Theorie der HeiJ3lufttrockner Ein Lehr- und Handbuch fUr Trocknungstechniker Besitzer und Leiter von gewerblichen Anlagen mit Trockenvorrichtungen Fur den Selbstunterricht bearbeitet von w. Schule Mit 34 Textfiguren und 9 Tabellen Berlin Verlag von J uli us Springer 1920 AIle Rechte, insbesondere das der Dbersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten. Copyright 1920 by Julius Springer, Berlin. Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1920 ISBN-13: 978-3-642-47288-6 e-ISBN-13: 978-3-642-47718-8 DOI: 10.1007/978-3-642-47718-8 Vorwort. Die vorliegende Arbeit gibt eine Theorie derjenigen Trockner, bei welchen erwarmte atmospharische Luft bezw. direkte Feuergase die Wasserentziehung bewirkim. Beschreibungen und Vergleiche der zahlreichen Trockner und Darren, welche fUr Kornerfriichte und andere Stoffe mehr oder weniger geeignet sind, sollen - soweit es sich um Konstruktions eim.elheiten handelt - nicht vorgenommen werden, da wir ledig Hch eine Zusammenfassung der theoretischen Berechnungsgrund lagen mitteilen wollen, welche fiir alle Systeme der bezeichneten .Art Giiltigkeit besitzt. Bevor zur Berechnung der Trocknergeschritten werden konnte, m~Bten die physikalischen Eigenschaften der Luft mit Riicksicht auf den vorlicgenden Zweck ErHiuterung tinden. Die Grundlagen der Thermodynamik, z. B. die einfachsten Eigenschaften der Gase und Dampfe, sind hierbei als bekannt vorausgesetzt worden. Der Verfasser ist bemiiht gewesen, den behandelten Stoff in einer neuartigen, leicht faBlichen Form darzustellen, welche auBerst iibersichtlich ist und das Selbststudium erleichtert. Die ausfiihrlich durchgerechneten Beispiele sollen dem Lernenden eine gewisse Vbung in der Anwendung des Gebotenen verleihen. Angesichts der groBen Anzahl bereits bestehender Trocknungs betriebe, sowie der zunehmenden Verwendung von Trockenanlagen in neuzeitlich eingerichteten Mahl- und Schalmiihlen, Lagerhausern. landwirtschaftlichen Betrieben u. dgl. erscheint es wiinschenswert. das volle Verstandnis der Berechnungsgrundlagen fiir HeiBlufttrockner zu fordern. Nicht allein der Trocknungstechniker, sondern auch der Besitzer oder Leiter derartiger Betriebe hat ein Interesse daran. einen Einblick in die warmetechnischen Vorgange zu gewinnen, der es ihm ermoglicht, die Giite vorhandener Einrichtungen zu beurteilen, den Zusammenhang von Priifungsergebniss4m zu erkennen und diese sinngemaB zu verwerten. Hamburg, im Dezember 1919. Der Verfasser. lnhaltsverzeichnis. S. .l te Etnleltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 I. Die phlslkaUschen Eigenschartender Luft . . 5 a) Dampfgehalt in einem cbm Luft und Siittigungsgrad 5 b) Gesamtdruok feuohter Luft und seine Zusammensetzung. 7 0) Das spezifisohe Gewioht des trockenen Teiles der Luft 9 d) Das spezifisohe Gewioht feuohter Luft . . • . . . . . • 12 e) Wassergehalt in einem Kilogramm feuohter Luft . . . . 12 f) Wassergehalt, bezpgen auf ein Kilogramm des trookenen Teiles feuohrer Luft . . . . . • . . . . • . . . . . • . . ., 13 g) Die Verhii.ltnisse bei Driioken, welohe wesentlioh iiber oder unter 760 mm Hg liegen . . . . . • . . . . • . . . • '. . .. 16 h) Die Lufttemperatur liege iiber 1000 C, der Gesamtdruok ent- spreche dem mittleren Barometerstand von 760 mm Hg • 17 IL Die Berechnung der Trockner 21 a) Trookendauer und Trocknerinhalt . . . 21 b) Silttigungsgrad derAbluft • . . . . . 23 0) Temperatur des getrockneten Materials 26 d) Spezifische Wilrme des getrockneten Gutes 31 e) Erforderliohe Wasserentziehung in Prozenren des Feuohtgutes bei vorgesohriebenem EndwaBsergehalt des Materials • •• 32 f) Ermittlung der Feuohtgutmenge aus dem Anfangs- und End waBsergehalt bei bekanntem Gewioht der Trookenware •. 33 g) Bestimmung des Gewiohts der trookenen Luft, welohes zur Verdampfung einer gegebenen Wassermenge erforderlioh ist 34 h) Erforderliche Leistung des Ventilators und sein Kraftverbrauoh 37 i) Berechnung der Luftwiderstande. . • • . . . . . . . . •. 41 k) Warmeverbrauoh innerhalb des Trookners und Abluftverlust 52 I) Bestimmung der Abluft- und Hei131ufttemperatur aus dem Warmeverbrauoh . . . . . . . • . . • 57 m) Erzeugung der Hei13luft. . . . ... . . . . 64 n) Bildliohe Darstellung des Warmeverbrauches 83 0) Anwendungsbeispiele • . • . . . . . . • . 87 p) Bestimmung der Abluft- und Hei13Iufttemperatur mit Hilfe des "Warmeinhaltes" feuohter Luft • 111 q) Kiihlung .•.....•...... 124 r) GIeiohstrom oder Gegenstrom? • . . . 130 s) Zur Beurteilung des Warmeverbrauohs. 135 Ill. Die Bestimmung der reiatiTen Lnftfeuchtlgkeit 138 IV. Der Ventilator 141 V. Tabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 Einleitnng. Bei dem Trocknen und Darren von Kornerfriichten und anderen Stoffen findet die Verdampfung des Wassers unter dem Drucke der Atmosphare statt. Der geringe Oberdruck bei Verwendung von Druckluft-Ventilatoren, oder der Unterdruck bei Benutzung von Saugluft betragt stets nur wenige Millimeter Wassersaule (W. S.), so daB ohne weiteres angenommen werden kann, die Verdunstung ~er Feuchtigkeit finde unter dem vom Barometer angezeigten Drucke statt. Wahrend die im Abschnitt I entwickelten theoretischen Grundlagen auch fUr jeden beliebigen Oberdruck oder Unterdruck Giiltigkeit besitzen, haben wir im Abschnitt II stets vorausgesetzt, die Wasserverdainpfung erfolge angenahert bei non:p.alem Barometer stande. Von der Berechnung der eigentlicheri. Vakuumtrockner ist Abstand genommen worden, weil, sie nicht zu den HeiBlufttrocknern zahlen, die uns hier allein interessieren. Die Temperatur der feuchten Abluft liegt bei den letzteren meistens unter 1000 C, denn hohere Warmegrade kommen mit Riick sicht auf die Eigenschaften der meisten Stoffe in der Praxis selten vor. Trotzdem sind im Abschnitt I die Berechnungsgrundlagen fiir solche Falle mitgeteilt worden, bei welchen die Ablufttemperatur 1000 C und dariiber betragt. Die in den folgenden Abschnitten entwickelten' Theorien sind ~arum fiir jeden beliebigen HeiBlufttrockner verwendbar und es konnen hiernach Apparate fiir jeden Verwendungszweck und jede Ausfiihrungsform, wie Schachttrockner, vertikale Dampfdarren, Dampf und HeiBlufttrockentrommeln, Herd- und Zylinderdarren, Trocken horden, Brauereidarren usw. berechnet werden. Will man die theoretischen Entwicklungen auf praktische FaIle anwenden, so miissen fUr jede besondere Bauart und jeden Verwendungszweck eine ganze ·Anzahl Daten bekannt sein, welche sich nur durch eingehende Versuche, nicht aber auf Grund rein theoretischer Erwagungen zuverlassig ermitteln lassen. Hierzu ge horen: S c h u Ie, Heilllufttrockner. 1 2 Einleitung. a) Die Trockendauer, d. h. der Zeitraum, wahrend deeBen das Material der warmen Trockenluft auszusetzen iet, wenn die verlangte Wasserentziehung in auereichendem MaBe und ohne N achteil fiir die spezifischen Eigenschaften des Gutes stattfinden solI. b) Die zulassige Hochettemperatur, welche das Trockengut vertragt. c) Die maximale Eintrittstemperatur der Trockenluft, bei welcher die zulassige Erwarmung deB Materials nicht iiber schritten wird. d1) Der erreichbare Feuchtigkeitsgrad der Abluft und ihre Temperatur, beide dicht hinter dem Trockner gemessen, bei einem gewissen Prozentsatz Wasser im feuchten Gute, einem bestimmten Endwassergehalt dee getrockneten Materials, sowie bei einer gegebenen Eintrittstemperatur der HeiBluft bzw. bei bekannter Hochsttemperatur der Trockenware. e1) Die Temperatur, welche das getrocknete Gut bei bestimmter relativer Feuchtigkeit und Temperatur der Abluft annimmt. f) Die infolge Strahlung und aus anderen Griinden zu er wartenden Warmeverluste bei einer bestimmten Bauad und gewissen Arbeitsbedingungen. g2) Der Gesamtdruckunterschied zwischen Saug- und Druckseite des Ventilators. h) Der Wirkungsgrad dee Lufterhitzers uew. Aus den vorstehenden Angabe.n geht zur Geniige hervor, daB bei der Berechnung eines neuen Trocknets eine Reihe Faktoren angenommen werden miissen, welche nur durch Versuche an dem auegefiihrten Apparat nachgepriift werden konnen. Erst nachdem mehrere GroBen eines Trockners unter verechiedenen Betriebs bedingungen systematisch untersucht worden sind, gelangt man zu festen Daten, welche die Voraussetzungen zur Berechnung jeder beliebigen GroBe eines bestimmten Apparates lieferu. Es ist darum schlechterdings unmoglich, allgemein giiltige Rechnungswerte fiir jedes beliebige System zu gebeti. 1) 1m Abschn. II, Abs. b u. c sind Arbeitshypothesen zur L08ung dieser Fragen entwickelt worden, die gute Ubereinstimmung mit den Beobachtungen der Praxis ergeben. 2) Eine rechnerische Ermittelung der DruckhOhe, welche brauchbare Nij.hernngswerte ergibt, iet fur manche Bauarten durchfiihrbar. Siehe hierzu Abllchn. II, i. Einleitung. 3 So sind z. B. der erreichbare Sattigungsgrad 'der Abluft, ,die Wiinneverluste innerhalb des Trockners und der Ges~tdruck dee Ventilators fUr die mannigfachen Ausfiibrungsarten sOOr verscbieden; es hangen hiervon aber der Warmeverbrauch und der Kraftbeda.rf einer 'Anlage unmittelbar abo Die im Abschnitt II durchgerechueten Beispiele lehnen sich zwar praktischen Ergebnissen an, dennoch durfen sie aus obigen Grunden keineswegs allgemeine Giiltigkeit beanspruchen. Es sei noch erwii.hnt, daB u. W. bier zum eraten Male der Verlustfaktor nn" (Abschn. II) eingefuhrt worden ist, welchelt ~ Verhii.ltnis der im Trockner wirklich verbrauchten zur theoreti8(lh erforderlichen Nutzwii.rme angibt. Die Verh&ltniszahl »n" gestattet einen unmittelbaren SchluB auf die Gute eines Trockners und ist als Vergleichswert von groBter Bedeutung. Wir haben femer eine bildliche Darstellung der beim Trocknen verbrauchten Teil-Wii.rmemengen angewandt, wodurch die Berech nungen sehr anschauliche Form gewinnen diirften. Die Verwendung direkter Feuergase hat sich auch bei der Trocknung solcher Produkte, welche nur maBige Erwii.rmung vertragen, gut bewahrt. Es scbien daher geboten, die Vorgange. welche die Entstehung eines Gemisches aus direkten Feuergasen und' atmo spharischer Luft bewirken, naher zu erlautem und die Formeln fur die zahlenmaBige Behandlung des Gegenstandes zu entwickeln (Abschn. II, m). In den Abschnitten III und IV sind Methoden zur Bestimmung der relativen Feuchtigkeit und der verbrauchten Luftmenge mit geteilt worden. Es ist damit auch dem mit der Trocknungstechnik weniger Vertrauten die Moglichkeit eroffnet, wissenscha.ftlichen Pru fungen einer Trocknungsanlage mit Verstandnis zu folgen, oder, nach griindlicher Aneignung der theoretischen Grundlagen, die er forderlichen Versuche auch selbst auszufuhren. Die Tabellen im Abschnitt V enthalten alle diejenigen Werte, welche bei den Berechnungen von Belang sind, so daB ein Nach schlagen in anderen Werken nicht erforderlich ist. Die groBe Bedeutung der Trocknungsindustrie fur die Volke wirtscha.ft unterliegt keinem Zweifel. Riesige Vermogenswerte Mnnen durch rechtzeitige Trocknung leicht verderblicher landwirtBchaft licher Produkte dem Reiche gewonnen werden. Dies gilt eben sowohl fur die Trocknung von Kartoffeln, Ruben, Obst, Ge muse u. dgl., als auch fiir die Trocknung von Brot- und Saat getreide Bowie anderen Komerfriichten. Es ist z. B. bekannt, daB die Lagerung feuchten Getreides infolge des schnell insetzenden Atmungsprozesses bedeutende Verluste an Trockensubstanz herbei- 1* 4 .i<..inleitung. fUhrt, die Entstehung von Auswuchs begunstigt und die Keimfah.ig keit herabaetzt. Die spezifischen Eigenschaften jedes Stoffes stellen an die Konstruktion und Bedienung der Trockner bestimmte Anforderungen, welche ediilit werden mussen, wenn die Endprodukte vom Stand punkte des Nahrungsmittelchemikers, MulIers, Landwirtes, Brauers usw. als einwandfrei bezeichnet werden sollen. Eine erschopfende Behandlung des Trocknungswesens von diesen <ksichtspunkten aus falIt jedoch nicht in den Rahmen dieser Schrift, die sich im wesentlichen mit der warmetechnischen Seite der Trocknung beschaftigt. I. Die physikalischen Eigenschaften der Lnft. a) Dampfgehalt in einem Kubikmeter Luft. u~d Sattigungsgrad. Die Bestandteile der atmospharischen Luft, welche uns hier allein interessieren, sind: trockene Luft und Wasserdampf. Der letztere diffundiert mit dem trockenen Teil der Luft vollkommen, und das Gemisch beider nennen wir "feuchte Luft". Der Wasser gehalt derselben ist aber kein beliebig hoher, sondern es besteht eine bestimmte Grenze der Wasseraufnahmefahigkeit. Zahlreiche Versuche haben den Nachweis erbracht, daB ein cbm feuchter Luft sich im Zustande der Sattigung befindet, wenn die darin enthaltene Dampfmenge das gleiche Gewicht besitzt, wie ein cbm gesattigter Wasserdampf von derselben Temperatur wie die Luft. Das maxi male Gewicht der Feuchtigkeit in einem cb:pl Luft ist also gleich dem "spezifischen" Gewichte des darin enthaltenen Sattdampfes. Das letztere kann ohne weiteres den Dampftabellen III und IlIa, Spalte 4, entnommen werden, wo es mit ,,"I." bezeichnet lltld fiir + die Temperaturen von _100 bis 100° Celsius angegeben ist. + In einem cbm feuchter Luft von 20° 'C befindet sich z. B. 17,3 g Dampf, wobei die Luft vollkommen gesattigt ist; gleichzeitig wiegt aber ein cbm Sattdampf von 20° ebenfalls 17,3 g (Tabelle III, Spalte 4). Ein Gemisch aus trockner Luft und Wasserdampf fliIlt denselben Raum aus, wie Dampf - von der gleichen Temperatur wie die Luft - aIlein, d. h. ohne das Vorhandensein der letzteren, einnehmen wiirde. Diese Erscheinung wird deutlicher, wenn man das unter "b" iiber die Zusammensetzung der Luftspannung Gesagte sich klar macht. Die Befeuchtung trockener Luft hat zur Folge, daB ihre Spannung urn diejenige des gebildeten Dampfes sinkt, und somit eine Ver diinnung der urspriinglich vollkommen trocken gedachten Luft mit dem Diffusionsvorgang zusammen eintritt. Die Gesamtspannung del! so .entstandenen Luft-Wasserdampfgemisches bleibt hierbei gleich dem Drucke der Atmosphiire bzw. gleich der anfanglichen Spannung der trockenen Luft vor der Mischung. (Vgl. "b".) 6 Die physikalisohen Eigensohaften der Luft. Wenn hiernach einem cbm trockener Luft Feuchtigkeit· zugefiihrt wird, so ist das resultierende Volumen keineswegs gleich der Summe aus Dampf- und Luftvolumen! Dieses trii.fe nur dann zu, wenn beide Teile vor der oMischung unter demselben Druck gestanden hatten, was aber nur bei einer Dampftemperatur von 1000 C und dariiber der Fall sein konnte, sofern wir mit atmosphii.rischer Luft zu tun haben. (Vgl. Abschn: I, h.) Eine VergroBerung des Volumens wird bei der Wasseraufnahme zwar stattfinden, da die trockene Luft an Spannung verliert und dies, unter Annahme gleichbleibender Temperatur, nur durch Aus dehnung geschehen kann; jedoch erfolgt die letztere im Verhiiltnis der spe~ifischen Gewichte der trockenen Luft vor .und nach der Mischung. Wiegt z. B. ein cbm trockener Luft anfii.nglich "rl" kg, und ein cbm des trockenen leiles der geschaffenen feuchten Luft ")'11" kg, so erfolgt die VolumenvergroBerung im Verhaltnisrl: r\l; sie wird. also bei gleichbleibender Temperatur sehr gering ausfallen, wenn die Spannung des aufgenommenen Dampfes klein war. (Vgl. "b" u. "c".) Das ~eue Volumen ist gleichzeitig dasjenige des hinzugetretenen Dampfgewichtes. Der absolute Wassergehalt feuchter Luft im Zustande der Siittigung (ausgedriickt in g oder kg/cbm) ist von der Lufttemperatur abhangig und wird mit ihr wachsen oder fallen. Erwarmt man also gesattigte Luft von taO z. B. auf to, so wird die wii.rmere Luft neuerdings Feuchtigkeit aufnehmen konnen; kiihlt man dagegen ge s~ttigte Luft von t.o ab, so findet beim geringsten Unterschreiten dieser Sattigungstemperatur ein Niederschlagen des Dampfes statt. Man bezeichnet die Temperatur, bei welcher die Grenze der Wasser aufnahmefahigkeit erreicht wird, als den Taupunkt. Beim Trocknen handelt es sich nun offenbar stets um die Ver dampfung der im Material enthaltenen Feuchtigkeit, und man hat bei 'allen Berechnungen von HeiBlufttrocknern immer wieder die folgenden zwei Bedingungen in Ubereinstimmung zu bringen: 1. Die Lu/tmengc, welche durch das Material ge/uhrt wird, mufJ so bemessen sein, dafJ sic bei der Austrittslemperatur ttl mindestens imstande ist, das zu entziehende Wasser au/zunelzmen. (Um die Lutt zu dieser Wasserau/nahme zu bejahigen, mufJ eine Erwarmung der Trockenluft vomusgehen, da die atmosphiirische Luft im natiirlichen Zustande meistens zu feucht ist.) 2. Die erforderliche Luftmenge von der AufJenlufttemperatur ta mufJ aul cine Hochsttemperatur th gebracht werden (sofern der Heiz k6rper aufJerhalb des '/'rockners liegt), damit bei Abkuhlung der' ein tretenaen Luft von auf die Ablu/ttemperatur tn diejenige Wiirme- thO