DE2150128A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Trocknen keramischer Massen - Google Patents

Description

Dipl.-Phys. Leo Thul

Stuttgart

B.L.D. Hallier-J.L. Coquet 3-1

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Verfahren und Vorrichtung zum Trocknen keramischer Massen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vortrocknen keramischer Massen unter Verwendung von Mikrowellen, insbesondere zum Vortrocknen von Gegenständen aus Porzellan, z.B. von Platten, Tellern oder Tassen.

Bei der Herstellung von Porzellan ist es notwendig, nachdem die keramische Masse auf Gipsformen aufgepresst und in ihre * endgültige Form gebracht ist, diese Gegenstände zu trocknen. Während der ersten Trocknungsphase läuft Wasser aus diesen Gegenständen heraus, wobei sie gleichzeitig schrumpfen. Wenn eine bestimmte Wassermenge gezogen worden ist, kann man die Masse weiter trocknen, ohne daß der Gegenstand weiter schrumpft.

Diese erste Trocknungsphase, die man Vortrocknung nennt,stellt einen kritischen Verfahrensschritt dar, da man besonders darauf achten muß, daß der zu trocknende Gegenstand nicht reißt und sich auch nicht verformt. Diese Vortrocknung wird im allgemeinen an der freien Luft durchgeführt, in dem das Wasser sowohl durch Absorption in die Poren der Form als auch durch langsame Verdampfung der Masse entzogen wird. Dieser Vortrocknungsvorgang ist beendet, wenn der zu trocknende Gegenstand so starr ist, daß er mühe- und gefahrlos aus der Form entnommen und zur vollständigen Trocknung auf eine andere Form gelegt werden kann.

Dieses Verfahren zur Vortrocknung ist äußerst zeitraubend, erforderte große Fabrikationshallen mit zahlreichen Regalen und

2.Sept.1971
Sr/Mr

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vielen Formen, die infolge zunehmender Verschmutzung des Gipses und infolge Zersetzung des Gipses aufgrund der absorbierten Feuchtigkeit oft ausgewechselt werden mussten.

Man hat bereits versucht, diese Zeit für den Vortrocknungsvorgang zu reduzieren, in dem man die Gegenstände in einem Kanal einem Strom aus trockener Luft und gegebenenfalls gleichzeitig infifaroter Strahlung ausgesetzt hat. Die Verdampfung von Wasser ist Jedoch ein Oberflächenphänomen, und bei diesem Verfahren hat sich an der Oberfläche der Gegenstände eine Kruste gebildet, die einen weiteren Wasseraustritt verhinderte. Außerdem schrumpften diese Gegenstände nicht gleichmäßig, und sie neigten dazu, sich zu verformen und Risse zu bilden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß beim Vortrocknen jedem Teil des Gegenstandes Flüssigkeit gleichmäßig entzogen werden muß. Das heißt, die Flüssigkeitsmenge pro Volumeneinheit des Gegenstandes, die nach seiner Formung im wesentlichen gleichmäßig verteilt ist, muß während der gesamten Vortrocknungszeit gleichmäßig verteilt bleiben.

Die übliche Vortrocknung an der freien Luft ohne zusätzliche Ventilation dauert etwa 12-24 Stunden,ermöglicht aber eine gleichmäßige Feuchigkeitsverteilung.

Moderne Vortrocknungsverfahren in einem Kanal mit Ventilation trockener Luft erfordern zwar viel weniger Zeit, weisen aber den Nachteil auf, daß mit zunehmender Verdampfung die Flüssigkeit ungleichmäßig in dem Gegenstand verteilt ist.

Weiterhin ist aus der französischen Patentanmeldung Nr.7 001 ein Vortrocknungsverfahren bekannt, bei dem das in den Hohlräumen enthaltene Wasser mit Hilfe von Mikrowellenstrahlung erwärmt wird, während gleichzeitig ein trockener Luftstrom über die Gegenstände die Verdampfung des Wassers von der Ober-

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fläche beschleunigt. Die Mikrovrellenenergie wird gleichmäßig verteilt und der Gegenstand erreicht schnell eine vorgegebene Temperatur. Mit diesem Verfahren ist es möglich, einfach geformte Gegenstände und insbesondere Gegenstände von gleichbleibender Dicke zufriedenstellend zu trocknen.

Dieses Verfahren eignet sich jedoch nicht besonders gut zur Trocknung von Gegenständen, die an verschiedenen Teilen verschieden dick sind, wie Teller oder Unterteller, die im Bereich der Fußfläche dicker sind als im Bereich des Tellerbodens oder an ihrem Rand. Das liegt daran, daß die Wanderung des Wassers von dem Inneren zur Oberfläche der Gegenstände von ihrer Temperatur und von den Eigenshhaften des Ventilationsstromes abhängt. Den dickeren Bereichen wird das Wasser langsamer entzogen, da die Übergangszeit des Wassers ungefähr der Dicke proportional ist.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen Vortrocknung von keramischen Massen zu schaffen, bei der sämtliche Volumenteile des zu trocknenden Gegenstandes die gleiche spezifische Feuchigkeit aufweisen.

Diese Aufgabe 1st gemäf der Erfindung gelöst durch eine Hauptkammer, die durch Wände aus Metall begrenzt ist und in der mit einer Trennwand aus für Mikrowellen durchlässigem Material eine zweite Kammer abgetrennt ist, die quasi wasserdicht ist und in der die zu trocknenden Gegenstände eingebracht sind, und durch Mikrowellenquellen, die auf den Wänden oder Wandabschnitten der Hauptkammer angeordnet sind, die nicht gleichzeitig Wände der zweiten Kammer bilden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus den UnteransprUchen und der Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung hervor.

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Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig.l einen Querschnitt durch einen Porzellanteller, der zum Vortrocknen auf eine Form gelegt ist,

Fig.2 einen schematisch dargestellten Mikrowellenofen gemäß der Erfindung,

Fig.5 Kurven, die die Abhängigkeit des Sättigungsdampfdruckes des Wassers und der Wasserdampfmenge pro Volumeneinheit beim Sättigungsdruck in Abhängigkeit von der Temperatur zeigen, und

Fig.4 ein Ausführungsbeispiel, das eine verstellbare, isolierte Platte umfaßt.

Die Fig.l zeigt einen Querschnitt durch einen Porzellanteller 1, der sich noch im Pasten-Zustand befindet. Dieser Teller liegt umgekehrt auf einer Gipsform 2, auf der er mit Hilfe einer Form- und Druckvorrichtung geformt ist, die in Fachkreisen "roller" genannt wird. Die Körner aus trockenem Keramikpulver werden mit Wasser vermischt und miteinander verbunden. Die Mischung enthält notwendigerweise 25 Gewichtsprozente Wasser. Ziel der Vortrocknung ist es, den Teller so steif werden zu lassen, daß der mühelos von der ihn tragenden Form abgehoben werden kann. Zu diesem Zweck müssen ungefähr des anfangs enthaltenen Wassers entzogen werden.

Wenn z.B. ein Teller im Pastenzustand insgesamt eine Masse von 6OO Gramm aufweist, so umfaßt er 120 g Wasser. Durch die Vortrocknung sollen ungefähr 20 g Wasser jeder Platte entzogen werden.

Bei der Vortrocknung schrumpft der Teller. Er wird deshalb an seinen freien Teilen starken örtlichen Spannungen unterworfen, während er an den Teilen, die an der Form anliegen.

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gegen ein Schrumpfen durch mechanische Spannungen geschützt ist.

Die mechanischen Spannungen, die auf die verschiedenen Teile des zu trocknenden Stückes ausgeübt werden, werden anhand der Fig.l beschrieben.

Die Paste des Tellerrandes 3 wird fortschreitend ohne Mühe von der Form 2 längs der Linie a-a' abgerieben.

Im Bereich der Fußfläche h greift das zu trocknende Stück aufgrund des SchrumpfVorganges um die Form 2, und es kann nicht weiter schrumpfen, es sei denn, daß es angehoben wird und von dem Punkt b zu dem Punkt b' leitet.

Im Bereich des Tellerbodens 5 wird ein solches Anheben oder Schwingen von einer Torsionsbelastung begleitet, die tatsächlich von mindestens 3 nebeneinander existierenden Ehänomenen herrührt:

- der Teller wird im Bereich b-b' zurückgehalten, wodurch eine normale Schrumpfung des Tellerbodens verhindert wird;

- im Bereich b-b¹ kann der Druck des Tellers auf die Gipsform eine Luftzufuhr zwischen die Gipsform und den Tellerboden erschwerden und dadurch einen Sauggriff bewirken, und

- das Gewicht der Paste, ungefähr 6N, wirkt einem Steigen oder Klettern der Platte längs der Gipsform entgegen.

Diese Phänomene treten bei allen bekannten Vortröcknungs-Prozessen auf. Bei langsamen Vortrocknungsprozeesen wirken sie sich wesentlich schwächer aus als bei modernen Vortrocknungsprozessen, die auch "rapid-Prozesse" gemannt werden. Es versteht sich von selbst, daß diese Effekte auf ein Minimum beschränkt werden, falls während des gesamten Verfahrens die FeucltiLgkeitsmenge gleichmäßig in dem ganzen Teller verteilt ist. Bei Verfahren, bei denen die Abzugageschwindigkeit des Wassers vom Inneren zur Oberfläche über-

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all gleich ist, ist dies jedoch nicht der Fall: je dicker der Bereich ist, um so langsamer trocknet er, z.B. trocknet er im Bereich der Fußfläche 4 langsamer als im Bereich des Tellerrandes 3-

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, eine homogene Verteilung der Feuchtigkeit in dem oder in den vorzutrocknenden Stücken zu erzielen. Die Fig.2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vortrocknungseinrichtung, die das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht.

Diese Einrichtung arbeitet schrittweise und ermöglicht die Herstellung von Prozellan längs einem Förderband.

Die Einrichtung besteht aus einem metallenen Rahmen 6. Dieser Rahmen umfaßt an seinem unteren Teil 6a eine Fördereinrich tung, die einen Motor 7 umfaßt, der eine Antriebseinrichtung und ein Förderband 9 aus rostfreiem Stahl umfaßt, welches um Rolle 10 und 10' läuft. An seinem oberen Teil 6b trügt der Rahmen 6 eine hydraulische Hubeinrichtung 11a, die an einem Träger lib befestigt ist und es ermöglicht die Druckkraft gleichmäßig zu verteilen, wobei die Hubeinrichtung von einer hydraulischen Steuergruppe 12 gesteuert wird. Der Teil 6b trägt auch die Energieversorgungseinrichtung 130 der Magnetrons und einen programmierten Steuerkasten 14, in dem Jeder Steuerbefehl für die gesamte Einrichtung eingestellt ist.

Innerhalb 6b befindet sich von der Trägeranordnung 11b getragen, eine quaderförmige Mikrowellenkammer 15* die auch Hauptkammer genannt wird. Die Wände der Kammer 15 bestehen aus Duralumin oder aus einem anderen gutleitenden Material. Die Kammer ist beispielsweise 5 bis lOmal so hoch wie die verwendeten Oegenstände, welche sowohl die Teller als auch die Formen umfassen. Die anderen Abmessungen der Kammer bestimmen, wieviele Teller In einem Satz vorgetrocknet werden sollen, über der Decke der Hauptkammer I5 sind Mikrowellenquellen 16 angeordnet, die jeweils aus einem Magnetron bestehen, welches

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einer Mikrowellenschaltung zugeordnet ist und über Schlitze an die Kammer 15 angekoppelt ist.

Die Kammer 15 und die von ihr getragenen Gegenstände können durch die Hubeinrichtung 11a und die Trägeranordnung 11b angehoben werden. Jede Stromversorgungseinrichtung 14 ist über flexible Kabel 17 mit dem Magnetron einer Quelle 16 verbunden .

Innerhalb der Kammer 15 wird eine relativ dünne Platte 18 getragen,die aus isolierendem Material besteht und eine niedrige Dielektrizitätskonstante K und einen kleinen dielektrischen Verlustwinkel aufweist. Sie wird parallel zur Decke der Kammer 15 von 2 Klammern 19 gehalten, die ebenfalls aus isolierendem Material bestehen und von Fall zu Fall in verschiedener Höhe angeordnet werden können. Die Platte isoliert den oberen Teil der Kammer 15 wasserdicht gegenüber dem unteren Teil der Kammer 15, so daß die Dampfdiffusion zwischen den Rändern der Platte 18 und den senkrechten Wänden der Kammer 15 relativ schwach ist.

Für die Dauer der Mikrowellenausstrahlung wird die Kammer herabgesenkt und über einen metallenen Randstreifen 20, der an die offenen Kanten angeschweißt ist, mit dem metallenen Transportband 9 in Berührung gebracht . Die Druckkraft der Kammer 15 auf das Transportband 9 wird von der hydraulischen Hubeinrichtung 11a gesteuert und z.B. mit Hilfe eines nicht dargestellten Dynamometers gemessen.

Somit bilden die Kammer 15 und das Transportband 9 ein wich*tiges Volumen oder besser eine Hauptkammer, in die die Mikrowellenquellen 16 hineinstrahlen, und die keine Mikrowellen nach außen gelangen läßt. In gle eher Welse bilden der untere Abschnitt von 15« das metallene Transportband 9 und die Platte l8 innerhalb der ersten Kammer 21 eine 2.Kammer 22, die im wesentlichen dicht ist gegenüber den Wasserdampf, der den

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keramischen Stücken entzogen wird, die auf dem Sransportband vorgetrocknet werden.

Zur Erzielung der guten Verteilung der Mikrovfellenenergie und besonders zur Vermeidung stehender Wellen innerhalb der vorzutrocknenden Stücke sind die folgenden Vorkehrungen getroffen:

- die linearen Abmessungen der Kammer 21 sind wesentlich größer als die Mikrowellenlänge X ;

- es werden möglichst viele Quellen 16 unabhängig voneinander betrieben, so daß ihre Mikrowellenfelder in der Kammer 21 mit inkonsistenten Phasen überlagert werden;

- Jeder Quelle 16 ist ein bekannter "field stirrer" zugeordnet, der an der Oberseite der Kammer 15 nahe den Koppelschlitzen angeordnet ist.

Die Platte 18 verändert aufgrund ihrer geringen Dicke und ihrer niedrigen Dielektrizitätskonstanten die Verteilung de,s elektromagnetischen Feldes nur geringfügig; falls die Plattendicke e ist, wird die Höhe der Kammer auf den Wert e · (·<|Κ - 1) erhöht.

Der vorzutrocknende Satz von Tellern wird von einem Beschickungsträger getragen, der aus plastischem Material mit niedrigen dielektrischen Verlusten, z.B. Polipropylen, besteht.

Tn einer solchen Produktionskette, während bei diesem Herstellungsprozess ein aus Tellern und Formen bestehender Satz η in die Kammer 15 eingebracht wird, die auf das Transportband 9 herabgesenkt wird, wird der Satz η + 1, der von der "roller"-Maschine kommt, auf das Transportband 9 aufgebracht, links von 15, während die Platten des Satzes η - 1, die vorgetrocknet sind, rechts von 15 durch eine geeignete Einrichtung von ihren Formen getrennt werden und dann in einem Trockenofen behandelt werden, der ein gewöhnlicher Mikrowellenofen sein kann.

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Wenn der Satz η vorgetrocknet ist, dann wird die Kammer 15 durch die Hubeinrichtung 11a angehoben, nachdem der Betrieb der Mikrowellenquellen 16 unterbrochen worden ist. line geeignete Ventilation treibt die mit Wasserdampf gesättigte Luft aus der Kammer 15 heraus, und auch das gegebenenfalls an den Wänden kondensierte Wasser. Das Transportband 9 bewegt sich nach rechts vorwärts, so daß der Satz η + 1 unter die Kammer 15 gebracht wird. Der Satz η bewegt sich nach rechts aus der Kammer heraus, und er ist soweit fertig, daß er von den Formen entnommen werden kann. Dann wird die Kammer 15 herabgesenkt, und nachdem das metallene Band 20 mit einem hinreichend starken Druck auf das Transportband 9 gedrückt wird, werden die Mikrowellenquellen 16 angeschaltet, so daß jetzt der Satz η +1 bestrahlt wird. Danach werden die Verfahrensschritte wie oben beschrieben durchgeführt.

Jeder Steuerbefehl wird von dem Steuerkasten 14 aus entsprechend seiner Art oder Dauer durchgeführt.

Es wird jetzt ein erfindungsgemäßes Vortrocknungsverfahren unter Verwendung der in Fig.2 gezeigten Einrichtung beschrieben. Dabei sollen 500 Teller pro Stunde vorgetrocknet werden.

Die Stücke oder Teller, die aus der Formungsraaschine können, haben eine Nasse von 600 g, die sich aus 480 g trockenen Material und 120 g Wasser zusammensetzt. Der Vortrocknungsvorgang 1st beendet, wenn die Stücke so starr oder steif sind, daS sie mühelos der sie tragenden Form entnommen werden können. Das entspricht einer Wasserentnahme von 20 g pro Stück. Die Gipsform hat eine Masse von ungefähr 1,5 kg.

Damit Wasser gleichmäßig und schnell abgezogen werden kann, ist es notwendig, die Temperatur der Paatenmasse von 25 Grad C auf z.B. X Orad C zu erhöhen, wobei dies· letztgenannt· Temperatur X unterhalb der kritischen Tenptratur liegen nut,

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die nicht überschritten werden darf, wenn physiko-chemische Umformungen vermieden werden sollen, die für die Gipsform gefährlich sind. X kann z.B. 55 Grad C sein. Ein Teller erfordert unabhängig vom angewendeten Vortrocknungsverfahren, eine minimale Energie, die zur Temperaturerhöhung von 120 g Wasser um 30 Grad C und zur Verdampfung von 20 g Wasser notwendig ist; diese Erwärmung beträgt, wie eine einfache Rechnung ergibt, 63 k joules.

300 vorzutrocknende Platten erfordern dementsprechend mindestens 18 900 k joules, das sind 5,2 kWh.

Die festen Komponenten der keramischen Paste werden ebenfalls um 30 Grad C erwärmt. Da ihre spezifische Wärme ungefähr zwei Zehntel von der des Wassers beträgt, ist die zusätzlich pro Teller erforderliche Wärmemehge 12 k joules, d.h. für 300 Platten sind 3 600 k joules oder 1 kWh erforderlich.

Bei den meisten bekannten Verfahren werden der Gips der Formen und viele Trägereinrichtungen ebenfalls erwärmt, wodurch der Energieverbrauch erhöht wird. An dieser Stelle zeigt sich ein Vorteil der Vortrocknung unter Verwendung von Mikrowellenöfen; dieser Vorteil beruht auf der selektiven Wirkung der Mikrowellen. Die elektrischen Verluste In trockenen 01p« sind sehr niedrig und die Formen werden nicht wesentlich erwärmt, sondern nur soweit sie während des Verfahrens Wasser absorbieren.

Infolgedessen wird zur Vortrocknung von 300 Tellern pro Stunde, wenn Mikrowellenerwärmung benutzt wird, eine Energie von ungefähr 6 kWh benötigt, von denen 2 kWh für die Erwärmung der Masse und 4 kWh für die Verdanpfung von 20 g Wasser pro Platte erforderlich sind (d.h. 6 leg für 300 Platten).

Bei dem erfindungsge«äien Verfahren wird die gesamte Energie, die zur Vortrooknung notwendig 1st, von den Mikrowellenquellen aufgebracht, da es keine Ventilation gibt.

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Wenn man annimmt, daß der Satz von Tellern 90 Sekunden lang in der Hauptkammer mit Mikrowellen bestrahlt wird und 30 Sekunden für die verschiedenen Steuer- und Transportvorgänge erforderlich sind, dann müssen die Mikrowellenquellen eine Leistung von —^— = 8 kW aufweisen.

Pro Stunde werden 30 Sätze von je 10 Tellern vorgetrocknet.

Die Mindestgröße der Kammer 15 wird einerseits durch die Länge des Transportbandes 9 bestimmt, die von 10 Platten und ihren Formen eingenommen wird, und andererseits durch das Erfordernis einer möglichst homogenen Verteilung der Mikrowellenenergie, die bei einer größeren Kammer 21 leichter zu vertieren ist.

In dem Ausführungsbeispiel hat die Kammer 21 die folgenden Abmessungen: Länge 1,5 m, Breite 1 m, Höhe 1,2 m, also ein Volumen von 1,8 mr.

ο
Die notwendige Energie von kWh kann von 4 Magnetrons 16 geliefert werden, die eine nominelle Leistung von 2,5 kW haben und in geeigneter Weise auf dem Dach der Hauptkammer angeordnet sind. Es wird jetzt untersucht, wie die aus isolierendem Material stehende Blatte 18 angeordnet werden muß, welche in der Hauptkammer 15 eine zweite Kammer 22 definiert, die hinreichend abgeschlossen ist und das Volumen des trockenen oder gesättigten Wasserdampfes begrenzt.

Es ist bekannt, daß im Gleichgewichtszustand zwischen einer Flüssigkeit und ihrem Dampf bei der Temperatur t_s der Sättigungsdampfdruck p_s und die spezifische Masse M₈ des gesättigten Dampfes lediglich von der Temperatur t_g abhängen.

Die Kurven der Fig.3 zeigen die Veränderung des SMttigungsdampfdruckes und der spezifischen Masse in Abhängikeit von der Zeit t«

's*

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Es wird jetzt angenommen, daß während jeder Bearbeitung eines Satzes von Tellern die gesamte zweite Kammer 22 und ihr Inhalt auf eine Temperatur von 55 Grad C erwärmt werden. Die evakuierte Wassermenge von 200 g muß, falls sie lediglich aus gesättigtem Wasserdampf besteht, in diesem Zustand Volumen von 4 m einnehmen, vergleiche die Kurven der Fig.3·

Es muß jetzt auf folgendes hingewiesen werden:

- dieses Volumen ist wesentlich größer als das Volumen, das für eine korrekte Erwärmung durch Mikrowellen notwendig ist; letzteres beträgt 1,8 m ,

- der Wasserdampf wird lediglich am Ende des Verfahrens gesättigt und die erwartete homogene Peuchtigkeitsverteilung kann nicht rechtzeitig realisiert werden;

- es ist nicht möglich, die zweite Kammer 22 und ihren gesamten Inhalt auf 55 Grad C durch Mikrowellen zu erwärmen, da diese selektiv wirken und auch wegen der geringen Leitfähigkeit der verschiedenen Elemente.

Der Sättigungsdampfdruck für die ausgewählte Temperatur wird in der zweiten Kammer erreicht. Das Volumen der zweiten Kammer ist etwa durch die Höhe der Platte 18 über dem Transportband 9 bestimmt.

Ψ Wenn die Platte sich beispielsweise in der mittleren Höhe der Hauptkammer befindet, erhält man eine zweite Kammer mit einem Volumen von 0,9 rrr, wenn die Hauptkammer ein Volumen von 1,8 m hat.

Gemäß der Kurven der Fig.3 wird der Bereich des Sättigungsdampf druckes erficht, wenn in der zweiten Kammer 90 g Wasser evakuiert ist. Wenn man jetzt die Paste durch Mikrowellenenergie weiter erwärmt, dann stellt sich ein Gleichgewicht ) zwischen dem gesättigten Wasserdampf und der Feuchtigkeit der vorzutrocknenden Stücke ein, in dem die Teile der Stücke

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oder die Stücke, die trockener sind, von den weniger trockenen Feuchigkeit zurückzuerlangen suchen. Gleichzeitig kann ein Überdruck des Wasserdampfes, da das Volumen begrenzt ist, lediglich durch Kondensation an kälteren Oberflächen in der zweiten Kammer 22 ausgeglichen werden, z.B. an den metallenen Wänden, an der Platte 18 und insbesondere an den freien Oberflächen der Gipsform. In Wirklichkeit sind die Phänomene noch etwas komplexer, weil einerseits die zweite Kammer 22 nicht vollständig wasserdampfdicht ist und ein Teil des Wasserdampfes in den Rest der Haptkammer 21 diffundiert, und da andererseits die Kondensation bereits einsetzt, bevor der Sättigungsdampfdruck bei der Temperatur von 55 Grad C in der zweiten Kammer erreicht ist. Wenn der Vorgang jedoch schnell genug ist, dann diffundiert nur wenig Wasserdampf, und der Vorgang wird hauptsächlich durch die Größe der zweiten Kammer 22 und durch die Temperatur der Wände und der Gipsformen bestimmt, die 25 Grad C betragen kann.

Die Kondensationsgeschwindigkeit ist größer, wenn die Temperaturdifferenz zwischen den vorgetrockneten Stücken einerseits und den aus Metall bestehenden Wänden der Platte 18 und der freien Oberfläche der Gipsformen andererseits groß ist. Es mag deshalb zweckmässig sein, die Temperatur der Paste zu erhöhen, z.B. auf 70 Grad Cj diese Temperatur entspricht etwa der Sicherheitsgrenze. In diesen Zuständen wird in der zweiten Kammer 22 l80 g Wasser evakuiert (Vergleiche Fig.3), wenn der Sättigungsbereich erreicht ist. Dieses Ergebnis erhält man jedoch nur, in dem man mehr Mikrowellenenergie zuführt und wenigstens während der ersten Phase eine wesentlich höhere MikrowellenleLstung als in dem obengenannten Fall.

Infolgedessen kann die von den Quellen gelieferte Mikrowellenenergie nicht während des gesamten Betriebs konstant sein. Es muß zwei Betriebsphasen geben: eine mit hoher Leistung, während der die Temperatur des Stückes auf die Vorbestimmte Tem-

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peratur angehoben wird, und eine zweite mit reduzierter Lei sfcung, wenn der Wasserdampf gesättigt ist.

Am günstigsten ist es_;wenn:

- während der ersten Phase ein schneller Temperaturanstieg der Paste auf die Temperatur t_ unterhalb der Sicherheitstemperatur und eine mäßige Feuchigkeitsentnahme erreicht werden, und

- während der zweiten Phase, während welcher die Paste mit dem gesättigten Dampf in Verbindung steht, der größte Teil der störenden Feuchtigkeit entzogen wird.

Weiterhin ist es möglich, eine allgemeine Regel aufzustellen, welche etwa die erforderliche Mikrowellenenergie und ihre Verteilung zwischen den beiden Hauptphasen des Vortrocknungsvorganges angibt, wenn das Volumen der zweiten Kammer 22, die Menge A des zu entziehenden Wassers, die Masse B des Wassers mit der spezifischen Wärme b, die Masse D und die spezifische Wärme d der festen Teile der Paste bekannt sind. Weiterhin werden die folgenden Zeichen benutzt:

- Sättigungsdrucktemperatur t_ und spezifisches Gewicht M_

S 5

eines gesättigten Dampfes, die . direkt von t abhängen,

- Verdampfungswärme 1, die im wesentlichen konstant ist,

- anfängliche Temperatur t_Q des Stückes, die gleich der atmosphären Temperatur sein soll, der Umrechnungsfaktor J von Kalorien auf joule, leal = J joule (J » 4,2).

Die Mirkowellenenergien _{E1 E2}* ^{die wänrend der} ersten bzw. der zweiten Betriebsphase geliefert werden* sind:

1 E₁ » J(bB + dD) (t₈ - t_o) + Jl A M₃ V

2 E₂ * J(A - M_gV)

Falls die Mikrowellenquellen während beider Phasen eine konstante Leistung abgeben, die gleich der Energiedichte ist,

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die von den behandelten Elementen aufgenommen wird, dann ist Ej = Ep. Daraus ergibt sich implizit eine Beziehung zwischen einerseits t_s und M und andererseits A, B, D und V:

(?) (bB + dDWt - t ) + 2 1 M V = IA

SO S

Aus der Formel (3) ergibt sich bei Verringerung von V eine Zunahme von t und damit von FL.

S b

^ dem obengenannten Beispiel Jsb:

A = 0,2 kg
B = 1,2 kg
D = 4,8 kg
«_A- 25° C

fd = 0,2 cal/g χ ° C)

Mit Hilfe der bekannten Konstanten b = 1 cal/g χ C und 1 = 580 cal/g ist es möglich, die Tabelle 1 aufzustellen, welche zeigt, wie sich bei Veränderung von V t . M » die

S S

Sättigungsdampfmasse VM₅ , welche dem während der ersten Phase entzogenen Wasser entspricht, und die Wassermasse A-VM » welche während der zweiten Phase entzogen wird und schließlich die für die Vortrocknung von 300 Tellern notwendige Energie ändert.

V (m^	M f Op \ S	Ms (g)	VM5 (g)	A -VM8	(g) E (kWh)
1.8 (max,1	i 37.5	50	90	110	5
1.2	42.5	60	72	128	5.3
1	45	70	70	130	5.6
0.8	47-5	77	62	138	5-7
0.6	52.5	90	54	146	6.1
0.4	57-5	115	46	154	6.5
0.3	65	i6o	48	152	7
0.25	70	200	50	150	7-3

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Eine Prüfung dieser Tabelle zeigt, daß die Temperatur von 55° C besonders geeignet erscheint, das entspricht einem Volumen V von 0.4 nr, d.h., die Platte 18 ist ungefähr 33 cm oberhalb des Transportbandes 9 angeordnet.

Die notwendige Energie bei entfernter Platte (V=I,8 irr) kann weiter reduziert werden, aber die Bereichstemperatur von 37° C ist so nieder, daß die Geschwindigkeit der Kondensation in der zweiten Phase es nicht langer ermöglicht, einen Satz von Tellern in der vorbestimmten Zeit sicher vorzutrocknen.

An der anderen Grenze, bei der Temperatur von 70° C, ist das " Volumen V zu klein, um die Platte 18 in geeigneter Höhe anzubringen.

In der Praxis werden durch einige Versuche und aufeinanderfolgende Näherungen und unter Berücksichtigung der Relation (3) das optimale Volumen V des sekundären Hohlraums und die anzuwendende Mikrowellenleistung festgestellt, wenn bekannt ist, wieviel Wasser entzogen werden muß und welche Temperatur nicht überschritten werden darf. Die Position der Platte 18 auf den Klammern 19 wird zu Beginn jeder Behandlungsreihe entsprechend den Charakteristiken der vorzutrocknenden Stücke festgelegt.

w Tatsächlich ist es zweckmäßig, wenn man eine Platte verwendet, die auch während des Vortrocknungsprozesses von außen verschoben werden kann. In diesem Fall kann es zweckmäßig sein, das Volumen der sekundären Kammer 21 abhängig von der Zeit oder der Temperatur der Paste zu verändern und die Position der Platte 18 entsprechend einem in dem Steuerkasten l4 gespeicherten Programm zu verändern.

Die Fig.4 zeigt ein stark vereinfachtes Ausführungsbeispiel einer verschiebbaren Trägereinrichtung, welche es ermöglicht., die Platte 18 auch während des Vortrocknungsprozesses leicht zu verschieben, die jedoch gleichzeitig einen Verlust der

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Mikrowellenenergie durch Austritt aus der Kammer 21 verhindert.

Die Decke der Hauptkammer 21 ist durch eine Anzahl von kreisfpmigen Löchern durchbohrt, die längs einer Schleife angeordnet sind und von denen aus zylindrische Röhren 24 vorstehen, die an ihren Basen 15-1 angeschweißt sind. Jede Röhre 24 hat eine Länge L und einen inneren Radius r. In jeder Röhre 24 ist eine Stange oder ein Seil 25 verschiebbar angeordnet, welches aus einem Material mit niedrigen dielektrischen Verlusten und relativ niedriger Dielektrizitätskonstante K, besteht, die von der Dielektrizitätskonstanten K der Platte 18 verschieden sein kann. Jede Stange oder jedes Seil 25 ist an seinem unteren Ende mit der Platte 18 verbunden.

Stangen und Seile sind an ihren oberen Enden durch Einrichtungen, nicht dargestellt, verbunden, welche ihre Bewegung längs den Röhren 24 und damit die Bewegung die Platte 18 in die Kammer 15 steuert.

Jede Röhre 24, die mit einem Material gefüllt ist, das eine niedrige Dielektrizitätskonstante hat, wirkt als Dämpfungswellenleiter mit einer elektrischen Länge L ·|Κ^ und einem elektrischen Durehmesser 2r Ck₁, und gleichzeitig als Begrenzer für Wellen, deren Länge \ größer als %_Q = 3,4 riJK^ ist.

Dieser Wellenleiter führt eine Dämpfung <x ein, die durch die folgenden Formeln gegeben ist:

(i -Lf) * db

(ι - * ^δ ) i db

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- 18 B.L.D. Hallier 5-1

Falls K₁ = 3 und r = 0,2 cm ist, folgt λ = 1,2 cm.

Für Felder mit der Grundwellenlänge von 12 cm und für Felder mit Wellenlängen, die der ersten und der zweiten Oberschwingung entsprechen und deren Abstrahlung außerhalb des Mikrowellenlohlraums vermieden werden muß, ist

\2 1
der Ausdruck ( 1 - ^Ac )? etwa gleich 1, und die Dämpfung ist also gleich λ 55 yij;_r db.

Wenn L = 4 cm ist, beträgt die Dämpfung in jeder Röhre 24 300 db.

7 Patentansprüche 2 Blatt Zeichnungen, 4 Figuren

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Claims (1)

1. B.L.D. Hallier Z -1
   Patentansprüche

   ; 1!Vorrichtung zum Trocknen von keramischen Massen, die auf oder ν./ in Formen liegen, unter Verwendung von Mikrowellen, gekennzeichnet durch eine Hauptkammer (15)j die durch Wände (6b) aus Metall begrenzt ist und in der mit einer Trennwand (18) aus für Mikrowellen durchlässigem Material eine zweite Kammer (22) abgetrennt ist, die quasi wasserdicht ist und in der die zu trocknenden Gegenstände (1,2) eingebracht sind und durch Mikrowellenquellen (l6), die auf den Wänden oder Wandabschnitten der Hauptkammer (15) angeordnet sind, die nicht gleichzeitig Wände der zweiten Kammer sind.

   2,Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptkammer (15) zylindrisch ist und an ihrer oberen Stirnfläche Koppelöffnungen zur Ankopplung der Mikrowellenquellen (l6) an den Innenraum der Hauptkammer (15) aufweist, daß die Trennwand (18) aus einer horizontal angeordneten, dünnen Platte aus dielektrischem Material mit niedriger Dielektrizitätskonstanten und niedrigen dielektrischen Verlusten besteht und daß die zu trocknenden Gegenstände (1,2) horizontal am Boden der zweiten Kammer (22) angeordnet sind.

   .Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (23, 24, 25) zur Verschiebung der Platte (l8) von außen.

   .Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebevorrichtung (23 - 25) Stangen oder Seile aus dielektrischem Material mit geringen dielektrischen Verlusten umfaßt, welche die Platte (18) tragen und durch schmale Röhren (24) nach außen geführt sind, deren Durchmesser klein im Vergleich zur Wellenlänge der Mikrowellen ist.

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   B.L.D. Hallier 3-1

   5.Verfahren zum Trocknen keramischer Massen unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß während einer ersten vorbestimmten Zeit die Mikrowellenenergie zur Erhöhung der Temperatur auf eine vorbestimmte Temperatur t_, und während einer zweiten vorbestimmten Temperatur zur Verdampfung einer vorbestimmten Wassermenge bei dieser Temperatur t_g verwendet wird.

   6.Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen V der zweiten Kammer (21) in Abhängigkeit von der Temperatur t_s so eingestellt wird, daß während der ersten vorbestimmten Zeit der Wasserdampf in dem Volumen gesättigt ist, wobei die Masse des Wasserdampfes wesentlich kleiner als die vorbestimmte Wassermenge ist, und daß während der zweiten vorbestimmten Zeit die Verdampfung bei der Temperatur t_s fortgesetzt wird, wobei der überschüssige Wasserdampf an den kalten Teilen in der zweiten Kammer (22) kondensiert wird.

   7.Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß während der ersten vorbestimmten Zeit mehr Mikrowellenenergie eingestrahlt wird als während der zweiten vorbestimmten Zeit.

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