Ergebnisse

Die Differntialgleichungen für den gekoppelten Wärme- und Stofftransport wurden aufgestellt und mit Hilfe eines vollständig expliziten Differenzenverfahrens numerisch gelöst.

Für die einseitige, konvektive Trocknung einer homogenen Sandschüttung (Z=0: Oberfläche, Z=1: Boden) ergeben sich somit die aus der Literatur bekannten Profile der Feuchtesättigung S in Abhängigkeit der Trocknungszeit bzw. der mittleren Feuchtesättigung. 

Am Anfang der Trocknung war die Schüttung feuchtegesättigt (S=1). Mit voranschreitender Trocknungszeit nimmt die mittlere Feuchte ab und es bilden sich bei den verwendeten grobkörnigen Schüttungen starke Feuchteprofile aus, welche überwiegend durch den Schwerkrafteinfluß bestimmt sind. Mit weiter abnehmender Feuchtesättigung wird die Feuchteverteilung homogener, da die kapillaren Zugkräfte zunehmen. 

Ab einer Feuchte von ca. 10% ist kein kontinuierlicher Feuchtetransport zur Oberfläche mehr gewährleistet, da die Flüssigkeit zunehmend in Form von Feuchteinseln vorliegt. Deshalb beginnt die Schüttung von der Oberfläche aus vollständig abzutrocknen (S=0).  

Homogene Schüttung

Im Gegensatz zum Trocknungsverhalten homogener kapillar-poröser Stoffsysteme war bislang über den Einfluß der Porosität auf die Feuchteverteilungen wenig bekannt. Zwar zeigte Litzenberger (1968), daß eine nicht konstante Porosität die Feuchteverteilungen wesentlich beeinflußt - mit den bisher verwendeten Modellen zur Simulation des Trocknungsverhaltens konnte das jedoch nicht nachvollzogen werden.

Erst durch die konsequente Berücksichtigung der Abhängigkeit der Zustandsfunktionenen (z.B. Kapillardruckfunktion) von den Strukturparametern der Feststoffmatrix (z.B. Porosität) konnte auch für inhomogene Systeme das Trocknungsverhalten erfolgreich simuliert werden.  

Inhomogene Schüttung

Ein zeitraubendes Phänomen bei der meßtechnischen Realisierung der Feuchtemessung mittels elektrolytischer Leitfähigkeitsmethode im Feld der Kugelelektroden waren sprunghafte Änderungen der gemessenen Impedanz während der Trocknung der Schüttungen. Lange Zeit suchte ich die Ursachen dafür in elektrochemischen Vorgängen - weit gefehlt!

Die Umrechnung der zeitabhängigen Impedanz mittels Kalibrierkurve in die nachfolgend gezeigte lokale Trocknungskurve zeigt sprunghafte Feuchteänderungen, sogenannte Jumps.  

Lokale Trocknungskurve

Nachdem alle meßtechnischen Fehlermöglichkeiten ausgeschlossen waren gab es nur noch eine Erklärung: die sprunghafte Entfeuchtung der Randgebiete der Elektroden muß tatsächlich stattfinden!
Danach war die Ursache schnell gefunden. Die höhere Porosität der Randgebiete der Schüttung an den Kugelelektroden führt dort zu einem sprunghaften Leersaugen, sobald die dickste, gasgefüllte Pore dieses Gebiet erreicht.  

Lokales Trocknungsverhalten

Auf diese Weise veranschaulichen die Jumps die Notwendigkeit, sich für jeden Teilprozeß der geeigneten Betrachtungsebene zuzuwenden:

• Für Volumenbereiche, die groß im Vergleich zu charakteristischen Struktureinheiten wie Partikeln und Poren sind, kann die bislang in der Trocknung gebräuchliche Kontinuumsbetrachtung angewandt werden.
  (makroskopische Betrachtungsweise) 
• Für Volumenbereiche in der Größenordnung charakteristischer Struktureinheiten (z.B. der Randgebiete) sind Kapillar- und Porenraummodelle anzuwenden, wie im Bild oben gezeigt. Solche Modelle gewinnen derzeit in der Trocknung an Bedeutung.
  (mikroskopische Betrachtungsweise) 
• Für Volumenbereiche, die wesentlich kleiner als charakteristische Struktureinheiten sind, z.B. die Phasengrenzen fest-flüssig-gasförmig, sind Modelle auf der Grundlage intermolekularer Wechselwirkungen anzuwenden. Hierzu gibt es in der Trocknung erste Ansätze auf den Gebieten Sorption, Benetzung und Diffusion.
  (molekulare Betrachtungsweise)

Diese abschließenden Überlegungen zeigen die Komplexität der Trocknungsprozesse auf - lassen jedoch zugleich erkennen, daß eine Herleitung auf der Grundlage reiner Stoff- und Dispersitätsgrößen möglich sein wird.