fulltext

Fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap
Miljö- och energisystem
Andreas Rosberg
Torkning av sågspån vid pneumatisk
transport
Praktiska mätningar och modellering
Drying of Sawdust in Pneumatic Conveying
Practical Measurements and Modeling
Examensarbete 22,5 hp
Högskoleingenjörsprogrammet i energi- och miljöteknik
Juni 2015
Handledare: Jonas Berghel
Examinator: Lena Stawreberg
Karlstads Universitet 651 88 Karlstad
Tfn 054-700 10 00 Fax 054-700 14 60
Information@kau.se www.kau.se
SAMMANFATTNING
I Sverige är trädbränslen basen för förnyelsebar energi. Råmaterialet som används till
pelletstillverkningen så som sågspån brukar ha en fukthalt på 50 procent. Att torka
material som ska användas till att göra pellets är dyrt och en stor del av kostnaden
kommer från den energi som används till torkningen. Torkning av hygroskopiska
ämnen, som till exempel sågspån, kan delas in i tre steg. Det första torksteget
karaktäriseras av att fukttransporten från materialet som ska torkas är konstant. I det
andra torksteget börjar fukttransporten att minska då det uppstår torra ytor på materialet
och i det tredje torksteget är materialets yta torrt och fukttransporten är som lägst och
sker genom diffusion. Genom en kombination av en bandtork och en pneumatisk tork
kan torkningen effektiviseras då den pneumatiska torken torkar sågspånet i det sista
torksteget där bandtorken blir mindre effektiv. I en pneumatisk tork används uppvärmd
luft för att torka sågspånet samtidigt som luften transporterar sågspånet genom torken.
På Karlstads Universitet finns det en pneumatisk tork i laborationsskala för torkning av
sågspån.
I detta arbete gjordes en effektbalans över torken där lufttemperaturen var 150 °C.
Effekten som gick åt till att torka sågspånet jämfördes med den avgivna effekten från
den uppvärmda luften. Tre olika sorters sågspån användes. Dessa var färskt, uppfuktat
samt pressat sågspån. Totalt genomfördes 36 stycken torkkörningar. Effektivitetsmåtten
SMER och SPC användes för att jämföra hur torkningen av dessa tre sågspån varierade i
effektivitet. En modell byggdes även i beräkningsprogrammet Excel som skulle
användas för att beräkna utgående fukthalt hos sågspånet för att underlätta att planera
framtida körningar i torken.
Det beräknade luftflödet till torken var för lågt och ökades med 12 procent. Detta
medför att endast en effektuträkning faller bort då effekten för torkning av sågspån
skiljer sig mer än 15 procent från luftens avgivna effekt. SMER är som högst då
lufthastigheten är 8 m/s och frekvensen på inmatningsskruven på torken är inställd på
13 Hz samt då lufthastigheten är 12 m/s och frekvensen på inmatningsskruven står på 26
Hz. SPC blir lägst vid en lufthastighet på 6 m/s för båda frekvenserna. Med hjälp av
korrigeringsekvationer ger modellen en fukthalt ut på sågspånet som stämmer överens
med praktiskt uträknade fukthalter med en noggrannhet på 0,8 procentenheter. Modellen
fungerar mellan lufthastigheterna 6-14 m/s, då inmatningsskruven står på 13-26 Hz och
startfukthalten hos sågspånet in i torken är 20 procent. Vid en startfukthalt på 20-50
procent hos sågspånet in i torken behövs korrigeringsekvationer som finns för
lufthastigheterna 8 och 12 m/s samt vid ett materialflöde på 13 och 26 Hz.
SMER för det färska sågspånet har tendenser till att vara lägre än för de andra sorterna.
Då begränsat med data finns för torkning av pressat samt färskt sågspån behöver fler
körningar göras för dessa sågspån. Om samma mönster upprepas kan det vara idé att
undersöka energiflödena närmare vid pressning av sågspån för att se om denna process
är mer energieffektiv än om sågspånet inte skulle ha förbehandlats. SPC blir lägre med
lägre lufthastighet vilket beror på att med högre lufthastighet måste fläkten som skapar
luftflödet jobba mer. Högre torkningstemperatur ger lägre SPC då tryckskillnaden över
torken samtidigt blir lägre. Modellen fungerar bra och kan användas för att planera
körningar som görs vid 150 °C ifall en fortsatt jämförelse vill göras mellan färskt,
pressat samt uppfuktat sågspån.
ABSTRACT
Wood fuels are the foundation for renewable energy in Sweden. The raw material that is
used to produce pellets, such as sawdust, usually has a moisture content of 50 percent.
Drying material that is used to make pellets is expensive and the energy that is used to
dry pellets is a major part of the costs. Drying of hygroscopic substances like sawdust
can be divided into three parts. Steady moisture transport from the material that is
drying characterizes the first drying part. The second drying part starts when there is a
reduced moisture transport due to dry spots occurring on the material and the third
drying part is when the moisture transport is at the lowest and transports through
diffusion because the surface of the material is dried out. By combining a packed
moving bed and a pneumatic dryer the drying can be more efficient because at the last
drying part the packed moving bed is less efficient and the pneumatic dryer is used
instead. In a pneumatic dryer heated air is used to dry the sawdust at the same time as it
transports the sawdust through the dryer. At Karlstads University there is a pneumatic
dryer for drying of sawdust for laboratory use.
In this thesis an effect balance on the dryer was made when the air temperature was
150 °C. The effect for drying sawdust and the effect that the heated air was emitting to
the sawdust was compared. Three different kinds of sawdust were used: fresh, rewetted
and pressed sawdust. In total 36 drying tests were made. The performance
measurements SMER and SPC were used to compare how the performance changed
when drying these three kinds of sawdust. A model to predict the outgoing moisture
content of the sawdust was built in the calculation program Excel to simplify future tests
of the dryer.
The air flow that was calculated for the dryer was too low and was increased with 12
percent. By doing this only one effect balance was needed to be cut out when the effect
difference for drying sawdust and the heated air was more than 15 percent. The highest
SMER can be found when the air velocity is 8 m/s and the frequency of the feeder on
the dryer is 13 Hz, and 12 m/s when the feeder has a frequency of 26 Hz. The lowest
SPC can be found when the air velocity is 6 m/s for both frequencies. By using
correction equations to the model the outgoing moisture content of the sawdust from
practical measurements coincide with the result from the model with 0,8 percent
accuracy. The model can be used when the air velocity is between 6-14 m/s, the feeder
is at 13-26 Hz and when the initial moisture content of the sawdust being sent into the
dryer is 20 percent. When the initial moisture content of the sawdust being sent into the
dryer is 20-50 percent, correction equations are needed and available when the air
velocity is 8 and 12 m/s, and for a material flow of 13 and 26 Hz.
The SMER for fresh sawdust show tendencies of being lower than the SMER for the
other two kinds of sawdust. More tests need to be done because of limited data of
drying pressed and fresh sawdust. If the same pattern is repeated it may be of interest to
study more about the energy flow when pressing sawdust to see if this process is more
energy efficient than if the sawdust is not pretreated. The reason SPC is lower with
lower air velocity is that the fan needs to work harder when the air flow is rising. SPC
drops when the drying temperature is rising because the pressure difference over the fan
is lowered. The model works well and can be used to plan tests at 150 °C in case further
comparison between fresh, pressed and rewetted sawdust is wanted.
FÖRORD
Detta examensarbete omfattar 22,5 högskolepoäng och har genomförts på Karlstads
Universitet. Det är den avslutande delen i högskoleingenjörsprogrammet med
inriktningen energi- och miljöteknik. Jag vill tacka min handledare Jonas Berghel för
hjälpen gällande försöksplanering, körningar samt rapportskrivning. Jag vill också passa
på att tacka Lars Petterson för hjälpen med material under den praktiska delen av
arbetet.
Detta examensarbete har redovisats muntligt för en i ämnet insatt publik. Arbetet har
därefter diskuterats vid ett särskilt seminarium. Författaren av detta arbete har vid
seminariet deltagit aktivt som opponent till ett annat examensarbete.
NOMENKLATUR
Beteckning
Förklaring
Enhet
A
Tvärsnittsarea rör
Specifik värmekapacitet för luft
Specifik värmekapacitet för sågspån
Specifik värmekapacitet för vatten
Entalpi för vatten
Entalpi för vattenånga
Elektrisk ström
Massa vatten
Massflöde vatten som förångas
Massflöde vatten som enbart värms upp
Massflöde luft
Massa sågspån, torrsubstans
Massflöde sågspån, torrsubstans
Dynamisk tryckdifferens
Effekt fläkt
Effekt för förluster genom torkröret
Effekt för förångning av vatten
Avgiven effekt från den uppvärmda luften
Effekt för uppvärmning av sågspån
Effekt för uppvärmning av vatten
Total effekt för torkning av sågspån
Totala relativa felet
Specific Moisture Extraction Rate
Specific Power Consumption
Temperatur
Temperatur på sågspånet ut
Spänning
Volymflöde luft
Lufthastighet vid modellframtagning
Materialflöde TS vid modellframtagning
Fukthalt innan torkning vid modellframtagning
Densitet luft
m2
J/kg,°C
J/kg,°C
J/kg,°C
J/kg
J/kg
A
kg
kg/s
kg/s
kg/s
kg TS
kg TS/s
Pa
W
W
W
W
W
W
W
%
kg H2O/kWh
kWh/kg TS
°C
°C
V
m3/s
m/s
kg TS/min
%
kg/m3
I
mH2O
mTS
∆pdyn
SMER
SPC
T
U
y
z
ρ
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
1. INLEDNING ................................................................................................................1
1.1 Syfte ....................................................................................................................................................... 5
1.2 Mål ......................................................................................................................................................... 5
2. METOD ........................................................................................................................6
2.1 PD-KaU ................................................................................................................................................. 6
2.2 Material ................................................................................................................................................. 7
2.3 Förbehandling och mätmetod .............................................................................................................. 7
2.4 Körningar .............................................................................................................................................. 8
2.5 Effektbalans .......................................................................................................................................... 8
2.6 Verkningsgrader ................................................................................................................................. 11
2.7 Modellframtagning ............................................................................................................................. 11
3. RESULTAT................................................................................................................13
3.1 Fukthalter och effektbalanser ........................................................................................................... 13
3.2 Verkningsgrader ................................................................................................................................. 14
3.3 Modell .................................................................................................................................................. 16
4. DISKUSSION.............................................................................................................20
5. SLUTSATS .................................................................................................................24
6. REFERENSER ..........................................................................................................25
1. INLEDNING
I Sverige är trädbränslen basen för förnyelsebar energi. För tillfället är tillväxten av träd
i Sverige högre än vad som avverkas. Detta innebär att skogen kan utnyttjas mer än vad
den gör och är en viktig faktor för ett hållbart samhälle utan att äventyra den biologiska
mångfalden i Sverige. Vid eldning av trädbränslen är nettoutsläppen av växthusgaser
och försurande ämnen nästan noll. I Sverige är försurning ett problem. Detta problem
kan minskas genom att återföra askan som uppkommer vid förbränning av trädbränslen
(Svenska Trädbränsleföreningen 2013).
Pellets som kan tillverkas av sågspån är en förnyelsebar energikälla. Råvaran är dock
begränsad och därför borde den användas på ett effektivt sätt (Berghel et al. 2011).
Pelletstillverkningen samt användningen av pellets som bränsle har ökat rejält på senare
år. En av orsakerna till det är den Europeiska Unionens 2020-mål för förnyelsebara
energikällor. Energiexperter menar att detta kommer att leda till en större
pelletsmarknad fram till år 2020. Råmaterialet som används för att tillverka pellets
brukar ha en fukthalt på 50 procent och måste torkas för att kunna pelleteras. Att torka
material för att kunna tillverka pellets är dyrt och brukar uppgå till en fjärdedel av
kostnaden vid tillverkning av pellets. En faktor som har stor påverkan på
torkningskostnaden är energiåtgången (Frodeson et al. 2013).
Förbränning av biomassa som till exempel sågspån kan delas in i tre steg. Det första
steget är torkningsfasen där vattnet avdunstas, sedan drivs de flyktiga ämnena av och
förbränns i gasform. I sista steget förbränns även kolet i materialet. Fuktinnehållet
kommer därför att påverka torkningsfasen och det kommer att gå åt mer energi vid
förbränningen om bränslet har en hög fukthalt. Vid förbränning av ett material med hög
fukthalt kommer mer energi att gå åt då fukten måste kokas bort innan materialet
kommer till nästa steg i förbränningen (Wimmerstedt 1995).
Förbränning av biobränslen och användning av effektiva torkningstekniker minskar
växthuseffekten. En annan fördel med att använda biobränslen är att inga svaveloxider
släpps ut vid förbränning. Kväveoxidutsläppet är beroende av förbränningstemperaturen. En hög förbränningstemperatur innebär mer kväveoxider men en lägre temperatur
innebär mer oförbränt material som följer med rökgaserna. Kväveoxider, terpener (som
släpps ut från trämaterial under torkning) samt solljus ger upphov till marknära ozon
(Wimmerstedt 1995). Marknära ozon försämrar bland annat växternas fotosyntes,
irriterar människors luftvägar samt förstör grödor och skog genom att försämra just
fotosyntesen (Granström 2009).
Vid torkning av sågspån släpps terpener ut och det har visat sig att torkprocessen är den
största källan till just terpenutsläpp vid produktion av pellets. Mängden terpener verkar
höra ihop med hur länge materialet torkas (Berghel et al. 2011).
Utifrån ett hållbarhetsperspektiv där sociala aspekter (till exempel utsläpp av terpener
som kan leda till irritation i människors luftvägar) och ekonomiska aspekter (den dyra
torkningen av material för pelletering) samt där ett klimatperspektiv vägs in är torkning
av sågspån för tillverkning av pellets en viktig faktor. För en fortsatt hållbar utveckling
är det viktigt att effektivisera torkningen.
1
Värme kan tillföras till materialet som ska torkas på tre olika sätt. Genom konvektion,
ledning och strålning. Fukttransport sker samtidigt som värmetransporten. Konvektion
sker genom att en fluid, till exempel luft, flödar runt materialet samtidigt som den
transporterar bort eventuell fukt. Konvektionstork brukar ibland kallas för direkttork.
Vid ledning tillförs värme genom materialets yta där fukten transporteras genom
vakuumdrift eller genom en ström av gas som transporterar den största delen av fukten.
Vid strålning tillförs värme genom elektromagnetisk strålning (Berghel 2004).
Värmetransport till materialet som ska torkas uppstår genom temperaturskillnader
mellan materialet som torkas och fluiden som strömmar runt om. Detta är den drivande
kraften för värmetransport. Värmetransporten är även beroende av flera andra faktorer
som till exempel vad för slags torkningsmedium som används, area som exponeras till
torkningsmediets flöde samt vad det är för hastighet på det aktuella flödet. Fukten som
transporteras från materialets inre till ytan kan ske genom diffusion, kapilläreffekter
samt genom tryck då materialet som torkas krymper och pressar ut fukten. Det skapas
även ett tryck av temperaturgradienten som uppstår vid uppvärmning som hjälper till att
driva ut fukten. Koncentrationsskillnaderna mellan fukten på materialet och fukten i
luften är den drivande kraften vid fukttransport (Berghel 2004).
Fukt finns i svaga kemiska bindningar, som en vätskelösning inuti soliden eller så hålls
fast av mikrostrukturen hos soliden och har ett ångtryck som är lägre än enbart vätskan,
vilken kallas för bunden fukt. Obunden fukt eller fritt vatten kallas det då materialet inte
kan ta upp mer fukt (Mujumdar & Menon 1995).
Det finns två olika sätt att ta bort obunden fukt, antingen genom avdunstning eller
genom förångning. Avdunstning sker då ångtrycket hos fukten på ytan av materialet är
lika stort som atmosfärstrycket. Detta kan uppnås genom att höja fukttemperaturen till
kokpunkten. Förångning sker genom konvektion där fukten som avges transporteras
bort med en fluid, till exempel luft. Luften kyls av materialet och fukten transporteras
till luften. Vid förångning är ångmättnadstrycket hos fukten på materialet lägre än
atmosfärstrycket (Mujumdar & Menon 1995).
Torkkurvan för hygroskopiska ämnen, som är ämnen som kan ta upp och avge vatten,
brukar delas in i tre olika torksteg. Figur 1 visar hur dessa tre torksteg kan se ut. I det
första torksteget, som är A-B enligt figuren, är torkningen konstant. Den karaktäriseras
av att det finns obundet vatten inuti materialet och att själva ytan är blöt. Det som
begränsar hastigheten på torkningen är diffusionen av vattenånga i gränssnittet mellan
luft och fukt. Fukten transporteras från materialets inre till ytan genom kapilläreffekter.
Det första torksteget slutar då det börjar uppstå torra fläckar på ytan av materialet och
därmed är inte fukttransporten längre konstant. Det andra torksteget som inte är
konstant, utan avtar desto större del av ytan som är fuktfri, pågår tills hela ytan är torr.
Detta visas i figur 1 som B-C. När detta sker börjar det tredje och sista torksteget. Vid
det tredje steget avges fukt genom diffusion från materialets inre till ytan. Det sista
torksteget visas i figur 1 som C-D (Berghel 2004).
2
Torkningshastighet (kg H2O/s)
A
B
Första torksteget
C
Andra torksteget
D
Tredje torksteget
Tid (s)
Fig. 1. Principen för torkning av till exempel sågspån med det första torksteget till vänster, fritt
efter Mujumdar & Menon (1995).
Ett hygroskopiskt material, till exempel sågspån, kan ha olika fukthaltsjämvikter
beroende på om materialet torkas eller fuktas. Detta brukar kallas för hysteres. Det
innebär att två likadana material, ett torkas och det andra fuktas, innehåller olika mängd
vatten vid samma partialtryck hos ångan i omgivande luft. Fenomenet kan beskrivas
genom att tänka att materialet innehåller porer som har kontakt med luften genom
kapillärer. Vid fuktning kommer kapillärerna att fyllas med vätska medan porerna inte
fylls förrän partialtrycket hos ångan i luften är högre än ångtrycket hos vätskan i
kapillärerna. Vid torkning är porerna redan fyllda med vätska och det enda sättet för
vätskan att försvinna är att partialtrycket hos omgivande luft understiger ångtrycket hos
vätskan i kapillärerna (Mujumdar & Menon 1995).
De tre vanligaste torkarna vid industriell torkning av biomassa är den roterande
trumtorken, den pneumatiska torken och bandtorken även kallad för PMB-torken som
står för ”Packed Moving Bed” (Frodeson et al. 2013).
Den vanligaste torken för sågspån är den roterande trumman. Sågspånet roteras i en
trumma som både fungerar som en omblandare och transporterare av sågspånet. I denna
trumma skickas det in rökgaser som används till att torka sågspånet. Fördelen med den
roterande torktrumman är att den inte är känslig för storleken på materialflödet eller vad
det är för sorts materialflöde (Berghel 2004).
Den pneumatiska torken är lätt att hantera och kan göras kompakt. Torkningen sker
snabbt och genom att det är få rörliga delar på den här torken leder det till att
underhållskostnaderna är låga (Frodeson et al. 2013). När torkningsmediet flödar genom
ett lager av partiklar med samma densitet och storlek med en tillräckligt hög hastighet
som gör att partiklarna svävar på samma ställe kallas det för en fluidiserad bädd. Luften,
torkningsmediet, som bildar en lyftkraft tar ut den nedåtriktade tyngdkraften vilket gör
att partiklarna svävar. Om hastigheten ökar ytterligare innebär det att tyngdkraften blir
lägre än lyftkraften och det sker en pneumatisk transport (Berghel 2004). Figur 2
illustrerar grundprincipen för en pneumatisk transport.
3
Lyftkraft
Tyngdkraft
Uppåtriktad
nettokraft
Torkmedium
Fig. 2. Torkmedium som sätter ett material i rörelse i en pneumatisk tork då lyftkraften övervinner
tyngdkraften.
En bandtork torkar biomassa genom att låta biomassan som är jämnt fördelad på ett
transportband genomkorsas av uppvärmd luft. Luften åker genom både biomassan och
torkbandet. Den varma luften värms upp genom värmeväxling där värmen kan komma
från en lågvärdig värmekälla (Benjaminsson et al. 2013).
Vanligtvis brukar enbart en sorts tork användas för torkning av sågspån, till exempel en
PMB-tork. Om istället flerstegstorkningstekniken används kommer torkningstemperaturen bli lägre vilket leder till mindre utsläpp samtidigt som energieffektiviseringen
ökar. En kombination av en PMB-tork och en pneumatisk tork optimerar
torkningsprocessen och en kombination av detta slag kallas för ”Two Step Drying
Technique” (TSDT). PMB-torken torkar då spånet från ca 50 till 20 procents fukthalt
vilket är de två första torkningsstegen. Den pneumatiska torken kommer sedan att torka
sågspånet från 20 procents fukthalt och nedåt vilket är det sista torkningssteget.
Argumentet för att använda tvåstegstekniken är att energieffektiviteten på en PMB-tork
minskar betydligt i det sista torkningssteget och därmed kan torkningen effektiviseras
genom att använda sig av en pneumatisk tork. Det har även påvisats att
torkningskapaciteten kan ökas vid installation av en pneumatisk tork tillsammans med
en PMB-tork (Frodeson et al. 2013).
Det finns olika sätt att värdera prestandan på en tork. En faktor som används är
”Energy Efficiency” (EE). Denna faktor innebär att den energi som går åt för att förånga
fukten ställs i förhållande till den totala energin som tillförs torken. En annan faktor är
”Specific Power Consumption” (SPC). Här är det förhållandet mellan mängden
elektrisk kraft som används och mängden material som transporteras (Pakowski &
Mujumdar 1995). Det finns olika varianter av EE och en av dem är ”Specific Moisture
Extraction Rate” (SMER). I SMER är det förhållandet mellan mängd förångad fukt och
total använd energi som granskas. På Karlstads Universitet finns det en pneumatisk tork
i laborationsskala för torkning av sågspån. Torken kallas för PD-KaU (Pneumatic Dryer
at Karlstads University). Tidigare försök att bestämma verkningsgrad på PD-KaU som
SPC visar att en högre torkningstemperatur ger ett lägre SPC och därmed en bättre
verkningsgrad. Då frekvensen på inmatningsskruven sätts till 10 Hz och lufthastigheten
är 8-9 m/s blir SPC för torken 0,040, 0,037 och 0,035 kWh/kg TS för en
torkningstemperatur på 80, 100 samt 120 °C. Samma tendens uppstår vid en
4
lufthastighet på 10-11 m/s. En anledning till detta kan vara att torkningen då sker under
en längre sträcka i torken (Gustafsson 2013).
Tidigare studier på PD-KaU har gjorts för att förutsäga utgående fukthalt vid torkning
av sågspån. Med hjälp av ekvationer och en modell i beräkningsprogrammet Excel
beräknas den utgående fukthalten. Resultatet av modellen visar att den utgående
fukthalten kan avvika med 4 procent från mätdata vid de praktiska körningarna.
Modellen fungerar bäst då det är lågt luftflöde samt låg torkningstemperatur (Andrésen
2014).
1.1 Syfte
Syftet med arbetet är att se hur PD-KaUs torkningseffektivitet påverkas då en högre
torkningstemperatur används samt om effektiviteten beror på hur sågspånet är behandlat
innan torkning.
1.2 Mål
I detta arbete ska en effektbalans på PD-KaU göras där effekten som går åt för torkning
av sågspån ska jämföras med den effekt som avges från den uppvärmda luften. En
jämförelse ska göras med SPC och SMER mellan att torka färskt, pressat och uppfuktat
sågspån för olika lufthastigheter. En regressionsmodell av PD-KaU ska byggas. Denna
modell ska sedan kunna användas för att kunna beräkna den utgående fukthalten.
5
2. METOD
Tabell 1 visar vad materialdata hade för värden. Dessa användes genom hela rapporten.
Tabell 1. Materialdata som användes i beräkningarna.
Symbol
Enhet
Värde
J/kg,°C
1310
å
J/kg,°C
1007
J/kg,°C
4178 - 4180
kg/m3
1,204
kg/m3
0,8345
J/kg
83 915
J/kg
2565 650 - 2633 55
Referens
(Renström & Berghel 2014)
(Cengel & Ghajar 2011)
(Cengel & Ghajar 2011)
(Cengel & Ghajar 2011)
(Cengel & Ghajar 2011)
(Cengel & Boles 2011)
(Cengel & Boles 2011)
2.1 PD-KaU
Figur 3 visar en skiss över PD-KaU. PD-KaU används i forskningssyfte för att kunna
optimera den pneumatiska torkningsprocessen. Här är det tänkt att sågspånet torkas från
ca 20 procents fukthalt ned till 10 procents fukthalt. På torken sitter det flera
temperaturgivare som är numrerade T1-T6. Dessa är kopplade till en dator där
temperaturerna kan läsas av. T-REG är den temperatur som luften får av
värmeelementet innan det kommer i kontakt med sågspånet och den ställs in från en
kontrollpanel. Temperaturgivarna är av modellen Insticks-Pt100 klass b och tillverkaren
är Jumo. Vid SP-1 mäts tryckdifferensen som luftflödet skapar. Även tryckdifferensen
ställs in från kontrollpanelen. Sågspånet matas in i torken via en inmatningsskruv efter
T-REG. Luften och sågspånet skiljs sedan av vid cyklonen efter givare T-6.
Fig. 3. En översikt på den pneumatiska torken med temperaturgivare, tryckmätare, materialflöde,
luftflöde samt en fläkt och värmeelement.
6
2.2 Material
Sågspån var det material som användes för torkens körningar. Sågspånet bestod av 8590 procent gran och 10-15 procent tall. Torkningskörningar gjordes på tre olika sorters
sågspån; pressat, färskt och uppfuktat. Allt sågspån kom från samma sågverk.
Det pressade sågspånet hade förbehandlats genom att en del av fukten hade pressats ut
innan körningen. Sågspånet transporteras med hjälp av ett band för att sedan pressas
mellan två valsar. Genom vakuum på undersidan av pressvalsen transporteras det
utpressade vattnet bort från sågspånet. Istället för att låta sågspånet torkas med en hög
torkningstemperatur pressas det utan att behöva tillföra energi i form av värme. Genom
pressning går det inte åt energi för att förånga vattnet vilket är energikrävande. Efter att
sågspånet pressats är sågspånet mjukare vilket tyder på att strukturen i materialet har
förändrats (Paper Province 2015). Fukthalten hamnade efter pressning och siktning på
ca 41 procent.
Det färska sågspånet hade en fukthalt på ca 50 procent. När det färska sågspånet hade
torkats den sista gången användes samma sågspån och fuktades upp för att kunna köra
uppfuktat sågspån. Både det färska och pressade sågspånet behövde siktas innan det
torkades. En siktningsmaskin med en håldiameter på 5 mm användes för att ta bort
flisen. Det pressade och färska sågspånet torkades ned till ca 20 procents fukthalt där de
skarpa körningarna gjordes från. Vid denna fukthalt inleds det tredje torksteget (Berghel
2004).
2.3 Förbehandling och mätmetod
Sågspånet flyttades över till en blandare och blandades om innan varje körning för att
det skulle vara en jämn fukthalt i sågspånet. Vid återfuktning av det färska sågspånet
blandades det om i blandaren för att fukthalten återigen skulle jämna ut sig för att det
sedan skulle gå att ta fukthaltsprover på sågspånet. Med hjälp av ekvation (1) och
mängden sågspån som torrsubstans som det fanns i blandaren tillsattes en viss mängd
vatten för att återfukta sågspånet till ca 20 procent där de skarpa körningarna gjordes
från. Efter återfuktningen fick sågspånet stå ett dygn för att det skulle få en jämn
fukthalt. Ekvation (1) användes för att bestämma vad fukthalterna var.
(1)
Varje körning gjordes under tio minuter. Detta för att hinna ta tillräckligt med prover
samt för att inte ta alla prover under samma tid. Före och efter varje körning gjordes
avläsningar på kontrollpanelen för att se energiåtgången hos värmeelementet som går åt
för att värma upp den ingående luften. Energimätaren är av modellen WM2-DIN och
tillverkaren är Carlo Gavazzi. Avläsningar gjordes också på vad strömmätaren hos
fläkten stod på under dessa tio minuter. Under samma tid togs det även ut två prover
med hjälp av en hink som samlade upp sågspånet under en minut för att ta reda på vad
materialflödet var efter torkningen. För varje prov togs det ut tre glasburkar med
sågspån som vägdes och torkades i ett torkskåp som hade en temperatur på 103 °C
± 2 °C. Det torkades tills all fukt hade lämnat sågspånet och sedan vägdes glasburken
med sågspånet igen. 5-6 burkar med sågspån togs också ut från spånet innan det
torkades för att bestämma fukthalten in i torken med hjälp av ekvation (1). Ett
medelvärde för alla prover för respektive körning räknades ut.
7
Den relativa fuktigheten i luften mättes med en RH-mätare som var placerad vid givare
T-6. Detta för att kunna räkna ut vad den våta temperaturen på luften ut var med hjälp
av ett mollierdiagram.
2.4 Körningar
Lufthastigheterna som körningarna gjordes på visas i tabell 2. Där redovisas även den
dynamiska tryckdifferensen som motsvarar respektive lufthastighet vid 150 °C.
Tabell 2. Lufthastighet med motsvarande tryckdifferens.
Lufthastighet (m/s)
Tryckdifferens (Pa)
6
42
8
75
10
117
12
168
14
229
För att kunna räkna ut den dynamiska tryckdifferensen som behövdes för att skriva in
rätt börvärde på kontrollpanelen till fläkten användes ekvation (2). Denna ekvation
följde med från tillverkaren av flödesmätaren. Flödesmätaren är av modellen MPS-C100 och tillverkaren är Micatrone.
(2)
I tabell 3 visas vilka körningar som var planerade. Vid det färska sågspånet och det
pressade sågspånet som från början hade en fukthalt på 50 respektive 41 procent gjordes
det ett antal körningar ned till en fukthalt på ca 20 procent. Därefter gjordes de skarpa
körningarna. Frekvensen på inmatningsskruven sattes till 13 Hz och 26 Hz vilket skulle
representera 1 kg TS/min samt 2 kg TS/min.
Tabell 3. Körningar för respektive sågspån.
6 m/s
8 m/s
Färskt sågspån
13 Hz
X
26 Hz
X
Pressat sågspån
13 Hz
X
26 Hz
Uppfuktat sågspån
13 Hz
X
X
26 Hz
X
X
10 m/s
12 m/s
14 m/s
X
X
X
X
X
X
X
X
X
2.5 Effektbalans
Figur 4 visar hur systemgränsen har dragits då en effektbalans gjordes på torken.
Systemgränsens position gör att värmeelementet hamnar utanför och därmed blir
kylning av luften som kommer in i PD-KaU med en temperatur på 150 °C den effekt
som används till att torka sågspånet.
8
Fig. 4. Systemgräns på torken för att avgöra hur effektbalansen ska se ut.
Ekvation (3) beskriver effektbalansen på torken.
(3)
Den totala effekten som går åt för att torka sågspånet räknades ut enligt ekvation (4).
ö å
å
ö
(4)
Ekvation (5) är den effekt som den uppvärmda luften avger till sågspånet.
(5)
För att räkna ut effekten från förångningen av vattnet som lämnar sågspånet användes
ekvation (6). Antagande gjordes att sågspånet hade samma temperatur in i torken som
den omgivande luften vilken var 20 °C.
ö å
ö å
å
9
(6)
Ekvation (7) användes för att beräkna den effekt som går åt för att värma sågspånet.
Sågspånet antogs ha samma temperatur in i PD-KaU som omgivande luft. Om
fukthalten hos sågspånet in i torken var över 20 procent användes den våta temperaturen
för T-6 som temperatur på utgående sågspån. Annars gjordes antagandet att
temperaturen på sågspånet och T-6 var samma.
å
(7)
å
För att räkna ut effekten för att värma det vatten som inte förångades utan stannade kvar
i sågspånet användes ekvation (8). Temperaturerna på vattnet antogs vara samma som
sågspånet fick enligt ekvation (7).
(8)
Ekvation (9) beskriver formeln som användes för att beräkna förlusterna på torken
(Renström & Berghel 2014).
(9)
Effekten på fläkten räknades ut enligt ekvation (10) (Ingelstam et al. 1986). U hade ett
värde på 400 volt som är spänningen från eluttaget, I är den uppmätta strömmen på
kontrollpanelen på fläkten och
har värdet 0,9.
(10)
Om den totala effekten som går åt till att torka sågspånet skilde sig mer än 15 procent
från den effekt som luften lämnar av i torken fanns misstankar om att något fel hade
uppstått vid beräkningarna eller någon mätning vid körningarna. Dessa resultat är då
orimliga och stryks. För att avgöra hur noggranna beräkningarna förväntas vara
användes ekvation (11) som är det relativa felet. Alla R under rottecknet föreställer olika
parametrars maximala avvikelse genom dess värde och skrivs i procent. För
beräkningen av relativa felet hos
användes följande parametrar: Fukthalt i spånet
in, fukthalt i spånet ut, T-Reg, T-6, T-1, massflöde sågspån samt förluster. a står för
antal parametrar.
(11)
10
2.6 Verkningsgrader
För att få en uppfattning om hur effektiv torken var vid körningarna användes
effektivitetsmåtten SMER och SPC som beskrivs i ekvation (12) respektive ekvation
(13). Relativa felet för SMER räknades också ut enligt ekvation (11) där parametrarna
var fukthalt i spånet in, fukthalt i spånet ut, massflöde, effekt för fläkten samt den totala
effekten för torkning av sågspånet.
ö å
(12)
Parametrarna för relativa felet hos SPC var fläktens effekt och massflödet sågspån.
(13)
2.7 Modellframtagning
Fukthalt (%)
En regressionsmodell byggdes i tre olika steg i beräkningsprogrammet Excel. Första
steget bestod av en grundmodell byggd av data på uppfuktat sågspån enligt körningarna
som visas i tabell 3 då startfukthalten var 20 procent. Beroende på vad hastigheten på
luften var och materialflödet för sågspån i TS plottades punkter i ett diagram enligt figur
5. Detta skapade tendenser till två separata linjer som såg ut som avtagande
potensekvationer med det högsta materialflödet överst. Utgångspunkten för modellen
var körningarna som gjordes på det uppfuktade sågspånet då data för flest
lufthastigheter fanns där.
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Lufthastighet (m/s)
Fig. 5. Fukthalten efter torkning vid en startfukthalt på 20 procent som är plottad för olika
hastigheter på luften och olika materialflöden på sågspånet som TS. Blå punkter är för
materialflödet 13 Hz och röda för 26 Hz.
Funktionen trendlinjer i Excel användes och två funktioner bildades med hjälp av
punkterna från figur 5. Dessa funktioner sattes ihop till en gemensam funktion som
skulle täcka hela området mellan linjerna. Grundmodellen räknade ut fukthalten mellan
13-26 Hz för olika lufthastigheter i intervallet 6-14 m/s.
11
Steg två i modellbygget bestod av att utöka beräkningsområdet för modellen. För att
modellen skulle kunna räkna ut den nya fukthalten efter torkning om startfukthalten var
högre än 20 procent kompletterades ekvationen med att höjas i y-led med skillnaden på
den nya fukthalten in och 20 procents fukthalt. Detta skulle ge en ekvation som
behandlade området mellan 20-50 procents fukthalt innan torkning. Data för torkning av
högre fukthalter togs från färskt sågspån då det var det enda sågspån som torkades från
ca 50 procents fukthalt. Då det var begränsat med data på de högre fukthalterna in
antogs det att fukthalterna efter torkning hade samma form på lutningen som i figur 5.
Det sista steget innebar korrigeringar för att modellen skulle stämma överens med data
som fanns vid högre fukthalter. Grundmodellen korrigerades med en extra ekvation som
beskriver felet och som adderades till huvudekvationen. Differensen mellan den fukthalt
som räknats ut från körningarna och den fukthalt modellen räknat ut plottades enligt
figur 6. Även här användes trendlinjefunktionen i Excel och avvikelserna fick formen
av en andragradsfunktion. Körningar som gjordes på högre fukthalter var för en
lufthastighet på 8 och 12 m/s vid 13 Hz och 26 Hz materialflöde sågspån. I figur 6
plottades avvikelsen för körningen 8 m/s och 13 Hz materialflöde.
5,0
Fukthaltsdifferens (%)
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
-1,0
10
20
30
40
50
60
-2,0
-3,0
Fukthalt på sågspånet innan torkning
Fig. 6. Fukthaltsdifferensen mellan data från körningar och modell för lufthastigheten 8 m/s och
13 Hz materialflöde.
12
3. RESULTAT
Här redovisas vad fukthalterna blir efter torkning med olika materialflöden i TS
tillsammans med effektbalanserna. Detta följs av vad effektivitetsmåtten SPC och
SMER blir vid torkning av färskt, uppfuktat samt pressat sågspån. Slutligen redovisas
resultatet av modellbygget.
3.1 Fukthalter och effektbalanser
Tabell 4 visar resultatet av torkningen av det färska sågspånet. Där den totala effekten
för torkningen skiljer sig mer än 15 procent från effekten för luften stryks
effektresultatet för just dessa körningar.
Tabell 4. Resultat från torkning av färskt sågspån.
Lufthastighet Materialflöde Fukthalt in Fukthalt ut
(m/s)
TS (kg/min)
(%)
(%)
8
0,76
49,5
44,6
8
1,41
49,5
46,7
12
0,75
49,5
41,3
12
1,34
49,5
44,8
8
0,74
44,4
37,9
8
1,37
44,4
40,7
12
0,77
44,4
34,4
12
1,37
44,4
38,0
8
0,61
37,7
27,1
8
1,07
37,7
31,6
12
0,57
37,7
23,9
12
1,04
37,7
28,6
8
0,70
29,1
18,5
8
1,29
29,1
22,2
12
0,79
29,1
16,3
12
1,26
29,1
19,2
8
0,97
20,5
12,6
8
1,80
20,5
16,2
12
0,86
20,5
11,1
12
1,79
20,5
13,9
(W)
7160
8547
10025
12243
7242
8525
10371
12841
7243
8189
8805
10768
6655
8407
8608
10851
6341
6903
6928
9971
(W)
6949
6912
9604
10217
6821
6870
9485
9998
6441
6784
8221
9448
6148
6558
7672
8972
6001
6496
7681
8871
(W)
-211
-1635
-421
-2026
-421
-1655
-886
-2843
-802
-1405
-584
-1320
-507
-1849
-936
-1879
-340
-407
753
-1100
Tabell 5 visar resultatet av körningarna som gjordes på det pressade sågspånet.
Tabell 5. Resultat från torkning av pressat sågspån.
Lufthastighet Materialflöde Fukthalt in Fukthalt ut
(m/s)
TS (kg/min)
(%)
(%)
8
0,63
40,9
31,8
12
0,66
40,9
29
8
0,70
30,0
19,7
12
0,73
30,0
16,8
8
0,98
19,8
10,9
12
0,97
19,8
9,4
13
(W)
7136
9112
6610
8238
6878
8030
(W)
6747
9064
6135
7956
5781
7407
(W)
-389
-48
-475
-257
-1097
-623
Tabell 6 visar torkningen av uppfuktat sågspån.
Tabell 6. Reslutat från torkning av uppfuktat sågspån.
Lufthastighet
Materialflöde
Fukthalt in Fukthalt ut
(m/s)
TS (kg/min)
(%)
(%)
6
1,01
20,2
13,1
8
0,99
20,2
11,3
10
0,97
20,2
10,8
12
0,93
20,2
10,3
14
0,98
20,2
9,8
6
1,78
20,7
17,2
8
1,76
20,7
16,2
10
1,72
20,7
15,3
12
1,72
20,5
13,7
14
1,70
20,5
13,3
(W)
5872
7010
7448
7794
8509
5656
6823
7815
9746
10200
(W)
4669
5824
6624
7178
7985
5095
6747
8198
8917
10219
(W)
-1203
-1186
-824
-616
-524
-561
-76
383
-829
19
Resultatet från effektbalanserna visar att det beräknade luftflödet för fläkten är för lågt
då det är drygt 20 procent av körningarna som faller bort. Efter att luftflödet justerades
genom att öka lufthastigheten med 12 procent faller en effektuträkning bort av totalt 36
vilket kan ses i figur 7.
2000
1500
1000
500
0
-500
0
10
20
30
40
-1000
-1500
-2000
Körning
Fig. 7. Effektdifferensen mellan
plottad för varje körning med 12 procents ökat
luftflöde. Krysset visar vilken effektdifferens som faller bort.
3.2 Verkningsgrader
Alla verkningsgradsresultat är på torkning då sågspånet har en startfukthalt på ca 20
procent. Figur 8 visar SMER för alla tre sorters sågspån med materialflödet inställt på
13 Hz. Relativa felet för SMER är 18 procent vilket visas för det uppfuktade sågspånet
vid lufthastigheten 14 m/s. Högsta SMER hittas vid en lufthastighet på 8 m/s.
14
0,9
0,8
0,7
SMER (kg H2O/kWh)
0,6
0,5
Uppfuktat
0,4
Färskt
0,3
Pressat
0,2
0,1
0
4
6
8
10
12
14
Lufthastighet (m/s)
Fig. 8. SMER för alla sorters sågspån med ett materialflöde på 13 Hz (1 kg TS/min) och en
startfukthalt på ca 20 procent. Relativa felet för SMER vid lufthastigheten 14 m/s visar vad SMER
kan variera mellan.
SMER (kg H2O/kWh)
SMER för körningar med uppfuktat och färskt sågspån och med ett materialflöde på 26
Hz visas i figur 9. Relativa felet för SMER är 18 procent vilket visas för det uppfuktade
sågspånet vid lufthastigheten 14 m/s. Högsta värdet på SMER påträffas vid
lufthastigheten 12 m/s.
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
Uppfuktat
Färskt
4
6
8
10
12
14
Lufthastighet (m/s)
Fig. 9. SMER för uppfuktat och färskt sågspån med ett materialflöde på 26 Hz (1,8 kg TS/min) och
en startfukthalt på ca 20 procent. Relativa felet för SMER vid lufthastigheten 14 m/s visar vad
SMER kan variera mellan.
Figur 10 åskådliggör SPC för alla tre sorters sågspån där materialflödet är inställt på 13
Hz. Relativa felet för SPC är 11 procent vilket illustreras för det uppfuktade sågspånet
vid en lufthastighet på 14 m/s. Det lägsta SPC hittas vid 6 m/s lufthastighet.
15
0,07
SPC (kWh/kg TS)
0,06
0,05
0,04
Uppfuktat
0,03
Färskt
Pressat
0,02
0,01
0
4
6
8
10
12
14
Lufthastighet (m/s)
Fig. 10. SPC för tre olika sorters sågspån med ett materialflöde inställt på 13 Hz (1 kg TS/min) och
en startfukthalt på ca 20 procent. Relativa felet för SPC vid lufthastigheten 14 m/s visar vad SPC
kan variera mellan.
Figur 11 visar SPC för uppfuktat och färskt sågspån där materialflödet är 26 Hz.
Relativa felet för SPC är 11 procent vilket illustreras för det uppfuktade sågspånet vid
en lufthastighet på 14 m/s. Det lägsta SPC uppkommer då lufthastigheten är 6 m/s.
0,04
SPC (kWh/kg TS)
0,03
0,02
Uppfuktat
Färskt
0,01
0
4
6
8
10
12
14
Lufthastighet (m/s)
Fig. 11. SPC för uppfuktat och färskt sågspån där materialflödet är inställt på 26 Hz (1,8 kg
TS/min) och en startfukthalt på ca 20 procent. Relativa felet för SPC vid lufthastigheten 14 m/s
visar vad SPC kan variera mellan.
3.3 Modell
Figur 12 visar fukthalten ut efter torkning av uppfuktat sågspån med en startfukthalt på
20 procent där två ekvationer bildas som tillsammans utgör grundmodellen enligt första
steget av modellframtagningen.
16
Fukthalt ut (%)
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Fukthalt = 31,016x-0,319
Fukthalt = 22,986x-0,326
0
5
10
15
Lufthastighet (m/s)
Fig. 12. Ekvationerna som utgör grundmodellen där röda punkter är 26 Hz (1,8 kg TS/min)
materialflöde och blåa punkter är 13 Hz (1kg TS/min) materialflöde. x är lufthastigheten vid
torkningen.
Ekvation (14) är den sammanslagna ekvationen från figur 12. Den räknar ut utgående
fukthalt då ingående fukthalt är ca 20 procent. Materialflödet y kan varieras mellan 1,0
kg TS/min som motsvarar 13 Hz och 1,8 kg TS/min som motsvarar 26 Hz.
(14)
Resultatet av steg två i modellframtagningen är ekvation (15) som räknar ut vad
fukthalten blir efter torkning med en fukthalt in som varierar mellan 20,5 och 49,5
procent.
(15)
Tabell 7. Resultat från praktisk torkning samt modelltorkning.
8 m/s & 13 Hz
12 m/s & 13 Hz
8 m/s & 26 Hz
Fukthalt
Fukthalt
Fukthalt
Fukthalt
Fukthalt
Fukthalt
in
ut
in
ut
in
ut
49,5
44,6
49,5
41,3
49,5
46,7
44,4
37,9
44,4
34,4
44,4
40,7
37,7
27,1
37,7
23,9
37,7
31,6
29,1
18,5
29,1
16,3
29,1
22,2
20,5
11,3
20,5
10,3
20,5
16,2
8 m/s & 13 Hz
12 m/s & 13 Hz
8 m/s & 26 Hz
(modell)
(modell)
(modell)
Fukthalt
Fukthalt
Fukthalt
Fukthalt
Fukthalt
Fukthalt
in
ut
in
ut
in
ut
49,5
40,7
49,5
39,2
49,5
45,0
44,4
35,6
44,4
34,1
44,4
39,9
37,7
28,9
37,7
27,4
37,7
33,2
29,1
20,3
29,1
18,8
29,1
24,6
20,5
11,7
20,5
10,2
20,5
16,0
17
12 m/s & 26 Hz
Fukthalt
Fukthalt
in
ut
49,5
44,8
44,4
38,0
37,7
28,6
29,1
19,2
20,5
13,7
12 m/s & 26 Hz
(modell)
Fukthalt
Fukthalt
in
ut
49,5
43,0
44,4
37,9
37,7
31,2
29,1
22,6
20,5
14,0
Tabell 7 visar vad resultatet blir av ekvation (15). Rödmarkerade data är resultatet från
praktisk torkning och det gröna är resultatet från modellen. Resultaten skiljer sig åt en
del vid högre fukthalter medan torkning från en fukthalt på ca 20 procent stämmer väl
mellan praktisk torkning och modelltorkning.
Resultatet från tredje steget i modellframtagningen är fyra korrigeringsekvationer för
körningarna som gjordes på sågspån som hade startfukthalter högre än 20 procent.
Dessa adderades till ekvation (15) för att minska avvikelsen från praktisk mätdata vilket
ekvation (16) visar. Där n står för vilken av korrigeringsekvationerna som används.
Ekvation (17) är korrigeringsekvationen som adderas för lufthastigheten 8 m/s och
materialflödet 13 Hz.
(17)
För korrigering för lufthastigheten 12 m/s och materialflödet 13 Hz används ekvation
(18).
(18)
Ekvation (19) används för att korrigera för lufthastigheten 8 m/s och materialflödet 26
Hz.
(19)
Ekvation (20) används för att korrigera för lufthastigheten 12 m/s och materialflödet 26
Hz.
(20)
Resultatet av korrigeringsekvationerna visas i tabell 8. Rödmarkerade data är resultatet
från praktisk torkning och blåmarkerade data är resultatet från den korrigerade
modellen. Skillnaden vid högre fukthalter har reducerats med flera procentenheter.
18
Tabell 8. Resultat från praktisk torkning och korrigerad modelltorkning.
8 m/s & 13 Hz
12 m/s & 13 Hz
8 m/s & 26 Hz
12 m/s & 26 Hz
Fukthalt
in
Fukthalt
ut
Fukthalt
in
Fukthalt
ut
Fukthalt
in
Fukthalt
ut
Fukthalt
in
Fukthalt
ut
49,5
44,6
49,5
41,3
49,5
46,7
49,5
44,8
44,4
37,9
44,4
34,4
44,4
40,7
44,4
38
37,7
27,1
37,7
23,9
37,7
31,6
37,7
28,6
29,1
18,5
29,1
16,3
29,1
22,2
29,1
19,2
20,5
11,3
20,5
10,3
20,5
16,2
20,5
13,7
8 m/s & 13 Hz
(korrigerad modell)
12 m/s & 13 Hz
(korrigerad modell)
8 m/s & 26 Hz
12 m/s & 26 Hz
(korrigerad modell)
(korrigerad modell)
Fukthalt
in
Fukthalt
ut
Fukthalt
in
Fukthalt
ut
Fukthalt
in
Fukthalt
ut
Fukthalt
in
Fukthalt
ut
49,5
45,1
49,5
41,6
49,5
47,2
49,5
45,3
44,4
37,1
44,4
33,6
44,4
40
44,4
37,4
37,7
27,9
37,7
24,7
37,7
31,6
37,7
28,6
29,1
18,3
29,1
16
29,1
22,8
29,1
19,7
20,5
11,3
20,5
10,4
20,5
16
20,5
13,5
Fukthalt ut efter praktisk torkning (%)
Figur 13 visar den korrigerade modellens avvikelse från praktisk uppmätt fukthalt ut på
sågspånet efter torkning. Lufthastighet är 8 m/s och materialflödet 13 Hz. Punkterna
visar hur nära modellen hamnar uppmätt data.
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
10
20
30
40
50
Fukthalt ut efter korrigerad modelltorkning (%)
Fig. 13. Avvikelsen för fukthalt ut på sågspånet för korrigerad modell och praktisk mätdata då
lufthastigheten är 8 m/s och materialflödet är inställt på 13 Hz.
19
4. DISKUSSION
Den totala effekten som går åt till att torka sågspånet bör stämma överens med effekten
som luften avger. Att då över 20 procent av körningarna inte gör det visar att något inte
stämde med beräkningarna. Största osäkerheten finns hos ekvation (2). Denna ekvation
följer med från tillverkaren av flödesmätaren. Den tryckdifferens som räknas ut för
varje lufthastighet verkar ge för låg lufthastighet och därmed blir effekten för luftflödet
för lågt. Efter en ökning av det beräknade luftflödet på 12 procent blir effektskillnaden
jämnt fördelad kring noll enligt figur 7. Effektberäkningarna hamnar både
ovanför och under x-axeln vilket är rimligt då effektskillnaden har lika stor chans att bli
negativ som positiv. Då sågspånet matas in i torken kan det klumpa ihop sig och komma
i omgångar. Vid sådana tillfällen får fläkten lov att justera frekvensen för
tryckskillnaden som uppkommer i röret. Regulatorn hos fläkten jobbar med en viss
fördröjning då skillnader i torken uppstår. Detta kan göra att om det kommer in en större
störning kan det ta tid innan torken ställer in sig i rätt hastighet vilket kan förklara varför
en effektuträkning försvinner i figur 7. Övriga effektuträkningar stämmer överens med
det relativa felet som är 15 procent. Att det är 15 procent beror bland annat på ojämnt
materialflöde, att den mänskliga faktorn påverkar vid mätningar samt att en del
antaganden har gjorts för att förenkla som till exempel konstant temperatur på luftflödet
in i torken.
Den pneumatiska torken brukar användas i det sista torksteget då startfukthalten är ca
20 procent (Frodeson et al. 2013). Här är det tänkt att fukthalten ska ned till ca 10
procent. Figur 1 visar att det sista torksteget är mellan C och D. Enligt tabell 4-6 är en
temperatur på 150 °C och en lufthastighet på 12-14 m/s kravet för att fukthalten ska
komma ned till den önskade fukthalten för att inte behöva köras om. Dock gäller detta
enbart för körningar som har ett sågspånsflöde på 1 kg TS/min.
Materialflöde enligt tabellerna 4-6 motsvarar inte alltid 1 kg TS/min och 2 kg TS/min då
inmatningsskruven står på 13 Hz respektive 26 Hz. Tabellerna visar lägre
materialflöden än vad som planerades, främst vid höga fukthalter på sågspånet in i
torken. När den ingående fukthalten på sågspånet är runt 20 procent är dock
materialflödet kring 1 kg TS/min vid 13 Hz men 1,8 kg TS/min för 26 Hz. Om
inmatningsfrekvensen stod på 27-28 Hz skulle materialflödet antagligen hamna på 2 kg
TS/min då det är ca 20 procents fukthalt in hos sågspånet. Orsaken är att
inmatningsskruven transporterar in sågspånet med hänsyn till volymen. När sågspånet
har en högre fukthalt sväller det upp och får en mindre TS-halt men med samma volym.
Anmärkningar som förstärker detta gjordes vid torkning av till exempel färskt sågspån
som utfördes från 50 procents fukthalt. Tiden för torkningen gick snabbare och snabbare
då fukthalten minskade vilket inte bara kan ha påverkats av de få mängder sågspån som
togs ut som prover. Observationer gjordes även att vid högre fukthalter på sågspånet in i
PD-KaU är materialflödet mer oregelbundet då det klumpade ihop sig under tiden
materialflödet mättes.
Högsta SMER enligt figur 8 är då lufthastigheten är 8 m/s vid en inmatningsfrekvens på
13 Hz. Detta tyder på att vid lägre hastighet finns det mer fukt att torka hos sågspånet i
förhållande till den satsade effekten. Det kan bero på att fukten som lämnar ytan på
sågspånet inte försvinner tillräckligt snabbt vilket försvårar torkningen. För enligt
Mujumdar och Menon (1995) transporteras fukten bort med luftflödet. Vid högre
lufthastigheter hinner dock inte fukten diffundera inifrån sågspånet till dess yta i
tillräckligt hög takt för att SMER ska hållas lika högt som vid 8 m/s. En annan orsak
20
kan vara att sågspånet transporteras för snabbt i torkröret vilket minskar uppehållstiden
och att maximal torkning inte kan ske.
Figur 8 visar tendenser till att färskt sågspån får lägst SMER. Orsaken kan ligga i teorin
om hysteres som Mujumdar och Menon (1995) nämner. Det färska sågspånet har porer
och kapillärer som är intakta och som är fyllda med vatten. I det pressade sågspånet har
strukturen hos kapillärerna och porerna antagligen blivit förändrade vilket blottar mer
vatten som lättare kan förångas som därmed slipper diffundera. Enligt Paper Province
(2015) är sågspånet mjukare efter pressen. Detta tyder på att strukturen på sågspånet är
förändrat. I fallet vid återfuktat sågspån kan det vara så att hela poren inte fyllts med
vatten innan torkningen och därmed sker torkningen lättare. Dock måste hänsyn tas till
att det relativa felet för SMER är 18 procent vilket inte kan försäkra att SMER är lägre
för färskt sågspån. Enligt figur 9 finns dessutom inte samma tydlighet att SMER är lägre
för färskt sågspån. Fler körningar för det pressade och färska sågspånet borde ha
genomförts för tillförlitligare resultat. Efter fler körningar och om det fortfarande visar
sig att det färska spånet har lägre SMER än till exempel det pressade kan det vara
intressant att studera vidare kring om det är mer energieffektivt att förbehandla
sågspånet i en press än att enbart torka färskt sågspån.
Det högsta SMER vid en inmatningsfrekvens på 26 Hz är vid lufthastigheten 12 m/s
enligt figur 9. Här är en högre lufthastighet mer effektiv än en lägre och det beror på att
materialflödet är högre och därmed massflödet fukt. Högre SMER hindras inte av
minskad vätska som ska diffundera till sågspånets yta utan vid lägre lufthastigheter är
problemet att fukten måste bort från sågspånets omgivning för att kunna avge mer fukt.
Från figurerna 10 och 11 kan SPC avläsas då inmatningsskruvens frekvens står på 13
Hz respektive 26 Hz. Här blir SPC lägre med sjunkande lufthastigheter vilket inte är
konstigt då fläkten jobbar mindre med lägre lufthastigheter vilket uppmärksammades
under torkkörningarna med avläsningar på fläkten. Detta leder till att den elektriska
strömmen i ekvation (10) blir lägre med sjunkande lufthastighet. Denna ekvation sätts
sedan in i ekvation (13) tillsammans med att materialflödet inte ändras för de olika
lufthastigheterna.
Vid högre torkningstemperaturer blir SPC lägre (Gustafsson 2013). Det är svårt att
bekräfta detta antagande då arbetet som Gustafsson gjorde inte hade exakt samma
lufthastigheter som i detta arbete plus att hans lufthastigheter varierade för
temperaturerna där SPC jämfördes samt att materialflödet i TS inte var lika. Men det
kan finnas en annan logisk förklaring till lägre SPC med högre temperatur. Vid högre
temperaturer blir luftens densitet lägre vilket i sin tur leder till mindre motstånd för
fläkten då varm luft stiger. Med tanke på att luftutblåset sitter ett antal meter upp kan
det ge utslag vid beräkningar av SPC. Enligt den standardekvation som används till
fläktar är det tryckskillnaden för att övervinna motstånd i röret som kan ändras då
lufthastigheterna är konstanta och då även volymflödena. Tryckskillnaden minskar då
den utgående temperaturen på luften ökar då densiteten samtidigt blir lägre. Densiteten
på luften ut från torken blir då lägre och lägre med en ökad torkningstemperatur medan
densiteten in i fläkten är konstant runt 20 °C. Detta bör leda till att med högre
temperatur på luften blir motståndet i röret mindre. Enligt Gustafssons (2013)
beräkningar har samma dynamiska tryckdifferens använts till 80, 100 samt 120 °C i
ekvation (2). Här är lufthastigheten störst vid just 120 °C vilket förstärker
resonemanget.
21
Regressionsmodellen som utgår från ekvation (14) fungerar med hög precision då
fukthalten på sågspånet in i PD-KaU är runt 20 procent. Då fukthalten är högre, upp till
50 procent enligt ekvation (15) uppstår avvikelser på flera procentenheter vilket tabell 7
visar. Anledningen är att grundmodellen utgår från ett sågspånsflöde i TS som är mellan
1 och 1,8 kg TS/min vilket inte är fallet vid de högre fukthalterna. Det finns tillfällen då
TS-flödet är nästan hälften av det tänkta flödet vilket visas i tabell 4. Den här skillnaden
ska då korrigeringsekvationerna förebygga.
Enligt tabell 8 är den största avvikelsen, hos den utgående fukthalten hos sågspånet,
mellan uppmätt data från den praktiska torkningen och den korrigerade modellen 0,8
procentenheter vilket kan jämföras med Andrésens (2014) modell som låg 4 procent
ifrån som mest. Avvikelsen på 0,8 procentenheter känns rimlig då insamlade fukthalter
innan och efter torkning vid beräkning av medelfukthalten varierade med ca ± 0,5
procentenheter då fukthalten in var hög. Att då försöka korrigera modellen ännu mer ger
inte någon större noggrannhet och kan i värsta fall göra den sämre.
Anledningen till att modellen inte innehåller en massa ekvationer utan enbart utgår från
resultatet av torkningen är att göra en enkel modell som inte behöver tillgång till
Excelfilen. Modellen utgår från ekvationerna som visas i figur 12 som sattes ihop till en
ekvation. Det som behövs är fukthalten in, vilket materialflöde som önskas samt vilken
lufthastighet som ställs in på torken. Ekvationerna som data matas in i är dock
begränsade för en lufthastighet mellan 6 m/s och 14 m/s och att frekvensen är mellan 13
Hz och 26 Hz vilket inte kan förbigås. Modellen är ett bra verktyg för att kunna planera
vilka körningar som ska göras vid en temperatur på 150 °C. Observera att data för
torkning vid högre startfukthalt än 20 procent är begränsad. Detta innebär att modellen
enbart är korrigerad för lufthastigheterna 8 och 12 m/s samt då materialflödena är
inställda på 13 och 26 Hz. Resultatet av korrigeringsekvationerna visas i figur 13.
Denna figur visar hur bra modellen stämmer överens med uppmätt data. För att få en
modell för övriga inställningar vid torkning behöver det göras fler körningar då
startfukthalten är hög vilket skulle kunna ge en enda ekvation.
Utifrån ett hållbarhetsperspektiv är en kombination av SPC och SMER bra att beakta
samt vad lufthastigheten i torken är. En högre lufthastighet innebär en lägre uppehållstid
i torken vilket minskar utsläppet av terpener (Berghel et al. 2011). Detta minskar
bildandet av marknära ozon som är kopplat till terpenutsläppet (Wimmerstedt 1995).
Samtidigt blir då SPC högre vilket inte är bra för energibesparning och därmed klimatet.
Desto mindre energi som går åt vid torkning av sågspån desto mindre energi behöver
användas som inte kommer från koldioxidneutral energi. Vid torkning av sågspån då
frekvensen på inmatningsskruven är 13 Hz är det högsta SMER vid lufthastigheten 8
m/s och lägsta SPC vid 6 m/s enligt figur 8 och 10. För att komma fram till vilken
lufthastighet som är mest lämplig används uppehållstiden som en tredje faktor. Detta
leder till att torkning av sågspån med materialflödet inställt på 13 Hz ska ha en
lufthastighet på 8 m/s.
Då inmatningsskruven är inställd på 26 Hz är det högsta SMER vid lufthastigheten 12
m/s och det lägsta SPC är vid 6 m/s. Med uppehållstiden som en tredje faktor bör
lufthastigheten vara inställd på 10 m/s då materialflödet är inställt på 26 Hz. Observera
att en sådan här jämförelse rankar SMER, SPC och uppehållstid som lika stora faktorer.
En vidare studie där respektive faktor vägs mot varandra om hur de påverkar den
slutliga lufthastigheten kan vara en ingång för ett annat arbete.
22
Under de praktiska mätningarna som gjordes på torken finns det faktorer som med
fördel kan tänkas på till nästa gång mätningar görs. Flödesmätaren som sitter på torken
kan mäta fel lufthastighet på grund av att skräp sätter sig på mätaren. En annan orsak till
felmätningar kan vara att mätaren inte sitter rakt mot luftflödet utan att den har blivit
vriden då den kopplades på torken. Detta leder till att flödesmätaren underskattar
lufthastigheten. Vid öppning och stängning av spjället som sitter i slutet av torken för att
göra massflödesmätningar av sågspån uppkom ett ojämnt massflöde. För att mäta
massflödena mer noggrant kan mätningarna göras en tid efter att spjället öppnas samt
avslutas lite innan spjället stängs. Antaganden som att lufttemperaturen in i torken var
konstant kring 20 °C visade sig vara ett rimligt antagande då lufttemperaturen som mest
varierade med ca ± 1 °C. Detta förenklar uträkningarna då parametrar som till exempel
luftens densitet in i torken blir konstant. Vid varje körning togs det 5-6 prover på
sågspånet för att räkna ut fukthalten vilket kan ses som många prover. Ett mindre antal
prover rekommenderas inte. Den uträknade fukthalten på proverna kunde variera upp
till en procentenhet. Med 5-6 prover kan då ett säkrare medelvärde räknas ut.
23
5. SLUTSATS

Flödesmätaren på torken mäter lägre lufthastighet i torken än vad den faktiska
hastigheten är.

För att sågspånet ska komma ned till 10 procents fukthalt då startfukthalten är 20
procent ska lufttemperaturen ligga på 150 °C, lufthastighet på 12-14 m/s och
materialflödet ska vara 1 kg TS/min.

En jämförelse mellan färskt, uppfuktat och pressat sågspån ger inga tecken på att
SPC är lägre eller högre för någon specifik sågspånssort. Tendenser finns dock
att SMER är lägre för färskt sågspån.

Regressionsmodellen beräknar utgående fukthalt hos sågspånet med största
skillnaden på 0,8 procentenheter från uppmätt data då korrigeringsekvationer
används, vid en torkningstemperatur på 150 °C.
24
6. REFERENSER
Andrésen, A. (2014). Att förutsäga temperatur, utgående fukthalt och tryckfall i en
pneumatisk transporttork. Karlstad: Institutionen för ingenjörs- och kemivetenskaper:
Karlstads Universitet.
Benjaminsson, G., Benjaminsson, J. & Bengtsson, N. (2013). Decentraliserad Produktion av
Pyrolysolja för Transport till Storskaliga Kraftvärmeverk och Förgasningsanläggningar.
2015-02-20. Tillgänglig: http://gasefuels.se/media/rapporter.
Berghel, J. (2004). Improved Fluidized Bed Drying Technology for Wood Fuels. Karlstad:
Karlstad University Studies.
Berghel, J., Frodeson, S., Granström, K., Renström, R. & Ståhl, M. (2011). Kartläggning och
Nulägesbeskrivning av Pelletskedjan. (23).
Cengel, Y.A. & Boles, M.A. (2011). Thermodynamics - An Engineering Approach. (7 uppl.).
New York: Mc Graw Hill.
Cengel, Y.A. & Ghajar, A.J. (2011). Heat and Mass Transfer - Fundamentals and
Applications. (4 uppl.). New York: Mc Graw Hill.
Frodeson, S., Berghel, J. & Renström, R. (2013). The potential of using two-step drying
techniques for improving energy efficiency and increasing drying capacity in fuel pellet
industries. Drying Technology: An International Journal, 31 (15), P. 1863-1870.
Granström, K. (2009). Kolväten från träbränsleindustrin - Sågverk, trätorkar och
pelletspressar. Avdelningen för Energi-, Miljö- och Byggteknik: Karlstads Universitet.
Gustafsson, M. (2013). Utvärdering av prestanda för en pneumatisk tork. (Kandidatuppsats)
Karlstad: Institutionen för ingenjörs- och kemivetenskaper: Karlstads Universitet.
Ingelstam, E., Rönngren, R. & Sjöberg, S. (1986). Handbok för teknisk fysik, fysik och
matematik. Helsingborg: Sjöbergs förlag.
Mujumdar, A.S. & Menon, A.S. (1995). Drying of Solids: Principles, Classification, and
Selection of Dryers. I Mujumdar, A.S. (red.) Handbook of Industrial Drying Vol 1. (2
uppl.). New york: Marcel Dekker, Inc, P. 1-22.
Pakowski, Z. & Mujumdar, A.S. (1995). Basic Process Calculations in Drying. I Mujumdar,
A.S. (red.) Handbook of Industrial Drying Vol 1. (2 uppl.). New York: Marcel Dekker,
Inc, P. 72-73.
Paper Province (2015). Sekundsnabb flisavvattning spar enorma mängder energi. 2015-05-20.
Tillgänglig: http://paperprovince.com/news_type/sekundsnabb-flisavvattning-sparenergi/.
Renström, R. & Berghel, J. (2014). Experimental Results from Drying Sawdust Below the
Fiber Saturation Point Using a Vertical Pneumatic Dryer. I Andrieu, J., Peczalski, R. &
Vessot, S. (red.) The 19th International Drying Symposium. Lyon, France.
25
Svenska Trädbränsleföreningen (2013). Fakta miljö och trädbränslesortiment. 2015-05-15.
Tillgänglig: http://www.tradbransle.se/fakta_miljo_1.asp.
Wimmerstedt, R. (1995). Drying of Peat and Biofuels. I Mujumdar, A.S. (red.) Handbook of
Industrial Drying. Vol 2. (2 uppl.). New York: Marcel Dekker, Inc, P. 809-820.
26