Auslegung von Vakuumpumpe und Kondensator für Vakuumtrockner: ein praktischer Leitfaden

Legen Sie das Vakuumsystem eines Vakuumtrockners anhand von drei Zahlen aus: der abzuführenden Dampflast (kg Wasser oder Lösungsmittel pro Stunde), dem zu haltenden Absolutdruck und der Leckrate des Behälters. Der Kondensator entfernt den größten Teil des Dampfes durch Kondensation; die Pumpe entfernt nicht kondensierbares Gas (Leckluft) und den Dampf, den der Kondensator nicht erfasst. Wählen Sie den Pumpentyp nach dem Lösungsmittel und legen Sie den Kondensator immer für den Dampfdruck des Lösungsmittels bei der verfügbaren Kühlmitteltemperatur aus.

Kurzer Überblick: Der Trockner ist nur so gut wie sein Vakuumsystem

Die Heizfläche eines Vakuumtrockners bestimmt, wie schnell Wärme in das Produkt gelangen kann. Das Vakuumsystem bestimmt, ob der Dampf abziehen kann. Kann der Dampf nicht schnell genug abziehen, steigt der Druck im Behälter, der Siedepunkt steigt mit und die Trocknung verlangsamt sich. Bei vielen leistungsschwachen Trocknern ist die Heizfläche in Ordnung, das Vakuumsystem aber zu klein oder das Kühlmittel des Kondensators zu warm.

Dieser Leitfaden erklärt, wie das System ausgelegt wird. Er baut auf Siedepunkt von Wasser unter Vakuum auf, das den Zusammenhang von Druck und Temperatur beschreibt, und auf Vakuumtrocknungsanlagen: Auswahl nach Material, das die Wahl des Trockners behandelt.

Aufbau des Vakuumsystems

Ein übliches Vakuumtrocknersystem besteht aus folgender Reihenfolge:

1. 1.Trocknerbehälter: Hier findet die Verdampfung statt.
2. 2.Staubfilter oder Abscheider: schützt Leitung und Pumpe vor mitgerissenem Pulver.
3. 3.Kondensator: kühlt den Dampf, sodass er zu Flüssigkeit kondensiert.
4. 4.Kondensatbehälter: sammelt Wasser oder Lösungsmittel zur Entsorgung oder Rückgewinnung.
5. 5.Vakuumpumpe: entfernt nicht kondensierbares Gas und Restdampf.
6. 6.Vakuumbrecher und Instrumente: ein Manometer oder Messumformer und ein Ventil, um das Vakuum sicher aufzuheben.

Der Kondensator sitzt bewusst zwischen Behälter und Pumpe. Dampf bei niedrigem Druck nimmt ein riesiges Volumen ein, und es ist weit günstiger, ihn zu kondensieren als zu pumpen.

Schritt 1: Dampflast ermitteln

Die Dampflast ist die Flüssigkeitsmasse, die das Produkt pro Stunde verlassen muss. Bei einem Chargentrockner ist das die Verdampfung pro Charge geteilt durch die Trocknungszeit in der Phase konstanter Trocknungsgeschwindigkeit, in der die Last ihr Maximum erreicht.

Verdampfung pro Charge = Nassmasse minus Endmasse, wobei Endmasse = Trockensubstanz geteilt durch (1 minus Ziel-Feuchtebruch).

Beispiel: 600 kg Paste mit 55 Prozent Feuchte, getrocknet auf 5 Prozent, ergeben 270 kg Trockensubstanz, eine Endmasse von etwa 284 kg und 316 kg zu verdampfendes Wasser. Dauert die Phase konstanter Trocknungsgeschwindigkeit 3 Stunden, beträgt die Spitzendampflast etwa 105 kg/h.

Die Spitzenlast, nicht der Durchschnitt, bestimmt die Größe des Kondensators. Die Pumpe wird nach der nicht kondensierbaren Last plus dem Restdampf ausgelegt.

Schritt 2: Betriebsdruck festlegen

Legen Sie den Absolutdruck anhand der maximalen Produkttemperatur fest, mithilfe der Siedepunkttabelle. Kann das Produkt 60 °C erreichen, ist ein Absolutdruck um 20 kPa ein vernünftiges Ziel. Beachten Sie: Die Spezifikation ist der Absolutdruck; die Anzeige am Manometer hängt vom örtlichen Luftdruck ab.

Je niedriger der Druck, desto größer das Dampfvolumen und desto anspruchsvoller werden Kondensator und Pumpe. Wählen Sie das geringste Vakuum, das das Produkt schützt, nicht das tiefste verfügbare Vakuum.

Schritt 3: Kondensator auslegen

Ein Kondensator führt Wärme ab. Die Leistung ist die Dampflast multipliziert mit der Verdampfungswärme, die für Wasser bei 60 °C etwa 2,350 kJ/kg beträgt (etwa 0.65 kW pro kg/h).

Im vorigen Beispiel benötigen 105 kg/h Wasserdampf etwa 105 x 2,350 / 3,600 = etwa 69 kW Kondensatorleistung.

Prüfen Sie dann drei Dinge:

• Kühlmitteltemperatur. Der Dampf kondensiert bei seiner Sättigungstemperatur für den Behälterdruck. Bei 20 kPa sind das für Wasser etwa 60 °C, sodass Kühlwasser mit 25 bis 30 °C eine komfortable Temperaturdifferenz liefert. Bei 5 kPa sättigt Wasserdampf bei etwa 33 °C; Kühlwasser mit 30 °C kondensiert ihn kaum, und Sie brauchen Kaltwasser.
• Wärmeübertragungsfläche. Fläche = Leistung / (U x logarithmische mittlere Temperaturdifferenz). Kondensatorlieferanten verwenden eigene U-Werte, die vom Anteil nicht kondensierbarer Gase abhängen; lassen Sie sie daher aus Ihrer Leistung, Ihrem Druck und Ihrer Kühlmitteltemperatur auslegen.
• Druckverlust. Die Leitung vom Behälter zum Kondensator muss kurz sein und einen großen Durchmesser haben. Bei niedrigem Druck verursachen kleine Druckverluste große Verluste im Vakuumniveau am Produkt.

Bei Lösungsmitteln verwenden Sie anstelle der Werte für Wasser die Verdampfungswärme und die Sättigungskurve des Lösungsmittels. Niedrigsiedende Lösungsmittel erfordern gegebenenfalls einen gekühlten Kondensator oder eine zweite Kühlfalle, damit nichts zur Pumpe gelangt.

Schritt 4: Vakuumpumpe auslegen

Die Pumpe hat zwei Aufgaben:

1. 1.Nicht kondensierbares Gas entfernen. Es stammt aus Luft, die in den Behälter eindringt, und aus Gas, das das Produkt abgibt.
2. 2.Dampf entfernen, den der Kondensator nicht erfasst. Das hängt davon ab, wie kalt der Kondensator relativ zur Sättigungstemperatur des Dampfes ist.

Für die Auslegung berechnet man üblicherweise die Leckrate und addiert eine Reserve. Die Leckrate hängt vom Behälter, den Wellendichtungen und der Zahl der Flansche und Ventile ab. Eine gängige Methode, Leckage zu quantifizieren, ist ein Druckanstiegstest: Behälter beim Arbeitsdruck absperren und messen, wie schnell der Druck steigt. Ein gut gebautes, sauberes System hat geringe Leckage.

Vereinbaren Sie mit dem Lieferanten eine Druckanstiegsgrenze und prüfen Sie sie bei der Inbetriebnahme. Liegt der gemessene Anstieg deutlich über dem Vereinbarten, suchen Sie das Leck, bevor Sie der Pumpe die Schuld geben.

Die Pumpenleistung wird als Volumenstrom bei einem bestimmten Ansaugdruck angegeben. Pumpen verlieren bei niedrigem Ansaugdruck an Saugvermögen; verwenden Sie daher die Kennlinie bei Ihrem Betriebsdruck, nicht den Katalogwert.

Vergleich der Pumpentypen

Wählen Sie die Pumpe zuerst nach dem Lösungsmittel, dann nach dem Vakuumniveau und zuletzt nach den Kosten.

Ein durchgerechnetes Beispiel

Die Zahlen sind illustrativ, keine Kundendaten.

Eine Pigmentpaste wird in einem Vakuumtrockner mit 1,200 L Arbeitsvolumen getrocknet. Nassmasse 600 kg mit 55 Prozent Feuchte, Ziel 5 Prozent, Absolutdruck 15 kPa (Wasser siedet bei etwa 54 °C), Spitzendampflast 105 kg/h.

1. 1.Kondensatorleistung: etwa 69 kW. Bei 15 kPa kondensiert Wasserdampf bei etwa 54 °C. Kühlwasser mit 30 °C Eintritt und etwa 38 °C Austritt ergibt eine logarithmische mittlere Temperaturdifferenz von etwa 20 °C. Mit einem angenommenen Wärmedurchgangskoeffizienten von 500 W/m²K für einen Kondensator mit etwas nicht kondensierbarem Gas ergibt sich Fläche = 69,000 / (500 x 20) = etwa 6.9 m². Ein Lieferant rundet auf und fügt eine Reserve hinzu.
2. 2.Dampfvolumen, wenn alles zur Pumpe ginge: Bei 15 kPa sind ein kg Wasserdampf etwa 10 m³, 105 kg/h wären also etwa 1,050 m³/h. Das ist für eine Pumpe viel zu viel, und deshalb ist der Kondensator so wichtig.
3. 3.Pumpe: Bei einem gut ausgelegten Kondensator hat die Pumpe es mit Leckage und einem kleinen Restdampfanteil zu tun. Eine Pumpe mit einigen zehn m³/h bei 15 kPa Ansaugdruck ist für diese Größenordnung typisch, und der Lieferant sollte dies anhand seiner Kennlinie bestätigen. Für einen sauberen, lösungsmittelfreien Betrieb ist eine Flüssigkeitsringpumpe eine übliche Wahl.

Die Zahlen dienen der Veranschaulichung. Pumpe und Kondensator müssen vom Lieferanten anhand der realen Dampflast, des Drucks, des Kühlmittels und des Lösungsmittels ausgelegt werden.

Häufige Fehler, die Sie vermeiden sollten

1. 1.Die Pumpe nach der Dampflast auslegen. Der Kondensator sollte den Dampf bewältigen. Die Pumpe erledigt den Rest.
2. 2.Pumpenleistung beim Atmosphärendruck angeben. Das Saugvermögen sinkt bei niedrigem Ansaugdruck.
3. 3.Die Kühlmitteltemperatur ignorieren. Warmes Kühlmittel kann einen Kondensator bei tiefem Vakuum nutzlos machen.
4. 4.Lange, enge Dampfleitungen. Der Druckverlust am Behälter ist höher, als das Manometer an der Pumpe zeigt.
5. 5.Lecks ignorieren. Lecks begrenzen das erreichbare Vakuum. Prüfen Sie den Druckanstieg bei der Inbetriebnahme.
6. 6.Die falsche Pumpe für Lösungsmittel verwenden. Ölgedichtete Pumpen können verunreinigt werden, und brennbare Lösungsmittel erfordern explosionsgeschützte Ausrüstung.

Was Sie einer Angebotsanfrage beifügen sollten

• Produkt, Lösungsmittel und die zu verdampfende Menge pro Charge oder pro Stunde
• Spitzenverdampfungsrate, falls bekannt
• Ziel-Absolutdruck oder maximale Produkttemperatur
• Verfügbare Temperatur von Kühlwasser oder Kaltwasser
• Ob Lösungsmittelrückgewinnung erforderlich ist
• Ex-Zonen-Einstufung, falls vorhanden

Als komplette Anlage geliefert

SINOTHERMO kann den Trockner als komplette Anlage liefern: den Trockner selbst plus Vakuumpumpe, Kondensator, Kondensatbehälter, Staubfilter, Heiz- oder Kühlaggregate, Verrohrung und Steuerung, abgestimmt auf Ihre Dampflast und Ihr Vakuumniveau. Die gemeinsame Auslegung des gesamten Systems vermeidet das häufige Problem eines guten Trockners mit unterdimensionierter Pumpe oder zu warmem Kondensator. Senden Sie uns Ihr Produkt und Ihre Aufgabe und wir legen die Anlage für Sie aus.

Vor der Spezifikation testen

Ein Pilotversuch misst reale Verdampfungsraten, Schaumbildung und Dampfbelastung an Ihrem Produkt; das sind die Eingangsgrößen für die Auslegung des Vakuumsystems. Pilotversuch anfragen und die Ergebnisse gehören Ihnen und können bei jedem Lieferanten verwendet werden. SINOTHERMO baut und verkauft Anlagen und bietet keine Lohntrocknung an. Zur Trocknerseite siehe Kontakttrocknungstechnologie und die Seite zur Vakuumtrocknungstechnologie.

Häufig gestellte Fragen

Wie lege ich eine Vakuumpumpe für einen Vakuumtrockner aus?

Berechnen Sie die nicht kondensierbare Last aus Behälterleckage und Ausgasung des Produkts, addieren Sie nicht kondensierten Restdampf und wählen Sie eine Pumpe, die diese Leistung bei Ihrem Betriebs-Ansaugdruck liefert, mit Reserve.

Brauche ich an einem Vakuumtrockner einen Kondensator?

In fast allen Fällen ja. Ein Kondensator entfernt den größten Teil des Dampfes als Flüssigkeit, schützt die Pumpe und ermöglicht die Lösungsmittelrückgewinnung.

Welche Vakuumpumpe ist für einen Vakuumtrockner am besten?

Das hängt vom Lösungsmittel und vom Vakuumniveau ab. Flüssigkeitsringpumpen eignen sich für nassen, wasserbasierten Betrieb. Trockenlaufende Schraubenpumpen eignen sich für Lösungsmittel und sauberen Betrieb. Ölgedichtete Drehschieberpumpen eignen sich für trockenen, sauberen Betrieb hinter einem guten Kondensator.

Welches Vakuumniveau brauche ich?

Nutzen Sie das niedrigste Vakuum, das das Produkt unter seiner Maximaltemperatur hält. Die Siedepunkttabelle liefert den Druck für eine Zieltemperatur.

Welche Kühltemperatur braucht der Kondensator?

Kälter als die Sättigungstemperatur des Dampfes beim Behälterdruck, mit Reserve. Wasserdampf bei 5 kPa sättigt bei etwa 33 °C; tiefes Vakuum braucht daher Kaltwasser.

Wie prüfe ich auf Lecks?

Sperren Sie den Behälter beim Arbeitsvakuum ab und messen Sie, wie schnell der Druck steigt. Eine hohe Anstiegsrate deutet auf ein Leck hin.

Bietet SINOTHERMO Lohntrocknung an?

Nein. SINOTHERMO baut und verkauft Trocknungsanlagen und bietet kostenpflichtige Pilotversuche an.