DE4231897C2

DE4231897C2 - Verfahren zur kombinierten thermischen Behandlung eines Produktes durch Mikrowellen und Konvektion und Anlage zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4231897C2
Application number: DE19924231897
Authority: DE
Inventors: Edgar Dr Ing Brandauer; Wolfgang Dr Ing Poehler; Reinhard Dipl Ing Schulz; Dieter Dipl Ing Hirche
Original assignee: SCHULZ VERFAHRENSTECHNIK GmbH
Current assignee: SCHULZ VERFAHRENSTECHNIK GMBH, 16230 BRITZ, DE
Priority date: 1992-09-20
Filing date: 1992-09-20
Publication date: 1997-02-27
Anticipated expiration: 2012-09-21
Also published as: DE4231897A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur kombinierten thermischen Behandlung eines Produktes durch Mikrowellen und Konvektion mit den in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 8 angegebenen Merkmalen.

Bei einem bekannten Verfahren und einer bekannten Anlage der jeweiligen gattungsgemäßen Art (DE 11 84 877 B2) wird in ei nem Mikrowellen-Ofen für Haushaltszwecke und gastronomische Kleinbetriebe eine Anzahl tiefgefrorener Mahlzeiten zum Auftauen kombiniert thermisch durc Mikrowelle und Konvektion unter Einsatz eines Kühlmittels oder eines Luftstroms behan delt, das bzw. der jedoch nicht in die Behandlungszone für die Mikrowellen geleitet wird. Eine Brüdenabfuhr ist bei diesem Verfahren bzw. dieser Anlage nicht vorgesehen.

Bekannt ist auch ein Haushaltsmikrowellenherd (US 3 654 417), bei dem ein Luftstrom durch die Behandlungszone geführt wird, der bei Erwärmung eines Lebensmittels entstehende Däm pfe abführen kann.

Auf industriellem Gebiet ist ferner eine Mikrowellentrocken straße für Schnittholz bekannt (DE 40 10 568 A1), bei der einzelne Bretter auf einem Förderband durch einen Kanal lau fen, in dem Mikrowellensender so angebracht sind, daß das durchlaufende Holz ununterbrochen den Mikrowellen ausgesetzt ist. Hierdurch wird das Holz verhältnismäßig schnell so er hitzt, daß das in den Brettern enthaltene Wasser gleichmäßig verdampft und somit eine Schnittholztrocknung ohne direkte Wärmezufuhr von außen erfolgt. Nachteilig bei diesem Verfah ren ist jedoch, daß die bei der Mikrowellenerzeugung anfal lende verhältnismäßig hohe Abwärme ungenutzt bleibt.

Bekannt ist weiterhin, in einem Mikrowellen-Trocknungsofen ein Förderband derart einzusetzen, daß das Gut ohne Beein flussung der Hochfrequenz auf dem Förderband transportiert wird (DE-GM 67 53 667).

Bekannt ist ferner ein Verfahren und eine Anlage zum konti nuierlichen Trocknen eines Gutes in dem Trocknungsteil ei ner Trocknungsanlage durch Zuführen von Wärme mittels eines gasförmigen Wärmeträgers auf das zu trocknende Gut, das auf mindestens einer bewegten Trocknungsbahn ausgebreitet und durch den Trocknungsteil befördert wird (DE 34 14 853 A1). Der Wärmeträger wird hier in eine an den Trocknungsteil an schließende Druckkammer gefördert und von dieser auf die Trocknungsbahn geführt, wobei der Wärmeträger beim Übergang von der Druckkammer in den Trocknungsteil erwärmt wird.

Ebenso ist ein Mikrowellen-Trocknungsofen bekannt (US 4,189,629), durch den zu erhitzende Substanzen in Behältern, die nacheinander auf einem Förderband angeordnet sind, an einer Mikrowellen-Heizung vorbei zum Trocknen geführt werden.

Bekannt ist schließlich ein Verfahren zur indirekten Schlammtrocknung, insbesondere zur Trocknung von Abwässer schlämmen (DE 34 35 094 A1), wobei der Schlamm mechanisch vorentwässert und/oder vorgewärmt wird. Die Trocknung er folgt schlammseitig bei Unterdruck, der durch Absaugen der Brüden mittels eines Einspritzkondensators erzeugt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren so wie eine Anlage zu dessen Durchführung gemäß der eingangs erwähnten Art zur Verfügung zu stellen, bei dem bzw. der eine prozeßinterne Nutzung der bei der Mikrowellenerzeugung anfallenden Abwärme auf einfache und effektive Weise im in dustriellen Bereich gegeben ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patent ansprüchen 1 bzw. 8 angegebenen Merkmale gelöst.

Dabei wird die Abwärme bei der Mikrowellenerzeugung von einem Gasstrom aufgenommen, der in eine Behandlungs zone für das Produkt geleitet und dort gleichzeitig mit der Mikrowellenbestrahlung oder nachgeschaltet zur Mi krowellenbestrahlung zur thermischen Behandlung des Pro duktes sowie zur Brüdenabfuhr genutzt wird. Der Gasstrom kann als Inertgasstrom mit Brüdenabfuhr in einem geschlos senen Kreislauf realisiert werden. Der Gasstrom kann unter den Bedingungen der Außenatmosphäre in die Behandlungszo ne geleitet werden.

Es kann die Abwärme bei der Mikrowellenerzeugung von einem Kühlflüssigkeitsstrom aufgenommen werden, der wiederum seine Wärme im Wege der Wärmeübertragung an ei nen Luftstrom abgibt, der in die Behandlungszone geleitet wird und dort gleichzeitig mit der Mikrowellenbestrahlung oder vor- oder nachgeschaltet zu dieser zur thermischen Behandlung des Produktes sowie zur Brüdenabfuhr benutzt wird. Nach der thermischen Behandlung kann das Produkt vor Verlassen der Anlage einem Kühlluftstrom zur Tempera turabsenkung ausgesetzt werden. Der Behandlungsprozeß kann auch bei einem anderen als dem Umgebungsdruck durchgeführt werden.

Die erfindungsgemäße Anlage zeichnet sich aus durch die Kombination eines im Gehäuse angeordneten, von einer Luft strömung von unten nach oben durchsetzbaren Bandtrockners, von dem das Produkt durch die Anlage transportierbar ist, einer Vielzahl oberhalb des Bandtrockners im Abstand von diesem im Gehäuse angeordneter Magnetrone, zwischen denen Luftabführschlitze vorgesehen sind, und einer seitlich des Bandtrockners vorgesehenen Luftkanalführung, durch die der Zwischenraum zwischen dem Bandtrockner und der Einheit aus der Vielzahl der Magnetrone und dem Gehäusebereich unmit telbar unterhalb des Bandtrockners strömungstechnisch ver bunden sind.

Der Bandtrockner ist mehrstufig gestaltet. Er weist ein endloses Transportband auf, das aus zusammengesetzten, klappbaren Segmenten be steht, die in einem Gelenkrahmen schwenkbar gehaltert und über einen Hebelmechanismus zum Umlegen des Schüttgutes von einem oberen auf einen darunter liegenden Transport bandabschnitt einzeln aufklappbar sowie mit einem An drückmechanismus wieder zuklappbar sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Anlage zu dessen Durchführung erweisen sich durch die Kopplung eines durch die Mikrowellen bedingten Energieeintrags mit einer kon vektiven Energiezufuhr hinsichtlich der Energieausnutzung bei der thermischen Behandlung des Produktes als beson ders effektiv. Das thermisch zu behandelnde Gut, das mit einer an die Mikrowellenstrahlung ankoppelnden Flüssig keit versetzt sein oder selbst ankoppeln kann, liegt in Form einer Schüttung, als Einzelteile o.ä. auf einer ruhenden oder bewegten Auflage und wird durch die Mi krowellenstrahlung erwärmt, wobei gegebenenfalls Feuch tigkeit verdampft wird. Die gleichzeitig in vor- oder nachgeschalteten Stufen realisierte konvektive Behand lung erfolgt derart, daß der warme Gasstrom die durchläs sige Auflage und das darauf befindliche Produkt mit einer solchen Geschwindigkeit durch-, über- oder umströmt, daß es durch den Gasstrom nicht mitgerissen oder ausgetragen werden kann. Der Gasstrom kann sowohl im Saugzug als auch im Druckbetrieb durch die Anlage befördert werden.

Die Magnetrone wandeln die elektrische Energie mit einem Wirkungsgrad von etwa 60% in Mikrowellenstrahlung um. Die Verluste der Energieumwandlung, die sich in einer Er wärmung von Magnetronen und Transformatoren äußern, wer den durch ein Kühlmedium abgeführt. Je nach Bautyp der Magnetrone kann ein Gas- oder ein Flüssigkeitsstrom für die Kühlung genutzt werden. Durch geeignete Wärmeübertrager ist es möglich, die Wärme einer bevorzugt im Kreislauf zu nutzenden Kühlflüssigkeit ebenfalls auf einen Gasstrom zu übertragen, wodurch in jedem Fall ein warmer Gasstrom zur Verfügung steht. Durch die Nutzung dieses Gasstromes für eine zusätzliche konvektive Behandlung eines Produktes kön nen die Energieverluste der Mikrowellenerzeugung für den Behandlungsprozeß genutzt werden. Dabei ist es möglich, daß der warme Gasstrom bei entsprechender Gestaltung der Anlage mehrfach und schließlich auch zur Unterstützung der even tuell notwendigen Brüdenabfuhr im Bereich der Mikrowellen behandlung verwendbar ist.

Die Gasführung muß dabei in folgender Reihenfolge durch geführt werden:

1. Gasansaugung
2. direkte oder indirekte Kühlung der Magnetrone
3. Erwärmung/Konvektionstrocknung
4. Unterstützung der eventuell notwendigen Brüdenabfuhr
5. Gaskühlung und Brüdenauskreisung bei geschlossenem Kreislauf

Die 3. und 4. Stufe werden als eine Durch-, Über- oder Um strömung des Produktes realisiert. Dabei sollte der Gas strom so bemessen sein, daß möglichst wenig Gut mitgerissen wird. Der kombinierte Behandlungsprozeß kann sowohl konti nuierlich als auch diskontinuierlich betrieben werden. Bei kontinuierlichem Betrieb muß das zu behandelnde Produkt durch die verschiedenen Zonen der Anlage transportiert wer den, was bevorzugt mit einem Transportband geschieht.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen erläutert. In diesen sind:

Fig. 1 eine schematische Aufrißansicht einer Ausführungs form der Anlage,

Fig. 2 eine weitere schematische Aufrißansicht durch die Anlage, die die Luftführung durch den Mi krowellen-Bandtrockner verdeutlicht, und

Fig. 3 ein Diagramm, aus dem in Gegenüberstellung der Trocknungsverlauf bei einer alleinigen Mikrowellentrocknung (Kurve 1) und bei einer Trocknung bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens (Kurve 2) hervorgeht.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens zur kombinierten thermischen Behandlung eines Schüttgutes 3 durch Mikrowellen und Konvektion. In einem Gehäuse 1 der Anlage ist ein zweistufiger Bandtrockner 2 angeordnet, der zwei übereinander lie gende, im Abstand und versetzt zueinander angeordnete Transportbänder 9 aufweist, deren Bewegungsrichtung (Pfeil A bzw. B) zueinander entgegengesetzt ist. Im Ab stand zum oberen Transportband 9 ist in dem Gehäuse 1 eine Vielzahl Magnetrone 4 angeordnet, zwischen denen jeweils eine Luftabführöffnung 5 vorgesehen ist. Das Gehäuse 1 weist Öffnungen 10 und 11 für die Zu- bzw. Abführung von Luft sowie einen Ein- und einen Abführ trichter 12 bzw. 13 für das Schüttgut 3 auf. Das Gut 3 wird am linken Ende 14 des oberen Transportbandes 9 über den Einführtrichter 12 des Gehäuses 1 zugeführt. Infolge der Bandbewegung gelangt das Schüttgut 3 in den Bereich der Mikrowellentrocknung. Die oberhalb der Gutschüttung angeordneten Magnetrone 4 bestrahlen das Schüttgut 3 stetig oder periodisch und erwärmen bzw. verdampfen im Schüttgut 3 enthaltendes Wasser. Am rechten Ende 15 des oberen Transportbandes 9 erfolgt die Übergabe des Schüttgutes 3 an das Transportband 9 des unteren Bandtrockners 2. Am linken Ende 16 des letzte ren wird das Schüttgut 3 über den Abführtrichter 14 des Gehäuses 1 aus der Anlage herausgeführt.

Aus Fig. 2 geht die Luftführung durch den zweistufigen Bandtrockner 2 am besten hervor. Die Luft tritt seitlich in den Bereich der Einheit aus der Vielzahl der Magnetro ne 4 ein und wird bei der dargestellten Ausführungsform direkt zur Kühlung der Magnetrone 4 genutzt. Über einen Luftkanal 6 seitlich der Transportbänder 9 gelangt die Warmluft in die Zone unterhalb des unteren Bandtrockners 2 und durchströmt dann die Transportbänder 9 der beiden Bandtrockner 2 und das auf den Transportbändern befindli che Schüttgut 3. Auf dem Transportband 9 des unteren Band trockners 2 erfolgt dabei eine reine Konvektionstrocknung als eine zweite Trocknungsstufe zur Entfernung der im Schüttgut 3 nach der Mikrowellentrocknung verbliebenen Restfeuchte. Danach gelangt die Luft zum oberen Transport band 9 und durchströmt im Bereich der Mikrowellentrocknung die Gutschüttung. Dabei erfüllt der Luftstrom einerseits die Unterstützungsfunktion für die Brüdenabfuhr, anderer seits kann durch ihn der Trocknungsprozeß in diesem Be reich beschleunigt werden. Die Abluft verläßt die Trock nungszone über die Abführöffnungen 5 zwischen den Magne tronen 4 und gelangt in Falle eines Saugzug-Betriebs über nicht dargestellte Gebläse zu ebenfalls nicht gezeigten Reinigungs- bzw. anderen Abluftbehandlungseinrichtungen.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbare Stei gerung des energetischen Wirkungsgrades der Anlage wird durch den Vergleich einer herkömmlichen Mikrowellentrock nung mit der kombinierten Mikrowellen- und Konvektions trocknung unter Einsatz eines zweistufigen Bandtrockners gemäß der Erfindung am besten demonstriert. Für den Ver gleich wurde ein herkömmlicher einstufiger Mikrowellen bandtrockner ohne Luftunterstützung mit gleichem Ener gieverbrauch wie bei der erfindungsgemäßen Anlage ver wendet, bei der die Energieverluste der Magnetrone 4 zur Erwärmung der Trocknungsluft benutzt wurden, so daß kei ne zusätzliche Energie zur Lufterwärmung benötigt wurde. Der Bandtrockner war so dimensioniert, daß sich folgende Betriebsdaten ergaben:

Gutverweilzeit je Band: t = 1720 s
Luftgeschwindigkeit im freien Querschnitt: v = 0,47 m/s
Lufteintrittstemperatur: T = 70°C
Flächenspezifische Mikrowellenstrahlerleistung: P = 35 kW/m²

Aus dem Diagramm gemäß Fig. 3 gehen die Ergebnisse der Untersuchungen einer maßstabsgerechten Simulation dieses Trocknungsprozesses im Labormaßstab in Verbindung mit nachfolgender Tabelle hervor. In Fig. 3 betrifft die Kurve 1 den Trocknungsverlauf bei Mikrowellentrocknung und die Kurve 2 den Verlauf bei Kombinationstrocknung.

Tabelle

wobei

x die Wassermasse im Gut (W) bezogen auf die Ge samtmasse (FG),
X die Wassermenge im Gut (W) bezogen auf die Trockenmasse (TG) und
ETA der Wirkungsgrad als Anteil der gebrauchten Verdampfungsenergie zum Energieverbrauch des Trockners sind.

Aus den Kurven 1 und 2 der Fig. 3 ist ersichtlich, daß durch die erfindungsgemäße Nutzung der Energieverluste der Magnetrone für den Trocknungsprozeß eine deutliche Steigerung der Effektivität erreicht wird.

Liste der Bezugszeichen

1 Gehäuse
2 Bandtrockner
3 Schüttgut
4 Magnetron
5 Luftabführöffnung
6 Luftkanal
7 Zwischenraum zwischen Magnetronen und Bandtrockner
8 Gehäusebereich unterhalb des Band trockners
9 Transportband
10 Luftzuführöffnung
11 Luftabführöffnung
12 Einführtrichter
13 Abführtrichter
14 linkes Ende des oberen Transportbandes
15 rechtes Ende des oberen Transportbandes
16 linkes Ende des unteren Transportbandes

Claims

1. Verfahren zur kombinierten thermischen Behandlung eines Produktes durch Mikrowellen und Konvektion, bei dem die bei der Mikrowellenerzeugung entstehen de Abwärme von einem Strom eines Fluidums aufgenom men und zur thermischen Behandlung des Produktes durch Konvektion genutzt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß als Produkt ein Schüttgut und als Fluidum ein Gas verwendet werden,
und daß der Gasstrom in eine Behandlungs zone für das Schüttgut geleitet und dort gleichzei tig mit der Mikrowellenbestrahlung zur thermischen Behandlung des Schüttgutes sowie zur Brüdenabfuhr genutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom vor oder nach dem Eintreten in die Behandlungszone zwischen zur Mikrowellenerzeugung vorgesehene Magnetrone (4) geleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß der Gasstrom als Inertgasstrom in einem geschlossenen Kreislauf realisiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß der Gasstrom unter Außenatmosphäre in die Behandlungszone geleitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwärme bei der Mikrowellenerzeugung von ei nem Kühlflüssigkeitsstrom aufgenommen wird, der wie derum seine Wärme im Wege der Wärmeübertragung an ei nen Luftstrom abgibt, der in eine Behandlungszone ge leitet wird und dort gleichzeitig mit der Mikrowel lenbestrahlung zur thermischen Behandlung des Produktes sowie zur Brüdenabfuhr benutzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftstrom vor oder nach dem Eintreten in die Behandlungszone zwischen zur Mikro wellenerzeugung vorgesehe Magnetrone (4) geleitet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Behandlung des Schüttgutes bei einem zum Umgebungsdruck unterschiedlichen Druck durchge geführt wird.

8. Anlage zur kombinierten thermischen Behandlung eines Produktes, durch Mikro wellen und Konvektion, mit einem Öffnungen für die Zu- und Abführung eines Fluidums sowie Einrichtungen für die Zu- und Abführung des Produktes und eine Kanalfüh rung für das Fluidum aufweisenden Gehäuse (1) mit einer Saug- und Gebläseeinrichtung, einem im Gehäuse (1) ange ordneten, von der Strömung des Fluidums durchsetzbaren Bandtrockner (2), von dem das Produkt durch die An lage transportierbar ist, und mit einer Vielzahl ober halb des Bandtrockners im Abstand von diesem im Gehäu se angeordneter Magnetrone (4), dadurch gekennzeichnet,

- daß der Bandtrockner (2) mehrstufig gestaltet und von un ten nach oben von der Strömung des Fluidums durchsetz bar ist sowie ein endloses Transportband (9) aufweist, das aus zusammengesetzten, klappbaren Segmenten be steht, die in einem Gelenkrahmen schwenkbar gehaltert und über einen Hebelmechanismus zum Umlegen des ein Schüttgut darstellenden Produktes (3) von einem oberen auf einen darunter liegenden Transportbandabschnitt einzeln aufklappbar sowie mit einem Andrückmechanismus wieder zuklappbar sind,
- daß zwischen den Magnetronen (4) Abführschlitze (5) für das Fluidum vorgesehen sind, und
- daß die Kanalführung (6) für das Fluidum seitlich des Band trockners (2) vorgesehen ist und den Zwischenraum (7) zwischen dem Bandtrockner (2) und der Einheit aus der Vielzahl der Magnetrone (4) und dem Gehäusebereich (8) unmittelbar unterhalb des Bandtrockners (2) strömungs technisch verbindet.

9. Anlage nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen in sich geschlossenen Kreislauf für einen Inertgas strom.