Wirbelschicht

1. Allgemeines 

Wirbelschicht R02.doc 

VT 2 Labor Revision : 03 

Wirbelschicht 

Ersteller: 

Bungert/ Schiewe 

21.3.2011 

Labor für Mechanische Verfahrenstechnik Seite 1 

Haufwerke, bestehend aus partikelförmigen Feststoffen, werden mit einem Fluid 

durchströmt. Die Bereiche durchströmtes Festbett und Fließbett werden 

charakterisiert. Beim Fließbett können sich die Zustände homogene Wirbelschicht 

und stoßende Wirbelschicht ausbilden, siehe Bild 1. 

2. Grundlagen 

Als Wirbelschicht oder Fließbett bezeichnet man eine Schüttung aus 

Feststoffpartikeln, die in einem aufwärts gerichteten Fluidstrom (Gas oder 

Flüssigkeit) in einen Zustand versetzt wird, in dem das Bett ein Fließverhalten 

ähnlich wie Flüssigkeiten aufweist. 

Ab dem Lockerungspunkt, der minimal erforderlichen Fluidbelastung, werden die 

Teilchen von der Fluidströmung getragen. Im Schwebezustand schwimmen die 

einzelnen Teilchen auf einem Fluidfilm, wodurch die Reibung zwischen den 

Feststoffteilchen stark reduziert wird. Die Platzwechselvorgänge, die durch die gute 

Beweglichkeit der Teilchen möglich sind, führen dazu, dass Wärme- und 

Stoffaustauschvorgänge gegenüber dem Festbett wesentlich intensiviert werden. 

Bei der Mehrzahl der industriellen Anwendungen hat die Wirbelschicht die Funktion 

optimale Reaktionsbedingungen zu schaffen. Das erste großtechnische 

Wirbelschichtverfahren wurde 1922 als Winklergenerator zum Patent angemeldet. In 

neuerer Zeit wurden Verfahren entwickelt, den guten Wärmeübergang zwischen 

Wirbelschicht und Reaktorwand bzw. Wärmetauscherfläche zu nutzen. Hier sind 

insbesondere die Wirbelschichtfeuerung und die Kohlevergasung zu nennen. Das 

rein mechanische Fließen wird als Fließförderung bzw. in Zusammenhang mit der 

pneumatischen Förderung genutzt. 

Oberhalb des Lockerungspunktes können verschiedene Zustände der Wirbelschicht 

beobachtet werden. Insbesondere bei Flüssigkeitswirbelschichten bildet sich eine 

homogene Wirbelschicht aus, während bei Gaswirbelschichten häufig ein großer Teil 

des Fluidstromes nicht zwischen den einzelnen Teilchen, sondern als feststofffreie 

Blasen instationär durch das Bett nach oben wandert, die stoßende Wirbelschicht. 

Im Idealfall reagiert das System auf Gasbelastungen, die über dem Lockerungspunkt 

liegen, mit zunehmender Expansion des Bettes. Die Sinkgeschwindigkeit im 

Schwarm beim jeweiligen Lückenvolumen entspricht dabei der 

Leerrohrgeschwindigkeit. Bei der homogenen Fluidisierung nimmt der Abstand 

zwischen den Partikeln gleichförmig mit der Leerrohrgeschwindigkeit zu. 

Bei blasenbildenden Systemen können durch Koaleszenz die aufsteigenden 

Gasblasen so stark anwachsen, dass bei genügend schlanken und hohen Apparaten 

der gesamte Apparatequerschnitt ausgefüllt wird und die Gaskolben stoßweise eine 

Partikelschicht zum Abheben bringen.




Ersteller: 


21.3.2011 


Der Austragspunkt für die Partikel aus dem Apparat wird bei einer 

Leerrohrgeschwindigkeit, die der Sinkgeschwindigkeit der Einzelpartikel entspricht, 

erreicht. 

3. Versuchsapparatur 

Das Wirbelbett befindet sich in einem zylindrischen Behälter (D = 100 bzw. 189 

kg 

mm). Die Feststoffdichte der verwendeten Glasperlen beträgt P 2500 

m³ 

= ρ . 

Die Druckmessung erfolgt mit einem U- Rohrmanometer mit einem Messanschluss 

unterhalb des Verteilerbodens ( p 2 ). Oberhalb des Wirbelbettes herrscht 

Atmosphärendruck ( p 0 ). 

Die gemessene Druckdifferenz ∆ p = p2 

− p0 

setzt sich demnach aus den beiden 

Anteilen ∆ pBoden + ∆pBett 

zusammen.

1 

2 

3 

4 

5 

6 

7 

8 

9 

10 

11 

12 




Ersteller: 


21.3.2011 


A B 

C 

D E F G H I J K L M N 

O P Q 

Druckluft 

6 bar 

V101 

FI 

101 

PIC 

102 

PI 

105 

FI 

103 

FI 

104 

gezeichnet 

geprüft 

freigegeben 

E-25 E-30 

E-28 

H102 

Labor für Mechanische Verfahrenstechnik 

Datum Name 

20.4.2010 Bungert 

H103 H104 

Versuchsstand Wirbelschicht 

A B 

C 

D E F G H I J K L M N 

O P Q 

Bild 2. Versuchsaufbau 

m p 

D 

⋅ g 

⋅ 

4 

2 π 

∆p 

Bild 3. Druckverlustkennlinien 

Festbett Wirbelbett 

∆p(Boden + Bett) 

∆p Boden 

∆p Bett 

H105 

vL v 

1 

2 

3 

4 

5 

6 

7 

8 

9 

10 

11 

12

3.1 Druckverlust des Verteilerbodens 




Ersteller: 


21.3.2011 


In der Praxis beträgt der Bodendruckverlust 10 bis 20 % des Druckverlustes der 

Wirbelschicht, mindestens jedoch 0,03 bar um eine gleichmäßige Gasverteilung 

sicherzustellen. In der Versuchsanlage erfolgt die Gasverteilung durch ein feines 

Filterpapier, das sich auf einer geschlitzten Bodenplatte als Stützmaterial befindet. 

Der Strömungswiderstand von Einbauten kann allgemein mit dem Zusammenhang 

² 

2 

ρ 

∆p = ζ ⋅ w ⋅ 

(1) 

beschrieben werden. Während in der technischen Praxis die Reibung an einer 

Drosselstelle wie z.B. einem Ventil oder Messblende häufig vernachlässigt und so 

mit konstatem ζ gerechnet werden kann, muss hier allgemein mit der Annahme 

3 

4 

Re C 

C 

ζ = + gearbeitet werden. Unter der Annahme, dass der Hauptdruckverlust am 

Verteilerboden durch die laminare Strömung in den Poren des Filterpapiers 

C3 

hervorgerufen wird, kann C4 vernachlässigt werden. Mit ζ = und 

Re 

ρ 

Re = w ⋅ d Pore ⋅ ergibt sich 

η 

∆pBoden = β ⋅η 

⋅ w 

(2) 

Unter diesen Voraussetzungen besteht zwischen ∆ pBoden 

und v ein linearer 

C 3 

Zusammenhang. Der Wert für β = muss als Druckverlustbeiwert des 

dPore 

Filterpapiers experimentell bestimmt werden. 

3.2 Volumenstrommessung 

Die Messung des Durchsatzes erfolgt mit einem sogenannten „Rotameter“ 

(Handelsname der Fa. Rota, Oeflingen / Baden) [ 3 ]. Dieses Messprinzip mit einem 

Schwebekörper in einem vertikalen Rohrabschnitt, der sich konisch nach oben 

erweitert, wird bevorzugt bei geringen Mengenströmen angewendet. Größere 

Mengenströme von Flüssigkeiten und Gas werden überwiegend nach dem 

Wirkdruckverfahren mittels Düsen, Blenden oder Venturidüsen gemessen. Das 

Arbeitsprinzip eines Schwebekörperdurchflussmessers resultiert aus dem 

Gleichgewicht der am Schwebekörper angreifenden Kräfte 

ρC 

π 2 

G − A = g ⋅Vschweb 

⋅ ( ρ schweb − ρC 

) = cW 

⋅ w² 

⋅ ⋅ ⋅ Dschweb 

= ∆p 

⋅ Aschweb 

(3) 

2 4

zw. mit der Definition der Durchflusses zu 

oder 

2 

qv = w ⋅ ⋅ Dschweb 

4 

c 

W 

⋅ ρ 

2 ⋅ D 

C 


π 

2 

schweb 

2 

v 

⋅ q 

= g ⋅ V 

π 

4 

schweb 



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21.3.2011 


q 

⋅ 

in m 3 /s ergibt sich (4) 

( ρ − ρ ) 

schweb 

D 

C 

1− 

ρ 

schweb 

c 

V = α ⋅ ⋅ g ⋅ mschweb 

⋅ρ 

c ⋅ 

(6) 

ρc 

ρschweb 

In der Durchflusszahl α sind der Kehrwert von c W und alle Konstanten 

zusammengefaßt. Der Druckabfall am Schwebekörper ist im gesamten Messbereich 

des Rotameters konstant. 

hS 

DS 

FW 

FG-FA 

Bild 4. Arbeitsprinzip eines Schwebekörkerdurchflussmessers 

Dr 

Die Durchflusszahl ist eine Funktion von der Höhenstellung und damit vom Öffnungsverhältnis 

m (bezogenes Flächenverhältnis zwischen Schwebekörper und Messrohr) 

2 

2 

rohr − Dschweb 

2 

Dschweb 

D 

m = (7) 

und vom Widerstandsbeiwert cw und damit indirekt von der Reynoldszahl ( 

cW = f (Re) ). Beim Rotameter ist es daher zweckmäßig, anstatt der Re- Zahl die von 

ihr abhängige Größe Ru (Ruppelzahl) zu verwenden, um die Abhängigkeit 

α = α( 

Ru, 

m) 

darzustellen. 

(5)


4 ⋅α 

Ru = = 

π ⋅ Re 



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21.3.2011 


g ⋅ m 

schweb 

η 

1− 

ρC 

⋅ ρC 

⋅ 

ρ 

Für den verwendeten Rotameter L40/1600-5253 gibt der Hersteller folgenden 

Zusammenhang zwischen den m- Werten und den Hubhöhen an. 

Hubhöhe in mm 

200,0 

150,0 

100,0 

50,0 

0,0 

Bild 5. Öffnungsverhältnis m in Abhängigkeit der Hubhöhe 

Für Luft wird der Volumenstrom qv aus der im Anhang enthaltenen Kalibrierkurve 

ermittelt. Die qv- Werte gelten für den Betriebszustand tB = 20 °C und pB = 0,981 bar. 

Eine Umrechnung auf den Normzustand kann durch folgende Temperatur- und 

Druckkorrektur erfolgen: 

273 p 

qn = qV 

⋅ ⋅ 

273 + t p 

4. Aufgabenstellung und Auswertung 

B 

B 

n 

schweb 

0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250 0,300 

Öffnungsverhältnis m 

- Es sind experimentelle Untersuchungen zum Verlauf des Druckverlustes für 

ein mit Luft durchströmtes Festbett und Wirbelbett durchzuführen und 

charakteristische Kenngrößen einer stoßenden Wirbelschicht zu ermitteln. 

- Berechnen Sie aus Ihren Messwerten die Leerrohrgeschwindigkeit w und 

stellen Sie den Zusammenhang 

Diagramm dar. 

∆ pBoden 

und ∆ pBoden + ∆pBett 

über w in einem 

- Ermitteln Sie grafisch ∆ pBett 

in Abhängigkeit von der Leerrohrgeschwindigkeit 

w. 

- Bestimmen Sie für den Lockerungspunkt die Leerrohrgeschwindigkeit wL, den 

Druckverlust L p ∆ , die Höhe HL und die Porisität εL. 

- Ermitteln Sie für die Wirbelschicht den Zusammenhang zwischen 

Volumenstrom V& und der Bettexpansion mit der Porisität ε. 

- Bestimmen Sie aus der Kornverteilung des Versuchsgutes den 

charakteristischen Durchmesser des ruhenden Bettes. 

(8) 

(9




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21.3.2011 


- Vergleichen Sie die ermittelten Druckverlustwerte ∆ pBett 

unterhalb des 

Lockerungpunktes mit der Druckverlustgleichung nach Ergun mit C1 = 150 für 

homogene Kugelschüttungen [1]. 

2 

∆p 

( 1− 

ε ) w 

= C ⋅ ⋅η 

⋅ 

1 3 

H ε d32 

ρ 

Re = ⋅ ⋅ 

Ergun w d 32 

η ⋅ ( 1 − ε ) 

2 

2 

1− 

ε w 

+ 1, 

75⋅ 

⋅ ρ ⋅ 3 

ε d 

- Welcher Wert für C 1 ergibt sich aus Ihren Messungen? 

- Berechnen Sie die Leerrohrgeschwindigkeit für den Wirbelpunkt nach 

Gleichung (11) [ 2]. 

⎡ 

ε 

⎤ 

3 

−4 

L 

Re pL = 42,9 ⋅( 1− ε L ) ⋅ ⎢ 1+ 3,1⋅10 ⋅ ⋅ Ar − 1⎥ 

2 

⎢ ( 1− 

ε L ) ⎥ 

⎣ ⎦ 

Re 

p 

= w⋅ 

d 

⋅ 

η 

ρ 32 

32 

(10) 

mit (11) 

und den Verlauf des Druckverlustes für die Wirbelschicht nach 

( 1 − ε ) ⋅ ( ρ − ) ⋅ g 

∆pBett = H ⋅ 

p ρc 

- Berechnen Sie die Austragsgeschwindigkeit 

w 

0 

der Partikel. 

- Diskutieren Sie die experimentell ermittelten Abhängigkeiten im 

Zusammenhang mit den theoretischen Berechnungen. 

5. Literatur 

[1] Stieß, M.: Mechanische Verfahrenstechnik 2, Springer Verlag 

[2] Molerus, O.: Druckverlust in Wirbelschichten, VDI Wärmeatlas Lf1, 4. 

Auflage 1984, VDI Verlag Düsseldorf 

[3] Rota Handbuch, Dr. Hennig GmbH, Wehr/ Baden, R 5 / 7 - 81

6. Formelzeichen 




Ersteller: 


21.3.2011 


C1,C2, C3, C4 Konstanten - 

d32 Sauterdurchmesser m 

D Bettdurchmesser m 

DS,, DR Schwebekörper- , Rohrdurchm. (Rotameter) m 

g Erdbeschleunigung m/s² 

hs Hubhöhe (Rotameterschwebekörper) m 

H Schichthöhe m 

M Öffnungsverhältnis (flächenbezogen) - 

mp Partikelmasse der Schüttung kg 

p Druck N/m² 

Sv spez. Oberfläche der Schüttung m²/m³ 

² 

4 D 

• 

V 

w = 

π 

⋅ 

Leerrohrgeschwindigkeit m/s 

W Geschwindigkeit m/s 

• 

V , qv 

β 

Volumenstrom 

Druckverlustbeiwert des Gasverteilers 

m³/s 

m -1 

ζ Widerstandsbeiwert - 

ε Porosität - 

ρp Partikeldichte kg/m³ 

ρc Fluiddichte kg/m³ 

3 g 

Ar = d 32 ⋅ ρC 

⋅ ∆ρ 

⋅ 

ηC 

² 

Archimedeszahl - 

Ru Ruppelzahl - 

ReE Reynoldszahl nach Ergun - 

Rep Partikelreynoldszahl -

Hubhöhe in mm 

180 

160 

140 

120 

100 

80 

60 

40 

20 

0 



Ersteller: 


29.3.2010 

Labor für Mechanische Verfahrenstechnik Seite 9 von 9 

Kalibrierkurve, Rotameter L40/1600-5253 

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 

Volumenstrom q v in l/h

Wirbelschicht

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