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Simulation zur Optimierung von Trocknungsprozessen
In der Nahrungsmittelindustrie kommen viele Trockenprodukte zum Einsatz. Hergestellt werden diese, indem Rohsubstanzen mittels Wärme getrocknet werden. Je nach Substanz kann die Trocknung aber fehlschlagen, wenn sie unter Einsatz von zu viel Hitze erfolgt, da dann der Diffusionskoeffizient einbricht. Wie drastisch dieser Effekt ist und wie optimal getrocknet werden kann, wurde im Rahmen dieser Masterarbeit untersucht.
Der «Chicken-Effekt»
Beim Grillieren und in der Küche macht man sich einen Effekt zunutze, der beim Trocknen von Substanzen eine Herausforderung darstellt: Wird ein Hühnchen zuerst heiss angebraten, bildet sich eine knusprige Hülle, während das Innere des Fleisches saftig bleibt. Zurückzuführen ist dies auf das rasche Verschliessen der Poren. Die Feuchtigkeit, sich im Innern befindet, kann nicht entweichen. Bei der industriellen Trocknung wird jedoch das Umgekehrte angestrebt. Der Lösungsmittelgehalt eines feuchten Körpers soll sich kontinuierlich verringern. Die beiden treibenden Kräfte für die Migration eines Lösungsmittels an die Grenzflächen einer Feststoffstruktur sind die durch Wärme ausgelöste Bewegung und das Konzentrationsgefälle der Feuchtigkeit.
Bewegung von Molekülen berechnen
Der Moment, in welchem der Diffusionskoeffizient unumkehrbar abnimmt, unterscheidet sich je nach Material. Das Ziel der am Institut für Energiesysteme und Fluid-Engineering (IEFE) erstellten Masterarbeit war es, ein Modell zu entwickeln, das es später ermöglicht, diesen Vorgang für unterschiedliche Materialien zu simulieren. Verwendet wurde dafür mit der «random walk simulation» ein mathematisches Verfahren, das die zufällige Bewegung von Teilchen in einer bestimmten Lösung modellhaft zu fassen vermag. Implementiert wurde dieses am Beispiel von Wassermolekülen in Kochsalz. Anhand einer grossen Anzahl von numerischen Experimenten wurde eine Prognose über das Verhalten der Wassermoleküle im Innern des Kochsalzes erstellt. Dafür mussten deren Eigenschaften und die Energieniveaus der Beharrungs- und der Übergangszustände in der räumlichen Struktur einer Matrix beschrieben werden. Mit einer statistischen Auswertung aller Molekülwanderungen liess sich dann auf einen approximativen Diffusionskoeffizienten schliessen, der in Relation zum Feuchtigkeitsgehalt im Kochsalz steht.
Eine selbst programmierte random walk Applikation
Ein Grossteil der Arbeit bestand darin, das Verfahren der «random walk simulation» auf die bearbeitete Fragestellung anzupassen und die dazu benötigten Berechnungen computertechnisch umzusetzen. Dieses komplizierte Unterfangen brachte mit sich, dass für die Simulation zahlreiche Parameter definiert und in ein ausführbares Programm eingebettet werden mussten. Nach mehreren Experimenten gelang es, eine Applikation zu entwickeln, die den Effekt der Veränderung des Feuchtigkeitsgehalts simulieren kann. Die Resultate zeigen eindeutig, dass der Trocknungsprozess bei mehr Wärme schnell einsetzt, jedoch stagniert, sobald der Diffusionskoeffizient abnimmt. Da dieser Vorgang nun modellhaft beschrieben ist, lassen sich aus den gewonnen Erkenntnissen Optimierungsansätze für industrielle Trocknungsverfahren ableiten.