FI 1 Messblende Gesamtluft FI 2 Messblende Abluft

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1 Trocknung Labor für Thermische Verfahrenstechnik bearbeitet von Prof. Dr.-Ing. habil. R. Geike 1. Beschreibung der Anlage und der Versuchsdurchführung Bei diesem Versuch handelt es sich um die Trocknung eines körnigen Feststoffes in einem Konvektionstrockner, speziell in einem Umlufttrockner. Von der Bauart her handelt es sich um einen Bandtrockner (Firma Hoffmann), Bild 1 zeigt schematisch den Aufbau mit Messstellen. Das (homogenisierte!) feuchte Gut wird aus einem Vorratsbehälter mit Hilfe einer Rüttelrinne gleichmäßig auf das Band aufgebracht und auf diesem durch den Trockner transportiert. Im Trockner wird das feuchte Gut von oben mit Warmluft angeblasen. Bild 1: Schematische Darstellung des Bandtrockners mit den Messstellen T 1 Gesamtluft vor Heizung (ohne Messfühler) TI 2 Gesamtluft nach Heizung TI 3 Luft nach Trocknung TI 4 Abluft TI 5 Kühlgrenztemperatur Abluft T 6 Frischluft T 7 Kühlgrenztemperatur Frischluft FI 1 Messblende Gesamtluft FI 2 Messblende Abluft Im Trockner gibt das Feuchtgut Wasser an die Trocknungsluft ab, so dass es getrocknet den Apparat verlässt. Die Trocknungsluft kühlt sich dabei ab. Die abgekühlte und mit Feuchtigkeit Beuth HS für Technik Berlin, Labor Thermische VT, Trocknung, Juni 2010 Seite 1

2 beladene Abluft wird von einem Gebläse abgesaugt. Ein Teil dieser Abluft wird ins Freie geblasen, der Rest wird als Umluft mit Frischluft gemischt und als Gesamtluft erneut erhitzt (Umlufttrockner!). Für zwei verschiedene Eintrittstemperaturen der aufgeheizten Luft in den Trocknungsprozess sind die notwendigen Daten zu erfassen und daraus die für die Bilanzierung und Auswertung benötigten Werte zu berechnen. Die Feuchte der angesaugten Luft und der Abluft wird mit Aspirationspsychrometern bestimmt. Um eine Messung überhaupt erst zu ermöglichen, wird die Abluft zunächst gekühlt. Worauf ist bei dieser Kühlung zu achten, wenn die Messung nicht verfälscht werden soll? Zur Ermittlung der Feuchte aus den gemessenen Temperaturen stehen im Labor Psychrometer-Tabellen bzw. ein Rechenprogramm zur Verfügung. Der Massenstrom des getrockneten Gutes wird ermittelt, in dem über einen definierten Zeitraum die in einem auf einer Waage stehenden Auffanggefäß gesammelte Menge bestimmt wird. Beachten Sie dabei die Menge der jeweils im Zeitraum entnommenen Proben. Die Bandgeschwindigkeit lässt sich von 0,1 bis 2,7 m/min einstellen. Messen Sie die eingestellte Bandgeschwindigkeit zu verschiedenen Zeitpunkten. Ebenso ist der Luftstrom über ein drehzahlgeregeltes Gebläse einstellbar. Der Umluftstrom wird durch eine elektrische Heizung aufgewärmt. Der Abluftvolumenstrom ist über eine Klappe einstellbar. Die Messung der Luftströme - Gesamtluft und Abluft - erfolgt über Messblenden. Die Temperaturen der einzelnen Messstellen werden von einem Mehrkanalschreiber aufgezeichnet. Die Messstellen sind Bild 1 zu entnehmen. Die Versuche werden über einen Zeitraum von jeweils 60 min gefahren. Dabei werden die Messungen (Temperaturen, Druckdifferenzen, Feuchten, Gutmasse) beispielsweise im 10-min-Takt vorgenommen. Der Beginn der Messung setzt einen vollständigen Durchlauf an Gut durch den Trockner voraus, die Zeitdauer dafür hängt von der eingestellten Bandgeschwindigkeit ab. Der Feuchtigkeitsgehalt des Gutes vor bzw. nach der Trocknung wird bestimmt, in dem Proben des jeweiligen Gutes gewogen, in der Mikrowelle vollständig getrocknet und erneut gewogen werden. Zu jeder der zwei Messreihen werden drei Proben des feuchten Gutes und sechs Proben des getrockneten Gutes untersucht. Beachten Sie bei der Probenahme des getrockneten Gutes, dass - die erste Probe des (getrockneten) Gutes einer Messreihe erst nach ausreichender Versuchslaufzeit genommen werden darf, - die Masse der entnommenen Proben bei der Ermittlung des Massenstromes für das getrocknete Gut berücksichtigt wird, - die Probenahme repräsentativ ist, d. h. gleichmäßig über die gesamte Breite des Bandes erfolgt. 2. Theoretische Grundlagen In diesem Abschnitt sind die Grundlagen der Feuchte- und Energiebilanz zusammengestellt. Der Hauptteil jedoch betrifft die Ermittlung der Luftströme aus den Blendenmessungen. Für die Berechnung der Angaben zur Feuchte und Enthalpie der Luft muss darüber hinaus auf die Vorlesungsunterlagen bzw. eine Formelsammlung zur Trocknung zurückgegriffen werden. Die für die Auswertung benötigten Daten sind im Wesentlichen durch Rechnung zu erhalten, die Eintragung der Daten in das h-x-diagramm dient im Anschluss daran lediglich der Interpretation der Daten bzw. des Prozessverlaufes. Feuchte Luft Die Luft durchläuft im Trockner die Zustandsänderungen nach Bild 2. Die im Lufterhitzer erwärmte Luft vom Zustand 2 erfährt während der Trocknung eine Zustandsänderung entsprechend der Linie Beuth HS für Technik Berlin, Labor Thermische VT, Trocknung, Juni 2010 Seite 2

3 2-3 im h-x-diagramm. Im idealen, isenthalpen Trockner verläuft diese Zustandsänderung entsprechend der Gleichung dh/dx = 0. Im realen Trockner verläuft die Zustandsänderung steiler entsprechend der Linie 2-3. Die Luft mit dem Zustand 3 bzw. 3 wird mit Frischluft (Zustand 0) gemischt. Der Mischzustand wird nach der Mischungsregel gefunden. Danach entspricht die Strecke 0-1 der relativen Luftmenge &m Lu mit dem Zustand 3 (Umluft), die Strecke 1-3 der relativen Menge Frischluft. Es gilt: m& = m& m& (1) LU L LA mit &m L der Gesamtluftmenge und &m LA der Abluftmenge, jeweils in der Einheit [kg tr. Luft / h]. Im stationären Zustand ist der Abluftmengenstrom gleich dem Frischluftmengenstrom (gilt dies für die trockene oder für die feuchte Luft?). Bild 2: Zustandsänderung der Luft im h-x - Diagramm Auswertung der Blendenmessungen Die Mengenströme &m L und &m LA werden mit Hilfe der Blenden FI 1 und FI 2 bestimmt (DIN EN ISO :1995). An den Blenden wird zunächst der Feuchtluftstrom bestimmt. Es gilt: &m F = C 4 1 β ε ABL 2 p ρ. (2) In dieser Gleichung ist C der Durchflusskoeffizient, ε die Expansionszahl, p die an der Blende gemessene Druckdifferenz, ρ die Dichte der Feuchtluft und A BL der Querschnitt der Blende. Der Durchflusskoeffizient C ist eine Funktion vom Durchmesserverhältnis β und der Re- Zahl, er berechnet sich nach der Gleichung: Beuth HS für Technik Berlin, Labor Thermische VT, Trocknung, Juni 2010 Seite 3

4 C = , 1 8 2, , , 0312 β 0, 1840 β 0, 0029 β (3) Re D Das Durchmesserverhältnis β in Gl. 2 und 3 ist definiert als w D ρ Re = η 0, 75 β = d/ D. Die Re-Zahl ist definiert als D ist der Rohrdurchmesser vor der Blende, η die dynamische Viskosität, ρ die Dichte der feuchten Luft. Die Geschwindigkeit w der Luft ist zunächst unbekannt, für einen ersten Iterationsschritt muss die Re-Zahl deshalb geschätzt werden (Gesamtluft: Re = , Abluft Re = ). Nach Berechnung des Massenstromes kann daraus die Geschwindigkeit berechnet und anschließend die Re-Zahl überprüft werden. Die Dichte der feuchten Luft kann aus der nachstehenden Zahlenwertgleichung bestimmt werden, wenn p D über φ berechnet wird. Werden T in K und p in mbar eingesetzt, erhält man die Dichte in kg/m³. ( 0,348 p 0,132 p ) D ρ = (5) T Die Gleichung der dynamischen Viskosität feuchter Luft lautet: η η x M + = η x M x M + x M D D D L L L D D L L mit x D und x L den Molanteilen des Dampfes und der Luft sowie M D und M L den Molmassen von Dampf und Luft. D.h., zunächst müssen aus den ermittelten Wassergehalten der Luft (X) im Abluftstrom die Massenanteile von Wasser und Luft und daraus die Molanteile von Wasser und Luft berechnet werden. Die Expansionszahlen ε sind bei konstantem Isentropenexponenten eine Funktion des Öffnungsverhältnisses und des Druckverhältnisses nach/vor der Blende. Für den vorliegenden Fall beträgt ε etwa 1,0. Der Mengenstrom Trockenluft berechnet sich aus der Feuchtluftmenge wie folgt (Gesamtluft bzw. Abluft): m m& F L = & (7) 1+ X Aus der Mischungsrechnung ergeben sich die Werte für X 1 = X 2 sowie für h 1 bzw. T 1. Damit kann die von der Luft aufgenommene Feuchtigkeit berechnet werden D,L L ( X X ) m& = m& (8) sowie die Heizenergie im Luftvorwärmer: 3 ( ) 2 Q& = m& L h2 h (9) 1 (4) (6) Feuchtes Gut Während des Trocknungsvorganges wird dem Gut Wasser durch Verdunstung entzogen. Die verdunstete Wassermenge läßt sich als Differenz der aufgegebenen und abgeführten Feuchtgutmengen schreiben: Beuth HS für Technik Berlin, Labor Thermische VT, Trocknung, Juni 2010 Seite 4

5 m & D,G = m& m& (10) G1 G2 Bezeichnet man mit W den Wassergehalt des Gutes bezogen auf 1 kg Trockensubstanz, so gilt: m& W W = (11) m & Es werden sowohl für das Feuchtgut als auch für das getrocknete Gut die Wassergehalte bestimmt (s.o.), sie werden mit W 1 und W 2 bezeichnet. Berechnen Sie aus den ermittelten Wassergehalten jeweils Mittelwert und Streuung. Aus der Gl. G2 ( 1 W ) m & = m& + (12) lässt sich der Massenstrom an Trockengut dann: G1 2 ( 1 W ) 1 m& bestimmen. Die aufgegebene Feuchtgutmenge ist m & = m& + (13) Damit kann der aufgegebene Gutmengenstrom und nach Gl.10 die verdunstete Wassermenge bestimmt werden. Beim Versuch wird die Heizenergie elektrisch zugeführt. Man könnte den Luftvorwärmer alternativ auch mit Sattdampf beheizen. Was wäre eine sinnvolle Heizdampftemperatur? Das Verhältnis von erforderlicher Heizdampfmenge &m HD zu ausgedampfter Wassermenge &m D ergibt dann eine typische Trocknerkennzahl. 3. Auswertung des Versuches 1. Es sind die für die Bilanzierung benötigten Luftmassenströme zu ermitteln. 2. Es sind die Zustandsänderungen der feuchten Luft beim Durchlaufen des Trockners zu ermitteln und in das h-x-diagramm einzutragen. 3. Der Heizenergieverbrauch & Q zur Erwärmung der Luft im Luftvorwärmer ist zu ermitteln. 4. Die Feuchtigkeitsaufnahme der Luft während der Trocknung und die Feuchtigkeitsabgabe des Gutes sind zu ermitteln. m 5. Berechnung der Trocknerkennzahl & m& HD D. 6. Bewerten und diskutieren Sie die auf den zwei Wegen ermittelten Wassermengen, die Streuung der erhaltenen Messdaten (Wassergehalte des Gutes, Lufttemperatur, Luftfeuchte), die Trocknerkennzahl und den Verlauf der Trocknungsgeraden im h-x-diagramm! Beuth HS für Technik Berlin, Labor Thermische VT, Trocknung, Juni 2010 Seite 5