Sprühtrockner auslegen: Verdampfungsleistung, Heizleistung und Luftmenge berechnen

Ein Sprühtrockner wird nach der Verdampfungsleistung ausgelegt, also nach den Kilogramm Wasser, die er pro Stunde entfernt, nicht nach der Pulvermenge oder der Turmhöhe. Zur Auslegung rechnen Sie die geforderte Pulvermenge über den Feststoffgehalt der Aufgabe in zu verdampfendes Wasser um und schätzen dann aus Eintritts- und Austrittstemperatur die benötigte Wärme und Luftmenge ab. Die folgende Rechnung ist eine erste Abschätzung; ein Pilotversuch und die Auslegung des Lieferanten bestätigen die endgültige Maschine.

Viele Angebotsprobleme beginnen mit der falschen Zahl. Wer nach „einem Sprühtrockner mit 100 kg/h“ fragt, meint vielleicht 100 kg/h Pulver, 100 kg/h Aufgabegut oder 100 kg/h verdampftes Wasser – und diese Werte unterscheiden sich um den Faktor zwei oder mehr. Dieser Leitfaden zeigt, wie Sie Ihr Prozessziel in die entscheidende Zahl umrechnen, mit einem Rechenbeispiel zum Anpassen.

Kurzer Überblick: Warum die Verdampfungsleistung die Auslegungsgröße ist

Fast die gesamte Energie und der größte Teil der Anlagengröße eines Sprühtrockners hängen davon ab, wie viel Wasser die Tröpfchen verlassen muss. Das bestimmt die Wärmezufuhr, die Luftmenge, das für die Verweilzeit nötige Kammervolumen sowie die Größe von Ventilator und Abscheidesystem. Zwei Trockner mit gleicher Kammerhöhe können je nach Gastemperatur und Luftmenge sehr unterschiedliche Wasserabfuhrleistungen haben.

Die Modellreihen werden deshalb nach Verdampfung bezeichnet. Der Druck-Sprühtrockner von SINOTHERMO reicht vom YPG-50 mit 50 kg/h bis zum YPG-1000 mit 1.000 kg/h, und der Zentrifugal-Sprühtrockner reicht vom LPG-25 mit 25 kg/h bis zur Baureihe LPG-200-2000 mit 200 bis 2.000 kg/h Wasser.

Schritt 1: Anforderungen festlegen

Stellen Sie vor der Berechnung diese Eingangsgrößen zusammen.

Wählen Sie T_in und T_out nach den Grenzen Ihres Produkts. Wenn Sie unsicher sind, lesen Sie zuerst den Leitfaden zu Ein- und Austrittstemperatur bei der Sprühtrocknung.

Schritt 2: Pulvermenge in Aufgabemenge und zu verdampfendes Wasser umrechnen

1. 1.Trockensubstanz im Pulver: P × (1 − w_p) = 100 × (1 − 0,04) = 96 kg/h Feststoff.
2. 2.Benötigte Aufgabemenge: Feststoff ÷ Feststoffanteil der Aufgabe = 96 ÷ 0,30 = 320 kg/h Aufgabegut.
3. 3.Mit der Aufgabe eintretendes Wasser: 320 − 96 = 224 kg/h.
4. 4.Im Pulver verbleibendes Wasser: 100 − 96 = 4 kg/h.
5. 5.Zu verdampfendes Wasser: 224 − 4 = 220 kg/h.

Kontrolle: Aufgabe 320 kg/h = Pulver 100 kg/h + verdampftes Wasser 220 kg/h. Die Bilanz geht auf.

Das ist das Kernergebnis: Diese Aufgabe erfordert einen Trockner, der bei Ihren Betriebstemperaturen für etwa 220 kg/h Verdampfung ausgelegt ist, nicht einen „100-kg/h-Trockner“.

Eine nützliche Folgerung: Der Feststoffgehalt der Aufgabe hat große Wirkung. Bei 20 Prozent Feststoff benötigen dieselben 96 kg/h Feststoff 480 kg/h Aufgabegut und etwa 380 kg/h Verdampfung. Steigt der Feststoffgehalt von 20 auf 30 Prozent, sinkt die Verdampfungslast um mehr als ein Drittel. Das Aufkonzentrieren der Aufgabe vor dem Versprühen, etwa durch Eindampfen, spart also Trocknergröße und Energie – vorausgesetzt, die Aufgabe bleibt pumpbar und versprühbar.

Schritt 3: Benötigte Wärme abschätzen

Die benötigte Wärme besteht aus drei Teilen.

1. 1.Verdampfen des Wassers. Die Verdampfungswärme von Wasser beträgt unter Sprühtrocknungsbedingungen grob 2.400 kJ/kg (etwa 2.260 bei 100 °C und mehr bei niedrigeren Temperaturen). Für 220 kg/h: 220 × 2.400 = 528.000 kJ/h, etwa 147 kW.
2. 2.Erwärmen der Aufgabe auf Trocknungstemperatur. Angenommen wird eine spezifische Wärme von etwa 3,5 kJ/kg·K für eine Aufgabe mit 30 Prozent Feststoff, erwärmt von 20 °C auf etwa 50 °C: 320 × 3,5 × 30 = 33.600 kJ/h, etwa 9 kW.
3. 3.Erwärmen des trockenen Pulvers. 96 kg/h × 1,5 kJ/kg·K × etwa 60 K = etwa 8.600 kJ/h, etwa 2,4 kW.

Die Nutzwärme beträgt etwa 147 + 9 + 2,4 = etwa 158 kW. Hinzu kommen Wärmeverluste von Kammer und Kanälen. Üblich sind bei einer isolierten Anlage 10 bis 15 Prozent, was aber für Ihre Auslegung zu bestätigen ist; das ergibt etwa 180 kW, die das Gas zwischen Eintritt und Austritt abgeben muss.

Schritt 4: Luftmenge abschätzen

Das Gas gibt Wärme ab, während es von T_in auf T_out abkühlt. Mit einer spezifischen Wärme von etwa 1,05 kJ/kg·K für feuchte Luft:

Luftmassenstrom = abgegebene Wärme ÷ (c_p × (T_in − T_out)) = (180 kW × 3.600 kJ/kW·h) ÷ (1,05 × (200 − 90)) = 648.000 ÷ 115,5 = etwa 5.600 kg/h trockene Luft.

Bei einer Umgebungsdichte von etwa 1,2 kg/m³ sind das etwa 4.700 m³/h unter Umgebungsbedingungen. Der Ventilator muss bei den heißen Austrittsbedingungen ein größeres Volumen bewältigen, daher dimensioniert der Lieferant ihn für den tatsächlichen Abluftvolumenstrom.

Kontrolle der Abluftfeuchte: 220 kg/h Wasser in 5.600 kg/h Luft erhöhen den Wassergehalt um etwa 0,04 kg Wasser je kg trockene Luft, deutlich unter der Sättigung bei 90 °C; die Abluft ist also weit von der Kondensation entfernt.

Schritt 5: Heizerleistung abschätzen

Der Erhitzer muss die Luft von Umgebungs- auf Eintrittstemperatur bringen:

Heizleistung = Luftmenge × c_p × (T_in − T_a) = 5.600 × 1,006 × 180 ÷ 3.600 = etwa 280 kW.

Das ist mehr als die 180 kW, die die Kammer nutzt, weil die Abluft mit 90 °C austritt und Wärme mitnimmt. Deshalb lohnt sich bei größeren Anlagen die Wärmerückgewinnung aus der Abluft.

Plausibilitätsprüfung mit veröffentlichten Daten. Der Druck-Sprühtrockner von SINOTHERMO nennt für YPG-50, YPG-100 und YPG-150 elektrische Heizleistungen von 75, 120 und 150 kW, das sind etwa 1,0 bis 1,5 kW je kg/h Nennverdampfung. Unser Beispiel braucht 280 ÷ 220 = etwa 1,3 kW je kg/h. Beide Werte liegen in derselben Größenordnung, und genau das soll die Prüfung zeigen. Die Modelldaten hängen zudem von der Eintrittstemperatur ab; nutzen Sie sie nur als Orientierung.

Schritt 6: Modell mit Reserve wählen

Sie brauchen etwa 220 kg/h Verdampfung bei 200 °C Eintrittstemperatur. Aus der Baureihe der Druck-Sprühtrockner ist das nächste Modell mit ausreichender Nennverdampfung der YPG-300 (300 kg/h). Planen Sie eine Auslegungsreserve ein, damit der Trockner nicht täglich an seiner Höchstleistung läuft. Die Verdampfungsangaben auf der Produktseite sind Maximalwerte und hängen bei Eintrittstemperaturen unter 200 °C von den tatsächlichen Prozessanforderungen ab. Wie viel Reserve sinnvoll ist, ist eine Auslegungsentscheidung, die Sie mit dem Lieferanten abstimmen sollten.

Ist Ihre Aufgabe zähflüssig oder abrasiv oder benötigen Sie feineres Pulver, ist die entsprechende Wahl auf der Zentrifugal-Linie ein Modell der Baureihe LPG-200-2000. Zuerst fällt die Entscheidung zum Zerstäuber; siehe Zerstäubung im Sprühtrockner.

Kurzübersicht: Was das Ergebnis verändert

Für lösungsmittelhaltige Aufgaben siehe den Leitfaden zum Sprühtrockner mit geschlossenem Kreislauf.

Was die Rechnung nicht verrät

Dies ist eine erste Abschätzung. Sie enthält weder die für die Verweilzeit nötige Kammergröße, die von Tropfengröße und Trocknungsgeschwindigkeit abhängt, noch die Partikelgrößenverteilung, die Abscheideleistung von Zyklon und Schlauchfilter oder das Verhalten einer klebrigen Aufgabe. Das ergibt sich aus der Auslegung des Lieferanten und aus Versuchsdaten.

Häufige Fehler, die Sie vermeiden sollten

Pulver, Aufgabegut und Wasser verwechseln. Bestätigen Sie schriftlich, welche Zahl gemeint ist. Üblicher Bezug ist die Verdampfung in kg/h Wasser.

Laborleistung hochrechnen. Laborergebnisse skalieren nicht linear. Verwenden Sie Pilotdaten.

Die Nennverdampfung für bare Münze nehmen. Nennwerte sind Höchstwerte unter angegebenen Bedingungen. Bei niedrigerer Eintrittstemperatur oder schwieriger Aufgabe ist die tatsächliche Leistung geringer.

Die Wärmequelle ignorieren. Elektro-, Dampf-, Gas- und Heißluftofen-Varianten haben unterschiedliche Betriebskosten. Mit der Heizleistung aus Ihrer Rechnung können Sie sie vergleichen. Siehe den Leitfaden zu den Kosten von Sprühtrocknern und den Leitfaden zu Sprühtrocknern.

Den Versuch überspringen. Welchen Feststoffgehalt Sie tatsächlich versprühen können und welche Austrittstemperatur Ihr Pulver verträgt, ergibt sich aus Tests. Unser Testlabor führt kostenpflichtige Pilotversuche durch, und die Daten fließen direkt in diese Rechnung ein.

Fazit

Legen Sie einen Sprühtrockner nach dem Wasser aus, das er verdampfen muss. Rechnen Sie die Pulvermenge über den Feststoffgehalt in Verdampfung um, schätzen Sie Wärme und Luftmenge aus Ihren Temperaturen ab und wählen Sie ein Modell mit Reserve. Der Feststoffgehalt der Aufgabe ist der Hebel, der das Ergebnis am stärksten verändert.

Nächster Schritt: Pilottest anfordern mit Ihrem Aufgabegut, um Feststoffgehalt, Austrittstemperatur und Pulvereigenschaften zu bestätigen. Pilottests sind eine kostenpflichtige Dienstleistung, und anschließend können wir eine Produktionsmaschine auf Basis gemessener Daten auslegen.

Häufig gestellte Fragen

Wie legt man einen Sprühtrockner aus?

Rechnen Sie die geforderte Pulvermenge anhand von Feststoffgehalt und Pulverfeuchte in das zu verdampfende Wasser um. Schätzen Sie dann Wärme und Luftmenge aus Eintritts- und Austrittstemperatur ab und wählen Sie ein Modell nach Nennverdampfungsleistung mit etwas Reserve.

Was ist die Verdampfungsleistung?

Sie ist die Wassermasse, die der Trockner pro Stunde entfernen kann, in kg/h. Sie ist die übliche Auslegungsgröße für Sprühtrockner, weil sie Wärmezufuhr, Luftmenge und Anlagengröße bestimmt.

Wie berechne ich das zu verdampfende Wasser?

Aufgabemenge gleich Trockensubstanz geteilt durch Feststoffanteil der Aufgabe. Zu verdampfendes Wasser gleich Aufgabemenge minus Pulvermenge. Bei 100 kg/h Pulver mit 4 Prozent Feuchte aus einer Aufgabe mit 30 Prozent Feststoff sind es etwa 220 kg/h.

Wie viel Wärme braucht ein Sprühtrockner?

Grob 2.400 kJ je Kilogramm verdampftes Wasser für die Verdampfungswärme, dazu Erwärmung von Aufgabe und Produkt sowie Verluste. Im Rechenbeispiel beträgt die Heizleistung etwa 280 kW für 220 kg/h Verdampfung, also etwa 1,3 kW je kg/h.

Spielt der Feststoffgehalt der Aufgabe für die Auslegung eine Rolle?

Ja, eine sehr große. Steigt der Feststoffgehalt von 20 auf 30 Prozent, sinkt die Verdampfungslast bei gleicher Pulvermenge um mehr als ein Drittel, solange die Aufgabe pumpbar und zerstäubbar bleibt.

Ist die Berechnung exakt?

Nein. Sie ist eine erste Abschätzung. Verweilzeit, Partikelgröße, Abscheideleistung und Verhalten der Aufgabe werden durch die Auslegung des Lieferanten und einen Pilotversuch bestätigt.

Welches SINOTHERMO-Modell passt zu 220 kg/h Verdampfung?

Aus der Baureihe der Druck-Sprühtrockner der YPG-300 mit 300 kg/h maximaler Verdampfung, mit Reserve. Auch die Zentrifugal-Baureihe LPG-200-2000 deckt diese Größe ab. Die endgültige Wahl hängt von Zerstäuber, Aufgabegut und Pulverspezifikation ab.