Influence of pore size distribution on drying behaviour of porous media by a continuous model [Elektronische Ressource] = Einfluss der Porengrößenverteilung auf das Trocknungsverhalten poröser Medien mittels eines Kontinuumsmodells / von Thai Hong Vu

Thai Hong Vu

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• Publié par: otto-von-guericke-universitat_magdeburg
• Publié le: 01 janvier 2006
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• Langue: English
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Extrait

Influence of Pore Size Distribution on Drying Behaviour
of Porous Media by a Continuous Model


(Einfluss der Porengrößenverteilung auf das Trocknungsverhalten
poröser Medien mittels eines Kontinuumsmodells)




Dissertation

zur Erlangung des akademischen Grades


Doktoringenieur
(Dr.-Ing.)


von Master of Engineering Thai Hong Vu

geboren am 16. Juli 1974 in Yenbai, Vietnam



genehmigt durch die Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik
der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg



Promotionskommission:

Jun.-Prof. Dr.-Ing. Stefan Heinrich (Gutachter)
Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Lothar Mörl (Vorsitz)
Dr. Thomas Metzger (Betreuer, Gutachter)
Prof. Dr.-Ing. habil. Evangelos Tsotsas (Betreuer)
Prof. Dr. rer. nat. habil. Gerald Warnecke (Mitglied)


eingereicht am 1. Juni 2006

Promotionskolloquium am 10. Juli 2006







To my parents

Acknowledgements


I would like to express my deepest gratitude to my principal supervisor Prof. Dr.-Ing.
habil. Evangelos Tsotsas for his outstanding advices and support. I wish to express my
deep thanks to my co-supervisor Dr. Thomas Metzger and his wife Mrs. Nicole Metzger
not only for their very important guidance, constant encouragement to my scientific
progress but also for the great help that I have received during the course of PhD work.

This research work has been supported by German research foundation (DFG) in the
frame of the graduate school “Micro-Macro-Interactions in Structured Media and
Particle Systems” (Graduiertenkolleg 828) which is held at the Otto-von-Guericke-
Universität Magdeburg, Germany. I would like to greatly thank the speakers of the
graduate school, Prof. Dr. rer. nat. habil. Gerald Warnecke and Prof. Dr.-Ing. habil.
Albrecht Bertram, for their support and for giving me the opportunity to carry out this
research work. I also would like to thank all Professors, associated members, staff, and
my colleagues in the graduate school for their help, advice, as well as their friendship.
The financial support from DFG is greatly appreciated.

Big thank goes to my colleagues at the Chair of Thermal Process Engineering for their
friendship and encouragement. Many thanks to the people who helped me to accomplish
the experiments, especially Mr. Diethard Kürschner and Mr. Bernd Ebenau, Institut für
Verfahrenstechnik, for magnetic suspension balance and mercury porosimetry
experiments; Prof. Dr. rer. nat. habil. Ulrich Wendt and his team for scanning electron
microscope experiments; Mrs. Sabine Schlüsselburg, Institut für Apparate- und
Umwelttechnik, for sorption experiment; European Large-Scale NMR Centre in
Wageningen, Netherlands for magnetic resonance imaging experiments.

I would like to greatly thank Prof. Patrick Perré, Laboratoire d'Etudes et de Recherche
sur le Matériau Bois (LERMAB), Nancy, France, Dr. Ian W. Turner, Queensland
University of Technology, Australia, for their very interesting documents and
discussions about their model.

I wish to express my sincere thanks to the president and members of the board for their
comments and for agreeing to evaluate my thesis.

Furthermore, I would like to thank all my colleagues at the Department of Machinery
and Equipment in Chemical Industry at the Faculty of Chemical Technology, Hanoi
University of Technology, Vietnam, for their help, support and encouragement.

Thanks to all my friends, who I could not all mention by their name here, for their moral
support and advice.

Last but not least, I dedicate this work to my parents. I express my deep gratitude to my
parents and my family members for their love, care and encouragement during the
difficult time I was far away, which gave me determination to finish.
iABSTRACT

Die Trocknung poröser Materialien spielt eine wichtige Rolle in vielen verschiedenen
Bereichen der Industrie, und sie ist zugleich einer der kompliziertesten technischen
Prozesse. Im Prinzip kann man die Trocknung poröser Stoffe auf zwei Weisen
beschreiben, mit Kontinuums- oder diskreten Modellen. Der erste Ansatz basiert auf der
Beschreibung des Systems als fiktives Kontinuum und bedient sich effektiver
Transportkoeffizienten. Im diskreten Modellansatz wird das poröse Medium als
Netzwerk aus Poren repräsentiert und die Transportvorgänge werden direkt auf der
Porenebene beschrieben.

Zur Entwicklung eines kontinuierlichen Trocknungsmodells kann die
Volumenmittelungsmethode herangezogen werden, um makroskopische
Transportgleichungen von grundlegenden mikroskopischen Gleichungen für die Gas-,
Flüssig- und Feststoffphase abzuleiten. Es resultiert ein System aus
Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls und Enthalpie, in welchen die gemittelten
Zustandsvariablen (Feuchtegehalt, Temperatur und Gasdruck) sowie ein Satz von
effektiven Parametern auftreten. Diese effektiven Parameter haben großen Einfluss auf
das Trocknungsverhalten und müssen experimentell bestimmt werden oder aber mit
großer Sorgfalt bezüglich der mikroskopischen Materialstruktur berechnet werden. Im
Allgemeinen handelt es sich bei der Bestimmung dieser Parameter um ein offenes
Problem, welches weiterer Forschung bedarf. Die Parameter sind im Einzelnen die
Kapillardruckkurve, die Permeabilitäten, der effektive Diffusionskoeffizient und die
effektive Wärmeleitfähigkeit.

Als ersten Schritt, um Grundlagenwissen über den Zusammenhang zwischen
Porenstruktur und Trocknungskinetik zu sammeln, wird das poröse Medium in dieser
Arbeit durch ein Kapillarenbündel mit einer Radienverteilung repräsentiert, für welches
die genannten effektiven Größen berechnet werden. In diesem Modell spielt die
Porengrößenverteilung die Schlüsselrolle, um eine Verbindung zwischen Mikrostruktur
und makroskopischem Trockungsverhalten herzustellen. Durch Variation des mittleren
Porenradius und der Verteilungsbreite sowie der Anzahl der Moden (monomodale und
bimodale Verteilungen) wird der Einfluss der Porengrößenverteilung auf die effektiven
Parameter und das Trocknungsverhalten analysiert. Die Ergebnisse werden mit der
Kontrollvolumenmethode berechnet und als zeitliche Entwicklung von lokaler Feuchte,
Temperatur und Gasdruck sowie als gemittelte Trocknungskurven gezeigt.

Das Kontinuumsmodell für die Geometrie des Kapillarbündels wird mit zwei diskreten
Modellen verglichen, einem eindimensionalen Kapillarmodell und einem
Porennetzwerkmodell für äquivalente Geometrien. Eine gute Übereinstimmung
zwischen kontinuierlichem und diskretem Ansatz kann gezeigt werden.

Zusätzlich wird das kontinuierliche Trocknungsmodell für ein Referenzmaterial
(Gasbeton) dazu benutzt, den Einfluss der Partikelgröße auf die Trocknungszeit zu
untersuchen. Die Ergebnisse werden mit einem einfachen Diffusionsmodell und dem
Modell des wandernden Trocknungsspiegels verglichen.

Neben der Trocknungsmodellierung werden auch verschiedene experimentelle
Methoden eingesetzt, um die Porenstruktur und Porengrößenverteilung sowie das
Sorptions- und Trocknungsverhalten von γ-Al O Partikeln von 4.8 mm Durchmesser 2 3
zu charakterisieren.
ii
ABSTRACT


Being one of the most complex processes encountered in engineering, the drying of
porous media has a vital role in many different industrial fields. In principle, the
transport phenomena in the drying of porous media can be modeled using a continuous
or discrete approach. The continuous approach is based on a description of the system
as a fictitious continuum by using effective coefficients of heat and mass transfer. In the
discrete approach the drying of porous media is represented by a network of pores and
transport phenomena are directly described at the pore level.

In developing a continuous drying model, the volume averaging technique can be used
to derive a system of macroscopic transport equations from a set of basic transport laws
at microscopic level for gas, liquid and solid phases. The derived system represents the
conservation equations of mass, energy and momentum, in which the average state
variables (moisture content, temperature and gas pressure) and a set of effective
parameters are employed. These effective parameters have strong effects on the material
drying characteristics and must be determined experimentally or must be modeled with
a great care about the material microscopic structure. In general, the problem of
determining the model effective parameters is yet to be solved and deserves careful
attention. These parameters are capillary pressure curve, liquid and gas permeabilities,
effective diffusivity, and effective thermal conductivity.

As a first step in gaining a basic knowledge about how the material microstructure
affects its drying kinetics, in this work, the porous medium are represented by a bundle
of ca