Experimental study on the drying kinetics of thick porous biobased fibrous materials

Abstract

In this thesis, drying of thick porous biobased fibrous materials is studied. Laboratory scale drying experiments are performed in VTT Jyväskylä, Central Finland. Drying is investigated by drying foam-formed fibrous materials made from wood pulp(s), water and surfactant (SDS). The objectives are to find efficient drying method(s) that suit for thick porous biobased materials, could use renewable energy sources and investigation of quality of the fiber structures during drying.

The research consists of literature and experimental parts. Literature part focuses on foam forming and used raw materials, primary energy trends and its effect on selected drying methods in the future and fundamentals of drying through heat transfer methods, phases of drying and examples of selected drying methods. Experimental part focuses on air impingement and microwave drying performed on a laboratory scale.

The most promising results from investigated drying methods gave the microwave drying. Over 4-times higher momentarily drying rates and 18-times higher average drying rates were reached with microwave drying compared to impingement drying. The quality control of the samples tended to be quite difficult with both drying methods, but even more difficult with microwave drying. Surface tended to expand and collapse due to fast temperature and pressure increase caused by microwaves and structures of some samples were destroyed. Increased sample consistency was found to increase the sample resistance.

Työssä analysoidaan paksujen huokoisten biopohjaisten kuitumateriaalien kuivausta. Kuivauskokeita tehdään laboratorioympäristössä VTT:n Jyväskylän toimipisteellä, Keski-Suomessa. Kuivausta tutkitaan kuivaamalla vaahtorainattuja kuitumateriaaleja. Kuitu-materiaalien raaka-aineina toimivat puupohjainen sellu, vesi ja surfaktantti (SDS). Tavoitteina on löytää tehokkaita kuivatusmenetelmiä, jotka soveltuvat paksujen huokoisten bio-pohjaisten materiaalien kuivaukseen sekä pystyvät hyödyntämään uusiutuvia energianlähteitä kuivatuksessa ja tutkia kuiturakenteiden laatuparametrejä kuivatuksen aikana.

Tutkimus koostuu kirjallisuuskatsauksesta sekä kokeellisesta osasta. Kirjallisuuskatsauksessa käsitellään vaahtorainausta sekä siihen käytettäviä raaka-aineita, primäärienergian kehittymistä sekä sen vaikutusta valittuihin kuivatusmenetelmiin tulevaisuudessa ja kuivauksen perusteita läpikäymällä lämmönsiirron, kuivausprosessin ja valittujen kuivatus-menetelmien teoriaa. Kokeellisen osan pääpaino on laboratorioympäristössä tehtävät päällepuhallus- ja mikroaaltokuivauskokeet.

Lupaavimpia tuloksia tarkastelluista kuivatusmenetelmistä antoi mikroaaltokuivaus. Mikroaaltokuivauksella saavutettiin yli neljä kertaa suurempia hetkellisiä kuivatusnopeuksia ja 18-kertaa suurempia keskimääräisiä kuivatusnopeuksia verrattuna päällepuhalluskuivaukseen. Molemmat kuivatusmenetelmät, mutta varsinkin mikroaaltokuivaus, tuottivat ongelmia rakenteiden laadun hallinnassa. Näytteen pinnan nähtiin turpoavan ja romahtavan mikroaaltojen aiheuttaman nopean sisäisen lämmön- ja paineennousun takia. Joidenkin näytteiden rakenteet hajosivat tästä syystä täysin. Sakeuden noston huomattiin lisäävän näytteen kestävyyttä.