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Wirbelschicht-Trockner mit eingetauchten Heizflächen

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18.11.2014 Wirbelschichttrockner werden beim Kühlen und Trocknen von Schüttgütern sehr geschätzt: Sie sind effizient, und die Technik hat sich seit vielen Jahren bewährt. Noch effektiver werden die Apparate, wenn für die Wärmeübertragung Rohrbündelapparate in die fluidisierte Schicht integriert werden.

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Entscheider-Facts Für Planer und Betreiber


  • Die Effizienz von Wirbelschichttrocknern kann durch den Einbau von Rohrbündelwärmeübertragern deutlich gesteigert werden.
  • Dadurch lassen sich bis zu 80 % der für die Trocknung notwendigen thermischen Energie indirekt zuführen.
  • Der Vorteil dieser Bauart gegenüber der klassischen Heißluftwirbelschicht ist immer dann besonders groß, je niedriger das Temperaturniveau für die Trocknung ist.

Die Beheizung dieser Rohrbündel kann entweder mittels Sattdampf, Heißwasser oder Thermalöl erfolgen. In diesem Fall ist das Fluidisierungsgas nicht mehr alleiniger Wärmeträger, sondern bis zu 80 % der für die Trocknung notwendigen thermischen Energie können indirekt über die Heizflächen zugeführt werden. Die erforderliche Heißluftmenge und damit auch der Wärmebedarf für den Prozess lassen sich so erheblich reduzieren. Dazu kommt, dass die Zu- und Abluftausrüstungen deutlich kompakter gebaut werden müssen.

Bedingt durch den reduzierten Luftbedarf ist die Wasserbeladung der Abluft besonders hoch. Einer möglichen Kondensatbildung in der Abluftleitung kann effektiv entgegen gewirkt werden, in dem man eine kleine Menge Heißluft aus dem Zuluftstrang in die Abluftleitung führt. Dadurch steigt Ablufttemperatur leicht, während der Taupunkt sinkt. Um möglichst viel Wärmeübertragungsfläche durch die Rohrschlangen in die Schicht zu integrieren, sind Betthöhen zwischen ein und zwei Metern üblich, was Zuluftventilatoren erfordert, die einen vergleichsweise hohen Druck aufbauen können. Der Nachteil hoher Schichten ist ein unerwünschtes hohes Blasenwachstum. Es entsteht eine stoßende Wirbelschicht mit Blasen, deren Durchmesser die gesamte Bettquerschnittsfläche einnehmen können und die Schicht in einzelne Feststoffkolben zerteilt. Am oberen Ende der Wirbelschicht kommt es dann zu besonders heftigen Eruptionen. Die Effizienz stoßender Wirbelschichten ist aufgrund ungleichmäßiger Gasverteilung deutlich reduziert. In die Wirbelschicht integrierte Wärmeübertrager behindern das Blasenwachstum und vermindern das unerwünschte Stoßen der Schicht deutlich. Um den Materialaustrag infolge von Eruptionen zu vermindern, haben diese Trocknertypen über der Schicht eine besonders hohe Beruhigungszone (Freeboard).

Wirbelschichttrockner mit integrierten Wärmeübertragern werden für unterschiedlichste Anwendungen mit großen Wasserverdunstungsleistungen angeboten, insbesondere für kristalline Produkte wie z. B. Natriumchlorid aber auch von Lebensmittelprodukten. Ein weiteres etabliertes Anwendungsfeld ist die Trocknung von Polymeren.  Neben der Trocknung kann diese Technik auch für das sehr effektive Kühlen von Schüttungen genutzt werden. In diesem Fall werden die integrierten Wärmetauscher mit Kühlwasser oder Sole betrieben. Hier gilt es zu beachten, dass der Taupunkt der Kühlluft immer unterhalb der Vorlauftemperatur des Kühlwassers liegt, um eine Kondensatbildung an den Rohren zu verhindern, was Materialverkrustungen an der Rohroberfläche zur Folge hätte und mit einem Kühlleistungsabfall verbunden wäre.

In Bild 2 ist der Trocknungsprozess bei niedrigem Temperaturniveau durch die Kurve 1 -> 2 dargestellt. Bei nur geringer Feuchteänderung ist eine sehr hohe Luftmenge notwendig. Werden bei gleichem Startpunkt 1 der Warmluft nun zusätzlich Heizflächen in die Schicht integriert, so wird der Luft beim Durchströmen der Schicht permanent Wärme zugeführt, so dass die Abluftenthalpie deutlich höher ist, als die der Zuluft. Die damit verbundene wesentlich höhere Abluftwasserbeladung reduziert den Luftbedarf erheblich. Ohne Heizflächen lässt sich die Luftfeuchteänderung von 1 -> 4 nur durch ein deutlich höheres Temperaturniveau der Trocknungsluft ausgehend vom Punkt 3 erzielen.
Demnach ist festzustellen, dass der Vorteil der Wirbelschicht mit integrierten Heizflächen gegenüber der klassischen Heißluftwirbelschicht immer dann besonders groß ist, je niedriger das Temperaturniveau für die Trocknung ist. Insbesondere bei temperaturempfindlichen Produkten ist diese Verfahrensvariante besonders wirtschaftlich. Aber auch dann, wenn das Temperaturniveau durch die verfügbaren Heizmedien wie zum Beispiel Sattdampf  festgelegt ist.
 
Kinetik des Wärmeübergangs bei der Auslegung beachten
Da bei diesem Trocknertyp der Großteil der Wärme durch die eingetauchten Heizflächen an das Produkt übertragen wird, ist für eine zuverlässige Auslegung des Wirbelschichtprozesses die Kenntnis des Wärmeübergangs zwischen Heizfläche und Wirbelschicht von besonderem Interesse.

Da gegenwärtig keine zuverlässigen Berechnungsmodelle, insbesondere für feuchte Schüttgüter, zur Verfügung stehen, ist eine rein theoretische Vorausberechnung mit großen Unsicherheiten beinhaltet. Aus diesem Grund ist eine experimentelle Quantifizierung des Wärmeübergangskoeffizienten für das jeweilige feuchte Schüttgut unerlässlich. Grundsätzlich setzt sich der Gesamt-Wärmeübergang additiv aus drei verschiedenen Teilmechanismen zusammen:

  • Gaskonvektion: Wärmetransport von der Heizfläche an das umströmende Fluidisierungsgas;
  • Partikelkonvektion: Wärme, die an die Feststoffpartikel durch den kurzzeitigen Kontakt mit der Heizfläche übertragen wird; 
  • Wärmestrahlung: Abstrahlungswärme von der Heizfläche an die Wirbelschicht, praktisch vernachlässigbar für Temperaturen Während der Wärmeübergang von der Heizfläche an eine durchströmte ruhende Partikelschicht durch rein gaskonvektive Mechanismen dominiert wird, kommt oberhalb der Lockerungsgeschwindigkeit zusätzlich noch der partikelkonvektive Einfluss zum Tragen, dadurch steigt der Wärmeübergang sprunghaft bis zu einem Maximalwert an. 

Kornverteilung hat einen großen Einfluss auf die Wärmeübertragung
Neben der Anströmgeschwindigkeit hat vor allem auch die Kornverteilung der Schüttung einen starken Einfluss auf den Wärmeübergang (Bilder 5 und 6). Bei Schüttungen mit sehr feiner Körnung und damit verbundener hoher spezifischen Oberfläche, lässt sich ein besonders hoher Wärmeübergang durch Partikelkonvektion erzielen, während der gaskonvektive Einfluss aufgrund niedriger Anströmgeschwindigkeit eine untergeordnete Rolle spielt. In diesem Fall ist dann ein besonders hoher Gesamt-Wärmeübergang zu erwarten. 

Umgekehrt sind die Verhältnisse bei Grobkorn-Wirbelschichten. Aufgrund der kleineren spezifischen Produktoberfläche ist hier der partikelkonvektive Mechanismus vernachlässigbar. Vielmehr ist der gaskonvektive Mechanismus aufgrund höherer Anströmgeschwindigkeiten dominant. Dennoch sinkt der Gesamt-Wärmeübergang, da die Partikelkonvektion für den hervorragenden Wärmetransport verantwortlich ist.

Bei Feinkorn-Wirbelschichten mit hohem partikelkonvektiven Wärmeübergang führt eine zu heftige Fluidisierung und der damit verbundene hohe Blasenanteil zu einem schlechteren Gesamt-Wärmeübergang, da der Zeitanteil, während dessen die Heizfläche von einer Blase umgeben ist, steigt und die effektiv zur Verfügung stehende Heizfläche für „Partikelstöße“ reduziert ist. Aus diesem Grund fällt der Gesamt-Wärmeübergang bei Feinkorn-Wirbelschichten nach Erreichen eines Maximums deutlich stärker ab als bei Grobkorn-Wirbelschichten. 

Durch Staubrückführung steigt die Leistung
des Trockners

Allgemein liegen Schüttungen in der Praxis meist polydispers vor, so dass es sich nicht vermeiden lässt, dass im Verlauf der Trocknung die Feinstfraktion mit der Abluft ausgetragen wird, wodurch sich der Grobkornanteil im Trockner aufkonzentriert. Da für den Wärmeübergang die Kornverteilung des Trocknerinventars entscheidend ist, hätte dies eine Reduktion des Wärmeübergangs zur Folge. Aus diesem Grund wirkt sich eine Staubrückführung positiv auf die Trocknungsleistung aus. Bei Produkten mit hohem Oberflächenwassergehalt liegen teilweise starke Haftkräfte durch Flüssigkeitsbrücken vor, wodurch das Fließverhalten und schließlich die Fluidisierbarkeit deutlich eingeschränkt sind. Diese eingeschränkte Partikelbeweglichkeit dämpft den Wärmeübergang im Vergleich zu einer trockenen, frei fließenden Schüttung unweigerlich ab.

 

Neben den oben beschriebenen Schüttguteigenschaften beeinflusst auch der anliegende Systemdruck den Wärmeübergang. Mit zunehmendem Druck und damit verbundener Erhöhung der Dichte des Fluidisierungsmediums wird eine gleichmäßigere Fluidisierung ermöglicht, was sich vor allem auf den gaskonvektiven Mechanismus positiv auswirkt. Somit kann für gröbere Partikel mit steigendem Systemdruck ein besserer Wärmeübergang erzielt werden. 

Schließlich hat auch die Geometrie und Anordnung der eingetauchten Rohrbündel einen Einfluss auf den Wärmeübergang. Im Vergleich zum Einzelrohr ist beim Rohrbündel der Wärmeübergang leicht reduziert. Auch der Abstand zwischen den Rohren sollte nicht zu klein gewählt werden, da sonst der Partikelfluss behindert wird und vor allem bei sehr feuchten Schüttungen zur Brückenbildung und Verblockungen führen kann.

Fazit: Schlussendlich lässt sich festhalten, dass der Gesamt-Wärmeübergang hauptsächlich von der Kornverteilung der Schüttung abhängt. Die Effizienz dieses Trocknertyps ist vor allem bei fein gekörnten Schüttungen besonders hoch, da in diesem Fall besonders hohe Gesamt-Wärmeübergänge erzielt werden können. Somit kann besonders viel Wärme über die Heizflächen bei kleinsten Apparateabmessungen übertragen werden, während sich die erforderliche Luftmenge auf ein Minimum reduziert.

Heftausgabe: November 2014
Michael Pfeiffer, Allgaier

Über den Autor

Michael Pfeiffer, Allgaier

Michael Pfeiffer ist Vertriebs- und Projektingenieur Trocknungstechnik bei Allgaier Process Technology

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