Prototypenentwicklung eines solaren Trockners für holzartige Biomasse

Abstract

Eine energieeffiziente Verbrennung von Holz ist grundsätzlich nur möglich, wenn die Biomasse einen adäquat niedrigen Wassergehalt aufweist. Zur Aufbereitung der standorteigenen Biomasse aus Obstbaumplantagen wurde an der Universität Bonn ein indirekter solarer Satztrockner mit einem Fassungsvermögen von 50 m³ und elektrischer Luftförderung entwickelt. Ziel der vorliegenden wissenschaftlichen Arbeit ist es, die durchgeführten Versuche, die praktische Konstruktionsarbeit am Trockner, dessen Test und die daraus gewonnenen Erkenntnisse zu dokumentieren und auszuwerten.<br /> Die Grundkonstruktion besteht aus einem zylindrischen Trockengutbehälter mit einer Höhe von 5,13 m und einem Durchmesser von 3,58 m, dessen äuÿere Oberfläche zu einem Solarkollektor umfunktioniert wurde.<br /> Der Trockner wurde über einen Zeitraum von acht Wochen getestet, in denen die Trocknungsluft kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit von 0,06 m s^-1 durch die Hackgutschüttung gefördert wurde. Die Nennleistung des Ventilators von 4 kW wurde dabei lediglich zu etwa einem Achtel genutzt.<br /> In der Versuchszeit wurden Hackschnitzel der Gröÿenklasse P16 (DIN EN 14961-4:2011-9) mit einem Anfangswassergehalt von 40,25% auf 11,73% getrocknet. Obwohl die Schütthöhe 5 m betrug, konnten zum Zeitpunkt des Gutaustrags keine nassen Zonen bzw. Schimmelbildung festgestellt werden.<br /> Durch die Aufzeichnung von Temperaturwerten in der Schüttung und im Solarkollektor konnte zudem dessen Funktionsfähigkeit nachgewiesen werden. Der maximale Temperaturhub lag hier bei 6,8 K und im Durchschnitt bei 1,18 K.<br /> Während des Trocknungsvorgangs kam es zu keinerlei technischen Ausfällen des Systems, jedoch versagte die Entnahmeeinrichtung zum Zeitpunkt der Hackgutausfuhr. Der Grund hierfür liegt in einem zu leistungsschwachen Elektromotor, der nicht fähig ist, das Rührwerk im Innern des Trockengutbehälters zu rotieren.<br /> Nach der Testphase am Campus Klein-Altendorf wurde ein Feldversuch in Nepal durchgeführt, für den ein weiterer Trockner nach dem gleichen Funktionsprinzip konstruiert und getestet wurde. Das Aufgabegut bestand hierbei aus kleineren Hartholzästen und -zweigen, deren Wassergehalt innerhalb von fünf Betriebswochen von 59,12% auf 16,23% gesenkt werden konnte. Die Trocknung des Bambus im zweiten Versuch erstreckte sich über einen Zeitraum von vier Wochen. Der Wassergehalt wurde von 50,43% auf 18,30% reduziert. Auch dieser Prototyp erwies sich als verlässlich und robust. So kam es zu keinerlei Ausfällen, jedoch musste die Kollektorfolie in regelmäÿigen Abständen kontrolliert und gegebenenfalls ausgebessert werden.<br /> Die gewonnenen Erkenntnisse werden zurWeiterentwicklung des Solartrockners genutzt. Ferner ist dessen Einsatz im Rahmen der Entwicklungszusammenarbeit mit Fokus auf der Trocknung höherwertiger Güter wie Kaffeebohnen, Reis, Mais, usw. angestrebt.

<strong>Prototype Development of a Solar Dryer for Wooden Biomass</strong><br /> In general, an energy efficient combustion of wood can only be achieved if the biomass' water content is adequately low. At the University of Bonn an indirect packed-bed solar dryer with a holding capacity of 50 m³ and electric air ventilation was developed for processing the biomass produced in its own fruit plantations. This thesis aims to document and evaluate the preliminary research, practical construction work on the solar dryer, its testing procedure and the test results.<br /> The basic construction consists of a cylindrical container for the drying material with a height of 5.13 m and 3.58 m in diameter. Its surface was modified into a solar collector.<br /> The dryer was tested over a period of eight weeks in which the drying air was continually transported through the wood chips with a velocity of 0.06 m s^-1. In the process, only one eighth of the fan's actual power output of 4 kW was utilised.<br /> The drying material consisted of P16 wood chips (DIN EN 14961-4:2011-9) with an initial water content (wet basis) of 40.25%. The water content was reduced to a final value of 11.73 ± 0.30% whereas no wet patches or mould formations were identified.<br /> Temperature recordings inside the bulk and the solar collector proved its functionality. The average temperature inside the collector was 1.18 K higher than the ambience. The maximum temperature rise was recorded as 6.8 K.<br /> During the test run no technical failures occurred. Though, at the time of unloading the charging material the hauling system failed due to underpowered electric motor and transmission.<br /> Following the project at the University of Bonn, a field test was conducted in Nepal where another solar dryer was constructed after the same principle of operation and tested subsequently. In the first test run, the charging material consisted of smaller hardwood branches and twigs whose water content was reduced from 59.12% to 16.23% within five weeks. During the second test run the water content of bamboo was reduced from 50.43% to 18.30% in four weeks. Likewise, this prototype proved to be a reliable and robust system. Although no failures occurred the collector cover had to be maintained and repaired during the drying process.<br /> The results and findings gained from this research project will be utilised to improve and enhance the solar dryer. Furthermore, its application in the field of development cooperations with a focus on goods of a superior value such as coffee beans, rice, maize, etc. is pursued.