Verfahrenstechnisches Tutorium Prof. Dr.-Ing. M. J. Hampe

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1 Verfahrenstechnisches Tutorium Prof. Dr.-Ing. M. J. Hampe Wintersemester 2014/15 5. Versuch: Bestimmung der Trocknungskurve funktionaler Textilien Dipl.-Ing. Timur J. Kazdal Learning outcome Nachdem Sie sich mit diesem Versuch auseinandergesetzt haben, sollten Sie in der Lage sein, 1. eigenständig mit einem Konvektionstrockner unter Laborbedingungen zu arbeiten. 2. einen Trocknungsverlauf zu skizzieren und zu erläutern. 3. mit einem h-x-diagramm umzugehen. 4. wichtige Einflussgrößen auf die Trocknung zu identifizieren und zu bewerten. Vorbereitung Zur Vorbereitung auf diesen Versuch erarbeiten Sie sich bitte den Inhalt des Kapitels 26. Trocknung aus dem Skript Thermische Verfahrenstechnik II. Verdeutlichen Sie sich zusätzlich Inhalt und Funktion des h-x-diagramms nach Mollier. Einleitung Bei dem heutigen Versuch werden Sie das Trocknungsverhalten eines funktionalen Textils mit dem von Baumwolle vergleichen. Dazu werden Sie sich mit dem Versuchsstand Konvektionstrockner vertraut machen und Trocknungskurven aufnehmen. Im Anschluss werden Sie die Ergebnisse analysieren und interpretieren. Dabei werden Sie die Stellgrößen des Trocknungsprozesses identifizieren. Theorie Unter Trocknen versteht man einen Trennschritt, der einem zu trocknenden Gut die Feuchtigkeit entzieht. Bei thermischen Trocknungsverfahren wird zunächst die Flüssigkeit durch Zufuhr von Energie in den dampfförmigen Zustand überführt und im Anschluss abtransportiert. Diese 1

2 Schritte finden bei dem vorliegenden Konvektionstrockner gleichzeitig statt. Der warme Luftstrom dient dem Energietransport wie der Abfuhr von Feuchtigkeit. Die Flüssigkeit ist dabei auf unterschiedliche Weisen an das Gut gebunden. Dies lässt sich anhand eines Trocknungsverlauf, wie er in Abbildung 1 dargestellt ist, erkenntlich machen. Der Trocknungsverlauf lässt sich in drei Abschnitte unterteilen, die durch unterschiedliche Trocknungsgeschwindigkeiten charakterisiert werden. Zunächst verdunstet die Oberflächenfeuchtigkeit, die das Trockengut mit einem dünnen Film benetzt. Während dieser Phase bleibt die zur Trocknung zur Verfügung stehende Fläche gleich. Darum ist die Trocknungsgeschwindigkeit im ersten Abschnitt näherungsweise konstant. Im Anschluss werden Kapillaren und Poren geleert. Der Widerstand hervorgerufen durch die Kapillarität sorgt für eine Verringerung der Trocknungsgeschwindigkeit. Im letzten Abschnitt werden, sofern vorhanden, gelöste Wassermoleküle (Quellflüssigkeit) entfernt. Die Beladung bewegt sich in diesem Bereich asymptotisch gegen Null. I. Abschnitt II. Abschnitt III. Abschnitt Feuchte Gutstemperatur Abb. 1: Trocknungsverlauf: Feuchte und Gutstemperatur über der Zeit Abb. 2: Trockengut mit Oberflächenfeuchte (1), Kapillarflüssigkeit (2) und Porenflüssigkeit(3). 2

3 Definitionen In diesem Zusammenhang ist die Beladung des trockenen Gutes definiert als Masse Feuchtigkeit zu Masse Trockensubstanz. Die Trocknungsgeschwindigkeit lässt sich demnach definieren als: X = m H 2 O m Gut (1) Ẋ = dx d t X t (2) Der Wirkungsgrad für instationäre Prozesse wird als Nutzungsgrad bezeichnet: η = W nutz W zu (3) Dabei wird der Nutzen definiert als die zur Trocknung theoretisch minimal aufzubringende Energiemenge. Versuchsaufbau Der Versuchstand ist in Abbildung 3 dargestellt. Über die Bedienelemente am Schaltschrank lassen sich Temperatur und Geschwindigkeit der Strömung einstellen. Die relative Feuchte und die Temperatur wird hinter dem Trockengut an Position 6 gemessen. Die Inbetriebnahme kann ohne weitere Vorkehrungen geschehen. Für die Außerbetriebnahme schalten Sie zunächst den Heizer aus und die Solltemperatur der Regelung auf 10 C. Lassen Sie nun den Prüfstand bei höchster Strömungsgeschwindigkeit noch 10 min. abkühlen. Versuchsdurchführung Das Trocknungsverhalten zweier Textilien soll untersucht werden. Es handelt sich dabei einerseits um ausgewiesene Sportbekleidung (siehe Abschnitt Adidas ClimaCool) und um einen Stoff aus einfacher Baumwolle. Die Proben wurden zuvor getrocknet (X = 0). Durch den Versuch soll ein Sportler nachgestellt werden, der an einem warmen Sommertag joggen geht. a) Nehmen Sie den Versuchsstand in Betrieb. b) Bestimmen Sie Druck und Temperatur der Umgebung. c) Bestimmen Sie die Masse eines Trockenbleches. d) Bestimmen Sie die Massen der trockenen Proben indem Sie die Probe samt Hülle wiegen und im Anschluss das Gewicht der Hülle bestimmen. 3

4 Abb. 3: 1 Trocknungskanal, 2 Trockenguthalter, 3 Klappe, 4 Prozessschema, 5 Messung der Strömungsgeschwindigkeit, 6 Messpunkt B, 7 Waage, 8 Halterung, 9 Messpunkt A, 10 Schaltschrank, 11 Lüfter e) Wählen Sie die Laufgeschwindigkeit des Sportlers und stellen Sie den Prüfstand entsprechend ein (Strömungsgeschwindigkeit: m/s, max. 33 W ). Schätzen Sie die benötigte Leistung ab. f) Wählen Sie die Temperatur des Sommertages und lassen Sie den Versuchsstand hinreichend aufwärmen. Notieren Sie die Leistungsaufnahme. g) Durchnässen Sie eine Probe vollständig, lassen Sie die Probe kurz abtropfen und bestimmen Sie die aufgenommene Menge Wasser. h) Breiten Sie das Textil auf dem Probenblech aus und setzen Sie es ins Gestell ein. i) Die folgenden Messwerte müssen nun im Abstand von 5 min. aufgenommen werden. 1. Temperatur und relative Feuchte hinter dem Trockengut. 2. Gesamtmasse Die Versuchsdauer beträgt maximal 1,5 Stunden. Sollte sich die Masse vor Ablauf der Zeit nicht mehr verändern kann der Versuch vorzeitig abgebrochen werden. Wiederholen Sie im Anschluss den Versuch mit dem zweiten Textil. Zusatzaufgabe Der Hersteller der Sportbekleidung bewirbt seine Technologie als gerichtet feuchtigkeitsleitend. Überprüfen Sie, durch Anpassung des Experiments, ob diese Eigenschaft tatsächlich anisotrop ist. 4

5 Ausarbeitung Mit der Ausarbeitung kann während der Versuchsdurchführung begonnen werden. Die Diagramme sind händig anzufertigen. Der Umfang der Ausarbeitung sollte exklusive Diagramme drei Maschinenseiten nicht übersteigen. a) Protokollieren Sie die Versuchsdurchführung. b) Stellen Sie m H2 O = f (t) in einem Diagramm dar und identifizieren Sie die Trocknungsabschnitte. c) Berechnen und zeichnen Sie den Verlauf der Trocknungsgeschwindigkeit (evtl. gemittelt). d) Berechnen und kommentieren Sie den Nutzungsgrad des Konvektionstrockner. e) Diskutieren Sie Ihre Ergebnisse. f) Markieren Sie den Zustand der Trocknungsluft kurz nach Beginn des Trocknungsvorgangs vor und hinter dem Trockengut in einem h-x-diagramm. Anhang Adidas ClimaCool Diese Technologie gibt dir selbst bei Höchstleistung und Hitze ein kühles und angenehmes Gefühl, weil Wärme und Schweiß aktiv vom Körper wegtransportiert werden. Speziell entwickelte Belüftungskanäle und dreidimensionales Gewebe sorgen für kontinuierlichen Luftein- und auslass. Feuchtigkeitsableitende Materialien transportieren den Schweiß weg von der Haut und lassen ihn nach außen verdunsten. Das Ergebnis ist ein trockener, kühler und damit leistungsoptimierter Körper. Stoffdaten Verdampfungsenthalpie Wasser: 2, 4 kj/kg Tab. 1: spez. Wärmekapazitäten verschiedener Stoffe Material Wert [J/(gK)] Baumwolle 1,34 PES 1,1 PA 1,7 PP 1,7 Wasser 4,18 5