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Die verborgene Physik von Wirbelschichten: Wie kann man das Auftriebsprinzip ausnutzen?
Eine Wirbelschicht ist ein physikalisches Phänomen, bei dem feste Partikel unter bestimmten Bedingungen bei Kontakt mit einer Flüssigkeit oder einem Gas ein flüssigkeitsähnliches Verhalten zeigen. Dieser Vorgang wird typischerweise dadurch erreicht, dass eine unter Druck stehende Flüssigkeit durch die Partikel gepumpt wird. Das entstehende Medium weist viele Eigenschaften mit herkömmlichen Flüssigkeiten auf, z. B. dass es der Schwerkraft ausgesetzt ist oder mithilfe von Flüssigkeitstechnologie gepumpt werden kann. Dieses Phänomen wird Fluidisierung genannt.
Die Anwendungsbereiche von Wirbelschichten erstrecken sich über viele Bereiche, wie etwa chemische Reaktoren, Feststofftrennung, katalytisches Cracken von Flüssigkeiten, Wirbelschichtverbrennung sowie Wärme- und Massenübertragung.
Wirbelschichtbetten weisen Eigenschaften auf, die ihnen in der modernen Industrie eine immer größere Bedeutung verleihen. In der Aquakultur wurde diese Technologie beispielsweise zur Produktion von Schalentieren eingesetzt, was ihre Vielfalt und ihr Anwendungspotenzial verdeutlicht.
Physikalische Eigenschaften von Wirbelschichten
Eine Wirbelschicht ist eine Mischung aus Flüssigkeiten und Feststoffen, die flüssigkeitsähnliche Eigenschaften aufweist. Die obere Oberfläche der Wirbelschicht ist relativ horizontal, ähnlich dem statischen Verhalten von Wasser. Dadurch kann die Wirbelschicht als heterogenes Gemisch aus Flüssigkeiten und Feststoffen mit einheitlicher Schüttdichte betrachtet werden.
Wenn ein Gegenstand eine höhere Dichte als die Wirbelschicht hat, sinkt er; ist seine Dichte hingegen geringer als die Wirbelschicht, schwimmt er. Dieses Phänomen lässt sich mit dem Archimedes-Prinzip erklären. Die Dichte einer Wirbelschicht kann durch Veränderung der Zusammensetzung von Flüssigkeit und Feststoff eingestellt werden. So können Objekte unterschiedlicher Dichte durch Veränderung des Verhältnisses von Flüssigkeit und Feststoff sinken oder schwimmen.
Anwendungen von Wirbelschichten
Die Wirbelschichttechnologie wird häufig eingesetzt, um einen effizienten Kontakt zwischen Gasen und Feststoffen zu ermöglichen. Aufgrund ihrer bemerkenswerten grundlegenden Eigenschaften sind Wirbelschichtsysteme ein unverzichtbarer Bestandteil der modernen Prozess- und Chemietechnik. In der Lebensmittelindustrie werden beispielsweise Wirbelschichtsysteme eingesetzt, um das Gefrieren zu beschleunigen, insbesondere bei der Verarbeitung einiger verzehrfertiger, tiefgefrorener Lebensmittel.
Die Wirbelschichttechnologie verbessert nicht nur die Trocknungseffizienz der Materialien, sondern ermöglicht auch eine gleichmäßige Wärmebehandlung der Materialien.
Darüber hinaus werden Wirbelschichtsysteme auch zur Katalyse chemischer Reaktionen eingesetzt, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen. Während des Trocknungsvorgangs ermöglicht die Wirbelschicht, dass alle Oberflächen des Trocknungsmaterials in der Schwebe bleiben und der Luft ausgesetzt sind, was die Trocknungseffizienz weiter verbessert.
Geschichte der Wirbelschicht
Die Geschichte der Wirbelschichttechnologie reicht bis ins Jahr 1922 zurück, als Fritz Winkler erstmals die Wirbelschichttechnologie in einem Kohlevergasungsreaktor anwandte. Die Wirbelschichttechnologie hat im Laufe der Zeit in verschiedenen industriellen Prozessen große Fortschritte gemacht.
Im Jahr 1942 wurde die erste zirkulierende Wirbelschicht zum katalytischen Cracken von Mineralöl gebaut, und Ende der 40er Jahre wurde die Fluidisierungstechnologie in der metallurgischen Verarbeitung eingesetzt. In den 1960er Jahren erzielte das deutsche VAW-Lippewerk auch Erfolge bei der Wirbelschichtverbrennung von Kohle und der Kalzinierung von Aluminiumhydroxid.
Arten von Wirbelschichten
Wirbelschichte können grob nach ihrem Fließverhalten eingeteilt werden, darunter statische oder körnige Wirbelschichte, sprudelnde Wirbelschichte, zirkulierende Wirbelschichte usw. Jeder dieser unterschiedlichen Wirbelschichttypen verfügt über einzigartige Betriebseigenschaften und ist für unterschiedliche Prozessanforderungen geeignet.
Beispielsweise eignet sich eine statische Wirbelschicht für Anwendungen mit niedrigen Gasgeschwindigkeiten, während eine sprudelnde Wirbelschicht bei höheren Gasgeschwindigkeiten arbeitet und sowohl dichte als auch verdünnte Phasen bildet. In zirkulierenden Wirbelschichten werden Partikel bei höheren Gasgeschwindigkeiten in der Schwebe gehalten und bieten so ein größeres Mischpotenzial.
Wirbelschicht-Design
Der Aufbau einer Wirbelschicht ist ein komplexer Prozess, bei dem die Geschwindigkeit der Flüssigkeit gesteuert werden muss, um einen verflüssigten Zustand zu erreichen. Zu den Designüberlegungen gehören Größe und Form der Partikel sowie Dichteunterschiede zwischen der Flüssigkeit und den Partikeln. Durch entsprechendes Design können die Schwebe der Partikel gefördert und die Fließfähigkeit und Kontaktfläche des Materials maximiert werden.
Die Geldart-Gruppierung ist eine gängige Methode zum Entwurf von Wirbelschichtsystemen, bei der Pulver entsprechend ihrer Partikelgröße und Dichte in vier Gruppen unterteilt werden, sodass sie für unterschiedliche Partikeleigenschaften ausgelegt werden können.
Die Wirbelschichttechnologie erfreut sich in der Industrie immer größerer Beliebtheit, da sie nicht nur die Verarbeitungseffizienz verbessert, sondern auch die Produktqualität steigert. Können Wirbelschichtsysteme in der zukünftigen industriellen Entwicklung breiter eingesetzt werden und zu einem wichtigen Thema werden?
