Modeling the physical processes relevant during hot pressing of wood-based composites. Part I. Heat and mass transfer

A three-dimensional model based on fundamental principles to simulate heat and mass transfer and mat densification during batch or continuous hot pressing of wood-based composites is presented in this pair of papers. The present paper gives a comprehensive description and mathematical formulation of the relevant heat and mass transfer mechanisms, which are water vapor and air transfer by gas convection and molecular gas diffusion, conductive and convective heat transfer, including sorptive effects. The heat and mass transfer model consists of a set of constitutive flux equations that are coupled by local energy and mass balances. Material property data used as input parameters for the model are provided for medium density fibreboard (MDF). These properties are highly dependent on one or more of the internal mat conditions, being temperature, moisture content and density. The determination of mat permeability, obstruction factor for molecular diffusion, and thermal conductivity was part of the project described here, while the specific heat, heat of sorption, and hygroscopicity data were taken from the literature. In addition, physical property data for the water vapor-air mixture are listed. The model may be used as a tool to optimize the manufacture of existing natural fiber composites, to aid in the development of new products and technology for their production, and for training purposes. ZusammenfassungIn den beiden vorliegenden Artikeln wird ein drei-dimensionales Modell zur Simulation der Wärme- und Stofftransportvorgänge sowie der Materialverdichtung beim Verpressen von Holzwerkstoffen in Takt- oder Doppelbandpressen beschrieben. Der erste Artikel beinhaltet dabei die umfassende Beschreibung und mathematische Formulierung der relevanten Wärme- und Stofftransportvorgänge, das heisst Konvektion des Wasserdampf-Luft-Gemisches, Gasdiffusion der einzelnen Komponenten, sowie konduktiver und konvektiver Wärmetransport unter Einbeziehung von Sorptionsvorgängen. Das Wärme- und Stofftransportmodell besteht aus einem System von Grundgleichungen, die durch lokale Energie- und Massengleichgewichte gekoppelt sind.Für eine Mitteldichte Faserplatte (MDF) werden Werte für Materialeigenschaften präsentiert, die als Modelleingangsdaten dienen. Die Eigenschaften sind dabei stark abhängig von einem oder mehreren Zustandsparametern des Faservlieses, wie Temperatur, Feuchte oder Dichte. Die Bestimmung der Mattenpermeabilität, der Diffusionswiderstandszahl und der Wärmeleitfähigkeit waren Teil des hier beschriebenen Projektes, während Daten für die Spezifische Wärme, Sorptionswärme und Ausgleichsfeuchte der Literatur entnommen sind. Ausserdem werden Werte für die physikalischen Eigenschaften des Wasserdampf-Luft-Gemisches präsentiert.Das hier beschriebene Modell lässt sich als Werkzeug zur Prozessoptimierung zur Produkt- und Verfahrensentwicklung sowie für Schulungszwecke einsetzen.

[1]  A. J. Bolton,et al.  The Permeability of Wood-Based Composite Materials. Part 1. A Review of the Literature and some Unpublished Work , 1994 .

[2]  P. E. Humphrey.  The Hot Pressing of Dry-formed Wood-based Composites. Part II. A Simulation Model for Heat and Moisture Transfer, and Typical Results , 1989 .

[3]  J. Giddings,et al.  NEW METHOD FOR PREDICTION OF BINARY GAS-PHASE DIFFUSION COEFFICIENTS , 1966 .

[4]  C. Skaar.  Water in wood , 1972 .

[5]  P. García.  Three-dimensional heat and mass transfer during oriented strandboard hot-pressing , 2002 .

[6]  Carlos A. V. Costa,et al.  MODELING AND SIMULATION OF THE HOT-PRESSING PROCESS IN THE PRODUCTION OF MEDIUM DENSITY FIBERBOARD (MDF) , 1998 .

[7]  Edward L Cussler,et al.  Diffusion: Mass Transfer in Fluid Systems , 1984 .

[8]  C. Costa,et al.  A global model for the hot-pressing of MDF , 2003, Wood Science and Technology.

[9]  C. Dai,et al.  Heat and Mass Transfer in Wood Composite Panels During Hot-Pressing: Part I. A Physical-Mathematical Model , 2007 .

[10]  Ming Shao.  Thermal properties of wood fiber networks , 1989 .

[11]  Günter Kühlmann.  Untersuchung der thermischen Eigenschaften von Holz und Spanplatten in Abhängigkeit von Feuchtigkeit und Temperatur im hygroskopischen Bereich , 1962, Holz als Roh- und Werkstoff.

[12]  Mario A. Storti,et al.  Hot-pressing process modeling for medium density fiberboard (MDF) , 2000, ArXiv.

[13]  Otto Krischer,et al.  Die wissenschaftlichen Grundlagen der Trocknungstechnik , 1956 .

[14]  T. Maku,et al.  Studies on the Particle Board : Report 4; Temperature and Moisture Distribution in Particle Board during Hot-pressing , 1959 .

[15]  P. Perré,et al.  Detailed study of a model of heat and mass transfer during convective drying of porous media , 1988 .

[16]  H. Thoemen,et al.  Modeling the Continuous Pressing Process for Wood-Based Composites , 2007 .

[17]  R. Keylwerth.  Praktische Untersuchungen zum Holzfeuchtigkeits-Gleichgewicht , 1969, Holz als Roh- und Werkstoff.

[18]  J. Gefahrt.  Zur Spänevorwärmung mit Hochfrequenzenergie—Modell zur Berechnung des Temperaturverlaufes in Vliesmitte bei der Heißpressung , 1977, Holz als Roh- und Werkstoff.

[19]  Clovis R. Haselein.  Numerical simulation of pressing wood-fiber composites , 1998 .

[20]  Schierhaum.  Krischer, O., und K. Krö: Trocknungstechnik. I. Band: Krischer, O.:Die wissenschaftlichen Grundlagen der Trock- nungstechnik. 2., erweiterte Auflage. Springer-Verlag, Berlin, Gottingen, Heidelberg 1963. Abbildungen und 4 Tafeln. XXIV, 491 Seiten (Gr.-8°. Preis: Ganzleinen DM 69.60 , 1964 .

[21]  Heiko Thomen,et al.  Modeling the physical processes in natural fiber composites during batch and continuous pressing , 2000 .

[22]  F. Engelhardt.  Untersuchungen über die Wasserdampfsorption durch Buchenholz im Temperaturbereich von 110 bis 170°C , 1979, Holz als Roh- und Werkstoff.

[23]  C. Heinemann.  Charakterisierung der Aushärtung von Aminoharzen in einer Holzpartikelmatrix durch Evaluierung von Festigkeiten und Reaktionskinetik , 2004 .

[24]  C. Dai,et al.  AN OBJECT-ORIENTED FINITE ELEMENT PROCESSING MODEL FOR ORIENTED STRAND BOARD WOOD COMPOSITES , 1999 .

[25]  L. Weichert.  Untersuchungen über das Sorption- und Quellungsverhalten von Fichte, Buche und Buchen-Preßvollholz bei Temperaturen zwischen 20° und 100°C , 1963, Holz als Roh- und Werkstoff.

[26]  Heiko Thoemen,et al.  Modeling the physical processes relevant during hot pressing of wood-based composites. Part II. Rheology , 2006, Holz als Roh- und Werkstoff.