Konvektive Schnelltrocknung von Hohlziegeln

Konvektive Schnelltrocknung von Hohlziegeln

(FH) Ralf König, Diplom-Ingenieur, D-Krumbach

Abstrakt

Ralf König: Konvektive Schnelltrocknung von Ziegelsteinen
Die rasante Entwicklung unserer Industriegesellschaft verlangt von Unternehmen ein Höchstmaß an Flexibilität und Innovationsbereitschaft. Dies gilt auch für die Trocknungstechnik in der Grobtonindustrie. Ein revolutionärer Schritt auf diesem Gebiet ist die Einführung der Schnelltrocknungstechnik. In diesem Artikel wird das Prinzip der Schnelltrocknung für Riffelsteine ​​anschaulich erläutert.

Die heutige rasante industrielle Entwicklung erfordert von jedem Unternehmen, technologische Innovationen entsprechend seiner Situation mit maximaler Flexibilität und Geschwindigkeit durchzuführen. Dieser Grundsatz gilt auch für den Bereich der Trocknungstechnik in der Ziegelindustrie. Vor etwa 100 Jahren wurden Rohziegel noch in Trockengestellen, sogenannten „Hacks“ (natürliche Trocknung), getrocknet. Heute ist dieser natürliche Trocknungsprozess völlig überholt. Es war nur eine saisonale Produktion mit Trocknungszyklen von 2–3 Wochen möglich; Die Trockengestelle oder Freilufttrockenplätze konnten nur 10–12 Mal im Jahr umgedreht werden. Ohne eine ausreichende Anzahl von Trockengestellen könnte ein solcher Trocknungsprozess nicht an die kontinuierliche Ofenproduktion angepasst werden.

Die erste Entwicklung in der Trocknungstechnik war die sogenannte „Großraumtrocknungshalle“, die auf Ringöfen oder Zickzacköfen errichtet wurde und die aufsteigende heiße Luft von der Ofenoberfläche zum Trocknen nutzte. Dadurch verkürzte sich der Trocknungszyklus auf 10 Tage.

Heutige Kammer- oder Tunneltrockner nutzen die Abwärme von Tunnelöfen zur künstlichen Trocknung. Der Trocknungszyklus hängt von der Produktart und den Rohstoffeigenschaften ab und liegt zwischen 1 und 3 Tagen. Ein weiterer revolutionärer Schritt auf diesem Gebiet war die Einführung der Schnelltrocknungstechnologie, also einer Trocknungszeit von nur 1–2 Stunden. In diesem Artikel wird das Schnelltrocknungsprinzip für Hohlraumziegel mit hohem Hohlraum grafisch dargestellt und die Investitionsmöglichkeiten erörtert.

Ursprung der Schnelltrocknung

Mitte der 1980er Jahre begannen sich in der Bundesrepublik Deutschland Fabriken zur Herstellung von Industriekatalysatoren zu entwickeln. Diese Katalysatorkörper hatten einen Querschnitt von 150 mm * 150 mm, eine Länge von etwa 1,0–1,2 m und einen sehr hohen Hohlraumanteil. Damals stammten viele Trockner in diesen neu entwickelten Fabriken von Novokaram. Bezüglich Trocknungsqualität und Trocknungszeit wurden die besten Ergebnisse nur erzielt, wenn die Grünkörper mit Durch- und Querluft beaufschlagt wurden. Übersteigt die erforderliche Zwangstrocknung ein bestimmtes Maß, spielen auch andere Produktionsparameter eine Rolle, etwa die Luftgeschwindigkeit durch die Löcher und über die Oberflächen der Grünkörper sowie der Wärmetransportzustand des Gases bei der Vorwärtsbewegung der Körper. Es wurde festgestellt, dass in einigen Fällen ein Drittel der getrockneten Körper letztendlich durch adsorbiertes Kondenswasser beschädigt wurde, da der gesättigte Wasserdampfdruck im Gas den des Grünkörpers bei weitem überstieg.

Ideale Methoden zur Erwärmung des Luftstroms wären Mikrowellen- oder Hochfrequenzerwärmung. Es traten jedoch praktisch unüberwindbare Probleme auf. Zwei repräsentative Themen seien hier genannt:

A. In manchen Regionen wird die Hochfrequenzerwärmung nur für metallische Gerätekomponenten wie Sensoren und Sensorhülsen eingesetzt; Natürlich können die Trockenbretter, auf denen Grünkörper getragen wurden, nicht wiederverwendet werden.
B. Durch Hochfrequenzerwärmung entsteht in der Heizzone erhebliche statische Elektrizität. Schon der sehr dünne Wasserfilm auf dem Grünkörper bzw. zwischen Grünkörper und Kunststoff-Trocknungsbrett kann durch die Entladungsrate dazu führen, dass das Brett anbrennt oder sogar beschädigt wird.

Daher hat sich in der Praxis die Methode der Zwischenvorwärmung mittels beheizbarer Trockenplatten (zur Vermeidung von Kondensation auf den Grünkörpern) bewährt. Tatsächlich inspirierten die Erfahrungen aus der Katalysatortrocknung von Novokaram die Idee, eine Schnelltrocknungskammer für Lochziegel zu entwickeln. In den letzten Jahren hat Novokaram umfangreiche Trocknungstests durchgeführt, wobei die Produkte von großen Platten (50 * 30 * 300 cm) bis hin zu gewöhnlichen Lochsteinen in traditioneller Länge reichten. Es wurde immer wieder festgestellt, dass die Konvektionstrocknung die gewünschten Ergebnisse in vollem Umfang erzielen kann.

Grundprinzip der konvektiven Schnelltrocknung

Das bekannteste Beispiel für konvektives Trocknen ist das Föhnen der Haare mit einem Haartrockner. Das Grundprinzip besteht darin, dass das Trocknungsmedium (in der Regel Heißluft) über das Trocknungsgut strömt, dabei verdunstet und ihm Feuchtigkeit entzieht. Da die Verdunstung Wärme erfordert, kühlt sich das Trocknungsmedium allmählich ab und nimmt während des Prozesses mehr Wasser auf (siehe Abb. 1). Die Fähigkeit der Luft, Feuchtigkeit aufzunehmen, wird durch einen temperaturabhängigen Wert – den sogenannten „Sättigungswasserdampfdruck“ – begrenzt. Wird dieser Wert überschritten, kondensiert die überschüssige natürliche Feuchtigkeit in Form von Nebel oder Kondensat, was besonders bei der Trocknung gefürchtet ist. Der Zustand der Luft in einer Trockenkammer wird üblicherweise als Temperatur (°C) und relative Luftfeuchtigkeit (%) ausgedrückt. Bei der Verwendung eines h-x-Diagramms sind diese beiden Parameter übrigens Grundwerte.

Gleichgewicht im Fließzustand erreichen

Der Ausgangspunkt für die Überlegung einer schnellen Trocknung ist, dass die Trocknungszeit von Rohziegeln in herkömmlichen Trocknern immer von den Ziegeln abhängt, die am langsamsten trocknen. Dies hängt direkt mit der Position der Rohlinge im Trockner zusammen (siehe Abb. 2). Beispielsweise trocknen Ziegel auf der Außenseite viel langsamer als Ziegel, die näher am Ventilator im Inneren liegen. Wenn also die Trocknungsluft aus dem mittleren Durchgang weiter strömt, nimmt ihre Strömungsgeschwindigkeit allmählich ab, ihre Temperatur sinkt, sie wird gesättigter und ihre Feuchtigkeitsaufnahmefähigkeit nimmt ab. Selbst wenn die Steine ​​im Inneren des Trockners entfernt werden können, muss das Trocknungssystem so lange weiterarbeiten, bis auch die schlecht positionierten Steine ​​trocken sind – auch wenn die meisten Steine ​​im Trockner keinen längeren Trocknungsprozess benötigten.

Daher besteht der erste Schritt bei der Schnelltrocknung darin, die Luftströmungsverhältnisse über den gesamten Querschnitt der direkten Luftzirkulation auszugleichen. Auf diese Weise ist der Trocknungsprozess jedes Rohlings unabhängig von seiner Position im Trockner, d. h. er sollte während der Trocknung zu jedem Zeitpunkt gleich sein.

Zunehmende Luftgeschwindigkeit

Sofern geeignete klimatische Bedingungen vorliegen, hat die Luftgeschwindigkeit einen ganz bestimmten Einfluss auf die Trocknungsgeschwindigkeit. Eine Erhöhung der Luftgeschwindigkeit beschleunigt die Trocknungsgeschwindigkeit entsprechend. Niedrige Geschwindigkeiten erzeugen eine gleichmäßige laminare Strömung – ein Beispiel für eine relativ gleichmäßige Strömung in der Natur ist ein ruhig fließender großer Fluss. Durch eine Erhöhung der Geschwindigkeit wird die Strömung turbulenter. Eine Analogie in der Natur ist ein Gebirgsbach, der während der Schneeschmelze durch eine Schlucht rauscht.

Turbulenzen beim Trocknen haben zur Folge, dass sich auf der Oberfläche des Grünkörpers eine stationäre Luftschicht, die sogenannte Grenzschicht, befindet. Diese Schicht behindert das Trocknen und wird während des Trocknungsprozesses dünner (siehe Abb. 3). Sich schnell bewegende Luftpartikel absorbieren Wasserpartikel viel leichter als sich langsamer bewegende.

Nach Erhöhung der Luftgeschwindigkeit beschleunigt sich die Trocknungsgeschwindigkeit rasch und der Feuchtigkeitsgehalt des Gases steigt um mehr als 5 %. Bei höheren Luftgeschwindigkeiten ist natürlich in erster Linie zu beachten, dass der kontinuierliche Strömungszustand des Gases gleichmäßig sein muss, um zufriedenstellende Ergebnisse zu erzielen. Das heißt, die Grünkörper müssen über den gesamten Querschnitt der Luftströmung ausgesetzt sein und die Luftgeschwindigkeit muss gleich sein. Das ist leichter gesagt als getan, und unter den damaligen Bedingungen dauerte diese experimentelle Studie mehr als ein Jahr.

Verhältnis von Querstrom zu Durchgangsstrom

Aufgrund neuer Vorschriften zur Wärmedämmung ist das Hohlraumvolumen größer geworden. Das bedeutet, dass die Innenwände der Löcher immer dünner werden. Solch dünne Lochwände haben ihre Vorteile und bereiten bei der Trocknung kaum Probleme, da sich abgesehen von der unterschiedlichen Wandstärke nur ein geringer Unterschied ergibt – die erzeugte Feuchtigkeitsmenge ist unterschiedlich (siehe Abb. 4). Wenn der Unterschied im Feuchtigkeitsgehalt sehr gering ist, ist auch der Unterschied in der Schwindung gering und die Gefahr von Trocknungsrissen erscheint sehr gering.

Da die Oberfläche bei der konvektiven Trocknung eine entscheidende Rolle spielt, verfügen diese Hohlkörperprodukte mit hohem Hohlraumvolumen über eine große innere Oberfläche – etwa dreimal so groß wie die äußere Oberfläche. Bei einem gegebenen Feuchtigkeitsgehalt gilt: Je größer die Oberfläche, desto einfacher die Trocknung.

Das Verhältnis von Querströmung zu Durchströmung muss bei Lochsteinen einem bestimmten Verhältnis genügen. Dieses Verhältnis hängt von der Höhe A des Spalts zwischen der Oberseite des unteren Grünkörpers und der Unterseite des oberen Trockenbretts sowie der Breite B des Spalts zwischen zwei benachbarten Ziegeln ab (wie in Abb. 6 dargestellt). Aufgrund der Einschränkungen der Ventilatoranordnung in Konvektionstrocknern und Tunneltrocknern kann jedoch das richtige Strömungsverhältnis nicht immer oder nicht vollständig erreicht werden. Für eine erfolgreiche Schnelltrocknung sind drei Bedingungen erforderlich: Die Strömungsverhältnisse über den gesamten Querschnitt sollten gleich sein (gleiche Luftgeschwindigkeit bei Quer- und Durchströmung); die Luftgeschwindigkeit sollte einen bestimmten Wert nicht unterschreiten; und die Quer- und Durchflussraten für jeden Stein sollten konsistent sein.

Erfahrung im Bereich Schnelltrocknung

In den letzten zwei Jahren hat Novokaram in seinem Werk kontinuierliche Forschungen durchgeführt und dabei wichtige Informationen im Bereich der aerodynamischen Modellierung gewonnen. Darüber hinaus wurden theoretisch fundierte Schlussfolgerungen bestätigt. Basierend auf diesen Grundprinzipien wurde eine groß angelegte Demonstrationsanlage zur Schnelltrocknung von Tonhohlkörpern gebaut und anschließend drei verschiedene Ziegeleien mit dem Schnelltrocknungsverfahren ausgestattet. Nachfolgend sind beispielhaft die relevanten Trocknungskenngrößen aufgeführt.

Schnelltrocknende und trocknende Risse

Oftmals wird fälschlicherweise behauptet, Trocknungsrisse seien eine direkte Folge des Schwindens. Wie in diesem Artikel kurz beschrieben, sind Trocknungsrisse nicht die direkte Folge von Schrumpfung. Trocknungsrisse werden durch unterschiedliche Schwindung innerhalb des Grünkörpers verursacht, die wiederum von unterschiedlichen Feuchtigkeitsverteilungen abhängt. Bei der Schnelltrocknung sollten die Grünkörper gleichmäßig der Luft ausgesetzt sein, sodass nur geringe Feuchtigkeitsunterschiede entstehen. Vor diesem Hintergrund ist es leicht zu verstehen, warum eine schnelle Trocknung nicht unbedingt auf eine hohe Trocknungsempfindlichkeit zurückzuführen ist.

Ein Vergleich von Ziegeln, die mit traditionellen Methoden getrocknet wurden, mit solchen, die sehr schnell getrocknet wurden, bestätigte die obige Schlussfolgerung. Bei gleicher Qualitätsstufe ist die Qualität schnell getrockneter Ziegel höher.

Restfeuchtigkeit und Trocknungszeit

Unser ursprüngliches Ziel war eine Trocknungszeit ≤ 2 Stunden. Die Restfeuchte nach dem Trocknen hängt vom Trocknungszyklus, den Produktspezifikationen und den Rohstoffen ab und liegt im Allgemeinen zwischen 0,5 % und 2,5 %. Dabei ist zu beachten, dass eine Verlängerung des Trocknungsprozesses um nur wenige Minuten bei Schnelltrocknung die Restfeuchte deutlich reduzieren kann. In derselben Anlage betrug die traditionelle Trocknungszeit etwa 32–48 Stunden, bei einem Restfeuchtegehalt von 1,0 %–2,5 %. Es gab keinen Unterschied in der Brennqualität zwischen schnell getrockneten Produkten und solchen, die mit traditionellen Methoden getrocknet wurden.

Optimale Trocknungskurve

Wie bei der konventionellen Konvektionstrocknung muss für eine schnelle Trocknung eine an den Rohstoff angepasste Trocknungskurve gefunden werden. Die Schnelltrocknungskurve kann als eine komprimierte Version der herkömmlichen Trocknungskurve betrachtet werden – aus dieser Sicht handelt es sich bei der Schnelltrocknung lediglich um eine herkömmliche Trocknung im Zeitraffer.

Prozess der schnellen Trocknung

Wurden die Grünkörper mit Wasserdampf behandelt, ist es – wie bei der herkömmlichen Trocknung – wichtig, sie in kürzester Zeit vom Extruder in die Trockenkammer zu überführen. Je höher die Temperatur der Grünkörper ist, desto intensiver ist die Frühtrocknung, d. h. die Grünkörper beginnen bereits bei einer höheren Temperatur zu trocknen, ohne dass eine allmähliche Aufheizphase in der Trockenkammer erfolgt und somit keine wertvolle Zeit verloren geht.

Auf das Verhältnis von Querstrom zu Durchfluss beim Trocknen wurde bereits hingewiesen. Dieses Verhältnis hängt entscheidend von der Genauigkeit des Setzens der Steine ​​in der Werkstatt ab. Eine höhere Einstellgenauigkeit würde jedoch höhere Investitionen bedeuten. Daher wurde eine spezielle experimentelle Studie durchgeführt, um zu prüfen, ob ein einigermaßen genaues Einstellmuster noch akzeptiert werden kann. Die Testergebnisse zeigten, dass die Toleranzen herkömmlicher Setz- und Entladevorrichtungen für den gesamten Prozess akzeptabel sind und keinen negativen Einfluss auf das Verhältnis von Querstrom zu Durchfluss haben. Dies bedeutet, dass unter den aktuellen technologischen Bedingungen herkömmliche Setzgeräte verwendet werden können.

Vorteile der Schnelltrocknung

Bei der Einführung eines neuen Designs fragt sich jeder Unternehmer sofort nach dessen Vorteilen – und die konvektive Schnelltrocknung bildet da keine Ausnahme.

Welche Vorteile bietet die konvektive Schnelltrocknung im Vergleich zur herkömmlichen Konvektionstrocknung? Der grundlegendste und wichtigste Aspekt ist die Qualität. Dabei steht vor allem die Reduzierung des Zeitaufwands im Vordergrund. In vielen verschiedenen Ziegelwerken wurden Schnelltrocknungsversuche ohne Einstellung komplexer Trocknungskurven durchgeführt und die gebrannten Ziegel erzielten eine gute bis sehr gute Qualität. Im Vergleich zu Ziegeln, die nach herkömmlichen Methoden hergestellt wurden, schnitten die für die Schnelltrocknung ausgewählten Ziegel mindestens genauso gut ab wie die nach herkömmlichen Methoden getrockneten Ziegel – auch ohne unbedingt zu wissen, ob die Trocknungskurve an die verfügbaren Rohstoffe angepasst war.

Ein weiterer sehr wichtiger Vorteil ist der geringere Investitionsaufwand für den Bau einer Schnelltrocknungsanlage. Wie in Abb. 7 dargestellt, nimmt die gesamte Schnelltrocknungskammer deutlich weniger Platz in der Produktionshalle ein. Das bedeutet, dass bei gleicher Leistung die Produktionsfläche reduziert bzw. die Leistung erhöht wird – ein Einspareffekt entsteht. Darüber hinaus wird der schnelle Trocknungsprozess vereinfacht, Transportwege verkürzt und die notwendige Fördertechnik vereinfacht, was ebenfalls zu geringeren Kapitalinvestitionen beiträgt.

Abschließend seien noch einige technische Daten erwähnt. In herkömmlichen Trockenkammern liegt der Wärmeverbrauch bei etwa 3200–3600 kJ/kg H₂O. Der Stromverbrauch hängt von den Wasserentfernungseigenschaften des Rohmaterials selbst ab. Der Stromverbrauch liegt laut Aufzeichnungen verschiedener Ziegeleien bei 5–11 kWh pro Tonne Brenngut.

Beispiel einer Schnelltrocknungsproduktion

Abb. 7 zeigt schematisch den Produktionsprozess in einer Ziegelei, in der der traditionelle Trocknungsprozess durch ein Schnelltrocknungssystem ersetzt wurde.

Ebenso werden in anderen Ziegeleien die Rohziegel geschnitten, auf Trockenbretter gelegt und dann in Trockenwagen überführt. Die Trockenbretter werden auf die Trockenwagen gelegt, die dann die Schnelltrocknungskammer durchlaufen. Der Trocknungswagen verweilt in jedem Abteil eine bestimmte Zeit – das heißt, in jeder Etappe herrschen unterschiedliche Bedingungen. Die Luftgeschwindigkeit ist in jedem Abteil unterschiedlich, das Trocknungsprinzip Quer- und Durchströmung und die Fahrgeschwindigkeit des Trocknungswagens sind jedoch in allen Abteilen gleich. Wenn der Trocknungswagen in den Umlauf gelangt, ist bereits die Hälfte des Trocknungsprozesses abgeschlossen. Während der Vortrocknungsphase steigt die Temperatur beim Transport von einem Fach zum nächsten kontinuierlich an, während die relative Luftfeuchtigkeit kontinuierlich abnimmt. Die hier beschriebene Schnelltrocknungskammer hat 10 Abschnitte in jede Richtung. Wenn man oberflächlich an einen herkömmlichen Tunneltrockner denkt, würde man natürlich davon ausgehen, dass dieser über 20 Trocknungszonen verfügt.

Nachdem der Trocknungswagen die Schnelltrocknungskammer verlassen hat, laufen die weiteren Schritte wie gewohnt ab. Die getrockneten Ziegel werden aus dem Trockenwagen entnommen, auf Tunnelofenwagen gelegt, warten darauf, in den Ofen geladen zu werden, und werden dann gebrannt. Das Entladen und Verpacken des Tunnelofens wird durch die schnelle Trocknung nicht beeinträchtigt.

Quelle des Artikels

Dieser Artikel wurde vom Autor Ralf König, Diplom-Ingenieur (D-Krumbach), verfasst und ursprünglich veröffentlicht in der International Brick and Tile Industry (ZI-China Issue), 1996–1998, chinesische Gesamtausgabe, Bauverlag GmbH. Es wird hier nur zu Lern- und Referenzzwecken veröffentlicht. Das Urheberrecht liegt beim ursprünglichen Autor und dem ursprünglichen Herausgeber.

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