Die wissenschaftlichen Grundlagen der Trocknungstechnik

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1 Trocknungstechnik Erster Band 0. Krischer Die wissenschaftlichen Grundlagen der Trocknungstechnik Dritte, neubearbeitete Auflage von WKast Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1978

2 Inhaltsverzeichnis Formelzeichen und Indizes XVII 0. Einleitung Begriffe und Fragestellungen Zur Thermodynamik der Trocknung 3 1. Stoff- und Energieumsatz beim Trocknen Die Bedeutung von Stoff- und Energiebilanzen Stoffbilanzen Energiebilanzen 8 2. Die Darstellung der Zustände des Trockenmittels im h-*- Diagramm Das h x-diagramm für Dampf-Gas-Gemische Entwicklung des A x-diagramms für Wasserdampf-Luft-Gemische Das h x-diagramm bei verschiedenem Gesamtdruck P Zur Aufstellung von h ^-Diagrammen für sonstige Gas-Dampf- Gemische Anleitung zur Überschlagsrechnung der wichtigsten Daten für Lösungsmittel Anwendung des h x-diagramms bei der Aufstellung von Energiebilanzen Beispiel zur Aufstellung und Ausdeutung von Energiebilanzen für Trockner Anwendung des A x-diagramms zur Darstellung von Zustandsänderungen Mischung von Luftmengen Einspritzen von Wasser oder Dampf in feuchte Luft und der Randmaßstab im h x-diagramm Zustandsänderuögen gleicher Kühlgrenze (reine Lufttrocknung) Deutung der Vorgänge bei der Lufttrocknung Die Bestimmung des Wasser-Dampfgehaltes der Luft aus der psychometrischen Messung und dem h x-diagramm bzw. der Sprungschen Formel Die Trocknung mit Rauchgasen Näherungsweise Gleichheit der h x-diagramme für Rauchgase und Luft Stoff- und Energiebilanz bei der Verbrennung Stoffbilanz Energiebilanz N Zunahme der Enthalpie Ahy und des Wasserdampfgehaltes Ax w beider Verbrennung 36

3 X Inhaltsverzeichnis Die Zunahme der Enthalpie Ahy Die Zunahme des Wassergehaltes 'Ahy Anwendung auf die Rauchgastrocknung..., Beispiel zur Anwendung des h x-diagramms auf Trocknungsvorgänge \ (Rauchgastrocknung) Die Bindung der Flüssigkeit an das Gut Der Zusammenhang zwischen Dampfdruck und Flüssigkeitsgehalt des Gutes Die Beeinflussung des Dampfdruckes durch äußere Kräfte Der Dampfdruck über Kapillaren und Tropfen Der Dampfdruck über Lösungen Der Dampfdruck über adsorbierten Gasen Der Dampfdruck über Absorbentien Die Sorptionsisothermen von Trocknungsgütern Die Darstellung des Gleichgewichtszustands im h x-diagramm Die Bindungswärme der sorbierten Flüssigkeit ;..: Die Grundlagen der Wärmeübertragung Wärmestrahlung Die Berechnung des Strahlungsaustausches bei grauen Körpern in strahlungsdurchlässigen Medien Vollständiger Strahlungsaustausch Teilweiser Strahlungsaustausch zwischen beliebigen Flächen Die Einstrahlzahl 0 für einige häufig vorkommende Fälle Die Wirkung von Reflektoren Die Strahlung bei teilweise durchlässigen Körpern und Medien Die spektrale Energieverteilung bei der schwarzen" Strahlung : Das Verhalten realer Körper Die selektive Emission Reflexion, Absorption, Durchlässigkeit fester und flüssiger Körper ' Die Gasstrahlung 88-= 4.2. Wärmeleitung.' ' Das Grundgesetz der Wärmeleitung Die Berechnung der Wärmeleitung in verschiedenen geometrisch einfachen Körpern im Beharrungszustand Unendlich ausgedehnte ebene Wände Unendlich lange konzentrische Zylinder (Rohrleitungen mit _ Wärmedämmung) ^95/ Die konzentrische Hohlkugel Die Kreisscheibe Die Wärmeleitfähigkeit fester, flüssiger und gasförmiger Stoffe Die Wärmeübertragung durch Strahlung und Leitung in dünnen Luftschichten bei veränderlichem Luftdruck Die Wärmeleitfähigkeit trockener poriger Stoffe Der Einfluß der Porosität und Verbindung der Feststoffteilchen Der Einfluß der Temperatur Der Einfluß des Luftdrucks auf die Wärmeleitfähigkeit poriger Stoffe Wärmeleitfähigkeit von Schüttungen Wärmeaustausch bei kurzfristigem Kontakt zwischen zwei Körpern Kurzfristiger Kontakt bei konstanter Oberflächentemperatur. 116

4 Inhaltsverzeichnis D Der Wärmeaustausch bei zeitlich veränderlicher Oberflächentemperatur Zeitlich veränderliche Wärmebewegung bei längerer Einwirkungsdauer Wärmeübergang Der Wärmeübergangskoeffizient durch Strahlung Der Wärmeübergang durch Konvektion in bewegten Medien Der Wärmeübergang bei außenumströmten Einzelkörpern und die Einführung' der Kenngrößen des Wärmeübergangs 128 ' Parallel angeströmte Platte bei laminarer Grenzschicht Parallel angeströmte Platte bei turbulenter Grenzschicht Die versuchsmäßig ermittelten Abhängigkeiten des fpe/ft ^v Wärmeüberganges bei außenumströmten Körpern. 132 LiuiAveMVö^J Freie Strömung (Auf-oder Abtriebsströmung) Der Wärmeübergang bei innendurchströmten Körpern (Rohren, ebenen Kanälen usw.) Bezeichnungen und Definitionen Wärmeübergang in durchströmten Kanälen bei hydrodynamisch ausgebildeter laminarer Strömung und thermischen Anlauf Wärmeübergang in laminar durchströmten Kanälen - ~~ bei hydrodynamischem und thermischem Anlauf Wärmeübergang in turbulent durchströmten Kanälen Zusammenfassende Darstellung des Wärmeübergangs bei durch- und überströmten Körpern an Luft Definitionen Entwicklung des allgemeinen Diagramms Haufwerke in geordneter und ungeordneter Verteilung der Körper (geschüttete Güter) Über die Anwendung der Tafel III für vielschichtige Haufwerke Die Bestimmung von n,d* und d*\v für Schüttungen 165" Wärme- und Stoffübergang in Wirbelschicht Die Stoffbewegung bei Strömung und Diffusion Begriffe (Knudsensche) Molekularbewegung , Laminare Strömung Turbulente Strömung Diffusion ; 175 * Zweiseitige Diffusion von Gasen ineinander Einseitige Diffusion eines Dampfes in einem Gas (Verdunstung) Die Stoffbewegung in Haufwerken, Schüttungen und porigen Gütern Der Diffusionswiderstand poriger Güter (Diffusionswiderstandsfaktor und Wegfaktor) Der Strömungswiderstand poriger Güter Gleichwertiger Durchmesser und Wegfaktor bei durchströmten Gütern Versuchsergebnisse bei der Durchströmung von Haufwerken und porösen Gütern 193

5 XII Inhaltsverzeichnis Physikalische Deutung der Vorgänge in porigen Gütern (Der Wegfaktor und der Stoßverlust bei der Stoffbewegung in Kanälen ungleichen Querschnitts) Röhren mit unstetiger Querschnittsänderung 198 5' Die Bewegungsvorgänge in Kugelhaufwerken Zusammenfassung und die Berechnung des Druckverlustes bei der Durchströmung von Schüttungen Die Flüssigkeitsbewegung in porigen Gütern unter der Wirkung von Kapillarkräften (Kapillarwasserbewegung) Die Ursache der Flüssigkeitsbewegung Der Feuchteleitkoeffizient Das Grundgesetz der Flüssigkeitsbewegung in einer Kapillaren Die treibende Kraft Der Flüssigkeitstransport in Einzelkapillaren Die kapillare Flüssigkeitsbewegung in Porensystemen Der Ansatz zur Beschreibung der Kapillarwasserbewegung in Porensystemen Die Grundgesetze der Kapillarwasserbewegung in Porensystemen dargestellt an einem Modellkörper Zur Anwendung der Gesetzmäßigkeiten auf die kapillare Flüssigkeitsbewegung in porösen Körpern Die Feststellung von Kapillarverteilungskurven Aus der Dampfdruckabsenkung im hygroskopischen Bereich Aus Schleuderversuchen im nichthygroskopischen Bereich Bestimmung des Feuchteleitkoeffizienten Im Beharrungszustand der Kapillarwasserbewegung Aus Trocknungsversuchen im nichthygroskopischen Bereich Aus Befeuchtungsversuchen Aus der Kapillarverteilungskurve Aus sonstigen Versuchen Die Größenordnung der Feuchteleitkoeffizienten Flüssigkeitstransport in nichtporigen Gütern infolge Flüssigkeitsdiffusion Stoffübergang Der Stoffübergangskoeffizient ' Die Gesetzmäßigkeit des Stoffübergangs Der Zusammenhang zwischen Wärme- und Stoffübergang für Grenzfälle Ruhende oder laminar bewegte Grenzschichten konstanter Dicke Rein turbulenter Austausch Die Abhängigkeiten des Stoffübergangs in strömenden Medien Die Abhängigkeiten des Stoffübergangs bei großen Teildruckunterschieden Die Beeinflussung des Wärmeübergangs durch den Stoffübergang Das Verhältnis a/ß Für erzwungene Strömung, Bei Auftriebsströmung 256 ' Die Abhängigkeit der Temperatur des nassen Gutes bei der Lufttrocknung von dem Verhältnis a\ß Stoffwerte für die Berechnung des Wärme- und Stoffaustausches in wasserdampffeuchter Luft Zusammenfassung Wärme- und Stofftransport in feuchten Gütern Die Wärmeleitung in feuchten Trocknungsgütern 269

6 [Inhaltsverzeichnis XIII! Problemstellung ' Die Wärmeleitfähigkeit von Stoffen mit maximaler Feuchte Die Charakterisierung der Feststoffstruktur Die äquivalente Leitfähigkeit der Porenluft unter dem Einfluß der Dampfdiffusion Die Wärmeleitfähigkeit feuchter Stoffe in nicht gefrorenem Zustand Die Wärmeleitfähigkeit feuchter Stoffe in gefrorenem Zustand...: i 6.2. Stofftransport in feuchten Trocknungsgütern Problemstellung Stationärer Transport durch einen feuchten Stoff Instationärer Transport durch einen feuchten Stoff Die Vorgänge bei der Trocknung fester Stoffe Beschreibung des Trocknungsablaufs Grundsätzliches über die Trocknung kapillarporöser Güter im Temperaturgleichgewicht Der Trocknungsablauf bei einem System von zwei Kapillaren Der erste Abschnitt der Trocknung bis zum Knickpunkt Die Knickpunktkurve Der zweite Abschnitt der Trocknung Ende des Trocknungsvorgangs Die Knickpunktskurve und der Trocknungsverlauf für ein ideelles Trocknungsgut Allgemeine Folgerungen Ermittlung der Trocknungszeit aus Trocknungsverlaufskurven Experimentelle Feststellungen über den Trocknungsverlauf an charakteristischen Trocknungsgütern Versuchsergebnisse bei Lufttrocknung mit niedrigen Temperaturen Ziegelsteine Kugelhaufwerke einheitlicher Körnung Ton Papierstoff Seife Holz...' Kartoffelscheiben Getreide Trocknung von Gütern mit verkrustenden Oberflächen Nicht verkrustende unlösliche Farbstoffe Verkrustende lösliche Farbstoffe.' Gips : Trocknung von Molekülkolloiden Einteilung und charakteristisches Verhalten Trocknungsverhalten von Kunststoffen Trocknungsverhalten von Gelen Zusammenfassung der Versuchsergebnisse für Lufttrocknung unter konstanten äußeren Bedingungen Versuchsergebnisse bei anderen Trocknungsarten Trocknungsvorgang im Vakuum Sublimationstrocknung Trocknungsvorgänge bei innerer Wärmezufuhr (Hochfrequenztrocknung) Diskontinuierliche Vakuumtrocknung Zusammenfassung der Versuchsergebnisse bei anderen Trocknungsarten als bei Lufttrocknung 367

7 XIV. Inhaltsverzeichnis 8. Der Einfluß der äußeren Bedingungen auf die Trocknungsgeschwindigkeit Einfache Berechnungen für die verschiedenen Trocknungsverfahren bei plattenförmigen Trocknungsgütern, Die Trocknungsgeschwindigkeit im ersten Trocknungsabschnitt Die Trocknungsgeschwindigkeit, wenn das Trockenmittel alleiniger Wärmeträger ist Die Trocknungsgeschwindigkeit bei Mitwirkung von Strahlung und Leitung Zweite Fassung der Gleichung zur Ermittlung der Anfangstrocknungsgeschwindigkeit Die Endtrocknungsgeschwindigkeit des zweiten Trocknungsabschnitts bei nichthygroskopischen plattenförmigen Gütern Die Endtrocknungsgeschwindigkeit bei Stefanscher Diffusion im Gutsinnern Wärmezufuhr von der Seite des Trockenmittels (Luft- und Strahlungstrocknung) Wärmezufuhr von der dem Trockenmittel abgewandten Seite (Kontakttrocknung) Allgemeine Beziehung für die Endtrocknungsgeschwindigkeit Die Endtrocknungsgeschwindigkeit bei Knudsenscher Molekularbewegung im Gutsinnern Die Trocknungsgeschwindigkeit im dritten Abschnitt der Trocknung (Endtrocknung im hygroskopischen Bereich) Ansatz für die Beschreibung der Trocknungsgeschwindigkeit im zweiten Trocknungsabschnitt Zusammenfassung der Anhaltspunkte für die Vorausberechnung des Trocknungsverlaufs plattenförmiger Trocknungsgüter bei gegebenen Bedingungen Die Bestimmung der Trocknungszeit aus der Trocknüngsverlaufskurve bei zeitlich und örtlich konstantem Luftzustand Temperaturveränderungen des Gutes beim Auf heizen oder Abkühlen zu Beginn der Trocknung Der Einfluß der Form des Trocknungsgutes auf Trocknungsverlauf und Trocknungszeit Problemstellung Der Einfluß der Form des Gutes auf die Lage der Knickpunktkurve Der Einfluß der Form des Gutes im zweiten Trocknungsabschnitt Der Einfluß der Form im dritten Trocknungsabschnitt Die Bestimmung der Trocknungszeit aus den Trocknungsverlaufskurven bei verschiedener Form des Gutes Zusammenfassung Aufgaben zur rechnerischen Behandlung von Trocknungsgütern Trocknung plattenförmiger Güter, z.b. chromgegerbter Lederhäute bei Konvektionstrocknung...' Die Anfangstrocknungsgeschwindigkeit m-q\ Berechnung der Oberflächentemperatur für Fall A und B Die Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten Die Anfangstrocknungsgeschwindigkeit w DI für die Fälle A und B Der Fall B b Die Lage des Knickpunktes 404

8 Inhaltsverzeichnis XV Die scheinbare Endtrocknungsgeschwindigkeit m DE Die Fälle A und B Der Fall B b Der Trocknungsverlauf im dritten Abschnitt Die Trocknungszeiten -; Trocknung kugelförmiger Güter, Einfluß des Luftdruckes und des Gutdurchmessers Die Anfangstrocknungsgeschwindigkeit THDI Berechnung der Oberflächentemperatur für die Fälle A undb Die Bestimmung der Wärmeübergangskoeffizienten Die Anfangstrocknungsgeschwindigkeit mjji Die scheinbare Endtrocknungsgeschwindigkeit Der dritte Trocknungsabschnitt Der Trocknungsverlauf und die Trocknungszeiten Einfluß zusätzlicher Strahlung bei der Trocknung von Stoffbahnen Konvektionstrocknung Die Änfangstrocknungsgeschwindigkeit m Di Die scheinbare Endtrocknungsgeschwindigkeit «DE Der Trocknungsverlauf Die Trocknungszeit Der Einfluß der Strahlung Die Anfangstrocknungsgeschwindigkeit /n D i Die scheinbare Endtrocknungsgeschwindigkeit m DE 417" Der Trocknüngsverlauf.: Die Trocknungszeiten Trocknen unter technischen Bedingungen und ihre Vorausberechnung Problemstellung Trocknen ruhender Güter Trocknung bei örtlich und zeitlich konstantem Luftzustand Örtlicher und zeitlicher Verlauf der Trocknung überströmter oder durchströmter ruhender Güter Allgemeine theoretische Zusammenhänge Experimentelle Feststellungen Analytische Vorausbestimmung der örtlichen und zeitlichen Feuchtigkeitsverteilung bei diskontinuierlichen Trocknungsvorgängen Vergleich der rechnerischen und experimentellen Befunde Zeitlicher Verlauf der Trocknung bei zeitlich veränderlichem Luftzustand Die Trocknung bewegter Güter, Trocknung dauernd durchmischter durchströmter Güter Trocknung eines bewegten Gutes bei örtlich und zeitlich konstantem Luftzustand Gleich- und Gegenstromtrocknung bei örtlich veränderlichem Luftzu- >. stand Der erste Trocknungsabschnitt Der zweite und dritte Trocknungsabschnitt Trocknerlänge und Verweilzeit bei Gleich- und Gegenstromtrocknern Aufgabe zur Berechnung eines Gleich- oder Gegenstromtrockners 452

9 XVI Inhaltsverzeichnis i 12. Die mathematische Behandlung des Wärme- und Stoffaustauschs beim Trocknen v, hygroskopischer Güter Problemstellung Aufstellung der Differentialgleichungen Vereinfachungen Die Differentialgleichung der Feuchtebewegung Die Differentialgleichung der Wärmebewegung Die Beziehung zwischen X, & und <p Die gekoppelten Differentialgleichungen des Energie- und Stofftransportes Beispiele Annahmen für die Beispiele und die zahlenmäßige Berechnung Die Ergebnisse Die Halbwertszeit der Trocknung Folgerungen für die Trocknung anfänglich sehr nasser Güter im III. Trocknungsabschnitt : Zusammenfassung 470 Literatur 471 Sachverzeichnis 486 Tafeln in der Tasche: Tafel I: h -x-diagramm für feuchte Luft bei Temperaturen von 20 bis 100 C und P = 1 bar Tafel II: h x-diagramm für feuchte Luft bei Temperaturen bis 3000 C und P = 1 bar ' x (näherungsweise auch gültig für Rauchgase) Tafel III: Allgemeine Darstellung des Wärme- und Stoffübergangs für durchströmte Kanäle und überströmte Körper Inhaltsübersicht der Bände 2 und 3 Trocknungstechnik, Bd. 2: K. Kröll, Trockner und Trocknungsverfahren Zweite neubearbeitete Auflage 1. Lehre von der Gestalt der Trockner 2. Lehre vom Geschehen in den Trocknern 3. Verhalten der Trockner 4. Kosten der Trocknung Trocknungstechnik, Bd. 3: K. Kröll, Trocknen und Trockner in der Produktion 1. Die Struktur der Stoffe und die Veränderungen der Güter beim Trocknen 2. Trocknen in der Landwirtschaft 3. Trocknen in den Lebens- und Genußmittelbetrieben 4. Trocknen in der holzverarbeitenden Industrie. 5. Trocknen in der Zellstoff-, Papier- und Pappenindustrie sowie in Druckereien 6. Trocknen in der Textilindustrie 7. Trocknen in der Lederindustrie 8. Trocknen in den chemischen und verwandten Betrieben 9. Trocknen in der keramischen Industrie 10. Trocknen in den Lackierbetrieben 11. Kurze Entwicklungsgeschichte der Trocknungstechnik