Feuchtigkeit ist häufig in industriellen Prozessen unerwünscht. Um sie zu entfernen gibt es verschiedene technische Möglichkeiten zur Trocknung. Welche ist eigentlich die effizienteste?

Bis zu einem Viertel des industriellen Energiebedarfs entfällt nach Angaben des Fraunhofer IGB auf Trocknungsprozesse. Ein großer Teil dieser Energie geht bislang über die Abluft verloren. Das Forschungsprojekt LowCarbDry will sie mithilfe eines geschlossenen Heißdampfkreislaufs zurückgewinnen. Infrarotdrehrohre setzen an einem anderen Punkt an: Sie bringen die Energie direkt in das Material ein, setzen sie dort auf molekularer Ebene in Wärme um und können zusätzlich den photomolekularen Effekt nutzen.

Damit stehen sich zwei unterschiedliche Ansätze gegenüber. Die Heißdampftrocknung versucht, einmal eingesetzte Wärme möglichst lange im Prozess zu halten. Die Infrarottrocknung erhitzt keine Gase und reduziert den Energieaufwand bereits beim Wärmeeintrag. Welche Lösung effizienter ist, hängt deshalb nicht allein vom Wirkungsgrad einzelner Komponenten ab.

Fraunhofer setzt auf einen geschlossenen Dampfkreislauf

Nach Angaben des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB arbeiten etwa 85 Prozent der industriellen Trocknungsanlagen als fossil beheizte konvektive Ablufttrockner. Bei annähernd 99 Prozent dieser Anlagen werde der entstehende Wasserdampf ungenutzt mit der Abluft abgeführt.

Im Projekt LowCarbDry ersetzen das Fraunhofer IGB und seine Industriepartner die übliche Heißluft durch überhitzten Wasserdampf bei Atmosphärendruck. Beteiligt sind Evonik Operations, die Pergande Gesellschaft für Industrielle Entstaubungstechnik und German Pneumatics Engineering.

Der überhitzte Dampf nimmt Feuchtigkeit aus dem Produkt auf, ohne darauf zu kondensieren. Anders als die Abluft eines konventionellen Trockners zirkuliert das Prozessgas in einem weitgehend geschlossenen Kreislauf. Der bei der Trocknung zusätzlich entstehende Dampf kann kondensiert werden. Dabei fällt laut Fraunhofer IGB Wärme auf einem Temperaturniveau von etwa 90 bis 100 Grad Celsius an, die sich für andere Prozesse oder ein Wärmenetz nutzen lässt.

Noch weiter geht die mechanische Brüdenverdichtung. Kompressoren verdichten den Überschussdampf und erhöhen dadurch sein Temperaturniveau. Anschließend kann er erneut im Trocknungsprozess eingesetzt werden. Eine modellprädiktive Steuerung soll die Anlage zudem bevorzugt dann betreiben, wenn viel erneuerbarer Strom verfügbar ist.

Das Fraunhofer IGB nennt als Projektziel eine Verringerung des Energiebedarfs um den Faktor zwei bis vier. In der Presseinformation zu LowCarbDry ist von Einsparungen von bis zu 80 Prozent die Rede. Bezugsgröße ist jeweils die konventionelle Heißlufttrocknung, nicht ein Infrarotverfahren.

Wärme und Feuchtigkeit nehmen unterschiedliche Wege

Die Wärmerückgewinnung verbessert die Energiebilanz der Heißdampfanlage. Sie ändert jedoch nicht die Richtung, in der die Energie in ein einzelnes Korn gelangt. Heißluft und überhitzter Wasserdampf übertragen ihre Wärme zunächst auf die Partikeloberfläche. Von dort muss sie durch Wärmeleitung in das Korninnere gelangen.

Die Oberfläche wird deshalb schneller warm als der Kern. Während dieser Aufheizphase kann das Temperaturgefälle einen Teil der Feuchtigkeit in Richtung des noch kühleren Korninneren verlagern. Gleichzeitig erzeugt das Prozessgas ein Partialdruckgefälle, das die Feuchtigkeit nach außen zieht. Die beiden Effekte können sich zunächst überlagern.

Für die vollständige Trocknung muss die im Kern gebundene Feuchtigkeit schließlich zur Oberfläche diffundieren. Wärme- und Feuchtetransport verlaufen damit grundsätzlich in entgegengesetzte Richtungen: Die Wärme wandert von außen nach innen, die Feuchtigkeit muss letztlich von innen nach außen gelangen.

Bei der Infrarottrocknung sieht der Vorgang anders aus. Die Strahlung dringt in das Korn ein und wird im Material aufgenommen. Dadurch werden das Kornvolumen und die darin enthaltene Feuchtigkeit erwärmt, ohne dass die gesamte Energie zuerst von der Oberfläche bis zum Kern geleitet werden muss.

Es entsteht ein Temperatur- und Partialdruckgefälle vom erwärmten Korninneren zum kühleren Prozessraum. Wärme und Feuchtigkeit bewegen sich damit in dieselbe Richtung: von innen nach außen. Dieser Unterschied trägt dazu bei, dass sich hygroskopische Granulate im Infrarotdrehrohr innerhalb weniger Minuten trocknen lassen.

Licht kann Wasser direkt aus Grenzflächen lösen

Neben der Erwärmung kann bei der Infrarottrocknung ein weiterer Mechanismus wirken. Ein Forschungsteam um Gang Chen am Massachusetts Institute of Technology beschreibt einen photomolekularen Effekt, bei dem Photonen Wassercluster unmittelbar aus einer Wasser-Luft-Grenzfläche lösen. Die Verdunstung wäre damit nicht ausschließlich eine Folge vorheriger Erwärmung.

Der Effekt hängt von der Wellenlänge, dem Einfallswinkel und der Polarisation des Lichts ab. Seinen höchsten Wert erreichte er in den Versuchen bei grünem Licht mit einer Wellenlänge von etwa 520 Nanometern. Er ist jedoch nicht auf grünes Licht begrenzt. Die untersuchten Wellenlängen reichten vom sichtbaren Licht bis 815 Nanometer und damit in den nahen Infrarotbereich.

Bei längeren Wellenlängen nimmt zugleich die gewöhnliche thermische Absorption des Wassers zu. Der photomolekulare und der thermische Anteil lassen sich dort deshalb schwieriger voneinander trennen. Fest steht aber, dass der beschriebene Effekt nicht nur bei seinem Maximum im grünen Spektralbereich auftritt.

Für den Vergleich der Trocknungsverfahren ist das relevant. Bei einem Infrarotdrehrohr werden die Wassergrenzflächen im Material bestrahlt. Neben der thermischen Erwärmung kann Licht deshalb unmittelbar zur Ablösung von Wasserclustern beitragen. Bei einer rein konvektiven Trocknung mit Heißluft oder überhitztem Wasserdampf fehlt diese Bestrahlung. Diese Verfahren können den photomolekularen Effekt nicht als zusätzlichen Trocknungsmechanismus nutzen.

B.IRD führt die schnelle Mobilisierung der Feuchtigkeit in Kunststoffgranulaten neben dem inneren Wärmeeintrag ausdrücklich auf den photomolekularen Effekt zurück. Wie groß sein Anteil an der Trocknungsleistung einer industriellen Anlage ist, wurde bislang allerdings nicht unabhängig quantifiziert. Die MIT-Arbeiten untersuchten Wasseroberflächen, Nebel und Hydrogele, nicht Kunststoffgranulate in einem Infrarotdrehrohr.

Kompakte Infrarotdrehrohre benötigen keine aktive Entlüftung

Auch beim Abtransport der Feuchtigkeit unterscheiden sich die Anlagenkonzepte. Große Infrarotdrehrohre können mit einer aktiven Luftführung und einer Ablufteinheit ausgestattet sein. Bei kleineren Anlagen wie den Systemen von B.IRD ist eine solche zusätzliche Entlüftung nicht erforderlich.

Die Infrarotstrahlung erwärmt vor allem das Material und nicht die umgebende Luft. Die am Korn erwärmte und feuchtebeladene Luft entfernt sich durch natürliche Konvektion. Im Drehrohr wird sie nach außen geführt und abgegeben. Die Feuchtigkeit verlässt den Prozessraum somit ohne ein separates maschinelles Entlüftungssystem.

Gleichzeitig entfallen die Erzeugung heißer Trockenluft, deren Entfeuchtung mit Trockenmitteln und die Regeneration dieser Trockenmittel. Neben der eigentlichen Trocknungsenergie werden dadurch weitere Verbraucher vermieden.

B.IRD nennt für seine Anlagen Trocknungszeiten von drei bis 30 Minuten und Durchsätze zwischen vier und 200 Kilogramm pro Stunde. Gegenüber konventionellen Trockenluftverfahren gibt das Unternehmen Energieeinsparungen von bis zu 70 Prozent an. Auch hierbei handelt es sich nicht um einen Vergleich mit der Heißdampftrocknung.

Wärmerückgewinnung erfordert aufwendige Technik

Die Heißdampftrocknung kann große Mengen Wärme zurückgewinnen. Dafür benötigt sie jedoch eine erheblich komplexere Anlage. Zum System gehören ein geschlossener Dampfkreislauf, Wärmetauscher, Wärmepumpe, Pumpen, Kondensatführung, mehrstufige Kompressoren für die Brüdenverdichtung sowie eine anspruchsvolle Mess- und Regelungstechnik.

Gegenüber einem kompakten Infrarotdrehrohr ist der Bau einer solchen Anlage erheblich teurer. Auch der Betrieb ist aufwendiger: Kompressoren, Pumpen und Nebenaggregate benötigen Strom, müssen überwacht und regelmäßig gewartet werden. Hinzu kommen Instandhaltung und mögliche Stillstandszeiten.

Die zurückgewonnene Wärme muss daher nicht nur den zusätzlichen Energieverbrauch der Aggregate, sondern wirtschaftlich auch die höheren Investitions- und Betriebskosten rechtfertigen. Das gelingt umso eher, je höher die Auslastung und die zu verdampfende Wassermenge sind und je vollständiger sich die zurückgewonnene Wärme nutzen lässt.

Kompakte Infrarotdrehrohre sind konstruktiv einfach. Sie benötigen keine Wärmepumpe, keine Brüdenverdichtung, keine Trockenmittelregeneration und in der beschriebenen Ausführung keine aktive Entlüftung.

Die Ausgangsfrage bleibt offen

Ob Infrarot oder überhitzter Wasserdampf weniger Energie benötigt, lässt sich mit den veröffentlichten Angaben nicht abschließend beantworten. Fraunhofer IGB und B.IRD vergleichen ihre Verfahren jeweils mit konventioneller Heiß- oder Trockenlufttrocknung, nicht miteinander.

Ein belastbarer Vergleich müsste dasselbe Material mit identischer Ausgangs- und Restfeuchte bei gleichem Durchsatz untersuchen. Erfasst werden müssten sämtliche Verbraucher, die nutzbare Wärmerückgewinnung sowie Investitions-, Wartungs- und Betriebskosten. Eine zentrale energetische Kennzahl wäre der gesamte Energiebedarf je Kilogramm entferntes Wasser.

Die Heißdampftrocknung optimiert vor allem den Energiekreislauf der Anlage: Thermisch eingesetzte Energie wird nach der Verdampfung zurückgewonnen. Die Infrarottrocknung setzt früher an. Sie bringt die Energie in das Korninnere, richtet Wärme- und Feuchtetransport nach außen und kann zusätzlich den photomolekularen Effekt nutzen. Bei kompakten Anlagen entfallen zudem eine aktive Entlüftung und die Aufbereitung von Trockenluft.

Bei großen, kontinuierlichen Wassermengen kann die Wärmerückgewinnung des Heißdampfverfahrens einen erheblichen Vorteil bieten. Bei hygroskopischen Granulaten sprechen der direkte Energieeintrag, die kurzen Trocknungszeiten und die einfachere Anlagentechnik für das Infrarotdrehrohr. Welches Verfahren effizienter und wirtschaftlicher arbeitet, muss deshalb für die jeweilige Anwendung ermittelt werden.

Bild ganz oben: Bei der Trockung mit Infrarot trifft das Licht direkt auf das Trockengut und die Feuchtigkeit wird unmittelbar abgeführt. Foto: B.IRD Machinery