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Konstruktionsvarianten der Luftkanäle bei Dächer-Schacht-Trocknern in der Praxis
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1. Grundlagen

Die Trocknung von Getreide und Mais wird mit Warmluft durchgeführt. Dieses klassische Trocknungsverfahren ist einfach und hat sich im landwirtschaftlichen Bereich durchgesetzt, da eine leistungsstarke, qualitativ hochwertige und schonende Trocknung erzielt wird. Die Investitions- und Betriebskosten gegenüber anderer Verfahren, wie Gefrier-, Vakuum- oder Strahlungstrocknung nehmen sich gering aus.

Im allgemeinen hat sich die Konstruktion des sog. Dächer-Schacht-Trockners bewährt. Im speziellen bedeutet dies, dass die Luftzu- und abführung über horizontal liegende, nach unten offene, dachförmige Luftschächte erfolgt. In den Zwischenräumen rieselt das Trocknungsgut unter Einwirkung der Schwerkraft durch die Trocknungsanlage. Die senkrechten Produktschächte sind von waagrecht angeordneten Warm- und Abluftkanälen durchzogen. Die optimierte Dachform dieser Kanäle gewährleistet das gleichmäßige Nachsetzen des Produkts.

                
          Abbildung 1                             Abbildung 2

Abbildung 1: Trocknungsanlage im Schnitt. Das Trocknungsgut wird oben (Pfeil oben)
in die Trocknersäule eingebracht und mittels Schwerkraft durch die Anlage geführt bis zum Auslauf (Pfeil unten).
Rechts wird die Warmluft (rot) der Trocknersäule (gelb) zugeführt. Links davon wird die mit Wasser angereicherte Luft aus der Anlage abgeführt (grün). Man erkennt im unteren Bereich eine Kühlzone (blau)

Abbildung 2: Funktionsprinzip des Dächer-Schacht-Trockners. Die roten Kanäle symbolisieren die Warmluft, die grünen die Abluft. Dazwischen befindet sich das zu trocknende Gut (gelb).
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Die Dachkanäle sind nach unten auf gesamter Länge offen. Die Warmluft strömt auf der Stirnseite der Warmluftdächer (rot) in die Säule ein und durchflutet anschließend die anliegende Produktschüttung (gelb). Dabei erwärmt sich das Produkt und gibt seine Feuchtigkeit an die vorbeistreichende Luft ab und trocknet. Im Gegenzug kühlt sich die Luft ab und feuchtet sich je nach Produkt bis zur Sättigungsgrenze auf. Die feuchte Luft entweicht durch die benachbarten Abluftdächer (grün). Die Luftkanäle sind an jeweils einer Seite zu den entsprechenden Hauptkanälen geöffnet, um das Einströmen bzw. Ausströmen der Luft zu ermöglichen. An der gegenüberliegenden Seite sind die Kanäle geschlossen, so daß die Luft also gezwungen ist, dem beschriebenen Weg zu folgen. Durch Ventilatoren wird diese Luft aus dem Trockner gesaugt. Das Prinzip wird in Abbildung 1 und Abbildung 2 erklärt.

Hinzu kommen nun von den unterschiedlichen Herstellern verwendeten Arten der Heiztechnik, der weitergehenden Luftführung bis hin zur Wärmerückgewinnung durch Umluft etc. Ein wichtiges Konstruktionsmerkmal ist aber eben auch die Form der Luftkanäle resp. Dächer, die von den Herstellern produziert werden.
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2. Zwei grundsätzliche Dächerformen – konische und gerade Ausführung

In der Praxis haben sich zwei Konstruktionsarten durchgesetzt – die konische sowie die gerade Dächerform.

Abbildung 3: links ist die Konstruktion mit konischen Dächern,
rechts mit geraden Dächern dargestellt.
Die roten Pfeile symbolisieren den Warmlufteintritt, die grünen den Abluftaustritt.

Bei der konischen Ausführung haben die Luftkanäle in der Trocknersäule einen veränderlichen Querschnitt über die Tiefe der Säule betrachtet. Auf der Warmluftseite, dort wo die Luft einströmt, verjüngt sich der Kanal mit zunehmender Tiefe der Säule (siehe Abbildung 3). Bei den Abluftkanälen, also nach Durchströmen der Luft durch die Produktschüttung, ist es genau umgekehrt; hier weitet sich der Querschnitt mit zunehmender Tiefe, bis auf der Abluftseite der maximale Querschnitt erreicht ist. Somit hat immer diejenige Seite den maximalen Durchströmungsquerschnitt, die zu einem der beiden Hauptluftschächte (Warmluft-Zuführung und Abluft-Abführung, siehe auch Abbildung 1) zeigt. Die jeweils gegenüberliegende Seite mit kleinem Querschnitt ist die geschlossene.

Trocknungsanlagen mit einer geraden Dächerausführung weisen über die gesamte Säulentiefe einen gleichmäßigen Querschnitt in den Luftkanälen auf. Das Prinzip der wechselseitigen Öffnungen der Warm- und Abluftdächer ist wie oben beschrieben vergleichbar (Abbildung 3).
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3. Gegenüberstellung der beiden Systeme

a) Fertigungs- und Investitionskosten

Sowohl die konische Dachform, als auch die gerade Dachform ist in der Regel für alle Kanäle gleich. Es besteht kein Unterschied zwischen den Warmluft- und den Abluftkanälen. Ein großer Vorteil der konischen Bauform liegt in der einfachen Stapelbarkeit der einzelnen Dächer während der Fertigung und vor allem beim Transport. Die Dächer lassen sich leicht ineinander schieben und reduzieren damit das Gesamt-Stapelvolumen und somit die Lager- und Transportkosten. Dies ist bei den geraden Dächern nur bedingt möglich, man kann sie nur zueinander gedreht ineinander schieben.

Auch in der Montage erweisen sich die konischen Dächer als die billigere Bauform. Die Dächer können einfach durch die Öffnungen in den Seitenwänden der Trocknersäulen hindurchgeschoben werden. Die meisten Hersteller stecken die an den Dächern befindliche Laschen an der gegenüberliegenden, geschlossenen Seite durch Schlitze in der Seitenwand und befestigen sie entweder durch einfaches Umschlagen der Laschen mittels eines Hammers oder durch Einschlagen von Keilen und ähnlichem. An der geöffneten Seite mit dem größeren Querschnitt werden ebenfalls Laschen umgebogen oder verkeilt. Meist wird diese Seite noch mit einer einfachen zusätzlichen Fixierung (Schraube, Popniet o.ä.) versehen.

Die Konstruktionen mit geraden Dächern benötigen eine etwas aufwendigere Montage, da diese nicht einfach durch die Kanalöffnungen der Seitenwände hindurchgesteckt werden können. Die komplett vorgefertigten Kanäle werden einzeln von innen bei der Montage eines Säulenelementes mit zahlreichen Befestigungselementen (Scherzugniete oder vergleichbares) an der Seitenwand fest fixiert. Ein Umhämmern von Laschen oder ähnliches findet nicht statt.

Die Art und Weise der Montage der geraden Dachelemente sowie die zahlreichen verwendeten Fixierungen vergrößern natürlich den Aufwand bei der Herstellung und somit die Kosten. Die konische Ausführung ist hier eindeutig die billigere.
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b) Stabilität

Gerade aber die Befestigungsart, die die konische Variante so kostengünstig macht zeigt aber auch ihren größten mechanischen Nachteil: die fehlende Stabilität.

Durch das Umhämmern der Laschen entsteht keine feste Verbindung zwischen Kanal und Frontplatte und somit ist ein Säulenelement in sich nicht so stabil wie ein Element der geraden Variante. Hier wird durch die zahlreichen Verbindungen der Kanäle mit den Frontplatten eine Stabilität des jeweiligen Säulenelementes erreicht, die sich dann auf die ganze Säulenhöhe betrachtet als vorteilhaft erweist.

Eine Möglichkeit, dies bei der konischen Variante zu verbessern wäre, auch diese Dächer fix mit den Seitenwänden zu verbinden. In der Regel lassen sich die für die Befestigung notwendigen Bohrungen, wegen der fehlenden Präzision bei der Montage, nur sehr ungenau vorfertigen. Außerdem geht damit ein entscheidender Vorteil der geringeren Kosten verloren.
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c) Gleichmäßigkeit des Trocknungsergebnisses

Zuerst hier die Erläuterung des Begriffes „Schütthöhe“. Mit Schütthöhe ist der Weg einer Luftströmung vom Warmluftkanal durch das Produkt zum Abluftkanal an einer jeweiligen Position in der Trocknersäule zu verstehen. Dies ist zum Beispiel in Abbildung 2 als Weg der Luft durch das Produkt, angedeutet durch die Pfeile, zu erkennen.

Abbildung 4: bei konischen Dächern ist der Schnitt durch die Tiefe des Elementes veränderlich, bei geraden Dächern immer konstant.Betrachtet man bei der konischen Variante einen Schnitt durch die Trocknersäule genau in der Mitte (über die Tiefe der Säule betrachtet), so sind die Querschnitte von Warmluft- und Abluftkanal gleich. An den Frontplatten, wo der kleinste mögliche Querschnitt auf den größten trifft, ist der Unterschied jeweils maximal (Abbildung 4). Der Schnitt ist somit über die Tiefe veränderlich.

Durch die konisch geformten Dächer entsteht somit in der Produktsäule über die Tiefe der Dächer betrachtet keine gleichmäßige Schütthöhe des Produktes. Bei der geraden Dächerkonstruktion ist der Querschnitt immer derselbe und somit auch die Schütthöhe konstant über die Säulentiefe.

Das bedeutet, über die Tiefe der Säule betrachtet ist bei konischen Dächern in der Mitte die Schütthöhe geringer als an den Frontplatten. Ist aber nun die Schütthöhe geringer, bedeutet dies, daß sich weniger Material je Meter Säulenhöhe über dem untersten Element, dem Austragselement, befindet. Geht man davon aus, daß der Produktaustrag nun mengenmäßig gleichmäßig austragen würde (zumindest über die Tiefe der Dächer kann man davon ausgehen), so rieselt die Ware in der Mitte der Säule schneller als am Rand. Dadurch bedingt sich eine geringere Gesamtverweilzeit dieses Trocknungsgutes in der Trocknungsanlage. Eine geringere Verweilzeit resultiert nun aber automatisch in einer höheren Endfeuchte, da weniger Wasser dem Produkt entzogen wurde als erwünscht. Praktische Messungen haben hier Unterschiede in der Endfeuchte von +/- 3% ergeben (Trocknung von Mais von 35% auf 15%).

Dieses Problem kann bei Trocknungssäulen mit geraden Dächern nicht auftreten, da überall eine gleichmäßige Schütthöhe vorliegt. Es muß nur sichergestellt sein, daß ein Austragssystem verwendet wird, das das Trocknungsgut gleichmäßig über die Säulengrundfläche aus der Anlage austrägt, was aber nicht immer selbstverständlich ist.

Ein zusätzliches Problem bedingt bei vielen in der Praxis gesehenen Trocknungsanlagen ist der einseitige Austragsmechanismus. Der Austrag vieler Anlagen arbeitet nicht wechselseitig, sondern nur einseitig (Klappmechanismus). Dies bedeutet, daß die Seite, an der der Klappmechanismus zuerst öffnet, schneller rieselt als an der gegenüberliegenden Seite. Somit gibt es in der gesamten Säule ein ungleichmäßiges Nachsetzen und damit Bereiche mit Untertrocknung und Bereiche mit Übertrocknung. Diese Konstruktionen sind nicht unbedingt durch die Ausführung der Dächer bedingt, man sieht sie jedoch hauptsächlich bei Trocknern mit konischen Dächern.
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d) Energieverbrauch

Hier muß man zwei Energieverbräuche betrachten, die elektrische Energie und die Heizenergie.

Anlagen mit konischen Dächern weisen in der Regel viel geringere elektrische Anschlußwerte auf, als vergleichbare Trockner mit gerader Ausführung. Dies resultiert natürlich auch in geringeren elektrischen Verbräuchen. Die hauptsächlichen elektrischen Verbraucher einer Anlage sind die Ventilatoren. Somit steht der Anschlußwert direkt in Verbindung mit der Luftbewegung.

Betrachten wir die unterschiedliche Geometrie der Dächer der konischen Ausführung (siehe Punkt c). Durch die unterschiedlichen Schütthöhen gibt es unterschiedliche Luftwiderstände in der Trocknersäule. Es gibt also Stellen mit geringem Widerstand und Stellen mit höherem Widerstand. Da der größte Anteil der Luft sich durch die Stellen mit geringerem Widerstand bewegt, hat die Trocknersäule insgesamt einen viel geringeren Widerstand als bei Anlagen mit gleichmäßigen Dächern. Ein geringerer Widerstand benötigt aber automatisch eine geringere Ventilatorleistung und somit eine geringere elektrisch Leistung der gesamten Anlage, sofern die periphere Ausstattung (Warmlufterzeugung, Staubabscheidung etc.) gleich ist.

Bei der Betrachtung der Heizenergie geben sich grundsätzlich kaum Unterschiede zwischen beiden Systemen. Die Verbräuche sind doch hauptsächlich durch die Peripherie (Heizgeräte, etc.) bedingt. Die konische Variante weist jedoch einen höheren Energieverbrauch auf, wenn man die Ungleichmäßigkeiten der Endfeuchte (siehe c) durch eine (im Mittelwert) Übertrocknung des Endproduktes ausgleichen muß, um eine sichere Lagerfähigkeit des Gutes zu erreichen. Dann kann es sich durchaus ergeben, daß die Konstruktion mit geraden Dächern in der Summe die günstigere ist, da der Heizenergiebedarf immer die größere Komponente darstellt.
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e) Material

Grundsätzlich gibt es zwei Materialien, aus denen heutige Trocknungsanlagen gefertigt werden: verzinktes Stahlblech und Aluminium. Das verzinkte Stahlblech hat vor allem bei Maistrocknungsanlagen den großen Nachteil, daß das Zink sich nach kurzer Zeit abgeschliffen hat und Korrosion einsetzt. Trockner in Aluminiumkonstruktion kennen keine Korrosionsprobleme.

Einige dieser verzinkten Anlagen werden auch mit Kombinationen aus verzinktem Stahlblech und Chromstahl gefertigt, wobei der Chromstahl an den besonders gefährdeten Bereichen der Abluft sitzt. Dies ist auf den ersten Blick die noch etwas bessere Lösung. Allerdings nur auf den ersten Blick, denn durch die Verwendung eines zweiten Metalls in Verbindung mit der Säure des Trocknungsgutes, vor allem bei feuchtem Mais, entsteht in der Anlage eine Primärzelle („Leclanché-Element“). Wie bei jeder Batterie wird hierbei ein Metall als Anode abgebaut, sprich korrodiert. Somit ist der Korrosionseffekt an den nicht aus Chromstahl gefertigten Bauteilen sogar noch verstärkt gegenüber einer vollverzinkten Anlage.

Die Praxis hat gezeigt, daß bei feuchtem Mais (35%), wie er in z.B. auch in Deutschland getrocknet wird, verzinkte oder verzinkt/Chromstahl kombinierte Anlagen teilweise eine Lebensdauer von nur fünf Jahren bis zur Durchrostung aufwiesen.

Was hat dies nun mit der Gegenüberstellung von konischen und geraden Dächerkonstruktionen zu tun?

Es gibt in der Praxis kaum Trocknungsanlagen mit konischen Dächern, die aus Aluminium gefertigt sind. Es ist dies die Art der Montage, welche die Verwendung von Stahlmaterialien bedingt. Würde die Montagemethode des Durchsteckens und Umhämmerns der Laschen bei Aluminium gemacht, so wäre das resultierende Trocknerelement weitaus instabiler, als es ohnehin schon bei der Verwendung des Stahls ist.
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4. Zusammenfassung

In der Praxis werden nach wie vor beide Varianten von Trocknungsanlagen verwendet und auch neue Anlagen gebaut. Jede Variante hat ihre Vorteile gegenüber der anderen. Diese Vorteile lassen sich in kaufmännische und verfahrenstechnische Vorteile unterteilen.

Hier ist dann festzustellen, daß die konische Bauform ihre Vorteile im kaufmännischen Bereich hat. Sie läßt sich kostengünstiger realisieren als die Variante mit geraden Dächern. Die Anschaffungskosten sind meist geringer.

Die eindeutigen verfahrenstechnischen Vorteile liegen auf Seiten der geraden Bauform. Das Trocknungsergebnis wird gleichmäßiger, die Trocknungsanlagen sind stabiler gebaut und man hat die Wahl des Materials und kann sich für das höherwertige Aluminium entscheiden.