Praxisbuch Horden- und Flächentrocknung [1. Aufl.] 9783662604328, 9783662604335

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Albert Heindl

Praxisbuch Hordenund Flächentrocknung

Praxisbuch Horden- und Flächentrocknung

Albert Heindl

Praxisbuch Horden- und Flächentrocknung

Albert Heindl Deining, Bayern, Deutschland

ISBN 978-3-662-60432-8 ISBN 978-3-662-60433-5  (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-662-60433-5 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detail­ lierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von allgemein beschreibenden Bezeichnungen, Marken, Unternehmensnamen etc. in diesem Werk bedeutet nicht, dass diese frei durch jedermann benutzt werden dürfen. Die Berechtigung zur Benutzung unterliegt, auch ohne gesonderten Hinweis hierzu, den Regeln des Markenrechts. Die Rechte des jeweiligen Zeicheninhabers sind zu beachten. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag, noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Springer Vieweg ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer-Verlag GmbH, DE und ist ein Teil von Springer Nature. Die Anschrift der Gesellschaft ist: Heidelberger Platz 3, 14197 Berlin, Germany

Vorwort

Dieses Buch befasst sich mit der Trocknung von Gütern in Horden- und Flächentrocknern. Das zu trocknende Material wird entweder in eine Horde eingeschüttet und darin getrocknet oder auf einer Fläche ausgebreitet. Die Wärmeübertragung beim Trocknungsprozess kann sowohl mit Warmluft bei Hordentrocknern für Gemüse als auch  durch Kontakt bei Vakuumgefriertrocknern für Kaffee oder Pharmazeutika erfolgen. In seltenen Fällen kann die Energie auch durch Strahlung übertragen werden. Das Buch wendet sich an Betriebsleiter von Warmluft- und Gefriertrocknungsfirmen von Lebensmitteln, an Studenten der thermischen Verfahrenstechnik, Lebensmittelverarbeitung und Landtechnik, an Betreiber von Holztrocknungsanlagen oder kommunalen Klärschlammtrocknungen. Landwirte, die sich mit der Trocknung ihrer Produkte befassen, mögen Hinweise zur Betriebsverbesserung gewinnen. Ingenieurbüros können  Anregungen für die Auslegung von Trocknungsanlagen finden. Konstrukteure können durch Beachtung von Hinweisen Fehler, welche in der Vergangenheit gemacht wurden, vermeiden. Ein besonderes Anliegen dieses Buches ist es, die Theorie der Trocknung mit der Praxis zu verbinden, weshalb immer wieder Praxisbezüge auch in den theoretischen Teil einfließen. Ferner soll der Interessierte durch praktische Rechnungen auch mit der Auslegung von Komponenten und der gesamten Trocknungsanlage vertraut gemacht werden. Der Verfasser geht auch auf Probleme und Fehler beim praktischen Betrieb der Trocknungsanlagen verschiedenster Güter ein und gibt Hinweise zur Lösung. Bisher unveröffentlichte Informationen werden in den Bereichen Trocknung und Nachtrocknung von Hopfen, Trocknung von Waldsamen, Kürbiskern- und Arzneipflanzentrocknung sowie Mikrowellentrocknung zugänglich gemacht. Dies geschieht im Hinblick auf die Weitergabe von Wissen an die nachfolgende Generation von Anwendern, Betreibern, Technikern und Ingenieuren. Deining im Oktober 2019

Albert Heindl

V

Danksagung

Meiner lieben Mutter Therese Heindl, geb. Bolling, in herzlicher Dankbarkeit gewidmet. Sie, die selbst in der schwierigen Zeit der dreißiger und vierziger Jahre des letzten Jahrhunderts nur eine achtjährige Volksschulbildung durchlaufen konnte, hat mich immer wohlwollend unterstützt und motiviert, auf dem Weg der Bildung weiter zu schreiten und mein Wissen zu mehren. Albert Heindl

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Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 Übersicht über Horden- und Flächentrockner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Anwendungsbereiche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.3 Bauformen von Hordentrocknern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.4 Bauformen von Flächentrocknern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.5 Trocknungsgüter und verwendete Trockner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.6 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2 Grundlagen der Trocknung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1 Massenbilanzen und Gaseigenschaften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1.1 Massenbilanz einer quasikontinuierlichen bzw. kontinuierlichen Trocknung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1.2 Massenbilanz einer absätzigen Trocknung . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.1.3 Gaseigenschaften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.1.4 Luftwechselzahl bei der Lagerung von Trocknungsgütern. . . . . 26 2.2 Konvektionstrocknung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2.1 Grundlagen der Konvektionstrocknung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2.2 Trocknungsverlauf und -abschnitte der Konvektionstrocknung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.2.3 Wärme- und Stoffübergang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.4 Darstellung im Mollier-Diagramm für feuchte Luft. . . . . . . . . . 44 2.2.5 Kondensation im Trocknungsluftsystem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.2.6 Einfluss von Trocknungsparametern und Guteigenschaften auf die Trocknungsgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 2.2.7 Arten der Luftführung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 2.2.8 Allgemeine Gleichung zur Ermittlung der Trocknungszeit für die Warmlufttrocknung nach Fabricius . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 2.2.9 Einflussfaktoren auf die Gleichmäßigkeit der Warmlufttrocknung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 IX

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2.2.10 Widerstand von Produktschüttungen bei der Durchströmungstrocknung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 2.3 Kontakttrocknung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 2.3.1 Grundlagen der Kontakttrocknung unter Atmosphärendruck. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 2.3.2 Wärmeübertragung durch Kontakt und Konvektion. . . . . . . . . . 105 2.4 Grundlagen der Trocknung unter Vakuum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 2.4.1 Vakuumkontakttrocknung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 2.4.2 Vakuumkonvektionstrocknung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 2.4.3 Vakuumgefriertrocknung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 2.5 Strahlungstrocknung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 2.5.1 Grundlagen der Strahlungstrocknung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 2.5.2 Grundlagen der Hochfrequenz- und Mikrowellenerwärmung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 2.5.3 Infrarottrocknung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 2.6 Grundlagen der Heissdampftrocknung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 2.6.1 Druckbereiche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 2.6.2 Temperaturverlauf. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 2.6.3 Darstellung von Heissdampftrocknungsprozessen im ­Vits-Diagramm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 2.6.4 Praktische Daten der Heissdampftrocknung. . . . . . . . . . . . . . . . 145 2.6.5 Vor- und Nachteile der Heissdampftrocknung. . . . . . . . . . . . . . . 147 2.7 Grundlagen der Solartrocknung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 2.7.1 Grundlagen der Solarstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 2.7.2 Solare Trocknung von Klärschlamm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 2.8 Berechnung eines Warmluft-Tunnelwagentrockners. . . . . . . . . . . . . . . . . 158 2.9 Gütegrad der Trocknung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 2.10 Strömungstechnische Gestaltung von Warmlufttrocknern. . . . . . . . . . . . . 161 2.10.1 Anordnung von Heizregistern und Ventilatoren . . . . . . . . . . . . . 162 2.10.2 Einbauverluste. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 2.10.3 Verteil- und Glättungsgitter zur Strömungsverbesserung. . . . . . 169 2.10.4 Strömungswiderstandsberechnungen an einem querbelüfteten Tunnelwagentrockner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 2.11 CFD – Computational Fluid Dynamics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 2.12 Grundlegende Berechnungen zur Abwärmenutzung aus Abgasen . . . . . . 174 2.13 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 3 Komponenten und Aufbau von Horden- und Flächentrocknern. . . . . . . . . . 185 3.1 Komponenten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 3.1.1 Warmluftheizregister von Konvektionstrocknern . . . . . . . . . . . . 185

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3.1.2

Ventilatoren für Horden- und Flächentrockner mit konvektiver Wärmeübertragung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 3.1.3 Vakuumpumpen und Kondensatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 3.2 Aufbau von Flächentrocknern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 3.2.1 Gleichmäßigkeit der Luftverteilung von Flächentrocknern. . . . . 218 3.2.2 Spezielle Varianten von Klein-Flächentrocknern . . . . . . . . . . . . 220 3.3 Aufbau von Hordentrocknern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 3.3.1 Horden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 3.3.2 Vakuumhordentrockner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 3.3.3 Mikrowellenhordentrockner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 3.4 Kontinuierliche Tellertrockner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 3.4.1 Atmosphärischer Tellertrockner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 3.4.2 Vakuumtellertrockner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 3.5 Abwärmenutzung und Wärmepumpe bei der Trocknung . . . . . . . . . . . . . 238 3.5.1 Grundlagen und Randbedingungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 3.5.2 Nutzung der Nachverdampfungswärme von kondensiertem Wasserdampf und von Abdampf. . . . . . . . . . . . . 252 3.5.3 Nutzung der Wärme von Abgasen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 3.5.4 Nutzung von Wärmepumpen in der Niedertemperaturtrocknung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 3.5.5 Abwärmenutzung bei Verbrennungsmotoren . . . . . . . . . . . . . . . 279 3.6 Nutzung von Abfallholz in der holzverarbeitenden Industrie – Verbrennung und Vergasung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 3.7 Nutzung der Trockner-Abluftwärme bei der Trocknung von Schnittholz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 3.8 Rekuperative Wärmerückgewinnung bei der Hordentrocknung von Malz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 3.9 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 4 Trockner in den verschiedenen Industriebereichen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 4.1 Wanderhordentrockner zur Niedertemperaturtrocknung von Waldsamen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 4.2 Wanderhordentrockner für geschnittenes Obst und Gemüse. . . . . . . . . . . 318 4.3 Tunnelwagentrockner in der Obst- und Gemüsetrocknungsindustrie. . . . 326 4.4 Gefriertrockner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 4.4.1 Gefriertrockner in der Lebensmittelindustrie . . . . . . . . . . . . . . . 331 4.4.2 Gefriertrockner in der pharmazeutischen Industrie. . . . . . . . . . . 343 4.5 Turbinentrockner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350 4.6 Tunnelwagentrockner und Großraumtrockner für Schnittholz . . . . . . . . . 358 4.7 Flächentrockner für Arznei- und Gewürzpflanzen – Kräuter, Wurzeln und Samen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382

XII

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4.7.1 4.7.2 4.7.3

Flächentrockner für Baldrianknollen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382 Flächentrockner für Kerne des Arzneikürbisses . . . . . . . . . . . . . 385 Allgemeine Ausführung und Betrieb von Flächentrocknern für Arznei- und Gewürzpflanzen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386 4.7.4 Solarer Gewächshaustrockner für Arznei- und Gewürzpflanzen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387 4.7.5 Dreietagentrockner für die Trocknung von ungeschnittenen Arzneipflanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391 4.8 Trocknung von Hopfen in landwirtschaftlichen Hordendarren. . . . . . . . . 393 4.9 Nachtrocknung von Hopfen in Kipphordentrocknern bei Hopfenverarbeitungswerken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407 4.10 Kipphordentrockner für Arznei- Gewürzpflanzen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415 4.11 Flächentrockner für Klärschlamm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416 4.12 Schubwendetrockner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432 4.13 Warmluft-Hordentrockner in der chemischen und pharmazeutischen Industrie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441 4.14 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444 5 Betriebspraxis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449 5.1 Wirtschaftlichkeit am Beispiel der solaren Trocknung von Klärschlamm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449 5.2 Trocknerregelung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451 5.2.1 Schnittholztrocknung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451 5.2.2 Hordentrocknung von Hopfen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455 5.2.3 Warmluft-Hordentrockner für Gemüse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457 5.2.4 Regelung von Dampf-Warmwasser-Wärmetauschern. . . . . . . . . 461 5.3 Be- und Entlüftung einer Trocknungshalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464 5.4 Korrosion bei Trocknungsanlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469 5.4.1 Kondensatbildung am Beispiel der Schnittholztrocknung. . . . . . 469 5.4.2 Einfluss von Staub in der Trocknungsluft. . . . . . . . . . . . . . . . . . 471 5.4.3 Lochfraßkorrosion an Wärmetauschern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472 5.4.4 Korrosionsgefahr bei der Anwendung eines ­AbgasLuftgemisches zur Warmlufttrocknung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473 5.5 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476 6 Rechtliche Grundlagen für das Betreiben einer Trocknungsanlage – Arbeitsschutz und Emissionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477 6.1 Betriebssicherheitsverordnung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477 6.2 Lärmemission. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483 6.3 Bundesimmissionsschutzverordnung BImSchV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484

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XIII

6.4

Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft TA Luft . . . . . . . . . . . . . 484 6.4.1 Schadstoffe in der Abluft von Trocknern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484 6.4.2 Abscheidung von Staub. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486 6.4.3 Abscheidung von gasförmigen Schad- und Geruchsstoffen. . . . 490 6.5 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507

7 Trocknung und Qualität. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511 7.1 Gemüsetrocknung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517 7.2 Schnittholztrocknung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523 7.3 Hopfentrocknung in Hopfendarren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533 7.4 Trocknung von Klärschlamm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535 7.4.1 Qualitätskriterien für die Mitverbrennung von getrocknetem Klärschlamm in Zementwerken . . . . . . . . . . . . . . 535 7.4.2 Verwertung von getrocknetem Klärschlamm als Dünger . . . . . . 536 7.5 Qualitätseinfluss von Aufbereitungsverfahren in der Lebensmittelindustrie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538 7.5.1 Obst und Gemüse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538 7.5.2 Arznei- und Gewürzpflanzen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541 7.6 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548 8 Forschungs- und Entwicklungsfelder der Zukunft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551 Anhang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 631 Stichwortverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635

Formelzeichen

Lateinisch klein a Anteil angefrorenem Wasser a Temperaturleitfähigkeit in m2/s aR Rindenanteil aS Aschegehalt b spezifische Flächenbeladung in kg/m2 b/µ Bewegungsbeiwert c spezifische Wärmekapazität in J/(kg*K) c Konzentration in Vol-%, ppm oder g/m3 bzw. mg/m3 c Lichtgeschwindigkeit in m/s cV Durchflußbeiwert d Durchmesser bzw. Dicke in m oder mm e spezifische Exergie in kJ/kg f Faktor oder Formfaktor oder Korrekturfaktor f Frequenz in Hz f Feuchtegehalt Gas in kg Wasserdampf/Nm3 Gas h spezifische Enthalpie in kJ/kg oder Schütthöhe in m bzw. cm k Wärmedurchgangskoeffizient in W/(m2*K) k Koeffizient k Verdunstungszahl l spezifischer Luftbedarf in kg Luft/kg Wasserdampf m auf die Brennstoffmasse bezogene Rauchgasmasse in kg/kg m bezogene Masse, z. B. in g/mol m Zeit in Monaten m Mischverhältnis in kg/kg spezifische, minimale Wasserverdunstung in t/(m2*a) ˙ Wmin m p Druck in Pa oder bar pDS Sättigungsdampfdruck in Pa pt Totaldruckdifferenz in Pa oder bar XV

XVI

Formelzeichen

q spezifischer Wärmebedarf in kJ/kg Luft oder in kJ/kg Wasser q spezifische Adsorptionsenergie in kJ/kmol s Schichtdicke in m, cm oder mm s spezifische Entropie in kJ/kg t Zeit in min oder h t Dicke in m oder mm tan δ Verlustwinkel u Umluftanteil v, w Geschwindigkeit in m/s v auf die Brennstoffmasse bezogenes Rauchgasvolumen in m3/kg x Feuchtegehalt Gas in g/kg oder kg/kg trockenes Gas x Kompressibilitätsfaktor von Gas x Länge in m xrez Rezirkulationsgrad von Abgas Lateinisch groß A Fläche in m2 B Breite in m CV spezifische Wärmekapazität, bezogen auf das Volumen in J/(Nm3*h) D Diffusionskoeffizient in m2/s oder Düsen- oder Außendurchmesser in m Dp Eindringtiefe in m E elektrische Feldstärke in V/m ETV Eintrocknungsverhältnis FSP Fasersättigungspunkt von Holz GW Geruchswert H Abstand in m H Heizwert in kJ/kg oder kWh/kg HG Jahressumme der solaren Bestrahlungsstärke in kWh/(m2*a) K Korrekturfaktor für Trocknungsgeschwindigkeit K Verstärkungsfaktor in der Regelungstechnik K' erste Knickpunktsfeuchte Vakuumtrocknung K'' zweite Knickpunktsfeuchte Vakuumtrocknung KSt Explosionskonstante L Luftwechselzahl in 1/h Lw lichte Weite in m Le Lewiszahl M Masse in kg ˙ M Massenstrom in kg/s oder kg/h N Anzahl der Umschaufelungen in 1/min Nu Nusseltzahl

Formelzeichen

XVII

P Leistung in W Pe Pecletzahl Pr Prandtlzahl ˙ Wärmestrom in W, J/s oder kJ/h Q R Gaskonstante in J/(kg*K) R solare Globalstrahlung in W/m2 R Impulsstromverhältnis bei der Gasmischung R2 Bestimmtheitsmaß Re Reynoldszahl S Schlitzbreite in m S Saugvermögen von Vakuumpumpen in m3/h Sc Schmidtzahl Sh Sherwoodzahl SKG Sauerstoffgrenzkonzentration in Vol-% T Temperatur in K oder Schlitzteilung in m T Fraktionsabscheidegrad bei der Staubreinigung TG Trocknungsgefälle TM Trockenmasse TR Trockenrückstand in % (TR = 1 – W) U Umfang in m U Spannung in V UEG Untere Explosionsgrenze in g/m3 V Volumen in l oder m3 Vm Molvolumen in l/mol oder m3/kmol ˙ V Volumenstrom in m3/h W Feuchtegehalt in %, bezogen auf Gesamtmasse X Feuchtegrad Trocknungsgut in kg/kg oder %, bezogen auf Trockenmasse Griechisch α Wärmeübergangskoeffizient in W/(m2*K) β Stoffübergangskoeffizient in m/h δ Längenausdehnungskoeffizient in oder Diffusionskoeffizient in m2/s oder Abstand ε Porosität (Lückraumanteil) oder Emissionsfaktor einer wärmestrahlenden Oberfläche oder Trocknungspotential ε0 = 8,854 ∗ 10−12 mF Dielektrizitätskonstante des Vakuums relative Dielektrizitätskonstante ε′ r relativer Verlustfaktor ε′′ r φ relative Luftfeuchtigkeit in % η Wirkungsgrad Anteil der Berührflächen ψ

XVIII

Formelzeichen

ψ Erweitungsverhältnis Gaskonzentration in Vol-% ψ κ Isentropenexponent Wärmeleitfähigkeit in W/(m*K) oder freie Weglänge in mm  Vakuumwellenlänge in m 0 ν kinematische Viskosität in m2/s ϑ Temperatur in °C Dichte in kg/m3 ρ σ Standardabweichung Ungleichförmigkeitsgrad für Geschwindigkeit σw µ Kontraktionszahl bei Runddüsen υ Spezifisches Volumen in m3/kg υ Verhältniszahl des Energieeinsatzes zur Wasserverdunstung für Abwärme im Vergleich zur solaren Trocknung ζ Widerstandbeiwert Gasströmung ζKS Widerstandsbeiwert Kugelschüttung  Enthalpiedifferenz zwischen theoretischem und realen Prozeß  Rückwärmzahl bei der Wärmerückgewinnung τ Transmissionswert Gütegrad der Trocknung χ µT Raumbelastungsgrad φ relative Gasfeuchte in % φ Verengungsverhältnis spezifische Verdampfungsenthalpie in J/kg oder kJ/kg hV Indices 0 Umgebung, Vakuum 1 Eingang, Anfang, Aufgabe 1.TA Erster Trocknungsabschnitt 2 Ausgang, Ende, Abgabe 12 Zwischenzustand a außen a Ansaug AG Abgas AL Abluft App Apparat B Brennstoff B Betriebszustand Gas bei Temperatur von x °C und Druck von y Pa B Beschickung D Dampf D, G Dampf, Gas D, O Dampf, Oberfläche

Formelzeichen

XIX

DS Dampf Sättigung E Eis E Entleerung eff effektiv f feucht FG Feuchtgut Fl Flüssigkeit FL Frischluft FS Feststoff G Gas GM Gasmischung GK Geruchskonzentration GS Geruchsschwelle i innen O Oberfläche 0 Umgebung G Gas, Gut G, K Knickpunkt Gl Gleichgewicht HF Hochfrequenz HP Heizplatte HT Haupttrocknung HW Haufwerk I Integration K Kondensat/Kondensator oder Kühlung oder Kondensation oder Kugel Übertragungsfaktor in der Regelungstechnik K1 K1 erster Knickpunkt K2 zweiter Knickpunkt KG Kühlgrenze KS Kugelschüttung KW Kühlwasser L Luft l Anströmlänge in m lam laminar LD Luft-Wasserdampf-Gemisch M Molar M Mittel MW Mikrowelle N Normzustand Gas bei Temperatur von 0 °C und Druck von 101.325 Pa P Prozess oder Partikel

XX

p bei konstantem Druck p Partikel R Raum, räumlich R Gaskonstante in J/(kg*K) RG Rauchgas S Schüttung oder Sublimation S Sättigung Sch Schüttung TG Trockengut TS Trockensubstanz oder Trockenspiegel TR Trockenrückstand th theoretisch tot total (gesamt) tr trocken turb turbulent u unterer Wert U Umgebung ü Übergabe UL Umluft V Verdampfung, Verdunstung V bei konstantem Volumen V Ventilator W Wasser oder Wand WLE Warmlufterzeuger WT Wärmetauscher

Formelzeichen

1

Einleitung

1.1 Übersicht über Horden- und Flächentrockner Horden- und Flächentrockner werden überwiegend für kleine bis mittlere Durchsätze eingesetzt. Durch die Trocknung mit Energiezufuhr über Warmluft, durch Kontakt oder durch Strahlung wird das Trockengut haltbar oder weiter verarbeitbar gemacht. Mittels Energiezufuhr wird die Feuchtigkeit – z. B. Wasser oder Lösungsmittel- verdunstet oder verdampft. Der Betrieb kann sowohl absätzig, als auch quasi-fortlaufend erfolgen. Die Beschickung erfolgt bei kleinen Mengen von Hand, bei mittleren Durchsätzen automatisiert über spezielle Horden-Beschickungsvorrichtungen oder stetige Förderer aus Bunkern heraus. Bei Flächentrocknern von Trocknungsgütern mit langen Trocknungszeiten wie ungeschnittenen Arznei- und Gewürzpflanzen oder bei solaren Gewächshaustrocknern für Klärschlamm werden auch große Durchsätze mit entsprechend hohem Flächeneinsatz für die Trocknungsanlage realisiert. Die Materialzufuhr erfolgt bei Flächentrocknern über Greifer oder auf Kranbahnen laufenden Beschickungsapparaten, aber auch durch Radlader oder über Querförderschnecken.

1.2 Anwendungsbereiche Der Durchsatz bei Horden- und Flächentrocknern umfasst einen sehr weiten Bereich von wenigen hundert g/h bei kleinen Gefriertrocknungsanlagen bis über 1000 kg/h bei großen Tunnelwagentrocknern. Sowohl stückige, schüttfähige als auch pastenartige Trocknungsgüter können auf Horden- und Flächentrocknern verarbeitet werden. Da diese Trockner mit unterschiedlichsten Trocknungsflächen und vor allem die Horden mit unterschiedlichen Lochblechen oder Geweben ausgestattet werden können, überstreicht das Kornspektrum der Trocknungsgüter einen sehr weiten Bereich von wenigen Millimetern im Fall von Sägespänen © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 A. Heindl, Praxisbuch Horden- und Flächentrocknung, https://doi.org/10.1007/978-3-662-60433-5_1

1

2

1 Einleitung

bis zu mehreren Dezimetern im Fall von Arznei- und Gewürzpflanzen, welche als Ganzpflanzen getrocknet werden. Die Trocknungsflächen reichen von wenigen dm2 bei Hordentrocknern für sehr hochwertige pharmazeutische Produkte bis zu mehreren tausend m2 bei Flächentrocknern für die solare Trocknung von entwässertem Klärschlamm. Vor allem Hordentrockner werden im Fein- und Grobvakuumbereich als Kontakttrockner betrieben. Flächentrockner werden überwiegend bei Atmosphärendruck aufgrund des großen Flächenbedarfes gefahren. Fallweise erfolgt die Trocknung und damit die Zufuhr- und Abfuhr des Trocknungsgutes absätzig, d. h. der Trockner wird mit Material beschickt und die Trocknung läuft unter zeitlich veränderlichen Randbedingungen bis zum Erreichen des gewünschten Endfeuchtegehaltes.

1.3 Bauformen von Hordentrocknern Eigentlich sollte die Zeit der manuell beschickten Hordentrockner in Form von Kammertrocknern der Vergangenheit angehören, da sie viel Arbeitsaufwand bei der Materialhandhabung und Reinigung der Horden erfordern. Für hochpreisige Trocknungsgüter in der pharmazeutischen oder in der Lebensmittelindustrie kann jedoch die absätzige Trocknung kleinerer Chargen bei hohen Ansprüchen an die Reinheit der Substanz und die Hygiene gerechtfertigt werden. Die Horden werden in diesem Fall aus nichtrostendem Edelstahl ausgeführt und können aufgrund ihrer kleinen Abmessungen leicht gereinigt oder gar sterilisiert werden. Abb. 1.1 zeigt einen manuell zu beschickenden Hordentrockner in pharmazeutischer Ausführung, ausgestattet mit zwei Hordenwagen zu je 15 Horden (Foeth 2018). Tunnelwagentrockner bestehen aus mehreren Wagen mit bis zu 40 Horden, welche durch einen länglichen Kanal mit einer etwas größeren lichten Weite als der Querschnittsfläche des Hordenwagens manuell oder mittels Elektrokarren geschoben oder mechanisch über eine Hackenwinde gezogen werden. Der Betrieb erfolgt dadurch quasikontinuierlich, indem der letzten Wagen mit der längsten Trocknungszeit aus dem Tunnel gefahren und ein neuer Wagen mit frischem Trocknungsgut eingeschoben wird. Zwei parallel angeordnete Tunnelwagentrockner für Obst in Nachitschevan/Aserbeidschan werden in Abb. 1.2 dargestellt (Heindl 2005). Der Tunnel umfasst jeweils 6 Wägen mit je 20 Horden und einer Gesamttrocknungsfläche von 84 m2, so dass die Wagen mit einer Taktung von 1/6 der Gesamttrocknungszeit entnommen und neu eingeschoben werden müssen. Die Warmluft überströmt zumeist das Gut auf den Horden, entweder im Querstrom oder im Gleich- bzw. Gegenstrom zur Transportrichtung des Trocknungsgutes. Im dargestellten Beispiel erfolgt ein Querstrom der Trocknungsluft zur Transportrichtung der Horden. Hordentrockner werden auch mit Bewegung der Hordenflächen ausgeführt, als Wanderhordentrockner oder als Kipphordentrockner. Im ersten Fall ruht die Schüttung

1.3  Bauformen von Hordentrocknern

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Abb. 1.1   Hordentrockner in Edelstahlausführung zur Trocknung von pharmazeutischen Produkten und Feinchemikalien Typ Glatt GT 400 (Foeth 2018)

Abb. 1.2   Tunnelwagentrockner der Bauart Heindl zur Trocknung von Obst in Nachitschewan (Aserbeidschan) (Heindl 2005)

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1 Einleitung

und die Horde wird in eine andere Trocknungszone bewegt. Abb. 1.3 veranschaulicht einen Wanderhordentrockner zur Trocknung von Bucheckern mit entfeuchteter Luft. Nur bei der Trocknung mit rund 23 °C bleibt die Keimfähigkeit der Bucheckern erhalten (Heindl 1991). In einer weiteren Ausführung wird das Trocknungsgut zur Beschleunigung und Vergleichmäßigung der Trocknung durch eine Fallbewegung durchmischt und durch schwerkraftunterstützte Abkippung auf eine darunterliegende Trocknungsebene befördert. Letztere Trockner heißen Kipphordentrockner und werden vor allem zur landwirtschaftlichen Trocknung von Hopfendolden in gemauerten Gebäuden eingesetzt. Abb. 1.4 zeigt die Aufschütthorde eines Kipphordentrockners für Hopfen (Münsterer 2010). Die Beschickung erfolgt über ein auf der linken Seite angebrachtes Längsband und eine Querverteilvorrichtung. Sonderbauformen des Kipphordentrockners zur Trocknung von geschnittenen Arzneiund Gewürzpflanzen und zur Nachtrocknung von Hopfendolden in Hopfenverarbeitungsfirmen existieren in Ganzmetallbauweise. Die Abb. 1.5 zeigt einen Kipphordentrockner zur Nachtrocknung von Hopfen vor der Herstellung von Hopfenpellets (Heindl 1993). Die Luft strömt auf 45 °C erwärmt von seitlich angeordneten Zuluftkanälen in den Trockner und von dort von unten nach oben durch mehrere Hordenlagen. Der Trockner dient vor allem zum Ausgleich des Feuchtegehaltes der auf landwirtschaftlichen Darren getrockneten Hopfendolden (Kröll Kast 1989). Schnittholz wird auf Hordenwagen mit Abstandskanthölzern gestapelt und mit Warmluft, Dampf oder unter Vakuum getrocknet. Abb. 1.6 veranschaulicht einen Durchlauftrockner

Abb. 1.3   Wanderhordentrockner der Bauart Heindl zur Trocknung von Bucheckern mit entfeuchteter Luft, im Vordergrund der Hordenwagen mit den Bucheckern, aufgestellt bei der tschechischen Staatsdarre in Tyniste n.O. (Heindl 1991) Bitte in Farbe!

1.3  Bauformen von Hordentrocknern

Abb. 1.4   Kipphordentrockner für Hopfen (Münsterer 2010)

Abb. 1.5   Kipphordentrockner zur Nachtrocknung von Hopfen

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1 Einleitung

Abb. 1.6   Durchlauftrockner für Schnittholz (Brunner Hildebrand 2009)

für Schnittholz, wie er in großen Holzverarbeitungsbetrieben zum Einsatz kommt (Brunner Hildebrand 2009). Eine besondere Abart des Hordentrockners stellt der Turbinentrockner dar, welcher aus mehreren kreisförmigen Trocknungsflächen besteht, die ihrerseits aus Kreissegmenten aufgebaut sind. Jedes Segment wird nach einem einmaligen Umlauf an einer Stelle abgekippt, so dass das Material gewendet und auf die darunterliegende Trocknungsfläche befördert wird. Er wurde für die Trocknung von Schüttgut wie Zucker, Sägespäne, Katalysepellets, Kaolin, Kalziumchlorid, Brotwürfel, Chinaton, Cu-Ni-Konzentrate, Harnstoff oder Vitaminpulver eingesetzt (Williams-Gardner 1971) (Kollmann 1966). Abb. 1.7 zeigt den Innenaufbau eines Turbinenhordentrockners (Grenzebach 2018). Vakuumtrockenschränke werden in der Lebensmittelindustrie, in der Pharma- und Kosmetikindustrie sowie in der chemischen Industrie eingesetzt. Hierbei werden Kontakt-Heizflächen von bis zu 88 m2 erreicht. Abb. 1.8 stellt einen Vakuumtrockenschrank in Edelstahlausführung dar, wobei auf der linken Seite der Kondensator und die Vakuumpumpe abgebildet sind (Bucher-Guyer ca. 1995). Eine quasikontinuierliche Form des Vakuumtrockenschrankes stellt der Vakuumtunnelwagentrockner dar, welcher von der Firma Leybold in den siebziger Jahren des letzten Jahrhunderts für die Gefriertrocknung von hochwertigen Lebensmitteln entwickelt wurde. Abb. 1.9 gibt einen Überblick über den Aufbau einer solchen Anlage (Leybold-Heraeus 1975). Im weitesten Sinne kann man auch Tellerkontakttrockner, bei denen das Trocknungsgut durch eine Wendevorrichtung – auch Krählwerk genannt – auf einer geheizten Platte gewendet wird, zu den Hordentrocknern zählen. Absätzig arbeitende Tellertrockner mit einer Trocknungsebene werden nur für kleine Durchsatzmengen eingesetzt. Vor

1.3  Bauformen von Hordentrocknern

Abb. 1.7   Turbinenhordentrockner (Grenzebach 2018)

Abb. 1.8   Vakuumtrockenschrank (Bucher-Guyer  ca. 1995)

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1 Einleitung

Abb. 1.9   Tunnelwagentrockner als Gefriertrockner der Leybold-Heraeus AG (Leybold-Heraeus 1975)

allem hochwertige Chemikalien und Pharmazeutika zählen zu den Trocknungsgütern der kleinen Tellertrockner. Bei Anordnung mehrerer beheizter und gekühlter Teller übereinander sowie einer kontinuierlich arbeitenden Zu- und Abfuhr des Trocknungsgutes können auch im Vakuumbetrieb größere Mengen an Wasser verdampft werden. Abb. 1.10 zeigt einen Tellertrockner mit zwei Telleraufgabevorrichtungen, Staubfilter sowie bodenseitig zwei Trockengutaustragesilos, welche typischerweise für die Trocknung von Chemikalien eingesetzt werden (Andritz Gouda Separation  2019). Sonderbauformen existieren auch noch als Vibrationswendel- und Vibrationstrockner im Bereich der Gefriertrocknung, welche sich durch extrem hohen Wärme- und Stoffübergang auszeichnen. Pharmazeutische Produkte wie Eiweiße, Hormone oder Antibiotika werden in speziellen Vakuum-Gefriertrocknungsschränken – auch in speziellen Flaschen gefriergetrocknet. Hier spielt vor allem die notwendige Sterilisation bei verhältnismäßig kleinen Produktionsmengen die bestimmende Rolle. veranschaulicht zwei derartige Trockenschränke in Pharmaausführung. Einen mikrowellenunterstützten Warmlufttrockner als Versuchsanlage mit einer Hordenfläche von 0,08 m2 zeigt Abb. 1.11 (Heindl 2000). Die Anlage kann sowohl mit Überströmung als auch mit Durchströmung des Trocknungsgutes durch Warmluft gefahren werden. Der Luftvolumenstrom beträgt 600 m3/h bei 1400 Pa und 15 °C. Über einen Kaltwassersatz kann die Umluft ent- und über eine Dampflanze befeuchtet werden. Die Mikrowellenenergiezufuhr mit max. Mikrowellenleistung von 1,2 kW bei 2,45 GHz erfolgt über einen Isolator, Dreistift-Tuner und Hohlleiter-Kreuzschlitzstrahler.

1.3  Bauformen von Hordentrocknern

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Abb. 1.10   Mehrstufiger Tellertrockner mit Krählwerk, Telleraufgabevorrichtungen, Staubfilter und Trockengutaustragesilos (Andritz Gouda Separation  2019)

Eine Versuchsanlage zur Simulation der mikrowellenunterstützten Vakuum- und Vakuumkonvektionstrocknung wird in Abb.  1.12 dargestellt (Heindl 1992). Zur Vergleichmäßigung der Mikrowellenverteilung wird die Horde (0,052 m2) unter dem Hornstrahler hin- und hergefahren. Ein späterer Umbau ersetzt die Rechteckhorde durch einen rotierenden, kreisförmigen Teller. Die Vakuumkonvektionstrocknung kann über ein installiertes Heizregister (2,45 kW) und einen Umluftventilator (300 m3/h bei 70 °C und 10.000 Pa) mit Spezialdichtung untersucht werden. Das Vakuumsystem besteht aus einem wassergekühlten Kondensator und einer Drehschiebervakuumpumpe. Die Mikrowellenleistung von maximal 1,2 kW wird über einen Hornstrahler in die Vakuumkammer zugeführt.

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1 Einleitung

Abb. 1.11   Mikrowellenunterstützter Warmluft-Hordentrockner als Versuchsanlage (Heindl 2000)

Abb. 1.12   Mikrowellenunterstützter Vakuum- (2000 bis 6000 Pa) bzw. Vakuumkonvektionstrockner (10.000 bis 20.000 Pa) als Versuchsanlage (Heindl 1992)

1.4  Bauformen von Flächentrocknern

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Abb. 1.13   MikrowellenVakuumtrockner zur Früchtetrocknung in Chile (Heindl 2001)

In Abb. 1.13 wird ein Mikrowellen-Vakuumtrockner zur Spezialtrocknung von Früchten in kleinem Produktionsmaßstab dargestellt. Die Anlage ist mit 6 Stück Magnetrons von 1,1 kW Mikrowellenleistung bei 2450 MHz bestückt, die Energieeinkopplung erfolgt über Hornstrahler. Das Trocknungsgut wird räumlich in der bei rund 6000 Pa Druck betriebenen Vakuumkammer auf vier Horden bewegt. Dadurch wird eine gleichmäßigere Beaufschlagung des Gutes mit Mikrowellenenergie erreicht.

1.4 Bauformen von Flächentrocknern Flächentrockner finden zumeist als Warmlufttrockner Verwendung. Die Urform des Flächentrockners kann in der landwirtschaftlichen Darre gesehen werden, auf denen ab dem Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts vor allem zerrissenes Rübenblatt und gehäckseltes Grass oder Luzerne als Viehfutter getrocknet wurden (Maasen 1940). Trocknungsgüter mit langen Trocknungszeiten wie ungeschnittene Arznei- und Gewürzpflanzen werden auf Satztrocknern – die auf den alten Darren basieren – getrocknet und ruhen dabei auf einem Lochboden, durch welche die warme Luft von unten nach oben durch die Schüttung strömt. In den dreißiger Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts wurde der Flächentrockner in Form des Schubwendetrockners modernisiert und teilautomatisiert. Durch eine über der Trocknungsfläche hin- und herfahrende Laufwagen mit einem rotierenden Fräsrechen wird das Trocknungsgut gewendet und in Richtung des Trockengutaustrages

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1 Einleitung

gefördert (Sybel 1943). Das Wenden legt immer wieder neue, feuchte Oberflächen frei, wodurch hohe Lufttemperaturen und damit Trocknungsgeschwindigkeiten ohne qualitative Schädigung des Trocknungsgutes möglich werden. Der Schubwendetrockner hat im ersten Jahrzehnt des einundzwanzigsten Jahrhunderts zur Trocknung von Holzhackschnitzeln, Holzsägespänen, Biertreber, Eierschalen, Kunststoffflocken und Gärreste weitere Verbreitung gefunden. Dabei stand die staatlich geförderte Nutzung von Abwärme der BHKWs von landwirtschaftlichen Biogasanlagen im Vordergrund. Abb. 1.14 zeigt einen Schubwendetrockner für die Trocknung von Kunststoffflocken (RIELA 2018). Solare Gewächshaustrockner nutzen die Energie der Solarstrahlung zur mittelbaren Erwärmung der Trocknungsluft, welche auf das Trocknungsgut von oben nach unten geblasen wird. Zusätzlich erwärmt der Infrarotstrahlungsanteil der Sonnenstrahlen den Schlamm. Das Trocknungsgut wird über eine automatisierte Wendevorrichtung aufgelockert und gefördert. Die Trocknungsluft überströmt dabei das von der Solarstrahlung erwärmte Gut und nimmt das verdunstende Wasser auf. Derartige Flächentrockner werden oftmals mit zusätzlicher Abwärme betrieben, welche entweder über eine Warmwasserheizung den Boden, auf dem das Trocknungsgut ruht, erwärmt oder welche die Luft in der Trocknungshalle mittels Warmlufterzeuger weiter anwärmt. Die Abwärmenutzung verringert die notwendige Trocknungsfläche und erleichtert die Überbrückung der Jahreszeiten mit kleiner Solarstrahlung.

Abb. 1.14   Schubwendetrockner zur Trocknung von Kunststoffflocken (RIELA 2018)

1.4  Bauformen von Flächentrocknern

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Mittlerweile werden große Solartrocknungsanlagen mit Trocknungsflächen bis zu 10.000 m2 verwirklicht. Abb. 1.15 veranschaulicht eine fünfstrassige, solare Trocknungsanlage für Klärschlamm mit zusätzlicher Abwärmenutzung über Warmlufterzeuger (im Schnitt 700 kW) und rund 6000 m2 Trocknungsfläche. Die Schlammtrocknung wird durch die maschinellen Wender beschleunigt und vergleichmäßigt. Die Zufuhr des entwässerten Klärschlammes erfolgt über mehrere mit Auslaufklappen versehene und quer zur Trocknungsfläche angeordnete  Schneckenförderer. Zum Aufgabenbereich der Wender gehört zusätzlich das Einmischen von getrockneten Schlamm in den Nassschlamm und der Austrag des getrockneten Gutes. Eine Sonderbauform stellt der Abwärme unterstützte Hallentrockner dar, bei dem der solare Anteil an dem Energieeintrag ins System unter 10 % fällt und die Restenergie über Warmlufterzeuger ins Trocknungssystem eingebracht wird. Abb. 1.16 zeigt einen Hallentrockner für Klärschlamm, bei dem die Energiezufuhr zur Trocknung durch Warmluft erfolgt, welche über einen Lochblechboden durch die Klärschlammschüttung strömt. Der Wender sorgt sowohl für die Beschleunigung des Trocknungsvorganges, als auch für den Transport des Schlammes durch den Trockner. Als besonderes Detail der Anlage ist eine Spezialfräse zu nennen, welche größere Granulatklumpen zerlegt (Kraus 2014). Der-

Abb. 1.15   Solare Trocknungsanlage der Kläranlage der Stadt Bayreuth zur Trocknung von Klärschlamm unter zusätzlicher Nutzung der Abwärme aus einer nahegelegenen Biogasanlage (HUBER SE 2016)

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1 Einleitung

Abb. 1.16   Hallentrockner für Klärschlamm mit Warmluftzufuhr über Lochblechboden (Kraus 2014)

artige Trockner werden pro Linie mit Trocknungsflächen von bis zu 500 m2 versehen. Übliche Warmlufttemperaturen werden auf 45 °C eingestellt. Flächentrockner werden zur Warmlufttrocknung von Arzneipflanzen als Ganzpflanzen mit großen Flächeneinheiten eingesetzt. Aufgrund der kleinen Schüttdichte werden die Ganzpflanzen bis zu einem Meter Höhe aufgeschüttet. Die Beschickung der riesigen Flächen erfolgt über spezielle Aufgabeapparate, welche für einen gleichmäßigen Flächenauftrag sorgen. Die Entleerung der Flächen wird über mechanische Greifer ausgeführt. Abb. 1.17 zeigt einen mehrere hundert m2 großen Flächentrockner in Thüringen. Es wurde Schafgarbe getrocknet, wobei das Trocknungsgut mit dem Aufgabeapparat auf der linken Seite gleichmäßig auf die Trocknungsfläche aufgegeben wird. Der Aufgabeapparat seinerseits wird mit dem Greifer beschickt. Rechts sind Papiersäcke zu sehen, in denen die Trockenware verpackt wird. In den USA und Australien werden Flächentrockner für Hopfen in sehr großen Hallen in mehreren Einheiten parallel angeordnet und jede Einheit mit einem direkt gasbefeuertem Warmlufterzeuger versorgt. Abb.  1.18 veranschaulicht eine Batterie von Flächentrocknern mit der darüber angeordneten Bandvorrichtung zur Beschickung mit Hopfendolden. Entlang einer Stirnseite verläuft das motorisch verfahrbare Beschickungsband für die einzelnen Flächentrockner, welches die feuchten Hopfendolden auf ein querlaufendes, orange lackiertes Querband mit verfahrbarer Abstreifvorrichtung fördert.

1.4  Bauformen von Flächentrocknern

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Abb. 1.17   Flächentrockner für Arzneipflanzen (Schafgarbe) der Agrarprodukte Ludwigshof e.G., Ranis in Thüringen (Heindl 1998)

Abb. 1.18   Batterie von Flächentrocknern zur Hopfentrocknung in Australien (Bushy Park Estates 1995)

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1 Einleitung

1.5 Trocknungsgüter und verwendete Trockner Die Tab. 1.1 gibt eine beispielhafte Auswahl von Trocknungsgütern, welche mit den jeweils speziell eingesetzten Flächen- und Hordentrocknern getrocknet werden.

Tab. 1.1  Auswahl von Trocknungsgütern und zugeordneten Trocknertypen Trocknungsgut

Anfangs- und Endfeuchtegehalt W1/W2 in %

Trocknertyp

65–82/10–35

Flächentrockner, rein solar oder Abwärmeunterstützt

Gemüse (geschnitten)

80–92/5–7

Tunnelwagentrockner (atmosphärisch/unter Vakuum)

Obst (geschnitten)

75–90/6–20

Tunnelwagentrockner (atmosphärisch/unter Vakuum)

Kaffeegranulat (gefroren)

60/3

GefrierTunnelwagentrockner, Gefrier-Tellertrockner

Abwasserreinigung Klärschlamm

Lebensmittelindustrie

Pharmaindustrie Pharmazeutika (Eiweiß, Hormone, Antibiotika, Impfstoffe, Bakterien, Gewebeproben)

VakuumgefrierTrockenschrank

Landwirtschaft Arznei- und Gewürzpflanzen (geschnitten/ungeschnitten) Arzneiwurzeln gerissen

75–88/8–10

Flächen-/Satztrockner

Hopfendolden Geschnittene, windgesichtete Arznei- und Gewürzpflanzen

75–82/10–11 70–85/8–10

Kipphordentrockner

Holz (Hackschnitzel-)

45/20

Schubwendetrockner

Holz (Schnitt-)

23–33/10–17

Tunnelwagentrockner, VakuumTunnelwagentrockner

Abgepresste Gärreste von Biogasanlagen

75/10

Schubwendetrockner

Gras Langschnitt, Luzerne-Langschnitt Rübenblatt zerrissen

80/10

Schubwendetrockner

Grundstoffindustrie Aktivkohle, Aluminiumoxidgel, Ammoniumsulfat, Bariumcarbonat, Koks, Fasern, Kräuter, Kaolin, Kalk, Schlamm, Erzschlämme, Paraffine, Kunststoffe, Quarzsand, Kieselgel, Speisesalz, Titandioxid, Holzzellulose, Zinkoxid

Turbinenhordentrockner

Literatur

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1.6 Zusammenfassung Horden- und Flächentrockner werden in vielen Bereichen von Industrie, Gewerbe und Landwirtschaft eingesetzt. Sie werden in der Hauptsache absätzig betrieben, einige sind jedoch auf einen quasikontinuierlichen oder kontinuierlichen Betrieb ausgerichtet. Die Beschickung und Entleerung erfolgt bei kleineren Anlagen überwiegend manuell, bei größeren jedoch nahezu ausschließlich maschinell. Der vermeintlich einfachere Aufbau einer absätzig betriebenen Anlage bedingt allerdings häufig einen im Vergleich zu kontinuierlichen Trocknungsanlagen höheren Steuerungs- und Regelungsaufwand, der vor allem bei großen Anlagen zur Entlastung des Bedienungspersonals notwendig wird. Zur Vergleichmäßigung des Trocknungsvorganges ist oftmals ein Wenden des Trocknungsgutes manueller oder maschineller Art notwendig. Höchstwertige pharmazeutische Trockenprodukte werden nur in kleinen Mengen in speziellen Vakuumgefrier-Trockenschränken produziert, welche leicht zu reinigen sein müssen.

Literatur Andritz Gouda Separation (2019) Unterlagen zum Tellertrockner. Waddinxveen Niederlande Brunner-Hildebrand (2009) Prospekt Ökologische Holztrocknung. Stuttgart Bucher-Guyer AG (undatiert, ca. 1995) Druckschrift Vakuumtrockenschrank. Niederweningen Bushy Park Estates (1995) Foto einer Batterie von Flächentrocknern zur Hopfentrocknung. Tasmanien Australien Foeth (2018) Glatt Hordentrockner GHT-400 050f238-050f238-image_01-f238b. https://www. foeth.comde050f238-glatt-ght-400 GEA (2019) https://www.gea.com/de/products/lyovac-freeze-dryer.jsp. Zugegriffen: 22. Juni 2019 Grenzebach (2018) Foto Innenaufbau Turbinentrockner Grenzebach. BSH GmbH, Bad Hersfeld Heindl (1991) Foto Wanderhordentrockner AT 4/10 für Bucheckern in Tyniste n.O., Tschechische Republik Heindl (1992) mikrowellenunterstützter Vakuumkonvektions-Trockner Heindl GmbH (1993) Foto eines Kipphordentrockners zur Nachtrocknung von Hopfen Heindl A (1998) Foto eines Flächentrockners der Agrarprodukte Ludwigshof e.G. Ranis Heindl A (1999) Foto Agrarprodukte Ludwigshof e.G. Ranis Heindl (2000) Foto mikrowellenunterstützter Warmluft-Hordentrockner Heindl (2001) Foto Mikrowellen-Vakuumtrockner zur Früchtetrocknung in Chile Heindl A (2005) Foto von zwei Tunnelwagentrocknern der Heindl GmbH zur Trocknung von Obst in Nakchevan/Aserbeidschan HUBER SE (2016) Foto der abwärmeunterstützen Solartrocknungsanlage Solstice in Bayreuth Kollmann F (1966) Holzspanwerkstoffe. Springer, New York Kröll K, Kast W (1989) Trocknungstechnik Dritter Band. Trocknen und Trockner in der Produktion. Springer, Berlin Kraus (2014) Kraus Umwelttechnik Ühlingen Foto Schlammtrockner Leybold-Heraeus (1975) Das Trocknen. Bd 2. Sauerländer Verlag, Frankfurt a. M. Maasen W (1940) Die Grünfutter- und Rübenblatttrocknung auf der landwirtschaftlichen Darre. Arbeiten aus dem Landmaschineninstitut der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Landwirtschaftliche Jahrbücher, Berlin

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1 Einleitung

Münsterer J (2010) Neueste Erkenntnisse bei der Trocknung und Konditionierung von Hopfen. LfL-Kolloquium RIELA (2018) Riesenbecker Landmaschinen Karl-Heinz Knoop e. K. Foto Schubwendetrockner von Sybel H (1943) Die Vollmechanisierung der landwirtschaftlichen Darre durch den Schubwendetrockner Saalfeld Saale Williams-Gardner A (1971) Industrial drying. Leonhard Hill, London

2

Grundlagen der Trocknung

2.1 Massenbilanzen und Gaseigenschaften 2.1.1 Massenbilanz einer quasikontinuierlichen bzw. kontinuierlichen Trocknung Besteht ein Tunnelwagentrockner aus einer größeren Anzahl von Wagen und geht man von einem kleinen Verhältnis von Wagenwechselzeit zu Gesamttrocknungszeit aus, so kann der Trocknungsvorgang als quasikontinuierlich bzw. kontinuierlich angesehen werden. Damit ergibt sich der Massenstrom an zu beschickendem Trocknungsgut zu:

˙1=M ˙D+M ˙2 M

(2.1)

˙ FS = (1 − W1 ) ∗ M ˙ 1 = X2 ∗ M ˙2 ˙ 1 = (1 − W2 ) ∗ M ˙ 2 = X1 ∗ M M

(2.2)

˙D=M ˙ FS ∗ (X1 − X2 ) = M ˙ 1 ∗ W1 − W2 = M ˙ 2 ∗ W1 − W2 M 1 − W2 1 − W1

(2.3)

Wobei die Indices 1 und 2 den Trocknereingang und -ausgang kennzeichnen und der Index D die während des Trocknungsvorganges in Form von Dampf abgehende Feuchtemenge und FS den absolut trockenen Feststoff angibt. W kennzeichnet den Feuchtegehalt bezogen auf die Gesamtmasse, X heißt Feuchtegrad und gibt den Feuchtegehalt bezogen auf die absolut trockene Masse an. Die Massenströme lassen sich jeweils ineinander umrechnen (Kröll 1959):

˙1=M ˙ FS ∗ (1 + X1 ) = M ˙2∗ M



1 − W2 1 − W1



© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 A. Heindl, Praxisbuch Horden- und Flächentrocknung, https://doi.org/10.1007/978-3-662-60433-5_2

(2.4)

19

20

2  Grundlagen der Trocknung

˙2=M ˙ FS ∗ (1 + X2 ) = M ˙1∗ M



1 − W1 1 − W2



(2.5)

Ineinander rechnet man den Feuchtegehalt W in den Feuchtegrad X und umgekehrt gemäß nachfolgenden Formeln um:

W=

X 1+X

(2.6)

X=

W 1−W

(2.7)

In der Abwassertechnik wird der Begriff des Trockenrückstandes TR benutzt, welche durch Trocknung im Trockenschrank bei 105 ℃ bis zur Gewichtskonstanz bestimmt wird. Der Trockenrückstand ist definiert zu TR = 1−W. Der Ausdruck Trockensubstanz TS bedeutet die abfiltrierte Masse aus einer feststoffbeladenen Flüssigkeit ohne Berücksichtigung der gelösten Salze.

2.1.2 Massenbilanz einer absätzigen Trocknung Im Fall eines Kammertrockners, welcher nur einen Hordenwagen besitzt oder eines Flächentrockners, welcher absatzweise beschickt und nach Ablauf der Trocknungszeit tT entleert wird, wird der zeitliche Anteil für Beschickung und Entleerung des Trockners tB und tE an der gesamten Prozesszeit bedeutender und muss deshalb berücksichtigt werden.

tP = t T + t B + t E

(2.8)

Damit kann der Massenstrom an der Trockneraufgabeseite berechnet werden zu:

˙ 1 = M1 M tp

(2.9)

Praxisbezug  Aus der chemischen Industrie Großbritanniens sind Beschickungs- und Entllerungzeiten für Warmluft- und Vakuumkontakthordentrockner bekannt geworden, welche in der Tab. 2.1 aufgeführt werden. Berechnungsbeispiel 2.1 Trocknet eine Farbstoff-Paste aus einer Kammerfilterpresse bei 90 ℃ Warmlufttemperatur in rund W1 = 82  % auf W2 = 1 % in rund 42 h, so beträgt der zeitliche Anteil der Beschickung und Entleerung an der gesamten Verarbeitungszeit beim Hordentrockner mit zwei Hordenträgern rund 6,6 %. Beim Hordentrockner mit vier Hordenträgern errechnet sich der Anteil zu rund 11,5 %, unter Einbeziehung des doppelten Durchsatzes beträgt jedoch der produktionsspezifische Arbeitskostenanteil nur rund 87 % des Anteiles des Hordentrockners mit zwei Hordenträgern.

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2  Grundlagen der Trocknung

Tab. 2.1  Beschickungs- und Entleerungszeiten von Warmluft-Hordentrocknern (WLHT) (Nonhebel und Moss 1971) Trocknertyp

WLHT mit zwei Hordenträgern

WLHT mit vier Hordenträgern

Beladung der Paste auf die Horden

1 Mannstunde

2 Mannstunden

Beladen der Hordenträger und Trockneranfahren

0,25 Mannstunden

0,25 Mannstunden

Überwachung des Trockners

0,1 Mannstunden

0,1 Mannstunden

Aufbrechen der Paste z. B. 2 × während des Trocknungsvorgangesa

0,5 Mannstunden pro Einheit

1 Mannstunde pro Einheit

Herausfahren der Hordenträger 0,1 Mannstunden und Abfahren des Trockners

0,1 Mannstunden

Entleeren der Horden

0,5 Mannstunden

1 Mannstunde

Gesamtzeit für Befüllung und Entleerung

2,95 Mannstunden

5,45 Mannstunden

aDies

beschleunigt und vergleichmäßigt die Trocknung von Pasten, vor allem wenn diese zur Krustenbildung neigen. Tab. 2.2  Beschickungs- und Entleerungszeiten für Vakuumkontakt-Hordentrockner (VKHT) (Nonhebel und Moss 1971) Trocknertyp

Einfach-Kammertrockner

Mehrfach-Kammertrockner mit motorisiertem Hordenlift und Hordenabmessungen von 1,8 m × 0,9  m

Beschickung des Trockners mit 2,4 Mannstunden (Bereich gefüllten Horden 1,7–3,1)

2,4 Mannstunden (Bereich 1,7–3,0)

Entladen der Horden mit Trockenmaterial

0,8 Mannstunden (Bereich 0,6–1,0)

1,5 Mannstunden (Bereich 1,2–1,8)

Überwachung

1,1 Mannstunden

1,1 Mannstunden

Gesamtzeit

4,3 Mannstunden

5,0 Mannstunden

Für Vakuumkontakt-Hordentrockner (VKHT) werden in der Tab. 2.2 der Arbeitszeitbedarf für 1000 kg an feuchter Farbstoffpaste angegeben (Nonhebel und Moss 1971). Berechnungsbeipiel 2.2 Trocknet in einem Einfach-Kammertrockner eine organische Paste bei einer Heizplattentemempeatur von 60 ℃, einem Anfangsfeuchtegehalt von W1 = 44,4 % und einem Endfeuchtegehalt von W2  0 – im Fall von Energiezufuhr im Trockner während des Trocknungsprozesses, welche die Energieverluste überwiegt –, als auch  = 1 als Verhältnisse von Rohrmittenabstand s zum Rohrdurchmesser d. L ist die Überströmlänge eines Rohres in m. Die Rohre bestehen W aus nichtrostendem Edelstahl mit einer Wärmeleitfähigkeit von s ≈ 16,3 m∗K und   einer W∗s0,67 Wandstärke von 0,001 m. Mit fM¨u als Stoffwertefunktion für Überströmung in K∗m 2,34 und fA,fl als Anordnungsfaktor für fluchtende Anordnung sowie ψ als Hohlraumanteil. AK ist die freie Anströmfläche des Kondensators mit 2 m * 2 m = 4  m2.

ψ=1−

π π π =1− s =1− = 0,376 17 4*a 4* d 4* 13,5mm mm

L = d*

ρLf 65◦ C

π π = 0,0135 m* = 0,021 m 2 2

1 + 0,08 kg 1+x kg kg = RD *T = = 0,986 3 338 K J m *(0,622 + x) 461,52 kg*K * 100.000 Pa *(0,622 + 0,08) p

wψ =

˙G 1 M m 1 V˙ G * = 4,68 = * ψ AK ψ AK ∗ρGf s

Die Wärmeleitfähigkeit der feuchten Luft bei 65 ℃ ist Lf 65◦ C ≈ 0,0285 mW∗ K , die spezifische Wärmekapazität cpLf 65◦ C ≈ 1,08 kgkJ∗ K und die kinematische Viskosität 2

υLf 65◦ C ≈ 19,3 ∗ 10−6 ms . (Krischer und Kast 1992). Schließlich errechnet sich die Stoffwertefunktion zu

 0,4 0,02850,6 * 0,986*1,08*103 fM¨u = = 36,04 und  0,27 19,3*10− 6 αLf = 1,835*0,185*

0,67  4,68 ms

(0,021 m)0,33

*36,04 = 123,1

W m2 *K

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2  Grundlagen der Trocknung

Der Wärmeübergangskoeffizient bei Kondensation des Wasserdampfes mit einer Temperaturverringerung von 48 ℃ auf 25 ℃ und damit einer mittleren Kondensattemperatur von rund 37 ℃ berechnet sich zu (Wagner 2009):

αWD =

0,725 1

n6

∗

 4

  3 ρK ∗ g ∗ WD ∗ � hV + cpD ∗ (ϑ1 − ϑSD ) vWD ∗ (ϑSD − ϑW ) ∗ d

(2.46)

kJ W , ,  hV ≈ 2412 kg∗K ρK ≈ 993,1 mkg3 , K ≈ 0,625 m∗K Mit (Wagner 2003) ◦ −6 m2 ◦ υK ≈ 0,69 ∗ 10 s und d = 0,025  m, ϑ1 = 80 C und ϑSD = 48 C Es wird ein Kondensator mit 3 × 5 Rohrreihen angenommen, so das n = 15 ist. Die mittlere Kondensattemperatur sei wie schon oben aufgeführt ϑSD ≈ 37 ◦ C und die Wandtemperatur ϑW ≈ 25 ◦ C.

αMD

    W 993, 1 mkg3 ∗ 9, 81 sm2 ∗ 0, 6253 m∗K ∗ 2412 ∗ 103 kgJ + 1, 959 ∗ 103 kgJ∗ K ∗ 32 K 4 0, 725   = ∗ 2 1 0, 69 ∗ 10−6 ms ∗ (37 ◦ C − 25 ◦ C) ∗ 0, 025 m 15 6 W = 5995 2 m ∗K

pD =

0,08 ∗ 100.000 Pa x ∗ p0 = = 11.936 Pa 0,622 + x 0,622 + 0,08 pL = p0 − pD = 88.064 Pa y=

pL = 0,881 p0

  0,881 W W W W − 123,1 2 + 5995 2 *e−1,1∗ 1−0,881 = 124,8 2 αLD = 123,1 2 m *K m *K m *K m *K Letztendlich erkennt man, dass der Wärmeübergangskoeffizient des Luft-Wasserdampfgemisches aufgrund des verhältnismäßig kleinen Wasserdampfanteiles nur wenig vom Wärmeübergangskoeffizienten der trockenen Luft abweicht. Für den Wärmeübergangskoeffizienten des Kühlwassers an die Rohrwandung αW gilt (Wagner 2003), wobei 0