Trocknungstechnik: Die wissenschaftlichen Grundlagen der Trocknungstechnik

509 Pages·1978·18.98 MB·German

by  Dr.-Ing. Dr.-Ing. e.h. Otto Krischer, Dr.-Ing. Werner Kast (auth.)

Trocknungstechnik
Erster Band
Trocknungstechnik
Erster Band
o.
Krischer
Die wissenschaftlichen
Grundlagen der
Trocknungstechnik
Dritte, neubearbeitete Auflage von
W.Kast
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1978
Dr.-Ing. Dr.-Ing. e.h. Otto Kriseher Ct 26.5. 1976)
em. o. Professor für Heizungs- und Trocknungstechnik
an der Technischen Hochschule Darmstadt
Dr.-Ing. Werner Kast
o. Professor für Thermische Verfahrenstechnik und Heizungstechnik
an der Technischen Hochschule Darmstadt
Mit 367 Abbildungen
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ISBN 978-3-642-61880-2 ISBN 978-3-642-61879-6 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-61879-6
Library of Congress Cataloging in Publication Data.
Krischer, 0110. Die wissenschaftlichen Grundlagen der Trocknungstechnik. (Trocknungstechnik; Bd. 1) Biblio
graphy: p. Includes index. 1. Drying. 2. Heat--Transmission. I. Kast, Werner. 11. Tide. 111. Series: Krischer, Otto.
Trocknungstechnik; Bd. 1. TP368.K67 1978 Bd. 1 660.2'8426'088 [660.2'84261 78-2320
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©
by Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1963 and 1978
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1978
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Bindearbeiten : K. Triltsch, Würzburg 2060/3020 - S 4 3 2 1 0
Vorwort zur ersten Auflage des Gesamtwerkes
Seit der letzten Auflage von M. Hirschs "Trocknungstechnik" im Jahre 1932
haben sich sowohl die Erkenntnis der physikalischen Vorgänge beim Trocknen
als auch die schon immer große Fülle der Trocknerkonstruktionen und Trock
nungsverfahren so erweitert, daß die Überarbeitung des vor 25 Jahren erschienenen
Werkes nicht zweckmäßig erschien, sondern eine vollkommen neue Gestaltung
des Stoffes ratsam war.
Entsprechend den verschiedenen Tätigkeitsbereichen der beiden Verfasser
wurde der Stoff in zwei Teile aufgeteilt, deren erster die wissenschaftliche Grund
lagen, deren zweiter die Trockner und Trocknungsverfahren zum Gegenstand hat.
Angesichts des Umfangs beider Teile und gewisser zeitlicher Unterschiede in der
Fertigstellung war es zweckmäßig, eine Trennung in zwei Einzelbände vorzu
nehmen. In den Jahren der Entstehung des Gesamtwerks haben sich die Verfasser
in dauernder Zusammenarbeit bemüht, zu einer einheitlichen Sicht der zahlreichen
Probleme des Fachgebietes zu kommen, so daß die Darstellung gleicher Gegen
stände in den beiden Bänden weitgehend vermieden ist.
O. Kriseher K. Kröll
Vorwort zur neuen Auflage des Gesamtwerkes
Bei der Neubearbeitung wurde der Gesamtstoff wie bisher in einen ersten Teil
über "Die wissenschaftlichen Grundlagen der Trocknungstechnik" (Band I) und
in einen zweiten, die Verfahren, Maschinen und Anlagen der Trocknungstechnik
behandelnden Teil getrennt. Infolge des gewachsenen Umfangs des zweiten Teiles
erscheint dieser jedoch in zwei Bänden, wovon der eine den Titel"T rockner und
Trocknungsverfahren" (Band II) und der andere den Titel "Trocknen und Trock
ner in der Produktion" hat (Band III).
W. Kast K. Kröll
Vorwort zur dritten Auflage
Nach dem Tode von Professor Dr.-Ing. Dr.-Ing. e.h. O. Kriseher habe ich, als sein
Schüler und nachfolgender Leiter des Lehrstuhls für Heizungs- und Trocknungs
technik (1968 umbenannt in Thermische Verfahrenstechnik und Heizungstechnik),
die Überarbeitung seines Werkes für eine 3. Auflage übernommen. Der bewährte
Aufbau des Buches, der in der Art eines Lehrbuches von den Grundvorgängen der
Strömung, des Energie-und Stofft ransportes im aufnehmenden Medium und des
Feuchtetransports im Trockengut zum Beschreiben und mathematischen Erfassen
des 'Trocknungsvorganges in Gütern der unterschiedlichsten Art und Form fort
schreitet, wurde beibehalten. Es blieb auch die Beschränkung auf die wissenschaft
lichen Grundlagen, wobei aber die Behandlung der zahlreichen Trocknungsver
fahren, z. B. der Zerstäubungs-, Gefrier-oder Wirbelschichttrocknung, soweit auch
in Hinblick auf die technischen Bedingungen erfolgte, daß eine direkte Überleitung
zu den im 2. und 3. Band behandelten Trocknern und Trocknungsverfahren
besteht.
Alle Kapitel wurden dem fortgeschrittenen Wissen angepaßt. Stärkere Ände
rungen waren notwendig für die Abschnitte
- die konvektive Wärme- und Stoffü bertragung,
die Oberflächen-und Kühlgrenztemperatur,
die Bindungsenergie,
die Kapillarwasserbewegung,
das Verhältnis tx/P,
die mathematische Behandlungdes Wärme-und Stoffaustausches beimTrocknen,
- das Trocknen unter technischen Bedingungen.
Wenn auch die Trocknung von wasserfeuchten Produkten nach wie vor das
größte Interesse beansprucht, so wurden doch die Ansätze so verallgemeinert, daß
sie auch für die Entfernung anderer Lösungsmittel als Wasser gelten.
Auch heute sind wir noch nicht in der Lage, die sehr komplexen Wechselwir
kungen zwischen dem zu trocknenden Gut und dem Feuchtetransport in ihm
quantitativ allgemeingültig zu beschreiben. Die Umrechnung des gemessenen
Trocknungsverlaufes auf andere Trocknungsbedingungen ist daher eine wichtige
Aufgabe, welche behandelt wird. Doch setzt uns die Komplexität des Vorganges
sogar hierbei heute noch enge Grenzen.
Bei der mathematischen Behandlung führt die elektronische Datenverarbei
tung zu einer wesentlichen Vereinfachung der numerischen Rechnungen, die einen
Verzicht auf die früher üblichen Reihenentwicklung zur Lösung von Differential
gleichungen erlaubte.
Danken möchte ich Herrn Dr.-Ing. E. Sommer, Farbwerke Höchst AG, der
die Bearbeitung des Abschnittes über die Kapillarwasserbewegung übernommen
und, ausgehend von eigenen Untersuchungen, neu geschrieben hat.
Vorwort zur dritten Auflage VII
Wegfallen mußte leider das Kapitel zur meßtechnischen Bestimmung des
Feuchtigkeitsgehaltes. Infolge der Entwicklung der Meß- und Regeltechnik hätte
dieses Kapitel den Umfang des Buches gesprengt. Auch kann hier auf neue Fach
literatur zu diesen Fragen verwiesen werden.
Alle Bilder und Tabellen wurden auf neue SI-Einheiten umgestellt, sowie eine
weitgehend den DIN-Empfehlungen angepaßte Nomenklatur verwendet, ohne
aber völlig auf die in der Trocknungstechnik üblichen Bezeichnungen zu verzichten.
Danken möchte ich den früheren Mitarbeitern von Professor Krischer, die mir
manche Anregung gaben und meinen jetzigen Mitarbeitern, welche mir, bei der
Überarbeitung halfen.
w.
Darmstadt, Frühjahr 1978 Kast
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emC1jTli'iv ud{}' luaC1TOV 1'&0, bp' {JC10V Ij Toii
'JtedypaTo~ 'PVC1t~ em6sXETat.
Der geschulte Mann erstrebt in jedem Fach
gebiet keine größere Genauigkeit, als das Wesen
des Gegenstandes (vernünftigerweise) zuläßt.
ARISTOTELES, Nikomachische Ethik 1094 b 24.
Aus dem Vorwort zur ersten Auflage
Das vorliegende Buch wendet sich an diejenigen Ingenieure, Physiker und Chemi
ker, die mit der Handhabung, überwachung, Entwicklung, Planung und dem Ent
wurf von Trocknungsvorrichtungen zu tun haben. Zur Beurteilung möglicher
Wärmeausnutzung, sinnvoller Anwendung der verschiedenen Trocknungsverfah
ren und Apparate, zur richtigen Dimensionierung von Trocknern für verschieden
artige Güter bedarf es eines Einblicks in die physikalischen Vorgänge beim Trock
nen.
Im physikalischen Sinne stellt thermisches Trocknen - wie jedes thermische
Trennen - ein Problem der Kupplung von Wärme- und Stoffa ustausch dar.
Trocknen ist insofern das komplizierteste Problem des thermischen Trennens,
als die Eigenschaften des Trocknungsgutes (nicht nur der verdampfenden Flüssig
keit) in Hinsicht auf die Wärme- und Stoffbewegung im Innern des Gutes von
entscheidendem Einfluß sind. Als besondere Eigenart des Fachgebiets kommt hin
zu, daß die Formen der Trocknungsgüter außerordentliche Verschiedenheiten auf
weisen, die den Austausch mit dem Trockenmittel wesentlich beeinflussen - im
Gegensatz zu den meisten Aufgaben des Maschinen-und Apparatebaus, bei denen
der Austausch eines Mediums mit der Körperoberfläche vorwiegend für gewisse
Standardformen (Rohre, ebene Platten, Kugeln, Füllkörper definierter Form usw.)
von Interesse ist.
VIII Vorwort zur ersten Auflage
Bei den wissenschaftlichen Grundlagen der Trocknungstechnik muß man zweier
lei Arten von Grundlagen unterscheiden: erstens die allgemeinen physikalischen
Gesetzmäßigkeiten bei Zustandsänderungen in Feststoffen, Flüssigkeiten und
Gasen, der Bewegung von Flüssigkeiten, Gasen und Dämpfen bei Diffusion und
Strömung sowie der Bewegung der Wärme bei Wärmeleitung, Wärmestrahlung
und Wärme übergang, zweitens die speziellen Gesetzmäßigkeiten der Trocknungs
vorgänge, die sich aus dem Zusammenwirken der verschiedenen Grundvorgänge
ergeben.
Letztere allein sollten ursprünglich Gegenstand dieses Bandes sein. Aber beim
Schreiben zeigte sich, daß in keinem der vorliegenden Lehrbücher die allgemeinen
Grundlagen in einer auf Trocknungsprobleme unmittelbar anwendbaren Form
behandelt sind. Aus dem Gesamtgebiet findet man in den für Ingenieure geschrie
benen Lehrbüchern durchweg die Vorgänge des Wärmeaustauschs und der Strö
mung in ihrer Anwendung auf die Standardkörper des Maschinenbaus, in den
Lehrbüchern der physikalischen Chemie die Grundlagen der Sorption und der
Diffusion bei Gasen und Flüssigkeiten. Die Blickpunkte in der Darstellung sind
bei den Disziplinen verschieden und treffen in keiner von beiden denjenigen, der für
trocknungstechnische Fragen der zweckmäßigste ist.
Angesichts der großen Zahl von Einflußgrößen, die in die Trocknungstechnik
hineinspielen, und ihrer großen Veränderlichkeit kann es sich auf keinen Fall
darum handeln, jede einzelne Einflußgröße mit möglichst großer Genauigkeit zu
beschreiben, vielmehr nur darum, die qualitativen Abhängigkeiten der Einzelgrö
ßen in den Vordergrund der Betrachtung zu stellen, damit ihr Einfluß auf den
T rocknungsvorgang möglichst in der ganzen Variations breite der Einzelerscheinung
anschaulich wird.
Im wesentlichen betraf diese Bemühung eine zusammenfassende und damit
vereinfachende Darstellung der Gesetzmäßigkeiten der Rauchgastrocknung, des
Wärme- und Stoffübergangs an Körpern verschiedener Form und Anordnung so
wie des Strömungs-und Diffusionswiderstands in Schüttungen und Festkörpern.
Ich hoffe, daß mit der hier angewandten Betrachtung alle bisher beobachteten
Erscheinungen bei der Trocknung deut bar sind, so daß man alle wesentlichen
Einflüsse nunmehr von vornherein abschätzen kann.
Darmstadt, im April 1956 O. Kriseher
Inhaltsverzeichnis
Formelzeichen und Indizes ..................................................... XVII
O. Einleitung •............................................................... 1
0.1. Begriffe und Fragestellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
0.2. Zur Thermodynamik der Trocknung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1. Stoff-und Energieumsatz beim Trocknen ...................................... 5
1.1. Die Bedeutung von Stoff-und Energiebilanzen ........................... 5
1.2. Stoffbilanzen ........................................................ 5
1.3. Energiebilanzen ...................................................... 8
2. Die Darstellung der Zustände des Trockenmittels im h -:!C-Diagramm. . . . . . . . • . . . . . 14
2.1. Das h-x-Diagramm für Dampf-Gas-Gemische .......................... 14
2.1.1. Entwicklung des h-x-Diagramms für Wasserdampf-Luft-Gemische . 14
2.1.2. Das h-x-Diagramm bei verschiedenem Gesamtdruck P ............ 16
2.1.3. Zur Aufstellung von h-x-Diagrammen für sonstige Gas-Dampf-
Gemische . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 20
2.1.4. Anleitung zur Überschlagsrechnung der wichtigsten Daten für Lösungs-
mittel ....................................................... , 21
2.1.5. Anwendung des h-x-Diagramms bei der Aufstellung von Energie-
bilanzen ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23
2.1.6. Beispiel zur Aufstellung und Ausdeutung von Energiebilanzen für
Trockner ..................................................... 23
2.1.7. Anwendung des h-x-Diagramms zur Darstellung von Zustands-
änderungen ................................................... 26
2.1.7.1. Mischung von Luftmengen ............................. 26
2.1.7.2. Einspritzen von Wasser oder Dampf in feuchte Luft und der
Randmaßstab im h-x-Diagramm ....................... 27
2.1.7.3. Zustandsänderungen gleicher Kühlgrenze (reine Lufttrock-
nung) .. . . ... . . . ... . . .. . ... . . ... . . .... . ..... . .... . .... 29
2.1.7.4. Deutung der Vorgänge bei der Lufttrocknung .. . . ..... .... 31
2.1.7.5. Die Bestimmung des Wasser-Dampfgehaltes der Luft aus der
psychometrischen Messung und dem h - x-Diagramm bzw. der
Sprungschen Formel. ...... . ..... . .... . .... . ..... . ..... 32
2.2. Die Trocknung mit Rauchgasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 32
2.2.1. Näherungsweise Gleichheit der h-x-Diagramme für Rauchgase und
Luft ......................................................... 33
2.2.2. Stoff-und Energiebilanz bei der Verbrennung ..................... 34
2.2.2.1. Stoffbilanz ........................................... 34
2.2.2.2. Energiebilanz ......................................... 35
2.2.3. Zunahme der Enthalpie Ahv und des WasserdampfgehaItes Axv bei der
Verbrennung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . 36
x
Inhaltsverzeichnis
2.2.3.1. Die Zunahme der Enthalpie Llhy ........................ 36
2.2.3.2. Die Zunahme des Wassergehaltes Llhy •....••....••••..•• 41
2.2.4. Anwendung auf die Rauchgastrocknung .......................... 43
2.2.5. Beispiel zur Anwendung des h-x-Diagramms auf Trocknungsvorgänge
(Rauchgastrocknung) .......................................... 43
3. Die Bindung der Flüssigkeit an das Gut ....•..................•............... 47
3.1. Der Zusammenhang zwischen Dampfdruck und Flüssigkeitsgehalt des Gutes. 47
3.1.1. Die Beeinflussung des Dampfdruckes durch äußere Kräfte .......... 47
3.1.2. Der Dampfdruck über Kapillaren und Tropfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 48
3.1.3. Der Dampfdruck über Lösungen ................................ 49
3.1.4. Der Dampfdruck über adsorbierten Gasen.. . . ... .. . . .... . . ....... 50
3.1.5. Der Dampfdruck über Absorbentien ............................• 51
3.1.6. Die Sorptionsisothermen von Trocknungsgütern ................... 54
3.1.7. Die Darstellung des Gleichgewichtszustands im h-x-Diagramm ..... 64
3~2. Die Bindungswärme der sorbierten Flüssigkeit ........................... 64
4. Die Grundlagen der Wärmeübertragung ..........••.•......................... 68
4.1. Wärmestrahlung .............................................. :...... 69
4.1.1. Die Berechnung des Strahlungsaustausches bei grauen Körpern in
strahlungsdurchlässigen Medien ................................. 70
4.1.1.1. Vollständiger Strahlungsaustausch ....................... 70
4.1.1.2. Teilweiser Strahlungsaustausch zwischen beliebigen Flächen. 74
4.1.1.2.1. Die Einstrahlzahl cP für einige häufig vorkommende
Fälle ....................................... 74
4.1.1.2.2. Die Wirkung von Reflektoren. . . . . . . . . . . . . . . . .. 79
4.1.2. Die Strahlung bei teilweise durchlässigen Körpern und Medien ...... 81
4.1.2.1. Die spektrale Energieverteilung bei der "schwarzen" Strah-
lung ................................................. 82
4.J.2.2. Das Verhalten realer Körper. .... . . . . .... . . ... . . . . . .. ... 84
4.1.2.2.1. Die selektive Emission ........................ 84
4.1.2.2.2. Reflexion, Absorption, Durchlässigkeit fester und
flüssiger Körper .............................. 85
4.1.2.3. Die Gasstrahlung ..................................... 88
4.2. Wärmeleitung .•..................................................... 91
4.2.1. Das Grundgesetz der Wärmeleitung . . . . . . ... . . . .. . . . . . . . . . . . .. . .. 93
4.2.2. Die Berechnung der Wärmeleitung in verschiedenen geometrisch ein-
fachen Körpern im Beharrungszustand ........................... 94
4.2.2.1. Unendlich ausgedehnte ebene Wände ..... '. ........... , .. 94
4.2.2.2. Unendlich lange konzentrische Zylinder (Rohrleitungen mit
Wärmedämmung) ..................................... 95
4.2.2.3. Die konzentrische Hohlkugel ........................... 95
4.2.2.4. Die Kreisscheibe ...................................... 96
4.2.3. Die Wärmeleitfähigkeit fester, flüssiger und gasförmiger Stoffe. . . . . . . 96
4.2.4. Die Wärmeübertragung durch Strahlung und Leitung in dünnen Luft-
schichten bei veränderlichem Luftdruck .......................... 100
4.2.5. Die Wärmeleitfähigkeit trockener poriger Stoffe ................... 104
4.2.5.1. Der Einfluß der Porosität und Verbindung der Feststoffteilchen 105
4.2.5.2. Der Einfluß der Temperatur ............................ 108
4.2.5.3. Der Einfluß des Luftdrucks auf die Wärmeleitfähigkeit
poriger Stoffe ............ '.' ........................... 109
4.2.6. Wärmeleitfähigkeit von Schüttungen ............................. 113
4.2.7. Wärmeaustausch bei kurzfristigem Kontakt zwischen zwei Körpern .. 115
4.2.7.1. Kurzfristiger Kontakt bei konstanter Oberflächentemperatur . 116