WO1999018401A1 - Verfahren und einrichtung zum trocknen von holz - Google Patents

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WO1999018401A1
WO1999018401A1 PCT/AT1998/000234 AT9800234W WO9918401A1 WO 1999018401 A1 WO1999018401 A1 WO 1999018401A1 AT 9800234 W AT9800234 W AT 9800234W WO 9918401 A1 WO9918401 A1 WO 9918401A1
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vacuum chamber
wood
chamber
water vapor
vacuum
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PCT/AT1998/000234
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French (fr)
Inventor
Johann Wolf
Herbert Fuchs
Original Assignee
Wolf Systembau Gesellschaft M.B.H.
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F26DRYING
    • F26BDRYING SOLID MATERIALS OR OBJECTS BY REMOVING LIQUID THEREFROM
    • F26B5/00Drying solid materials or objects by processes not involving the application of heat
    • F26B5/04Drying solid materials or objects by processes not involving the application of heat by evaporation or sublimation of moisture under reduced pressure, e.g. in a vacuum
    • F26B5/048Drying solid materials or objects by processes not involving the application of heat by evaporation or sublimation of moisture under reduced pressure, e.g. in a vacuum in combination with heat developed by electro-magnetic means, e.g. microwave energy
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F26DRYING
    • F26BDRYING SOLID MATERIALS OR OBJECTS BY REMOVING LIQUID THEREFROM
    • F26B2210/00Drying processes and machines for solid objects characterised by the specific requirements of the drying good
    • F26B2210/16Wood, e.g. lumber, timber

Definitions

  • the invention relates to a method for the dielectric drying of wood, in a vacuum chamber, in which the wood to be dried is exposed to a high-frequency field penetrating the wood to be dried for the dielectric heating of the wood, the vacuum chamber being heated.
  • the invention further relates to a device with which the method can be carried out.
  • This type of vacuum drying plant is not the subject of the present invention.
  • the drying processes differ physically to the extent that in the processes described under a) the inside of the
  • the electrode surfaces between which the high-frequency alternating field is effective must enclose the wood, that is, for example a stack of wood several meters long and commercially available in width and height, between them. Zones with different field strengths are formed on the electrodes of such a large area at the frequencies customary for such a method, which are in the range between 3 and 30 MHz, depending on the wavelength of the selected working frequency.
  • the field of large-area electrode plates is no longer homogeneous due to interference and the formation of standing waves.
  • the dielectric constant of the wood arranged in the high-frequency field is not uniform over the entire volume of the wood due to different moisture distribution and wood density. Further irregularities in the field strength are caused by air gaps and zones of different vapor density between and around the wood.
  • Another disadvantage of the known vacuum drying in the alternating dielectric field in the currently known devices is, however, also that the wood is warmer than its surroundings, in particular warmer than the walls of the vacuum chamber, which in some known constructions are additionally cooled by the to condense water vapor escaping the wood.
  • Devices are also known in which cooling registers are fitted within the vacuum chamber. A large proportion of the heat generated in the wood is radiated to the cooler environment over a large area, and is also released by convection via the steam-residual gas atmosphere of the chamber. This means that the energy required to maintain the correct wood temperature is considerably greater than would be required to supplement the heat of vaporization.
  • the main disadvantage of the currently known methods lies in the fact that as soon as there are desired or unwanted condensation processes within the vacuum chamber, critical climatic differences arise in the chamber, which result in an uneven progress of drying in the chamber due to the temperature differences already present in the wood stack and on the vacuum chamber reinforce.
  • the object of the present invention is to avoid the disadvantages described.
  • the invention is based on the object of vacuum drying wood in an alternating dielectric field
  • the method according to the invention should be able to be carried out in a vacuum chamber with dielectric heating of the wood in a high-frequency field with the formation of a homogeneous, conditioning, climate-optimized chamber atmosphere.
  • this object is first achieved in that all the space in the vacuum chamber in which the wood to be dried is limiting wall parts and all parts of the vacuum chamber arranged in the chamber are kept at a temperature which is higher than the temperature of the material to be dried and that after reaching an atmosphere saturated with water vapor in the vacuum chamber in a separate from the vacuum chamber arranged, evacuated space (condensation chamber) water vapor is condensed.
  • the invention also relates to a device with which the method according to the invention can be carried out.
  • a device for performing the method with a vacuum chamber, with electrodes arranged in the vacuum chamber for applying an electrical high-frequency field to the wood, and with a vacuum pump, which is connected to the interior of the vacuum chamber via a line with a shut-off device can by one of the Heater assigned to the vacuum chamber and by a condensation chamber which is arranged separately from the vacuum chamber and is connected to the interior of the vacuum chamber via a line which can be shut off by a valve.
  • the essential feature of the method according to the invention for dielectric drying, in particular for drying wood, in a vacuum chamber in which the wood to be dried is exposed to a high-frequency field for the dielectric heating of the wood which penetrates the wood to be dried, the vacuum chamber being heated, consists in this that all the wall parts delimiting the space in the vacuum chamber in which the wood to be dried is accommodated and parts of the vacuum chamber arranged in the chamber are kept at a temperature which is higher than the temperature of the wood to be dried.
  • the knowledge on which the invention is based is that, despite the non-uniform field strength of the dielectric alternating field in the wood, and the associated, uneven heating of the wood and the resulting final moisture differences over the volume of the wood, the differences in temperature and final moisture of the wood result from the inventive use of an optimized chamber climate and can be largely compensated for by a conditioning process taking place at the same time.
  • the object is essentially achieved by reversing the temperature conditions in the
  • Vacuum chamber and solved in that no condensation devices are provided in the vacuum chamber.
  • the wood to be dried in the vacuum chamber forms the coolest of the masses present there during drying.
  • a vacuum high-frequency drying chamber is connected to an externally arranged, also evacuable condensation chamber via a pipe and a valve.
  • the walls of the vacuum chamber and the electrodes provided in it are placed on a heater by means of heaters attached to or in the chamber walls
  • the amount of water escaping from the wood to form the vapor pressure equilibrium is small and is, for example, about 17.3 g of water for 20 ° C. and about 30.3 g of water per cubic meter of residual volume in the vacuum chamber at 30 ° C.
  • the wood can then be heated using high frequency and the heating of the chamber walls can continue.
  • the increasing wood temperature serves as a control variable for the temperature of the chamber walls and other device parts contained in the vacuum chamber, which temperature must always be kept somewhat higher.
  • the condensation chamber is evacuated either before the start of the process or while the wood is heating up, the valve to the vacuum chamber being closed.
  • the valid vapor pressure equilibrium is established with increasing wood temperature.
  • the amount of water that comes from the wood is irrelevant.
  • the lack of condensation always saturated and homogeneous steam atmosphere in the closed vacuum chamber forms a climate that causes a conditioning process.
  • the chamber wall Since the high-frequency field heats the wood unevenly, the chamber wall is at a higher temperature and no condensate can be formed there, but the vapor pressure in a closed system always tries to adjust itself to the lowest temperature, both moisture and heat transfer takes place. port to those zones in the wood that have a lower temperature exhibit .
  • the actual drying process is initiated by opening the valve to the condensation chamber, which is also under vacuum but is unheated and possibly cooled, at an already high temperature in the vacuum chamber and in the wood.
  • the respective opening cross-section of the valve determines the amount of water vapor that escapes from the chamber climate, which is evenly saturated with vapor pressure, and is intended for condensation.
  • the water condensing in the condensation chamber which is removed from the homogeneous, conditioning climate in the vacuum chamber, lowers its vapor pressure.
  • the latter was in equilibrium with the existing wood temperature. This state of equilibrium is restored by the escape of water vapor from the wood to be dried, so that the wood loses moisture constantly and in a controllable manner, ie "dries".
  • the evacuable condensation chamber which is arranged separately from the vacuum chamber in which the wood to be dried is located, is essential for the method according to the invention to be carried out successfully.
  • the reason for this is that the vacuum chamber, which is kept at a higher temperature, does not permit condensation processes in the vacuum chamber itself.
  • the water removal required for drying by steam condensation requires an external evacuated condensation chamber, which is arranged separately from the vacuum chamber, so that the water vapor escaping from the wood condenses and thus that in the vacuum wood in the chamber can dry.
  • FIG. 1 shows a section of a vacuum chamber in which the method according to the invention can be carried out
  • FIG. 2 shows a modified embodiment
  • FIG. 3 shows a temperature-vapor pressure diagram for water between 0 ° C. and 100 ° C.
  • a vacuum chamber 17 with a rectangular cross-sectional shape in FIG. 1 has walls 1 to which heating pipes 2 are attached on the outside.
  • the heating tubes 2 are charged with a liquid or gaseous heat transfer medium. Electric heaters can also be used.
  • the vacuum chamber 17 is surrounded by thermal insulation 3.
  • two surface electrodes 4 are arranged running in the longitudinal direction, each of which is connected to a high-frequency generator 6 via a vacuum-tight high-frequency feed 5.
  • a heated line 7 with shut-off valve 8 connects the vacuum chamber 17 to an evacuable condensation chamber 9.
  • the condensation chamber 9 is equipped on the outside with cooling fins 10 for convection cooling through the surroundings and on the inside with cooling coils 11, which are fed with a cooling medium by a cooling unit 12.
  • a valve 13 serves to ventilate the condensation chamber 9 and a valve 14 to remove the condensate (water).
  • the vacuum chamber 17 is connected to a vacuum pump 18 via a heatable line 15, in which a valve 16 is provided.
  • the wood 19 to be dried which in FIG. 1 is a stack running in the longitudinal direction of the chamber (perpendicular to the image plane).
  • Fig. 2 shows a cylindrical vacuum chamber 17 in a double-walled design, the heating of the vacuum chamber 17 with an over a supply line 27 is supplied to a cavity 29 and discharged via a discharge line 28.
  • the externally arranged, evacuable condensation chamber 9 is only equipped with cooling fins 10 arranged on the outside for the purpose of convection cooling by the surroundings.
  • the condensation chamber 9 can (as in FIG. 1) be evacuated separately from the vacuum chamber 17 via a suction line 20 in which and a valve 21 is provided.
  • the method according to the invention also has the advantage of considerable energy savings.
  • the walls of the vacuum chamber 17 have been heated to their working temperature, a further supply of heat is only necessary to the extent that it corresponds to the slight but inevitable heat loss through the insulation 3.
  • the wood to be dried can only suffer thermal "losses” due to the "reversed temperature conditions” in the vacuum chamber 17 (wall warmer than wood) due to water evaporation.
  • the energy to be tracked by the high frequency or dielectric heating is at best limited to the addition of the theoretically necessary heat of vaporization, corresponding to the amount of water withdrawn via the condenser from the homogeneous, optimized chamber climate
  • This energy requirement is approximately 540 kcal / kg water, corresponding to approximately 0.626 kWh per kg water.
  • Amount of water to be used per kilogram of water is slightly higher than previously stated.
  • a preferred exemplary embodiment of the method can be described as follows: For drying, wood is introduced into a chamber 17 which can be evacuated by a vacuum pump 18 via a line 15 with a shut-off valve 16 and which is connected to a condenser 11 via a further line 7 and a valve 8 with an evacuable condensation chamber 9.
  • a vacuum pump 18 For drying, wood is introduced into a chamber 17 which can be evacuated by a vacuum pump 18 via a line 15 with a shut-off valve 16 and which is connected to a condenser 11 via a further line 7 and a valve 8 with an evacuable condensation chamber 9.
  • two electrodes 4 are provided, via which a high-frequency field can be applied to the wood 19 to be dried in order to heat the wood 19.
  • the walls 1 of the vacuum chamber 17 and the lines 17, 15 are equipped with a heater 2.
  • the procedure for drying wood is as follows: The vacuum chamber 17 is loaded with the wood 19 to be dried. Then, with the valve 8 closed, the vacuum chamber 17 is evacuated to the condensation chamber 9 by the vacuum pump 18, wherein the condensation chamber 9 can also be evacuated via a line 20. After a vacuum is reached at which water begins to evaporate in the wood 19 to be dried at the given temperature, the valve 16 to the vacuum pump 10 is closed and heating is started by both the heating device 2 assigned to the walls 1 of the vacuum chamber 17 and the dielectric heater with the electrodes 4 is put into operation. Care is taken that the wood 19 to be dried is always cooler than the other parts of the installation, in particular the walls 1 of the vacuum chamber 17. The heating can be carried out to any process temperature above the boiling point of water at the given vacuum.
  • the valve 8 to the condensation chamber 9, which has been previously evacuated, is opened to the desired opening cross section. Characterized in that there is a lower water vapor pressure in the condensation chamber 9, water vapor diffuses from the vacuum chamber 17 into the condensation chamber 9, so that in the
  • Vacuum chamber 17 can leak further water vapor from the wood. There is therefore a higher water vapor pressure in the vacuum chamber 17 than in the condensation chamber 9 during drying, so that water vapor flows from the vacuum chamber 17, in which the wood 19 to be dried is received, into the condensation chamber 9.
  • the speed of drying can be regulated by setting the valve 8 to the desired opening cross section.

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Abstract

Zum dielektrischen Trocken von Holz wird Holz in einer Vakuumkammer durch ein das zu trocknende Holz durchdringendes Hochfrequenzfeld dieletrisch erwärmt. Dabei wird die Vakuumkammer und alle in der Kammer angeordneten Teile auf einer Temperatur gehalten, die höher ist als die Temperatur des Holzes. Nachdem in der Vakuumkammer eine mit Wasserdampf gesättigte Atmosphäre erreicht worden ist, wird Wasserdampf in einer getrennten, evakuierten Kondensationskammer kondensiert. Zum Ausführen dieses Verfahrens wird eine Einrichtung mit einer Vakuumkammer (17), in der Elektroden (4) zum Anlegen eines elektrischen Hochfrequenzfeldes an das zu trocknende Holz (19) angeordnet sind, vorgeschlagen. Der Wand der Vakuumkammer (17) ist eine Heizung (2) zugeordnet. Weiters ist eine Kondensationskammer (9) vorgesehen, die mit der Vakuumkammer (17) über eine Leitung (7), die durch ein Ventil (8) absperrbar ist, in Verbindung steht.

Description

"Verfahren und Einrichtung zum Trockner
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum dielektrischen Trocknen von Holz, in einer Vakuumkammer, in welcher das zu trocknende Holz einem das zu trocknende Holz durchdringenden Hochfrequenzfeld zum dielektrischen Erwärmen des Holzes ausgesetzt wird, wobei die Vakuumkammer erwärmt wird.
Die Erfindung betrifft weiters eine Einrichtung, mit der das Verfahren ausgeführt werden kann.
Im Stand der Technik sind verschiedene Vakuum - Holztrocknungs- anlagen und dazugehörige Trocknungsverfahren bekannt, die sich im wesentlichen in zwei Typen einteilen lassen:
a) Jene, bei denen die zum Verdunsten und Verkleinern seines Wassergehaltes notwendige Wärme dem in einer Kammer unter vermindertem Atmosphärendruck eingeschlossenen Holz von außen über die Ober- fläche des Holzes zugeführt wird. Dies wird entweder durch turbulenten Kontakt mit erwärmten Gasen, erwärmten Dämpfen, bevorzugt jedoch mittels eines Wasserdampf-Luft-Gemisches erreicht. Ebenso sind Systeme bekannt, bei denen die erforderliche Wärme ausschließlich oder zusätzlich durch flächige Berührung mit beheizten Platten, gelegentlich auch durch Strahlung von einer Wärmequelle zugeführt wird.
Dieser Typ von Vakuumtrocknungsanlagen ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
b) Verfahren, bei denen die zum Verdunsten des Wassers benötigte Wärme der in einer Kammer, unter vermindertem Druck eingeschlossenen Holzcharge direkt im Holz mittels eines, das Holz durchdringenden Hochfrequenzfeldes über die dabei auftretenden, dielektrischen Verluste erzeugt wird.
Physikalisch unterscheiden sich die Trocknungsvorgänge insoferne, als bei den unter a) beschriebenen Verfahren das im Inneren des
Holzes befindliche Wasser vorwiegend durch Diffusion der Wassermole- külen durch die äußeren, wärmeren Holzschichten hindurch verringert wird, wogegen bei den unter b) angeführten Verfahren mit dielektrischer Erwärmung vorwiegend eine DampfStrömung aus dem Inneren des Holzes nach außen stattfindet, die vom Dampfdruckunterschied (Δ p) aufgrund der im Inneren des Holzes herrschenden Temperatur und der das Holz umgebenden Atmosphäre mit Unteratmosphärendruck bewirkt wird.
Die Vorteile des Trocknens von Holz im dielektrischen Wechselfeld liegen darin, daß die oft komplizierten und aufwendigen, sowie viel Energie verbrauchenden Vorrichtungen zum raschen Umwälzen und Erneuern der Vakuum-Dampf-Atmosphäre zwecks ausreichender konvektiver Wärmeübertragung an die Holzoberflächen entfallen. Ein anderer Vorteil besteht darin, daß das sogenannte "Verschalen" des Holzes, die durch zu rasches Austrocknen der äußeren Holzschicht entstehen kann, verhindert wird, da eine ständige DampfStrömung aus dem w- ärmeren Inneren des Holzes durch dessen kapillar-poröse Struktur nach außen an die Oberfläche stattfindet.
Die bisher bekannten Vorrichtungen zum Vakuumtrocknen von Holz im dielektrischen Wechselfeld weisen jedoch einige Nachteile auf.
Die Elektrodenflächen zwischen denen das hochfrequente Wechselfeld wirksam ist, müssen das Holz, also beispielsweise einen Holzstapel von mehreren Metern Länge sowie handelsüblicher Breite und Höhe, flächendeckend zwischen sich einschließen. Auf den solcherart großflächigen Elektroden bilden sich bei den für solches Verfahren üblichen Frequenzen, die im Bereich zwischen 3 und 30 MHz liegen, je nach Wellenlänge der gewählten Arbeitsfrequenz Zonen mit unterschiedlicher Feldstärke aus. Das Feld großflächiger Elektroden- platten ist infolge von Interferenzen und Ausbildung stehender Wellen nicht mehr homogen. Ebenso ist die Dielektrizitätskonstante des im Hochfrequenzfeld angeordneten Holzes aufgrund unterschiedlicher Feuchteverteilung und Holzdichte nicht über das gesamte Volumen des Holzes einheitlich. Weitere Unregelmäßigkeiten in der Feldstärke sind durch Luftspalte und Zonen unterschiedlicher Dampfdichte zwischen und um das Holz gegeben.
In ihrer Gesamtheit bewirken diese Einflüsse, daß das Erwärmen des Holzes über seine Länge und über seinen Querschnitt nicht homogen ist, wobei sich Temperaturunterschiede bis zu 10 °C feststellen lassen. Im Vakuum verursacht dies wegen der leichteren Beweglichkeit der Wassermoleküle und des niedrigeren Siedepunktes erhebliche Unterschiede im Trocknungsgefälle, wobei ein ungleichmäßiger Trock- nungsfortschritt über das Volumen des Holzes auftritt.
Ein weiterer Nachteil des bekannten Vakuumtrocknens im dielektrischen Wechselfeld liegt bei den derzeit bekannten Einrichtungen aber auch darin, daß das Holz wärmer ist als seine Umgebung, insbesondere wärmer ist als die Wände der Vakuumkammer, die bei manchen bekannten Konstruktionen noch zusätzlich gekühlt werden, um den aus dem Holz entweichenden Wasserdampf zu kondensieren. Bekannt sind auch Einrichtungen, bei denen innerhalb der Vakuumkammer Kühlregister angebracht sind. Ein erheblicher Anteil der im Holz erzeugten Wärme wird großflächig an die kühlere Umgebung abgestrahlt, sowie auch durch Konvektion über die Dampf-Restgas-Atmosphäre der Kammer abgegeben. Der Energieaufwand zum Aufrechterhalten der richtigen Holztemperatur ist dadurch erheblich größer, als zur Ergänzung der Verdampfungswärme erforderlich wäre.
Der Hauptnachteil der derzeit bekannten Verfahren liegt aber darin, daß sobald innerhalb der Vakuumkammer gewollt oder ungewollt Konden- sationsvorgänge stattfinden, in der Kammer kritische Klimadifferenzen entstehen, die in der Kammer einen ungleichmäßigen Fortschritt des Trocknens durch die im Holzstapel und an der Vakuumkammer ohnehin vorhandenen Temperaturdifferenzen verstärken.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die geschilderten Nachteile zu vermeiden. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Vakuumtrocknen von Holz im dielektrischen Wechselfeld
( "Hochfrequenz-Vakuumtrocknen" ) hinsichtlich des Energieaufwandes und des Trocknungsergebnisses zu verbessern.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll in einer Vakuumkammer mit di- elektrischer Erwärmung des Holzes in einem Hochfrequenzfeld unter Ausbilden einer homogenen, konditionierenden, klimaoptimierten Kammeratmosphäre ausführbar sein.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe zunächst dadurch gelöst, daß alle den Raum in der Vakuumkammer, in dem das zu trocknende Holz aufge- nommen ist, begrenzenden Wandteile und alle in der Kammer angeordneten Teile der Vakuumkammer auf einer Temperatur gehalten werden, die höher ist als die Temperatur des zu trocknenden Gutes, und daß nach dem Erreichen einer mit Wasserdampf gesättigten Atmosphäre in der Vakuumkammer in einem von der Vakuumkammer getrennt angeordneten, evakuierten Raum (Kondensationskammer) Wasserdampf kondensiert wird.
Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung betrifft auch eine Einrichtung mit der das erfindungs- ge äße Verfahren ausgeführt werden kann. Eine solche Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens mit einer Vakuumkammer, mit in der Vakuumkammer angeordneten Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Hochfrequenzfeldes an das Holz, und mit einer Vakuumpumpe, die mit dem Innenraum der Vakuumkammer über eine Leitung mit Absperrorgan in Verbindung steht , kann durch eine der Vakuumkammer zugeordnete Heizung und durch eine von der Vakuumkammer getrennt angeordnete Kondensationskammer, die mit dem Innenraum der Vakuumkammer über eine Leitung, die durch ein Ventil absperrbar ist, in Verbindung steht, ausgezeichnet sein.
Das wesentliche Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens zum dielektrischen Trocknen, insbesondere zum Trocknen von Holz, in einer Vakuumkammer, in welcher das zu trocknende Holz einem das zu trocknende Holz durchdringenden Hochf equenzfeld zum dielektrischen Erwärmen des Holzes ausgesetzt wird, wobei die Vakuumkammer erwärmt wird, besteht darin, daß alle den Raum in der Vakuumkammer, in dem das zu trocknende Holz aufgenommen ist, begrenzenden Wandteile und in der Kammer angeordneten Teile der Vakuumkammer auf einer Temperatur gehalten werden, die höher ist als die Temperatur des zu trocknenden Holzes.
Damit ist sichergestellt, daß Wasserdampf an den Innenwänden der Vakuumkammer und an den in der Vakuumkammer angeordneten Teilen nicht kondensieren kann, ausgenommen das weiter unten erläuterte Kondensieren an - und im - zu trocknenden Holz. Die Kondensation von aus dem Holz entweichenden Wasserdampf und ein dadurch hervorgerufener Trocknungsprozeß des in der Vakuumkammer befindlichen Holzes erfolgt bei der Erfindung in einem externen, mit der Vakuumkammer über eine Leitung und ein Absperrventil in Verbindung stehenden, ebenfalls evakuierbaren Kondensationskammer. Ist das Ventil zur Kondensationskammer geschlossen, so kommt der Trocknungsvorgang in der solcherart abgesperrten Vakuumkammer zum Stillstand, da Wasser- dampf nicht kondensieren kann, sobald sich das der jeweils vorliegenden Holztemperatur entsprechende Temperatur-Dampfdruckgleichge- wicht in der Vakuumkammer eingestellt hat. Durch Öffnen des Ventils in der Leitung zur Kondensationskammer schreitet das Trocknen fort.
Die der Erfindung zugrundeliegende Erkenntnis besteht darin, daß trotz der ungleichmäßigen Feldstärke des dielektrischen Wechsel- feldes im Holz, sowie der damit einhergehenden, ungleichmäßigen Erwärmung des Holzes und der daraus resultierenden Endfeuchtedifferenzen über das Volumen des Holzes, die Differenzen in Temperatur und Endfeuchte des Holzes durch die erfindungsgemäße Anwendung eines optimierten Kammerklimas und durch einen gleichzeitig erfolgenden Konditionierungsvorgang weitgehend ausgeglichen werden können.
Bei dem Verfahren der Erfindung wird die gestellte Aufgabe also im wesentlichen durch eine Umkehr der Temperaturverhältnisse in der
Vakuumkammer und dadurch gelöst, daß in der Vakuumkammer keine Kondensationseinrichtungen vorgesehen sind.
In Abkehr zum Stand der Technik bildet bei der Erfindung das zu trocknende Holz in der Vakuumkammer während des Trocknens die kühlste der dort vorhandenen Massen.
Das Verfahren und die Einrichtung der Erfindung werden nachstehend beispielhaft näher erläutert:
Eine Vakuum-Hochfrequenz-Trocknungskammer steht mit einer extern angeordneten, ebenfalls evakuierbaren Kondensationskammer über eine Rohrleitung und ein Ventil in Verbindung. Die Wände der Vakuumkammer und die in dieser vorgesehenen Elektroden werden durch an oder in den Kammerwänden angebrachte Heizvorrichtungen auf eine
Temperatur gebracht, die um wenige Grade (3 bis 4°C) höher liegt als die zuvor am Holz ermittelte Temperatur, die in der Mehrzahl der Fälle etwa identisch der vorherrschenden Umgebungstemperatur sein wird. Dieser Vorgang erfolgt bei geschlossener, aber noch unter Atmosphärendruck stehender Vakuumkammer. Höhere Temperaturen der Kammerwand sind in diesem Stadium wenig ratsam, da sonst über Wärmestrahlung und Konvektion über die eingeschlossene Atmosphärenluft die äußere Holzschichte unnötig erwärmt würde. Sodann wird auf das höchstzulässige Vakuum gepumpt und das Holz dabei entgast. Wird dabei der der vorliegenden Holztemperatur entsprechende Siedepunkt des Wassers erreicht, wird der Pumpvorgang unterbrochen. Das evakuierte und abgesperrte Kammervolumen füllt sich mit dem aus dem Holz entweichenden Wasserdampf, der aber in der Kammer nirgends kondensieren kann. Es stellt sich daher rasch ein Dampfdruckgleichgewicht ein, das der Dampfdruckkurve des Wassers für die vorliegende Holztemperatur entspricht. Beispiel: 20° C = 25 mbar, 30' C = 42 mbar u.s.w.
Die zur Ausbildung des Dampfdruckgleichgewichtes aus dem Holz ent- weichende Wassermenge ist gering und beträgt beispielsweise für 20 °C etwa 17,3g Wasser, bei 30°C etwa 30,3g Wasser je Kubikmeter Restvolumen in der Vakuumkammer .
Anschließend kann das Erwärmen des Holzes mittels Hochfrequenz beginnen und ebenso das weitere Beheizen der Kammerwände. Die steigende Holztemperatur dient als Regelgröße für die stets etwas höher zu haltende Temperatur der Kammerwände und weiterer in der Vakuumkammer enthaltener Vorrichtungsteile .
Entweder vor Prozeßbeginn oder während des Aufheizens des Holzes wird die Kondensationskammer evakuiert, wobei das Ventil zur Vakuumkammer geschlossen ist. In dem abgeschlossenen System der Vakuumkammer stellt sich mit steigender Holztemperatur das jeweils gültige Dampfdruckgleichgewicht ein. Die dafür aus dem Holz stammenden Wassermengen sind unerheblich. Die mangels Kondensationsmoglichkeit stets gesättigte und homogene Dampfatmosphäre in der abgeschlossenen Vakuumkammer bildet ein Klima, das einen Konditionierungsprozeß bewirkt .
Da das Hochfrequenzfeld das Holz ungleichmäßig erwärmt, die Kammerwand auf einer höheren Temperatur liegt und dort kein Kondensat gebildet werden kann, der Dampfdruck in einem abgeschlossenen System sich aber stets nach den Stellen geringster Temperatur einzustellen versucht, findet sowohl ein Feuchtigkeits- als auch ein Wärmetrans- port zu jenen Zonen im Holz statt, die eine geringere Temperatur aufwei sen .
Es ist eine Eigenart der dielektrischen Erwärmung von Holz, daß Zonen mit größerer Holzfeuchte mehr Energie aus dem Hochfrequenzfeld aufnehmen und somit besser erwärmt werden. Entsprechend ihrer höheren Temperatur, geben diese Zonen mehr Dampfdruck ab und mangels anderer Möglichkeiten wird der erhöhte Dampfdruck an Stellen mit geringerer Temperatur wieder abgebaut. Bei dem Verfahren der Erfindung ist dies innerhalb der Vakuumkammer nur an den kühleren Holz- teilen möglich. Bei der Kondensation von Wasserdampf wird die darin enthaltene Verdampfungswärme wieder abgegeben. Dieser Konditionie- rungsvorgang hinsichtlich Feuchteausgleich und Temperaturausgleich im Holz findet auch während des gesamten Trocknungsvorganges statt.
Das eigentliche Trocknen wird eingeleitet, indem bei einer schon entsprechend hohen Temperatur in der Vakuumkammer und im Holz das Ventil zum ebenfalls unter Vakuum stehenden, aber unbeheizten, gegebenenfalls gekühlten Kondensationskammer geöffnet wird. Der jeweilige Öffnungsquerschnitt des Ventiles bestimmt die aus dem gleichmäßig mit Dampfdruck gesättigtem Kammerklima entweichende und zur Kondensation bestimmte Wasserdampfmenge .
Das in der Kondensatsionskammer kondensierende Wasser, das dem homogenen, konditionierenden Klima in der Vakuumkammer entzogen wird, senkt dessen Dampfdruck. Letzterer stand aber im Gleichgewicht mit der vorliegenden Holztemperatur. Dieser Gleichgewichtszustand wird durch das Austreten von Wasserdampf aus dem zu trocknenden Holz wieder hergestellt, so daß das Holz dadurch ständig und kontrollierbar an Feuchtigkeit verliert, also "trocknet".
Vorstehende Ausführungen zeigen, daß die von der Vakuumkammer, in der sich das zu trocknende Holz befindet, getrennt angeordnete, evakuierbare Kondensationskammer für ein erfolgreiches Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens wesentlich ist. Grund hiefür ist es, daß die auf höherer Temperatur gehaltene Vakuumkammer Kondensationsvorgänge in der Vakuumkammer selbst nicht zuläßt. Demzufolge setzt der für das Trocknen erforderliche Wasserentzug durch Dampfkondensation eine externe, von der Vakuumkammer getrennt angeordnete, evakuierte Kondensationskämmer voraus, damit der aus dem Holz entweichende Wasserdampf kondensieren und damit das in der Vakuum- kammer befindliche Holz trocknen kann.
Eine erfindungsgemäße Einrichtung, in der das Verfahren der Erfindung ausgeführt werden kann, wird beispielhaft anhand der Zeichnun- gen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 im Schnitt eine Vakuumkammer, in der das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann, Fig. 2 eine abgeänderte Ausführungsform und Fig. 3 ein Temperatur-Dampfdruck-Diagramm für Wasser zwischen 0°C und 100°C.
Eine Vakuumkammer 17 mit in Fig. 1 rechteckiger Querschnittsform besitzt Wände 1, an denen außen Heizrohre 2 angebracht sind. Die Heizrohre 2 werden mit einem flüssigen oder gasförmigen Wärmeträger beschickt. Es können auch elektrische Heizeinrichtungen verwendet werden.
Die Vakuumkammer 17 ist von einer Wärmeisolierung 3 umgeben. In der Vakuumkammer 17 sind in Längsrichtung verlaufend zwei Flächenelektroden 4 angeordnet, die jeweils über eine vakuumdichte Hochfre- quenzeinspeisung 5 mit einem Hochfrequenzgenerator 6 in Verbindung stehen.
Eine beheizte Leitung 7 mit Absperrventil 8 verbindet die Vakuumkammer 17 mit einer evakuierbaren Kondensationskammer 9. Die Kondensationskammer 9 ist außen mit Kühlrippen 10 zur Konvektionskühlung durch die Umgebung und innen mit Kühlschlangen 11, die von einem Kühlaggregat 12 mit einem Kühlmedium gespeist werden, ausgerüstet.
Ein Ventil 13 dient zur Belüftung der Kondensationskammer 9 und ein Ventil 14 zum Entfernen des Kondensates (Wasser) .
Die Vakuumkammer 17 steht über eine beheizbare Leitung 15, in der ein Ventil 16 vorgesehen ist, mit einer Vakuumpumpe 18 in Verbindung.
Zwischen den Elektroden 4 befindet sich das zu trocknende Holz 19, das in Fig. 1 ein in Kammerlängsrichtung (senkrecht zur Bildebene) verlaufender Stapel ist.
Fig. 2 zeigt eine zylindrische Vakuumkammer 17 in doppelwandiger Ausführung, wobei die Beheizung der Vakuumkammer 17 mit einem über eine Zuleitung 27 einem Hohlraum 29 zugeführten und über eine Ableitung 28 abgeführten Wärmeträger erfolgt. Im Beispiel der Fig. 2 ist die extern angeordnete, evakuierbare Kondensationskammer 9 nur mit außen angeordneten Kühlrippen 10 zwecks Konvektionskühlung durch die Umgebung ausgestattet.
Die Kondensationskammer 9 kann (so wie bei Fig. 1) über eine Saugleitung 20, in der und ein Ventil 21 vorgesehen ist, von der Vakuumkammer 17 getrennt evakuiert werden.
Fig. 3 zeigt graphisch den Dampfdruck von Wasser bei verschiedenen Temperaturen an und die in einem jeweiligen Temperatur-Dampfdruck Gleichgewicht je Kubikmeter Volumen enthaltene Wassermenge.
Das erfindungsgemäße Verfahren ergibt neben den bereits dargelegten, trocknungstechnischen Vorteilen des homogenen, stets beinahe gesättigten Kammerklimas in der Vakuumkammer 17 mit seinen konditionie- renden, Temperatur und Feuchtigkeit ausgleichenden Eigenschaften noch den Vorteil einer erheblichen Energieersparnis . Sobald die Wände der Vakuumkammer 17 auf ihre Arbeitstemperatur aufgeheizt wurden, ist für sie eine weitere Wärmezufuhr nur höchstens in dem Maße erforderlich, als es dem geringfügigen aber unvermeidlichen Wärmeverlust durch die Isolierung 3 hindurch entspricht. Das zu trocknende Holz jedoch kann thermische "Verluste" wegen der "umge- kehrten Temperaturverhältnisse" in der Vakuumkammer 17 (Wand wärmer als Holz) nur noch durch Wasserverdampfung erleiden. Die ihm durch die Hochfrequenz bzw. dielektrische Erwärmung nachzuführende Energie beschränkt sich bestenfalls auf die Ergänzung der theoretisch notwendigen Verdampfungswärme, entsprechend der dem homogenen, opti- mierten Kammerklima über den Kondensator entnommenen Wassermenge per
Zeiteinheit. Dieser Energiebedarf beträgt etwa 540 kcal/kg Wasser, entsprechend ca. 0,626 kWh je kg Wasser.
Wenn im Holz gegen Ende des Trocknungsprozesses nur mehr eine gerin- ge Restfeuchtigkeit vorliegt, so ist der für den Entzug weiterer
Wassermengen aufzuwendende Energiebetrag je Kilogramm Wasser etwas höher als zuvor angegeben.
Zusammenfassend kann ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfah- rens wie folgt beschrieben werden: Zum Trocknen wird Holz in eine durch eine Unterdruckpumpe 18 über eine Leitung 15 mit Absperrventil 16 evakuierbare Kammer 17 eingebracht, die über eine weitere Leitung 7 und ein Ventil 8 mit einer evakuierbaren Kondensationskammer 9 mit einem Kondensator 11 in Verbindung steht. In der Vakuumkammer 17 sind zwei Elektroden 4 vorgesehen, über die an das zu trocknende Holz 19 ein Hochfrequenz- feld angelegt werden kann, um das Holz 19 zu erwärmen. Weiters sind die Wände 1 der Vakuumkammer 17 und die Leitungen 17, 15 mit einer Heizung 2 ausgestattet.
Zum Trocknen von Holz wird wie folgt vorgegangen: Die Vakuumkammer 17 wird mit dem zu trocknenden Holz 19 beschickt. Dann wird die Vakuumkammer 17 bei geschlossenem Ventil 8 zur Kondensationskammer 9 durch die Vakuumpumpe 18 evakuiert, wobei über eine Leitung 20 auch die Kondensationskammer 9 evakuiert werden kann. Nachdem ein Vakuum erreicht wird, bei dem bei der gegebenen Temperatur im zu trocknenden Holz 19 Wasser zu verdampfen beginnt, wird das Ventil 16 zur Vakuumpumpe 10 geschlossen und mit dem Aufheizen begonnen, indem sowohl die den Wänden 1 der Vakuumkammer 17 zugeordnete Heizein- richtung 2 als auch die dielektrische Heizung mit den Elektroden 4 in Betrieb genommen wird. Dabei wird darauf geachtet, daß das zu trocknende Holz 19 immer kühler ist als die übrigen Anlagenteile, insbesondere die Wände 1 der Vakuumkammer 17. Das Aufheizen kann auf eine beliebige Prozeßtemperatur oberhalb des Siedepunktes von Wasser bei dem gegebenen Vakuum erfolgen. Sobald die gewünschte Prozeßtemperatur erreicht ist, wird das Ventil 8 zur Kondensationskammer 9, die vorher evakuiert worden ist, auf den gewünschten Öffnungsquerschnitt geöffnet. Dadurch, daß in der Kondensationskammer 9 ein geringerer Wasserdampfdruck herrscht, diffundiert Wasserdampf aus der Vakuumkammer 17 in die Kondensationskammer 9, so daß in der
Vakuumkammer 17 aus dem Holz weiterer Wasserdampf austreten kann. Es herrscht also während des Trocknens in der Vakuumkammer 17 ein höherer Wasserdampf-Druck als in der Kondensationskammer 9, so daß Wasserdampf aus der Vakuumkammer 17, in der das zu trocknende Holz 19 aufgenommen ist, in die Kondensationskammer 9 strömt. Die Geschwindigkeit des Trocknens kann durch Einstellen des Ventils 8 auf den gewünschten Öffnungsquerschnitt geregelt werden. Ein Vorteil bei dem Verfahren ist es, daß kein Wasser an Anlagenteilen innerhalb der Vakuumkammer 17 kondensieren kann, da diese stets auf einer Tempera- tur sind, die höher ist als die Temperatur des zu trocknenden Hol- zes, so daß ein zu schnelles Trocknen mit den bekannten Nachteilen (Schwinden, Sprünge usw.) verhindert wird.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zum dielektrischen Trocknen von Holz, in einer Vaku- umkammer, in der das zu trocknende Holz einem das zu trocknende Holz durchdringenden Hochfrequenzfeld zum dielektrischen Erwärmen des Holzes ausgesetzt wird, wobei die Vakuumkammer erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß alle den Raum in der Vakuumkammer, in dem das zu trocknende Holz aufgenommen ist, begrenzenden Wandteile und in dem Raum angeordneten Teile der Vakuumkammer auf einer Temperatur gehalten werden, die höher ist als die Temperatur des zu trocknenden Holzes, und daß nach dem Erreichen einer mit Wasserdampf gesättigten Atmosphäre in der Vakuumkammer in einem von der Vakuumkammer getrennt an- geordneten, evakuierten Raum Wasserdampf kondensiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der der gesättigten Kammeratmosphäre entzogene Wasserdampf in dem von der Vakuumkammer getrennten, evakuierten Raum (Kondensations- kammer) durch Abkühlen kondensiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der der gesättigten Kammeratmosphäre entzogene Wasserdampf in dem von der Vakuumkammer getrennten, evakuierten Raum kondensiert wird, indem Wasserdampf an eine hygroskopische Substanz gebunden wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Kondensieren von Wasserdampf durch Abkühlen von Was- serdampf oder durch Binden von Wasserdampf an die hygroskopische Substanz anfallende Wärme zum Beheizen der Vakuumkammer verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Geschwindigkeit, mit der das Trocknen des
Holzes ausgeführt wird, durch Verändern des freien Strömungs- querschnittes zwischen der Vakuumkammer und dem evakuierten Raum, in dem der dem gesättigten Kammerklima entzogene Wasserdampf kondensiert wird, auf den gewünschten Wert eingestellt wird.
6. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Vakuumkammer (17), mit in der Vakuumkammer (17) angeordneten Elektroden (4) zum Anlegen eines elektrischen Hochfrequenzfeldes an das zu trocknende Holz (19) , und mit einer Vakuumpumpe (18) , die mit dem Innenraum der Vakuumkammer (17) über eine Leitung (15) mit Absperrorgan (16) in Verbindung steht, gekennzeichnet durch eine der Vakuumkammer (17) zugeordnete Heizung (2, 29) und durch eine von der Vakuumkammer (17) getrennt angeordnete Kondensations- kammer (9) , die mit dem Innenraum der Vakuumkammer (17) über eine Leitung (7) , die durch ein Ventil (8) absperrbar ist, in Verbindung steht .
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kondensationskammer (9) eine Kühlschlange (11) vorgesehen ist .
8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationskammer (9) außen mit Rippen (10) zum Vergrößern ihrer wärmeabstrahlenden, äußeren Oberfläche versehen ist.
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