatie lucht in een droger: (1) verse lucht; (2) gemengde lucht; (3) opgewarmde gemengde lucht; (4) lucht na droging. Het percentage gerecirculeerde lucht kan via deze formule berekend worden: absoluut vochtgehalte ingaande lucht (2) = absoluut vochtgehalte uitgaande lucht (4)(x/100) + absoluut vochtgehalte verse lucht (1) (100-x)/100 Een optimale recirculatieverhouding houdt evenwicht tussen lagere warmteverliezen door veel recirculatielucht en hoge droogsnelheden door weinig recirculatielucht [14]. 14

Hoofdstuk 3. Beïnvloedbare factoren 3.2. Mollier Met een voorbeeld (fig. 7.7) worden de voordelen van luchtrecirculatie in een droger aangetoond met het Mollierdiagram (zie bijlage A). Stel, een convectiedroger zuigt verse lucht aan van 14 C en 60 % RV. Deze lucht wordt opgewarmd en in de droger gestuurd met een temperatuur van 70 C. Als de lucht uit de droger komt heeft deze nog een temperatuur van 32 C en een RV van 70 %. Figuur 3.7: Voorbeeld luchtrecirculatie Warmteverbruik: h 2 h 1 = 86 29 = 57 kj kg (3.3) Capaciteit opname water: x 3 x 1 = 21, 5 6 = 15, 5 g water kg droge lucht (3.4) Theoretisch warmteverbruik per kg verdampt vocht: 57 kj kg 0, 0155 kg kg = 3677 kj kg (3.5) Stel, de droger moet 10 kg water per uur verdampen. 10 kg 0, 0155 kg kg = 645 kg lucht nodig (3.6) Recirculatie wordt toegepast in hetzelfde systeem waarbij de lucht aan het einde van de droger dezelfde temperatuur en RV behoudt. Volgende resultaten worden bekomen (A.2): Het percentage gerecirculeerde lucht x bedraagt: 0, 014kg/kg = 0, 0215kg/kg(x/100) + 0, 006kg/kg(100 x)/100 x = 51, 6% (3.7) 15

Warmteverbruik: h 2 h 3 = 86 61 = 25kJ/kg (3.8) Hoofdstuk 3. Beïnvloedbare factoren 3.2. Mollier Capaciteit opname water: x 3 x 4 = 21, 5 14 = 7, 5gwater/ kg droge lucht (3.9) Theoretisch warmteverbruik per kg verdampt vocht 10 kg = 1333 kg lucht 0, 0075kg/kg = 25kJ/kg = 3333kJ/kg (3.10) 0, 0075g/kg Hierbij is 1333 kg x(1 0, 516) = 645 kg verse lucht van. (3.11) Tabel 3.1: Vergelijking drogen met en zonder recirculatie per 10 kg verdampt vocht Zonder recirc. Met recirc. Warmteverbruik 36,7 MJ 33,3 MJ Lucht door droger 645 kg 1333 kg Verbruik verse lucht 645 kg 645 kg Droogtijd korter langer Besluit: Een droger met toepassing van luchtrecirculatie heeft minder warmteverbruik om eenzelfde hoeveelheid water te verdampen dan eenzelfde droger zonder luchtrecirculatie (zie tabel 3.1). De droogtijd zal met luchtrecirculatie langer zijn, en evenveel verse lucht wordt verbruikt. De temperatuur en RV van de in- en uitgaande lucht zijn dezelfde bij beide situaties. Herwarmen lucht De lucht kan tijdens het droogproces ook één tot enkele malen herwarmd worden zodat de droogcapaciteit telkens weer stijgt (fig. 3.8). Als voorbeeld wordt dezelfde droger genomen als bij het recirculeren van lucht. De lucht wordt tijdens het drogen enkele keren herwarmd tot 40 C (zie bijlage B). Warmteverbruik: (h 2 h 1 ) + (h 2 h 1 ) + (h 2 h 1 ) = (56-29)+(73-56)+(86-73) = 57 kj/kg 16

Hoofdstuk 3. Beïnvloedbare factoren 3.2. Mollier Figuur 3.8: Grafische voorstelling herwarmen lucht Capaciteit opname water: x 3 x 1 = 21,5-6 = 15,5g water/ kg droge lucht Theoretisch warmteverbruik per kg verdampt vocht: 57kJ/kg 0, 0155kg/kg = 3677kJ/kg kg lucht nodig om 10kg water te verdampen 10kg/0, 0155kg/kg = 215kg lucht nodig 3 Tabel 3.2: Vergelijking drogen met en zonder herwarmen van de lucht per 10kg verdampt vocht Conventieel Herverwarmen Warmteverbruik 36,7MJ 36,7MJ Lucht door droger 645kg 215kg Verbruik verse lucht 645kg 215kg Droogtijd vergelijkbaar Besluit (tabel 3.2): Een droger die de drooglucht tussentijds droogt heeft minder lucht nodig om eenzelfde hoeveelheid water te verdampen dan een gelijkaardige conventionele droger. De droogtijd en het warmteverbruik blijven ongeveer dezelfde. 17

HOOFDSTUK 4 WARMTE-OVERDRACHT Warmte-overdracht is de overgang van energie onder invloed van een temperatuursverschil. De manier van warmte-overdracht zal het uitzicht van de droger grotendeels bepalen. Warmte kan op verschillende manieren overgedragen worden, door conductie, conversie of stralingen. 4.1 Conductie of geleiding Warmte-overdracht door conductie onstaat wanneer er kinetische energie overgaat tussen afzonderlijke atomen of moleculen, zonder dat hierbij de evenwichtsstand van de deeltjes onderling verandert. Het is dus warmte-overdracht binnen een bepaalde stof. Warmte-overdracht door conductie wordt in de wet van Fourier uitgedrukt: q = k T L (4.1) k = thermische conductiviteit [W/mK] L = de dikte van het materiaal [m] Deze vergelijking geeft een warmteflux, d.w.z. dat het een bepaalde warmte-overdracht geeft per eenheid oppervlak. De drijvende kracht bij conductie is het temperatuursverschil tussen de twee media. 18

Hoofdstuk 4. Warmte-overdracht 4.2. Convectie 4.2 Convectie Convectie is de warmte-overdracht wanneer delen van het medium de warmte transporteren door beweging in het medium (bij drogers is dit vooral lucht). Vrije convectie kan voortkomen uit dichtheidsverschillen door temperatuursgradiënt of vorming van dampbellen. Gedwongen convectie kan voortkomen door pompwerking of aangebrachte drukverschillen. Formule voor convectie: q = h( T ) (4.2) h= warmtecoëfficiënt [ W/m 2 K ] Warmte-overdracht bij drogers gebeurt veel via convectie. Maar om convectie te laten plaatsvinden is eerst conductie nodig. Conductie is hierbij het fysische mechanisme omdat aan het oppervlak van een materiaal de luchtstroom stilstaat. Hoe groter de luchtsnelheid, hoe kleiner deze luchtfilm is. Hierdoor treedt eerst conductie op. Door de luchtstroom over het oppervlak zal de temperatuursgradiënt steeds groot blijven en treedt convectie op. 4.3 Straling Ook zonder een middenstof is warmte-overdracht mogelijk. Deze kan geleverd worden door elektromagnetische stralingen, dit zijn stralingen van zonlicht tot microgolven (0,2 tot 2 µmeter). Zodra een straling in aanraking komt met een materie, kan het een deel van de stralingsenergie vasthouden, terugzenden (reflectie) of doorlaten (transmissie). De uitgezonden warmtestraling door een lichaam is volgens de wet van Stefan-Boltzmann: q = aσ z T 4 (4.3) a = de fractie straling die uitgezonden wordt T = de temperatuur van het lichaam σ z = 5,67 x 10 8 W/m 2 K 4 4.4 Algemene definities 4.4.1 Soortelijke of specifieke warmte De soortelijke of specifieke warmte is een grootheid die staat voor de warmte nodig om één eenheid massa van een bepaalde ] stof met een eenheid temperatuur te verhogen. Als eenheid wordt gebruikt. [ J kgk 19

Hoofdstuk 4. Warmte-overdracht 4.4. Algemene definities Water heeft een specifieke warmte van 4186 J kgk. In vergelijking met andere vloeistoffen zoals bv. olie (± 2000 J Kkg ), is dit een hoge waarde. Deze grote specifieke warmte is een van de redenen waarom drogen een energie-intensief proces is. 4.4.2 Relatieve en absolute vochtigheid De absolute vochtigheid in de lucht ] drukt uit hoeveel kg waterdamp er zich in een kg droge lucht bevindt. De eenheid is. [ kg kg De relatieve vochtigheid is de verhouding tussen de partiële druk van de effectieve waterdamp en deze van de maximale hoeveelheid waterdamp. In praktijk kan dit vereenvoudigd worden tot de verhouding van de massa effectieve waterdamp t.o.v. de maximale waterdamp bij dezelfde temperatuur en wordt uitgedrukt in [%]. m= massa [kg] x= absolute vochtigheid [kg/kg] ϕ heeft als maximale waarde 1 of 100%. 4.4.3 Droge- en natteboltemperatuur Absolute vochtigheid: x = m [ ] damp g m lucht kg (4.4) Relatieve vochtigheid: ϕ = x [%] x max (4.5) De drogeboltemperatuur (drybulb) is de temperatuur die gemeten wordt met een gewone thermometer. De natteboltemperatuur wordt gemeten met een nattebolthermometer. Dit is een bijzondere thermometer waarvan het kwikreservoir omgeven is door een nat gaasje. Als hier omgevingslucht langs wordt geblazen, neemt deze lucht waterdamp uit het gaasje op. De hiervoor benodigde verdampingswarmte wordt aan het water onttrokken waardoor de temperatuur hiervan daalt [5]. De natteboltemperatuur t n is lager dan de drogeboltemperatuur t, tenzij de relatieve vochtigheid 100% is, dan zijn deze temperaturen gelijk aan elkaar. 4.4.4 Enthalpie Enthalpie is gedefinieerd als volgt: 20

Hoofdstuk 4. Warmte-overdracht 4.4. Algemene definities H = U + pv H = enthalpie [kj/kg] U = inwendige energie p = druk V = volume Enthalpie H is een grootheid die de inwendige energie (U) aanduidt voor een stof rekening houdend met de druk (p) en het volume (V), de eenheid is Bij convectiedrogers is de enthalpie van vochtige lucht van groot belang. Dit is de warmteinhoud van het mengsel van een kg droge lucht en de massa water bij een bepaalde temperatuur. 21

HOOFDSTUK 5 DROGERS Dit hoofdstuk beschrijft de actueel gebruikte droogsystemen. Daar er honderden soorten drogers op de markt zijn, wordt de bespreking vooral tot de hoofdtypes beperkt. De drogers zijn meestal een onderdeel van een groter proces in een bedrijf en komen voor of achter andere installaties of processen. Drogers kunnen echter ook zelf gecombineerd worden met elkaar als dit energetisch interessanter of effectiever uitkomt. Voorbeelden hiervan zijn: een gefluidiseerde stoomdroger [8] of een convectiedroger gecombineerd met microgolfdrogen [22], na de sproeidroger kan ook een dunnelaag-contactdroger gebruikt worden [24]. 5.1 Indeling Drogers kunnen ingedeeld worden op verschillende manieren. De meest gebruikte factoren om drogers te groeperen, zijn de manier waarop warmte-overdracht plaatsvindt, de druk en de temperatuur die gebruikt worden tijdens het drogen, de manier waarop het te drogen materiaal gedragen wordt in het droogproces, of het proces batch of continu doorgaat of via de fysische eigenschappen van het droogproduct. De drogers vermeld in dit werk zijn eerst onderverdeeld door hun manier van warmteoverdracht en daarna op hun transportwijze. Ook speciale droogmethoden zoals vriesdrogen, diëlektrisch drogen en stoomdrogen zijn opgenomen. 22

Hoofdstuk 5. Drogers 5.1. Indeling 5.1.1 Transportmethoden De manier waarop het te drogen materiaal getransporteerd wordt door het droogsysteem heen is bepalend voor de vorm van de droger en de manier van drogen. Niet alle materialen zijn geschikt voor alle transporteerwijzen. Zo zijn dikke slurries niet geschikt om pneumatisch door een buis gedroogd en getransporteerd te worden en drogend papier zal niet in een wervelbed gedroogd kunnen worden. De indelingscriteria voor transportmethoden kunnen zijn [3]: door zwaartekracht gebruikt voor vrij vliegend granulair materiaal vb. trommeldroger door bladen voortgeduwd gebruikt voor nat, sludge materiaal vb. schroef transportdroger niet getransporteerd gebruikt voor verschillende materialen vb. kamerdroger op een band getransporteerd voor veel soorten materiaal vb. banddroger op een band gevibreerd gebruikt voor vrij vliegend materiaal vb. schudband droger gesuspendeerd in de lucht gebruikt voor granullair materiaal vb. wervelbeddroger door de lucht geworpen voor oplossingen, slurries en dunne pasta s vb. sproeidroger 5.1.2 Batch of continu De meeste drogers werken continu of semi-continu gedurende de werkdag. Deze drogers vereisen minder arbeid, brandstof en vloeroppervlak dan een batch droger van dezelfde capaciteit. Als enkel een kleine productie gedroogd moet worden, kan een batch droger toch voordelen opleveren. Een batchdroger is ook interessant als een grote lading in dezelfde eenheid behandeld moeten worden, of wanneer complexe droogschema s gevolgd moeten worden. Continue drogers zijn o.a. de banddroger ( 5.3.2), de sproeidroger ( 5.3.3), de wervelbeddroger ( 5.3.4), de pneumatische droger ( 5.3.7), de trommeldroger ( 5.3.1) en de schudbeddroger ( 5.3.6). Onder de batchdrogers bevinden zich o.a. de kamerdroger ( 6.3), de stralingsdroger ( 5.5), de vacuümdroger ( 5.4.2) en de vriesdroger ( 5.7). 5.1.3 Warmte-overdracht De manier waarop de nodige verdampingswarmte toegevoerd wordt in een droger, bepaalt hoe de droger eruit zal zien en welk materiaal gedroogd kan worden. 23

Hoofdstuk 5. Drogers 5.2. Overzicht Zoals eerder besproken kan de warmte-overdracht gebeuren door conductie, convectie of straling. Zelden gebeurt het dat enkel één manier van warmte-overdracht plaatsvindt. Bij convectiedrogers is ook straling aanwezig van de oppervlakten zichtbaar voor het drooggoed, of geleidingswarmte van oppervlakten rond het drooggoed. Bij stralings- en conductiedrogers is meestal ook convectie aanwezig doordat de damp afgevoerd wordt. De warmte-overdrachten die extra plaatsvinden kunnen een verlies betekenen, maar ook een extra bron van warmte. Meestal is die verwaarloosbaar, maar als deze proportioneel te groot wordt, moet opgelet worden voor een niet uniforme droging. Zo is bij een vacuümdroger de straling niet te verwaarlozen en moet voor zijn impact opgelet worden om bv. niet uniforme droging te voorkomen. 5.1.4 Druk Een lage druk doet het kookpunt van een vloeistof dalen. Zodoende kan bij een lagere temperatuur dezelfde droogsnelheden gehaald worden. De druk in de droger heeft een belangrijk effect op de constructie van de droger. Als de droger gebouwd is om onder lage druk, vacuüm, te werken zal deze goed voorzien moeten zijn om lekken door slechte dichtingen te vermijden. Bij drogers die onder atmosferische druk werken, wordt de droogkamer ook zo goed mogelijk geïsoleerd. Lekken brengen verse lucht binnen die de capaciteit doet dalen en het energieverbruik tot onnodig hoge waarden brengt. 5.2 Overzicht In volgende schema (fig. 5.1) wordt een overzicht gegeven van de besproken drogers. 24

Hoofdstuk 5. Drogers 5.2. Overzicht Figuur 5.1: Overzicht drogers 25

Hoofdstuk 5. Drogers 5.3. Convectiedrogers 5.3 Convectiedrogers Convectiedrogers worden ook directe drogers genoemd, verwijzend naar de manier van warmteoverdracht. Door warme lucht of warme rookgassen door of over het te drogen product te sturen, wordt de nodige verdampingsenergie direct uit het warmtemedium gehaald. Dit type droger wordt voor 85% gebruikt t.o.v. alle industrieel gebruikte drogers [25]. De meest gebruikte convectiedrogers worden besproken. Hieronder vallen de trommeldroger ( 5.3.1), de kamerdroger ( 6.3), de sproeidroger ( 5.3.3), de wervelbeddroger ( 5.3.4), de straaldroger ( 5.3.5), de schudbeddroger ( 5.3.6), de pneumatische droger ( 5.3.7) en de solardroger ( 5.3.8). Andere drogers die niet besproken worden, zijn grotendeels gebaseerd op de principes van de drogers die wel besproken worden. 5.3.1 Trommeldroger Een trommeldroger (fig.5.2) maakt gebruik van een lange lichthellende cilindrische trommel (1:40). De trommel draait om zijn as met 1-15 omwentelingen per minuut door een tandwielof kettingaandrijving [13]. Het te drogen materiaal wordt aan de hoogste zijde van de trommel ingebracht. Hier nemen de ronddraaiende schoepen in de buis het materiaal op en laten het uiteindelijk vallen door gravitatie. Doordat het materiaal neervalt als een gordijn, wordt het contactoppervlak vergroot tussen de drooglucht en het product. Door het constant vallen en breken van het materiaal zal het fijner worden. Doordat het materiaal telkens opgenomen wordt en terug valt, wordt het materiaal voortbewogen tot het lager gelegen einde van de trommel. De trommel kan uitgevoerd zijn voor directe en indirecte droging of beide principes kunnen worden toegepast. Bij de trommeldroger wordt de directe droging het meest gebruikt, maar als het materiaal niet tegen verbrandingsgassen kan of tegen hete lucht wordt de indirecte droging toegepast. Dit wordt ook gedaan als beschikbare stoom aanwezig is of vluchtige componenten aanwezig zijn in het product die kunnen gerecupereerd worden. Bij de directe droging, het convectiedrogen, kan de luchtstroom tegen- of gelijkstroom (fig.5.3) met het materiaal gaan. De gelijkstroom kan de hoogste temperaturen aan doordat de warmste lucht in aanraking komt met het natste materiaal. De luchtstroom kan ook door het materiaal stromen, maar dit is niet toepasbaar in de trommeldroger. Bij het ontwerpen van een trommeldroger kan rekening gehouden worden met drie droogzones: de initiële of voorverwarmingsperiode, de constante snelheidsperiode en de afnemende snelheidsperiode. In de eerste zone kan verwarmd worden tot de natteboltemperatuur bereikt 26

Hoofdstuk 5. Drogers 5.3. Convectiedrogers Figuur 5.2: De trommeldroger: (1) verwarmer ingaande lucht; (2) omhuizing trommel; (3) cycloon; (4) stof; (5) ventilator; (6) uitgaande lucht. Figuur 5.3: Luchtrichtingen in een droger: door het materiaal; gelijkstroom; tegenstroom. is. In de tweede zone wordt een constante temperatuur aangehouden. Uiteindelijk wordt bij het kritische punt de snelheid van het drogen trager en wordt dit gecontroleerd door interne vochttransport. De trommeldroger kan op veel manieren aangepast worden aan het te drogen product. Enkele afhankelijken worden hier opgesomd [13]: Ladingspercentage: 8-12% Aantal schoepen: Hoe meer schoepen, hoe meer en fijner verdeeld het gordijn product wordt Schoepenontwerp (fig.5.4,5.6): de prestaties van de droger hangen o.a. af van de uniformheid van het gordijn dat gemaakt wordt bij het vallen van het materiaal. De vorm van de schoepen wordt bepaald door het te drogen product Helling van de omhuizing (fig.5.5): deze bepaalt de doorstroomsnelheid 27

Hoofdstuk 5. Drogers 5.3. Convectiedrogers Figuur 5.4: Soorten schoepen: (1) buigvleugel; (2) kanaalvleugel. Figuur 5.5: Hellingshoek Rotatiesnelheid: de retentietijd is invers proportioneel met de snelheid van rotatie Lengte droger: hoe langer de lengte, hoe hoger de rententietijd Diameter: de hoogte van waar het materiaal valt, zal de snelheid van het voorwaarts bewegende materiaal beïnvloeden Fysische vorm van het te drogen product: er moet opgelet worden dat het product niet ophoopt als het nog redelijk nat is. Luchtsnelheid: een te hoge luchtsnelheid kan stoffig materiaal doen opwaaien Het goede drogen hangt niet enkel van de kwantiteit en de temperatuur van de ingaande lucht af. Ook de uniformiteit en de omvang van het contact met de hete gassen en de verblijftijd in de droger zijn van belang. Het grootste verlies in trommeldrogers, zit in de latente warmte van de uitlaatgassen. Het is belangrijk om deze gassen zo hoog mogelijk te verzadigen met vocht en op een zo laag mogelijke temperatuur uit te stoten. Maar toch op een temperatuur die hoog genoeg blijft om condensatie te vermijden in de droger [13]. 28