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Lacktrocknungsvorgänge auf dreidimensionalen Geometrien - Simulation und Experiment -

Brinckmann, Felix :
Lacktrocknungsvorgänge auf dreidimensionalen Geometrien - Simulation und Experiment -.
tuprints, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Lacktrocknungsvorgänge auf dreidimensionalen Geometrien - Simulation und Experiment -
Language: German
Abstract:

Trocknungsprozesse im industriellen Maßstab sind sehr energieaufwändig und bieten daher ein entsprechendes Energieeinsparpotential. Große Anteile der eingesetzten Energie werden benötigt, um in den Lacken enthaltene Dispersions- und Lösemittel zu verdunsten. Zur Ausschöpfung der Möglichkeiten der Energieeinsparung ist die Vorhersage von Trocknungsprozessen in Form von Simulationen bei der Auslegung neuer Anlagen sowie zur Optimierung bestehender Trocknungsanlagen unbedingt notwendig. Trocknungssimulationen können weiterhin in einer "`Digitalen Fabrik"' verwendet werden, um im Produktentwicklungsprozess frühzeitig Engpässe bezüglich des lackiergerechten Designs von Bauteilen zu erkennen. Zur Qualitätssicherung ist es außerdem wünschenswert, die Auswirkungen von Änderungen an der Trocknungsanlage oder Bauteilen auf den Trocknung vorherzusagen. Zur Vorhersage der Trocknung von wasserbasierten Lackschichten wird in dieser Arbeit ein theoretisches Berechnungsmodell vorgeschlagen. Bei der Modellierung der Trocknung wird eine Dispersionstrocknung angenommen. Das Trocknungsmodell berechnet den Stofftransport eines ternären Modelllacksystems eindimensional, senkrecht zur freien Lackoberfläche. Der Wärmestrom in die Lackschicht sowie die Verdampfungsenthalpien der Dispersionsmittel werden berücksichtigt. Um die Trocknung von Lackschichten auf dreidimensionalen Oberflächengeometrien auch unter komplexen Strömungsbedingungen vorhersagen zu können, wird das Trocknungsmodell über benutzerdefinierte Schnittstellen an den kommerziellen CFD-Solver FLUENT angebunden. Ferner wird in dieser Arbeit ein Laborversuchsstand vorgestellt, in dem die Trocknung einer wasserbasierten Lackschicht auf einem Probeblech unter definierten Randbedingungen charakterisiert werden kann. Während der Trocknung werden Masse und Temperatur des Probeblechs sowie der Anteil des organischen Lösemittels in der Abluft erfasst. Umfangreiche experimentelle Messungen bei unterschiedlichen Strömungsbedingungen sowie Trocknungsparameterstudien bezüglich Lufttemperatur, Luftgeschwindigkeit und Luftfeuchtigkeit wurden an dem Versuchsstand vorgenommen. Zur Verifikation des Trocknungsmodells wurden die durchgeführten Experimente simulativ nachgestellt. Eine sehr gute Übereinstimmung von Experiment und Simulation konnte nachgewiesen werden. Zur Demonstration der Funktionsweise des Trocknungsmodells wurden exemplarisch anwendungsnahe Problemstellungen betrachtet. So wurde exemplarisch die Trocknung auf einer Karosserie in einem generischen Durchlauftrockner sowie einer lackierten Flugzeugaußenhaut in einer Halle simuliert. Außerdem wurde das Trocknungsmodell so erweitert, dass die Trocknung von kontinuierlich bewegten Gütern in einem Förderbandtrockner berechnet werden konnte.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Industrial scaled drying processes are strongly energy consuming and offer therefore a large energy saving potential. A considerable part of the energy is needed to evaporate dispersants and solvents contained in paint films. To realize the potential of energy savings, the prediction of drying processes in the design of new facilities and the optimization of existing drying plants is essential. In a "'digital factory"' drying simlations can be used to identify possible bottlenecks concerning the drying during early steps of the design process. To assure quality, it is also desirable to predict the impact of changes to the drying facilities on the drying process. In this study, a laboratory test stand is presented to characterize the drying process of a water-based paint layer on a test sample in defined drying conditions. During the drying process, mass and temperature of the test sample and the concentration of organic solvent in the exhaust air is measured. Extensive experimental measurements in different flow conditions and parameter studies on drying air temperature, air speed and humidity were carried out. To predict the drying of water-based paint layers, a calculation model based on physical properties is proposed. Assuming a dispersive drying process, the model calculates a one-dimensional mass transfer of a ternary model paint system perpendicular to the free coating surface. The heat flow into the paint layer and the evaporation of the dispersants is also considered. To predetermine the drying process of coatings on three-dimensionally shaped geometries under complex flow conditions, the drying model was implemented to the commercial CFD solver FLUENT using user defined functions. The drying model was verified by comparing the simulation results with experiments. A very good agreement between experiment and simulation was proved. To demonstrate the operation of the drying model, application-related problems were considered exemplarily. The drying process of a painted car body in a generic continuous dryer and of a coated outer skin of aircraft in a hangar was simulated. Furthermore, the model was extended to calculate a drying process of continuously moving goods in a conveyor dryer.English
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: tuprints
Uncontrolled Keywords: Trocknung Wasserbasislack, Lacktrocknung, Konvektionstrockner, Konvektionstrockner für Karosserien, Trocknung von Flugzeugen, Bandtrockner
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
water based paint drying, thin film drying, convective paint dryer, convective car body dryer, air plane drying, continuous belt dryerEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Fachbereich Maschinenbau > Technische Thermodynamik
Date Deposited: 22 Nov 2011 08:02
Last Modified: 07 Dec 2012 12:01
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-27988
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Stephan, Prof. Dr.- Peter and Dörsam, Prof. Dr.- Edgar
Refereed: 19 October 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2798
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