DE19822355A1 - Feinvakuum-Kondensationsholztrockner mit Warmwasser- und Mikrowellenheizung - Google Patents

Abstract

Heißwasser- und/oder Mikrowellen beheizter Vakuum-Holztrockner, der binnen 2 Tagen bis 5 Stunden einen Stapel Holz trocknen kann. D. h. bis zu 30mal schneller als bei konventionellen Vakuumtrocknern und bis 300mal schneller als bei Luftdrocknern. Durch optimale Ausnützung der physikalischen Grundlagen der Feinvakuumtrocknung, sowie dem Einsatz von preiswerten Mikrowelleneinspeisungen, wurde die Entwicklung dieser extrem schnellen und wirtschaftlichen Anlage möglich.

Description

Frisch geschnittenes Holz kann bis zu 80% Wasser enthalten, "trockenes" Holz, in Gleichgewicht mit der Außenluft etwa 10%. Um Transportkosten zu sparen, kommt im Handel überwiegend vorgetrocknetes Holz vor, mit einer Restfeuchte von 30 bis 40%, d. h. dem Holz muß immer noch 200 bis 300 kg Wasser pro Kubikmeter entzogen werden.

Es gibt viele Arten der Holztrocknung. Bei Holztrocknern an Normal­ druck, dauert der Prozeß bis zu 10 Wochen; dies wird in Kauf genommen für das Trocknen von z. B. ganzen Schiffsladungen,wo der Aufwand für eine andere Art der Trocknung zu hohe Investitionskosten verursachen würde. Bei Vakuumtrocknern, wie sie z.Z. angeboten werden, ist der Auf­ wand zwar beachtlich, aber die Behandlungsdauer verringert sich auf etwa eine bis zwei Wochen, was für Kleinmengenabnehmern, wie Tischler und Schreiner sich durchaus lohnen kann.

Obwohl das Vakuumtrocknen eine lange Tradition hat, verfahren alle auf dem Markt angebotenen Vakuumholztrockner nach der gleichen physi­ kalisch gesehen, falschen Auslegung: Das hervorragende Potential der gezeigt, daß durch geringfügige Änderungen im Design und Betriebsweise der Anlagen, mit etwa den selben Kostenaufwand, und sogar weniger Energie, wird die Trocknungszeit von Wochen auf Tagen verkürzt.

Und im Falle einer Mikrowellenheizung, reduziert sich die Trocknungs­ zeit, sogar auf wenige Stunden.

Es ist bekannt, vgl. VDI-Wärmeatlas, daß bei einer Konzentration in dem Dampf von nur wenigen Promille eines nicht kondensierbaren Gases, wie Luft, die Leistung von Kondensoren und Wärmetauschern erheblich nach­ läßt: die Wärmeübergangszahl bei nur 1% Luftanteil, fällt z. B. von 1.500 auf 10 W/mK. Bei konventionellen Vakuumtrocknern, ist der Luftanteil noch viel größer, die Grobvakuumpumpe wird in der Regel sogar nach dem Start ausgeschaltet: es ist daher nicht verwunderlich, daß der Anlage­ druck, der normalerweise gleich dem Partialdruck des Kühlwassers ent­ sprechen sollte, etwa 15 hPa, auf 400 bis 700 hPa steigt: der Kondensor trotz Überdimensionierung "ersäuft" regelrecht und bringt kaum noch Leistung. Das gilt natürlich auch für den Warmwasserwärmetauscher, der ebenfalls überdimensioniert werden muß. Viel schlimmer ist es aber für den Wärmetransport in den engen Spalten des Holzstapels: statt die fan­ tastischen Möglichkeiten der Wärmeübergangszahl einer optimalen Dampfkondensation zu nützen, die wie schon gesagt bei etwa 1.500 W/m2K liegt, wird das Dampf-Luft-Gemisch mit großem Aufwand, mit­ tels interner Ventilatoren bewegt, die bestenfalls eine Übergangszahl von 10 bis 20 W/m2K ergeben.

Ein weiterer Vorteil der Feinvakuumtrocknung liegt in der Tatsache daß die Temperatur des Holzes, durch die Verdampfungskühlung quasi die Temperatur des Kondensors annimmt, d. h. weitgehend Raumtemperatur für das Holz ein besonders schonendes Verfahren, entsprechend der na­ türlichen Trocknung an der Luft.

Ob Vakuum oder nicht, für das Verdampfen von einem Kilo Wasser, sind mindestens 2.256 kJ oder 0.626 kWh erforderlich. Bei den konventionel­ len Heizmethoden, Warmwasser oder Elektroheizung, wird die nötige Verdampfungsenergie nur durch Wärmeleitfähigkeit von der Oberfläche zum Kern transportiert. Holz ist aber bekanntlich ein schlechter Wärme­ leiter, auch bei feuchtem Holz beträgt die Wärmeleitfähigkeit nur etwa 0.2 W/mK, viel Energie kann nicht übertragen werden. Z.B.: in 5 cm Ent­ fernung bei einem Temperaturgradient von 10 K, beträgt der Leistungs­ fluß nur 40 W/m2. Bei dieser Größe, sind 15 Stunden nötig, um 1 kg Wasser zu verdampfen. Das ist eigentlich, im Falle einer konventionellen Energiezufuhr, die physikalisch bedingte Geschwindigkeitsbegrenzung der Feinvakuumtrocknung. Damit wird auch verständlich, daß die Trock­ nungszeit kaum von der Größe der Zuladung abhängt.

Ganz anders sieht es bei einer Mikrowellenerwärmung aus. Bekanntlich wird bei Mikrowellenstrahlung nicht nur die Oberfläche erhitzt sondern die Wärmeerzeugung entsteht auch im Inneren des Gutes. Ohne in die Theorie eingehen zu wollen, beträgt die Eindringtiefe des Mikrowellen­ feldes, und damit der Wärme, bei der üblicher Frequenz von 2.4 GHz, je nach Feuchtegrad, mehrere Zentimeter bis einige Dezimeter, wobei je feuchter das Holz, desto mehr Energie absorbiert wird, d. h. die schon trockene Stellen an der Oberfläche z. B., nehmen weniger Energie auf, als die noch feuchte in tieferen Bereichen, was eine gleichmäßigen Troc­ knung zusätzlich begünstigt.

Zu klären war noch, ob der Dampf auch noch schnell genug aus dem Holz entweichen kann, ohne das es zu Rissen oder Zerstörung kommt.

In Laborversuchen konnte gezeigt werden, daß 100 mm starke Holzstücke binnen einer halben Stunde, ohne Schaden, vollständig getrocknet wer­ den konnten. Das ist viel schneller, als jemals in einer Industrieanlage realisiert werden kann, da die zu installierende Leistung, für diese ex­ trem kurze Zeit immens wäre. Diese Versuche haben aber bewiesen, daß es kein physikalisches Gesetz gibt, daß die Trocknungsgeschwindigkeit bei einer Mikrowellenheizung in irgend einer Weise begrenzen kann, nur ein wirtschaftliches.

Bei Großanlagen wird in aller Regel, aus Kostengründen, die Energie durch Verfeuerung von Holzabfällen erzeugt. Bei kleineren Anlagen, wo der Leistungsbedarf nicht so hoch ist, und die Energiekosten weniger ins Gewicht fallen, wird öfters eine Elektroheizung, mit allen den be­ kannten Vorteilen einer elektrischen Versorgung, eingesetzt.

Obwohl die Mikrowellenerwärmung seit langem bekannt ist, konnte sich jedoch diese Art der Heizung bei Holztrocknern, anstelle einer Elektro­ heizung, bisher nicht industriell durchsetzen. Zu einem mag es an einer falschen physikalischen Auslegung der Anlagen liegen, zum anderem an den hohen Kosten, die üblicherweise Industrie-Mikrowellenheizungen kennzeichnen. Durch eine geringfügige Modifikation der Mikrowellen­ röhre die eine direkte Einspeisung in die Kammer, mittels einer neuarti­ gen, preiswerten Vakuumdurchführung ermöglichte, konnten die Ko­ sten einer Mikrowellenheizung, durch Einsparung von vielem kostspieli­ gen Zubehör, wie Hohlleiterstrecken, Tunern, Richtkopplern, Zirkulato­ ren, Meßdioden usw. auf etwa einem Zehntel der sonst üblichen redu­ ziert werden. Sie liegen damit in der Größenordnung einer konventionel­ len Elektroheizung. Auch wenn der Wirkungsgrad einer Mikrowellenhei­ zung nicht über 70% kommt, sind die Vorteile gegenüber einer Elektro­ heizung unverkennbar.

Da die Trocknungszeit nur von der eingespeisten Energie abhängt, ist sie direkt proportional von dem Beladungsgrad der Anlage: viel Holz dauert länger, wenig kann in sehr kurzer Zeit, im Stundenbereich, getrocknet werden, ein großer Vorteil um Engpässe in der Verfügbarkeit zu über­ brücken.

ANLAGEN BESCHREIBUNG

Die vorgestellte Anlage ist eine Universal Anlage um die Vorteile der kon­ ventionellen und Mikrowellenheizung, kombiniert mit dem Feinvakuum­ trocknen zu demonstrieren. Sie ist für Trocknungszeiten von 1 bis 2 Ta­ gen, im Falle einer reinen Warmwasserheizung und von wenigen Stunden im Falle der Mikrowellen Zuschaltung, ausgelegt.

Sie besteht aus einem 4 Meter langen Druckkessel von 600 mm Durch­ messer. Die Außenseite ist thermisch isoliert.

Durch die vordere Tür, wird der Holzstapel in die Kammer eingefahren. Im unteren Teil, von dem oberen Teil weitgehend thermisch getrennt, be­ findet sich der Kondensor.

Der mit Kaltwasser betriebene Kondensor, muß so dimensioniert wer­ den, daß in allen vorkommenden Betriebszuständen, die Wasserdampf­ verträglichkeit der Vakuumpumpe nicht überschritten wird. Um dem Holzstapel sind z. B. Wärmetauscherrohre angeordnet, die mit Heißwas­ ser betrieben werden. Seitlich befinden sich, in Abstand von einem hal­ ben Meter, 8 "Mikrowellenköpfe" mit je 900 W Nennleistung, damit las­ sen sich 10 Kg Wasser pro Stunde zusätzlich verdampfen. Der Kondensor und damit die Anlage wird ständig durch eine Gasballast- betriebene Drehschieberpumpe, von 40 m3/h Saugvermögen, evakuiert.

Claims (4)

1. Feinvakuum-Kondensationsholztrockner mit Warmwasser- und Mi­ krowellenheizung, dadurch gekennzeichnet, daß der Trocknungsvorgang durch Feuch­ teentzug mittels einem Kondensor nicht wie üblich im Grobvakuum, bei einem Druck von 400 bis 700 hPa, sondern im Feinvakuum, unterhalb von 30 hPa, stattfindet.

2. Feinvakuum-Kondensationsholztrockner mit Warmwasser- und Mi­ krowellenheizung, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft im Kondensor und in der Anlage durch einer mit Gasballast betriebenen und ständig mitlaufenden Dreh­ schieberpumpe soweit entfernt wird, daß der Partialdruck der nicht kon­ densierbaren Gase 100 Pa nicht überschreitet.

3. Feinvakuum-Kondensationsholztrockner, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiezufuhr über Heißwasserwärme­ tauscher und/oder mittels Mikrowelle stattfindet.

4. Feinvakuum-Kondensationsholztrockner, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensor, besonders im Falle einer Warmwasserheizung, thermisch von der Behandlungskammer isoliert ist.