sim.TLK App für Vakuumtrockner bei Weiss Technik

Die Vakuumtrocknung ist eine effiziente und schonende Trocknungsmethode, die in der Lebensmittelindustrie, aber auch bei der Produktion von Batteriezellen eingesetzt wird. Genau dafür liefert Weiss Technik schlüsselfertige Anlagen und entwickelt kundenspezifische sowie prozess­optimierte Lösungen zur Vakuumtrocknung für die effiziente und sichere Batteriefertigung. Der folgende Artikel bietet einen Einblick in die Arbeit von Weiss Technik und unser gemeinsames Projekt. Als Unterstützung für den technischen Vertrieb haben wir mit unseren Modellbibliotheken und der Plattform sim.TLK einen web-basierten Simulator erstellt. Vertriebsmitarbeiter können damit Anlagen nach Kundenwunsch konfigurieren und erhalten sofort eine detaillierte thermodynamische Übersicht über die Anlage. Am Ende dieses Artikels gehen wir auf die Vakuumtrocknung im Allgemeinen ein, erläutern das zugrunde liegende physikalische Prinzip und zeigen die vielfältigen Einsatzgebiete.

Coil-Trocknung – ein entscheidender Schritt in der Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien

Als Coils werden die aufgewickelten Elektroden bezeichnet, die für die Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien hergestellt und weiterverarbeitet werden. Für die Herstellung werden Elektrodenfolien mit einer Mischung beschichtet, die unter anderem Aktivmaterial und Lösemittel enthält. Anschließend werden die Folien zylinderförmig aufgerollt und getrocknet. Die Trockenheit der Coils ist maßgeblich für die spätere Performance und Langlebigkeit der Batterien mitverantwortlich, weshalb der Trocknungsschritt von großer Wichtigkeit ist – es gilt: je trockener, desto besser. Um eine umfassende Trocknung bei minimalem Zeit- und Energieaufwand zu ermöglichen, ist die Vakuumtrocknung eine hervorragende Methode.

„Die Elektroden-Nachtrocknung ist einer der Kernprozesse in der Batteriezellfertigung. Der Websimulator von TLK Energy hilft uns bereits in der Angebots- und Planungsphase unseren Kunden schnell und effizient die auf seine Fertigungs­parameter abgestimmte optimale Anlagenkonfiguration anzubieten.“
‍_{— Katharina Mayer, Application Manager E-Mobility bei Weiss Technik}

Einflussfaktoren der Vakuumtrocknung – Komplexität beherrschbar durch Simulation

Die Trocknung in einem Vakuumtrockner von Weiss Technik bietet durch zahlreiche veränderbare Faktoren eine enorme Vielfalt bei der Einstellung des Trocknungsprozesses.
Grundsätzlich lassen sich diese Faktoren in zwei Kategorien einteilen:

1. Komponentenkonfiguration
Dazu zählen u.a.:

• Vakuumtrocknergeometrie,
• Auswahl der Vakuumpumpe,
• Temperiereinheit,
• Gebläse,
• sowie Geometrie, Anzahl und Material der Coils.

2. Prozessführung
Hierzu gehören beispielsweise:

• die Verläufe von Temperatur und Druck im Vakuumtrockner,
• die Aktivität des Gebläses,
• die Einhaltung spezifischer Sicherheitsroutinen.

Die Vielzahl und Wechselwirkung dieser Faktoren macht eine manuelle Optimierung kaum möglich. Um die ideale Konfiguration für die gesteckten Ziele – etwa eine definierte Trocknungszeit bei minimalem Energieeinsatz – zu identifizieren und dem Kunden zugleich eine Vorstellung des Gesamtsystems zu vermitteln, kommt die webbasierte Simulation der Vakuumtrocknung mit sim.TLK zum Einsatz.

Der Vakuum-Trockner als Simulationsmodell

Unser Simulationsmodell ist mit der objektorientierten Modellierungssprache Modelica aufgebaut und basiert auf den Modellen unserer TIL Suite-Bibliothek. Es bildet alle relevanten Kernkomponenten und physikalischen Phänomene der Vakuum-Coil-Trocknung ab.

Zentrale Modellbestandteile

• ‍‍Coil
• Gas im Vakuumtrockner
• Vakuumtrocknerwände mit Temperiereinheit
• Vakuumpumpe
• Systemsteuerung

‍Berücksichtigte physikalische Phänomene

• konvektive Wärmeübertragung
  (Vakuumtrocknerwände ↔ Gas, Gas ↔ Coil)
• Strahlungswärmeübertragung
  (Vakuumtrocknerwände ↔ Coil)
• Wärmeverluste an die Umgebung
• Stoffübertragungsvorgänge
  (im Coil, Coil ↔ Gas, im Gas)

Das Modell erlaubt die freie Parametrierung aller Prozessgrößen wie Geometrien, Prozessverläufe oder Materialien. Zudem bietet es eine Option für automatisierte Prozessführung, basierend auf Sensoren und Sicherheitsroutinen für den Umgang mit brennbaren Lösemitteln.

Mit sim.TLK zum individuellen Web-Simulator im Browser
Die individuell für Weiss Technik entwickelte sim.TLK App ist direkt über den Browser per Login erreichbar. Grundlage für die Erstellung dieser we­b­basierten Simulatoren ist unsere Simulationsplattform sim.TLK. Das Erscheinungsbild wurde an das Corporate Design von Weiss Technik angepasst und die gewünschten Funktionen maßgeschneidert implementiert.

Im Vergleich zu klassischen Software-Umgebungen bietet die Lösung im Browser entscheidende Vorteile:

• Kein Installationsaufwand: Berechtigte Nutzer können ohne zusätzliche Anwendungen oder Lizenzen sofort starten.
• Individuelles Design: Die Anwendung ist speziell für Weiss Technik gestaltet – mit eigenen Ergebnisplots, interaktiven Grafiken und abgestimmten Farbschemata.
• Schlank und benutzerfreundlich: Die Reduktion auf die wichtigsten Parameter sorgt für eine einfache Handhabung, ideal für den Einsatz im Vertrieb ebenso wie in Forschung und Entwicklung.

Wie vielseitig die sim.TLK App in der Praxis eingesetzt werden kann, zeigen die folgenden Anwendungsbeispiele aus dem gemeinsamen Projekt mit Weiss Technik.

Anwendungsfall 1: Optimale Komponentenkonfiguration mit sim.TLK App

Bei der Projektierung von kundenspezifischen Vakuumtrocknern bietet Weiss Technik eine große Auswahl an Vakuumtrocknerkomponenten, die sich flexibel zu individuellen Anlagenkonfigurationen kombinieren lassen.

‍Vielfalt der Vakuumtrocknerkomponenten

• Vakuumtrocknertypen unterscheiden sich in Nutzraumabmessungen, Gasvolumen, Größe und Zahl der beheizten Flächen sowie im Platzbedarf.
• Pumpstände variieren im Saugvermögen, in der elektrischen Leistungsaufnahme und im Gasballast‍
• Temperiereinheiten bieten unterschiedliche Heiz- und Kühlleistungen, je nach Anwendungsfall.

Simulation als Entscheidungshilfe
Der individuelle Web-Simulator ermöglicht es, all diese Komponenten virtuell zu kombinieren und komplette Vakuumtrocknerkonfigurationen durchzurechnen. So können unterschiedliche Varianten in kürzester Zeit bewertet werden – von der Effizienz bis hin zum Energiebedarf.

Von der Eingabe zur optimalen Konfiguration
Zugänglich ist die individuelle sim.TLK App über den Browser via Login. Um eine maßgeschneiderte Anlagenkonfiguration zu erstellen, gibt der Nutzer online zunächst die wichtigsten Prozess- und Bauteilparameter ein:

• Geometrie und Material der Coils,
• die gewünschte Coil-Anzahl im Vakuumtrockner,
• sowie die Start- und Zielfeuchte.

Diese Eingaben dienen als Grundlage für die Berechnung mittels dynamischer online Simulation.

Automatisierte Berechnung aller relevanten Kennzahlen
Auf Basis der gewählten Komponenten und Prozessparameter erstellt die sim.TLK App eine umfassende Analyse. Die auszuwertenden Größen wurden zuvor in Zusammenarbeit mit dem Kunden festgelegt, hierzu gehören unter anderem:

• Produktivität: Anzahl der getrockneten Coils pro Zeiteinheit,
• Kostenbewertung: Total Cost of Ownership (inklusive Investitions- und Betriebskosten),
• Energiebedarf: detailliert aufgeschlüsselt in einzelne Verbrauchskategorien,
• Platzbedarf: benötigte Stellfläche des Trockners,
• Prozessparameter: Gesamtdauer der Trocknung sowie die benötigte Inertgasmasse pro Zyklus,
• Dynamische Prozesskurven: Visualisierung des gesamten Trocknungsvorgangs.

Diese Ergebnisse werden dem Anwender in interaktiven Diagrammen und übersichtlichen Tabellen direkt im Browser präsentiert.

Kundennutzen im Vertriebsprozess
Das beschleunigt nicht nur den Entscheidungsprozess, sondern vermittelt dem Kunden bereits in der Planungsphase eine klare Vorstellung vom gesamten System.

Anwendungsfall 2: Optimierung der Prozessführung mit sim.TLK App

Neben der Auswahl der optimalen Komponenten-Kombination eignet sich die sim.TLK App auch für einen zweiten wichtigen Anwendungsfall: die Optimierung der Prozessführung.

Einflussfaktoren auf die Trocknung
Der Verlauf von Temperatur und Druck – und damit der Siedepunkt –, die Feuchte-Konzentration im Gas sowie die Strömungsgeschwindigkeit beeinflussen maßgeblich:

• die Trocknungszeit,
• den Energiebedarf,
• und die Effizienz des gesamten Prozesses.

Diese komplexen Wechselwirkungen lassen sich im Web-Simulator gezielt untersuchen und variieren.

Statische Prozessführung
Bei einer statischen Prozessführung können Anwender im Simulator feste Druck- und Temperaturprofile vorgeben sowie Bedingungen definieren, bei denen das Gebläse im Vakuumtrockner aktiv wird (siehe Abbildung 4).
Über das Druckprofil wird dabei indirekt auch der Feuchte-Verlauf im Gas gesteuert: Jedes Mal, wenn der Vakuumtrockner mit trockenem Inertgas gespült wird, entsteht eine möglichst große Feuchte-Differenz zwischen Coil und Gas – ein entscheidender Treiber für den Stoffübergang.

Dynamische Prozessführung
Für die dynamische Prozessführung simuliert die sim.TLK App für Weiss Technik den Einsatz eines Feuchtesensors im Gas. Dieser misst die Feuchte und damit indirekt die Trocknungsrate im Coil.
Auf dieser Basis lassen sich Regelstrategien implementieren, z. B.:

• Vorgabe von Feuchte- und Trocknungsraten-Grenzwerten,
• Anfahren verschiedener Druckniveaus,
• automatische Anpassung von Druck und Temperatur.

Dadurch bleibt die Gasatmosphäre dauerhaft in einem gewünschten Feuchtebereich, und ein stabiler Feuchtegradient zwischen Coil und Gas wird sichergestellt.

Nutzen für Vertrieb und F&E
Während die statische Prozessführung vor allem zur Kundenberatung im Vertrieb eingesetzt werden kann, bietet die dynamische Prozessführung zusätzlich enormes Potenzial für die Forschung und Entwicklung. Erste Erkenntnisse lassen sich so ohne teure und zeitaufwendige Versuchsreihen gewinnen – ein klarer Vorteil bei der Entwicklung neuer Prozesse.

Vakuumtrocknung im Allgemeinen: Physikalisches Prinzip und Einsatzgebiete

Unter Trocknung versteht man allgemein den Entzug von Flüssigkeit aus einem Trockengut. Um diesen Vorgang – insbesondere im technischen Umfeld – effizienter und schonender zu gestalten, hat sich die Vakuumtrocknung etabliert. Sie ermöglicht eine schnelle Trocknung bei deutlich geringeren Temperaturen als konventionelle Verfahren.‍

Typische Einsatzgebiete
Die Vakuumtrocknung wird in vielen Industriezweigen eingesetzt, darunter:

• Lebensmittelindustrie: Schonendes Trocknen bei niedrigen Temperaturen, um Haltbarkeit zu verlängern, ohne hitzeempfindliche Vitamine oder Aromen zu zerstören.
• Pharma- und Chemieindustrie: Schonende Verfahren für empfindliche Stoffe.
• Kunststoffindustrie: Entfernung von Restfeuchte vor Weiterverarbeitung.
• Batteriezellenproduktion: Nutzung von Vakuumöfen, wie im vorgestellten Anwendungsfall mit Weiss Technik.

Das physikalische Prinzip
Das Grundprinzip der Vakuumtrocknung basiert auf der Absenkung der Siedetemperatur durch eine Reduzierung des Drucks. Der Siedepunkt beschreibt den Zustand, bei dem ein Stoff vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht.

Grundsätzlich gilt: Je niedriger der Druck, desto geringer die Temperatur, bei der ein Stoff siedet.

Ein anschauliches Beispiel:
Bei Atmosphärendruck auf Meereshöhe (≈ 1 bar) liegt die Siedetemperatur von Wasser bei 100 °C. Auf dem Mount Everest herrscht dagegen nur noch ein Druck von etwa 0,3 bar – dort siedet Wasser bereits bei rund 70 °C (siehe Abbildung 5)

Das bedeutet: Im Vakuum muss Wasser (und damit auch Restfeuchte in Materialien) weniger stark erhitzt werden, um zu verdampfen. Dies ermöglicht eine besonders energieeffiziente und schonende Trocknung.

Realisierung der Vakuumtrocknung
Um die Druckabsenkung für die Vakuumtrocknung zu erreichen, wird mithilfe einer Vakuumpumpe ein Unterdruck gegenüber dem Atmosphärendruck erzeugt. Bei diesem Vorgang wird die Vakuumkammer beheizt, bis die jeweilige Siede­­­temperatur erreicht ist. Die Flüssigkeit im Trockengut verdampft und mischt sich mit dem Gas in der Vakuumkammer. Während der Trocknung wird das feuchte Gas regelmäßig durch trockenes Gas ersetzt, um ein dauerhaftes Feuchte-Konzentrationsgefälle zwischen Gas und Trockengut aufrechtzuerhalten. Dadurch kann kontinuierlich weitere Feuchtigkeit entzogen werden.

Zusätzlich zu den beiden Hauptkomponenten Heizkammer und Vakuumpumpe kann ein Vakuumtrockner auch einen Kondensator enthalten. Dieser dient dazu, verdampfte und möglicherweise schädliche Stoffe – wie z. B. Lösemittel – nach der Trocknung zu kondensieren und sicher aufzufangen.

Vorteile der Vakuumtrocknung
Im Vergleich zur konventionellen Trocknung bei Umgebungsdruck bietet die Vakuumtrocknung mehrere entscheidende Vorteile:

• Energieeinsparung durch geringere Prozesstemperaturen (wobei der Energieverbrauch der Vakuumpumpe in die Bilanz einzubeziehen ist)
• Schonende Behandlung von hitzeempfindlichen oder gefährlichen Stoffen
• Sicherheitsaspekte durch kontrollierte Prozessführung und Kondensation kritischer Substanzen
• Verkürzte Trocknungszeiten bei gleichzeitig niedrigerem Energieeinsatz
• Reduzierte Prozesskosten durch Kombination aus Zeit- und Energieeinsparung

Fazit

Das Ergebnis der Vakuumtrocknung hängt von zahlreichen Einflussfaktoren, wie z. B. der Temperatur- und Druckverlauf, die Geometrie des Vakuum­trockners, die Eigenschaften der Vakuumpumpe, sowie die spezifischen Merkmale des Trockenguts ab. Die zahlreichen Faktoren lassen sich mit der sim.TLK App in die simulationsbasierte Berechnung einbinden. Damit bieten dynamische Simulationsmodelle eine schnelle und kostengünstige Möglichkeit, technische Systeme und Prozesse realistisch abzubilden und zu untersuchen. Der webbasierte Simulator für die Komponenten­auswahl und Entwicklung der Weiss Technik Vakuumtrockner zeigt eindrucksvoll, wie sich mit Simulation Zeit sparen, Kosten reduzieren und Kundenprozesse transparenter gestalten lassen.

Wenn auch Sie Interesse an einem individuellen Simulationsmodell oder einer sim.TLK App für Ihr technisches System haben, testen Sie gerne den kostenlosen Beispiel-Demonstrator von sim.TLK. Oder vereinbaren Sie direkt ein Erstgespräch – wir freuen uns auf den Austausch mit Ihnen!