Hintergrund der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Trocknen von
Furnier oder ähnlichen Produkten, die in Form einer Anzahl von
Blättern oder Bahnen durch eine Trocknungsanlage, insbesondere
der Walzenart, transportiert werden, in der das Produkt mit
Hilfe eines Heißluftstroms getrocknet und während seines
Durchlaufens durch die Anlage auch einer
Mikrowellenenergiebestrahlung ausgesetzt wird, die zum Zwecke des Trocknens ungenügend
getrockneter Bereiche über Querleitungen zugeführt wird.
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Wenn die Blätter, die ziemlich dünn sind und typischerweise
eine Dicke von nur einigen wenigen Millimetern aufweisen, den
Walzentrockner verlassen haben, werden sie einer
Mehrfachöffnungspresse zugeführt, bei der auf jeder Pressenebene eine
Anzahl von Blättern aufeinander gelegt und verleimt werden, um
eine Sperrholzplatte zu bilden. Der Klebevorgang findet bei
einer erhöhten Temperatur statt.
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Wenn die Holzblätter nur mit Heißluft getrocknet werden, so
werden sie teilweise ungenügend getrocknet und weisen somit
beim Verlassen des Trockners Zonen mit einem hohen
Feuchtigkeitsgehalt auf. Abschnitte, die solche Zonen enthalten,
müssen nachgetrocknet werden, bevor das Blatt der Presse
zugeführt werden kann. Die hohe Verfahrenstemperatur in der
Klebepresse bedeutet, daß das in diesen feuchten Zonen
eingeschlossene Wasser in Dampf umgewandelt wird. Wenn eine
Sperrholzplatte die Presse verläßt, ist sie keinem weiteren äußeren Druck
ausgesetzt, der das Wasser eingeschlossen hält. Folglich dehnt
sich der Dampf aus, so daß eine oder mehrere der Blattlagen in
der Sperrholzplatte zerreißen und das Brett Ausschuß wird. Bei
den Trocknungseinrichtungen nach dem Stand der Technik tritt
dieses physikalische Phänomen so häufig auf, daß der
Ausschußprozentsatz
unangenehm hoch wird. Der Grund dafür liegt darin,
daß man - trotz der Feuchtigkeitskontrolle und dem oben
erwähnten Nachtrocknen - nicht sicher davon ausgehen kann, daß die
feuchten Zonen nicht in die Presse gelangen.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein
vollständigeres Trocknen durch selektive Konzentration der
Mikrowellenenergie auf die feuchten Bereiche vorzusehen. Daraus
ergibt sich eine drastische Verringerung des
Ausschußprozentsatzes.
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Die Furnierblätter haben eine rechteckige Form und werden
dadurch hergestellt, daß man Holzblöcke einem
Dreharbeitsvorgang unterzieht. Die Holzfasern werden dann parallel zu den
kurzen Seiten des Rechtecks ausgerichtet. Wenn der Drehmeißel
das Schneiden so ausgeführt hat, daß die Enden einer Faser
nicht in der Ebene des Blattes liegen, wird das in der Faser
enthaltene Wasser automatisch darin eingeschlossen. Folglich
bilden eine Vielzahl solcher Fasern eine feuchte Zone, die
sich quer zu der Richtung erstreckt, in der das Blatt durch
den Trockner transportiert wird. Der Abstand zwischen solchen
Bereichen kann zwischen einigen Zentimetern und mehreren
Dezimetern variieren. Es sei jedoch beachtet, daß auch die Flächen
zwischen diesen Bereichen Wasser enthalten, dessen
Vorhandensein aber nicht gleich kritisch ist. Ein Restbetrag an Wasser,
der durch ungenügendes Trocknen bedingt ist, ist aber unter
allen Umständen unerwünscht, schon allein aus dem Grund, weil
dies einen Mangel an Homogenität in dem Produkt bedeutet.
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Deshalb liegt eine weitere Aufgabe der Erfindung darin, es zu
ermöglichen, daß nicht nur der Wassergehalt in den
Furnierblättern verringert wird, die die Presse verlassen, sondern
auch daß der restliche Betrag an Wasser in dem Blatt verteilt
wird, damit das Blatt vom Gesichtspunkt der Feuchtigkeit aus
als homogen betrachtet werden kann.
Inhalt der Erfindung
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Die oben erwähnten sowie weitere Aufgaben der Erfindung sind
in der Art gelöst worden, daß die Mikrowellenenergie nur
innerhalb der stromabwärtigen Abschnitte des Trockners und in der
Form von Multiresonanzen in den Leitungen zugeführt werden. Es
wird bewirkt, daß das Produkt außerhalb der Leitungen, aber
nahe den Leitungsauslaßöffnungen vorbeibewegt wird, die so
dimensioniert und angeordnet sind, daß sie sich in der
Längsrichtung der Leitungen teilweise überlappen, um zu bewirken,
daß das Nahfeld der Mikrowellenergie, die durch diese
austritt, im wesentlichen die gesamte Produktoberfläche abdeckt,
aber daß sie hauptsächlich nur durch die Öffnungen abgezapft
wird, an denen die ungenügend getrockneten Bereiche vorbei
bewegt werden, wobei die maximale Abmessung dieser Öffnungen
etwa die Hälfte einer freien Mikrowellenlänge oder weniger
ist.
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Es sei bereits hier darauf hingewiesen, daß der verwendete
physikalische Mechanismus, nämlich die Tatsache, daß die
Absorption von Mikrowellenenergie bei einem feuchten
Zelluloseprodukt in dem Wasser innerhalb des Materials am größten ist,
an sich bereits bekannt ist. Die nächsthöchste Absorption
tritt bei Substanzen auf, die OH-Radikale enthalten, an erster
Stelle bei Lignin und Harz, wohingegen nur ein kleiner Teil
der Wärmeerzeugung in dem eigentlichen Holzmaterial
stattfindet. Eine Beschreibung der Verwendungsweise dieses Mechanismus
kann z.B. in der SE-A-423931 gefunden werden. Aber im
Vergleich zu der in diesem Patent offenbarten Erfindung und im
Vergleich zu anderen bekannten Anwendungen des
Mikrowellentrocknens
von Zelluloseprodukten zeigt die vorliegende
Erfindung mehrere einzigartige und spezielle Charakteristiken.
Diese werden im folgenden genauer beschrieben, aber es sei
bereits hier die Aufmerksamkeit auf einen wichtigen
Unterschied zu dem oben genannten Patent gelenkt, nämlich auf die
Tatsache, daß es sich hierbei auf das Trocknen innerhalb einer
geschlossenen Trockenkammer bezieht, also auf ein
diskontinuierliches Verfahren, wohingegen sich die vorliegende
Erfindung, wie dies aus dem bereits Gesagten deutlich wird, auf das
Trocknen von Produkten bezieht, die durch eine
Trocknungsmaschine transportiert werden, also auf ein kontinuierliches
Verfahren. Zusätzlich zu dem Unterschied bezüglich
kontinuierlich/diskontinuierlich liegt ein zweiter wichtiger Unterschied
darin, daß die Produkte nicht innerhalb eines geschlossenen
Raumes, der direkt an den Mikrowellengenerator angeschlossen
ist, einer Mirkowellenenergie ausgesetzt werden, sondern in
einem Bereich außerhalb der Feldverteilungsstruktur.
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In der US-A-3 622 733 ist ein Trocknungsprozeß vorgeschlagen,
bei dem sowohl Heißluft als auch Mikrowellen verwendet werden.
Die entsprechende Vorrichtung, die mit herkömmlichen
Mäanderwellenleitern versehen ist, kann aber das Feldmuster, das mit
Hilfe der vorliegenden Erfindung erhalten werden kann, nicht
erzeugen. Auch die Betriebskosten sind bei dieser Vorrichtung
nach dem Stand der Technik so hoch, daß es für die
praktische/kommerzielle Verwendung uninteressant ist. Der Grund
dafür liegt darin, daß das Trocknen in einem sehr
beträchtlichen Ausmaß mit Hilfe der Mikrowellenenergie ausgeführt
wird, wozu eine große Menge an Energie notwendig ist. Im
Gegensatz dazu wird bei der vorliegenden Erfindung dieses
Trocknungsverfahren in einer selektiven Art und Weise verwendet.
Das bedeutet, daß das Verfahren - in den stromabwärtigen
Bereichen des Trockners - nur zum Zwecke des Trocknens der
"feuchten Stellen" verwendet wird, die von den
Heißluftbereichen des Trockners während des Durchlaufs des Materials dort
hindurch nicht gemeistert worden sind.
Genaue Beschreibung der Erfindung
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden
genauer beschrieben, wobei Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
genommen wird.
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Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung eines
Abschnitts eines Walzentrockners zum gleichzeitigen
Trocknen einer Vielzahl von Holzfurnierbahnen, in
dem vorliegenden Fall vier Bahnen, die übereinander
zugeführt werden.
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Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Anordnung der Öffnungen in den
Seiten der Heißluftleitungen, die dem Produkt
während der Behandlung gegenüberliegen.
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In Fig. 1 ist der Ausgangsabschnitt eines Walzentrockners mit
einem Gehäuse 1 dargestellt, von dem ein Teil entfernt worden
ist, um den Aufbau der inneren Bauteile zu zeigen. Die
Bezugszeichen 2 und 3 beziehen sich jeweils auf Leitungsrohre für
den Einlaß und den Auslaß von Heißluft. Vier Furnierblätter 4
werden übereinander zwischen Paaren von Walzen 5
transportiert. Quer zu der Zuführrichtung F erstreckt sich eine
Vielzahl von Leitungen 6, denen Heißluft von dem Einlaß zugeführt
wird, der durch eine Trennwand 7 von dem restlichen Raum in
dem Gehäuse abgeschirmt ist. Die Heißluft fließt axial durch
die Leitungen. Eine Anzahl dieser Leitungen - nach dem
dargestellten Ausführungsbeispiel sind immer die Leitungen in jeder
dritten vertikalen Spalte dargestellt - sind an ihren Enden
mit Magnetronen 8 versehen, die über die Boxen 9
Mikrowellenenergie liefern. Jede dieser Boxen ist luftdicht an einer der
Leitungen an deren Einlaßende angeschlossen. Wie dargestellt
ist, sind die Boxen perforiert, um den Lufteintritt
zuzulassen. Aber diese Löcher sind so klein, daß die Mikrowellen
durch diese nicht austreten können. Dementsprechend treten
innerhalb jeder mit einem Magnetron ausgestatteten Leitung
zwei Medien auf, nämlich heiße Trocknungsluft und Mikrowellen.
Die Leitungsauslaßenden werden abdichtend mit einer
Austrittskammer verbunden, die in der gleichen Art wie das Einlaßende
durch das Vorsehen einer Trennwand 10 innerhalb des Gehäuses 1
gebildet wird. Aus dieser Austrittskammer tritt die Luft durch
das Leitungsrohr 3 aus, nachdem sie zuerst Öffnungen in den
Leitungsböden und -oberseiten in Richtung auf die Blätter 4
hin passiert hat, um diese zu trocknen. Die obere und die
untere Leitung in jeder magnetronausgestatteten Spalte weist
jeweils eine geschlossene Oberseite bzw. einen geschlossenen
Boden auf, und ihre Höhe beläuft sich auf nur etwa die Hälfte
der Höhe der eingreifenden Leitungen, da sie jeweils nur eines
der Blätter 4 versorgen.
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Innerhalb der Leitungen tritt die Mikrowellenenergie in Form
von stehenden Wellen auf. Dieses Resonanzphänomen tritt
aufgrund einer geeigneten Dimensionierung der Leitungen auf, auf
die im folgenden noch eingegangen werden wird.
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Fig. 2 zeigt nur zur Veranschaulichung eine Anordnung der
Öffnungen 11 für Luft und Mikrowellen, in diesem Fall mit
einem Fischgrätenmuster. Diese Anordnung, die an sich zum
Stand der Technik gehört, hat den Vorteil, daß aufgrund der
teilweisen Überlappung in der Längsrichtung der Leitungen,
d.h. quer zu der Transportrichtung der Blätter 4, jeder
Blattoberflächenbereich den Mikrowellen ausgesetzt sein wird. Nach
einem typischen Ausführungsbeispiel kann die Größe der
Öffnungen etwa 20x9 mm betragen. Entsprechende Resultate können auch
mit Öffnungen mit einer T- oder einer L-Form erzielt werden.
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Die zentralen Charakteristiken der Erfindung können in der
folgenden Art und Weise zusammengefaßt werden.
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Es ist bereits darauf hingewiesen worden, daß es sich bei dem
Verfahren um ein kontinuierliches Verfahren handelt, was
bedeutet, daß die Ladung kontinuierlich relativ zu der
Zuführungseinrichtung bewegt wird. Aber trotz dieser Bewegung kann die
Ladung als konstant betrachtet werden, da in jedem
willkürlichen Längsabschnitt des Furnierblatts, in der
Transportrichtung gerechnet, die Breite, die Dicke und die strukturellen
Eigenschaften, einschließlich des Feuchtigkeitsgehalts, gleich
sind und die Transportgeschwindigkeit konstant gehalten wird.
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Im Gegensatz zu sowohl den diskontinuierlichen Verfahren, bei
denen die Ladung prinzipiell stationär in einer großen Kammer
plaziert ist und das Feldmuster eher als lastabhängige
Feldvariationen denn als Resonanzen beschrieben werden könnte, die
durch die Raumkonfigurationen bestimmt sind, als auch im
Gegensatz zu den kontinuierlichen Verfahren, bei denen die Ladung
durch eine Tunnelzuführungseinrichtung wandert, liegt eine
wichtige Charakteristik der Erfindung darin, daß sich die
Ladung außerhalb der Zuführungseinrichtung befindet.
Tatsächlich kann der letztere sowohl als Zuführungseinrichtung sowie
auch als Wellenleiter betrachtet werden.
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Andererseits muß sich die Ladung nahe den Zuführeinrichtungs-
Mikrowellenenergie-Auslaßöffnungen befinden. Der Grund dafür
liegt darin, daß die Dielektrizitätskonstante der Ladung, bzw.
ihr "Brechnungsindex", größer als 1 ist. Je feuchter die
Ladung ist, desto größer ist ihr Brechungsindex, was bedeutet,
daß die Wellen komprimiert und die Wellenlänge etwas
verringert wird. Folglich bedeutet der hohe Feuchtigkeitsgehalt, der
gleich einer hohen Dielektrizitätskonstante ist, eine hohe
Absorption an Mikrowellenenergie in der Ladung, und dies auch
dann, wenn die Öffnungen in der Wand der Zuführungseinrichtung
relativ klein sind. Mit anderen Worten, die Lage der Ladung
sollte so sein, daß die Energieübertragung im Nahfeld
stattfindet.
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Eine damit zusammenhängende Bedingung ist, daß die Dicke der
Ladung in der Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen, d.h.
senkrecht zu der Ladungstransportrichtung, klein sein sollte. Auf
jeden Fall sollte die Dicke geringer als etwa die Hälfte einer
Wellenlänge sein, damit die Nahfeldbedingung erfüllt ist.
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Wie bereits erwähnt worden ist, liegt ein weiterer wichtiger
Unterschied im Bezug zum Stand der Technik darin, daß nach der
vorliegenden Erfindung die Ladung einer sehr hohen
Leistungsdichte ausgesetzt ist. Aufgrund der verhältnismäßig geringen
Dicke der Ladung ist es ein logischer Schritt, die
Leistungsdichte eher hinsichtlich der Oberflächeneinheiten als
hinsichtlich der Volumeneinheiten zu betrachten, und ein typischer
Wert wird dann bei 100 W/dm² liegen. Wenn dieser Wert mit den
Werten des Standes der Technik von 20-100 W/kg verglichen
wird, wird das Verhältnis bei etwa 10³ liegen. Bei einer
Anlage der hier diskutierten Art, die zum Trocknen von
Furnierbahnen verwendet wird, könnte sich die Anzahl der Leitungen
auf etwa 800 belaufen, wobei in diesem Fall die gesamte, als
Heißluft zugeführte Wärmeleistung entsprechend den 5-10 kW pro
Leitung 6 MW sein kann. In den auch mit Mikrowellenenergie
versorgten Leitungen kann dies bis zu etwa 50% der
Heißluftleistung betragen, z.B. 3 kW für eine einzelne Leitung und 5
kW für eine Leitung, die an beiden Seiten (oben und unten) mit
Auslaßöffnungen versehen ist.
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Die Leitungen sind als eine Funktion der Wellenlänge,
normalerweise mit 12 cm, und zur Erzeugung eines Feldmusters
dimensioniert, das in der Längsrichtung der Leitung homogen ist. Wie
aus dem bereits oben Gesagten deutlich wird, bedeutet das, daß
sich das gesamte Feld aus einer Vielzahl von stehenden Wellen
zusammensetzt.
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Wenn die Leitungen, was normalerweise der Fall ist, einen
rechteckigen Querschnitt aufweisen, sollte im Hinblick auf
einen optimalen technischen Arbeitsvorgang nicht mehr als eine
der zwei Abmessungen Breite und Höhe kleiner als eine
Wellenlänge sein, also etwa 12 cm. Außerdem ist die Anzahl der
Resonanzen, oder der stehenden Wellen (Stehwellen), umgekehrt
proportional zu dem Leitungsvolumen. Oberhalb des ungefähren
Wertes 0,1 m³ sind diese Probleme unbedeutend. Wenn die
Leitungshöhe 36 cm und die Leitungsbreite 12 cm betragen,
entspricht dieses Volumen einer Leitungslänge von etwa 3 m, was
die Bedingungen, die bei einem Walzentrockner gegeben sind,
angemessen erfüllt.
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In bezug auf die Leitungsauslaßöffnungen für Heißluft und
Mikrowellenenergie ist bereits erwähnt worden, daß im Hinblick
auf diese beiden Ströme einer prinzipiell danach strebt, in
der Längsrichtung Homogenität oder einen Nullgradienten zu
erhalten. Die Luft kann durch einen kontinuierlichen
Längsschlitz austreten, der in der Strömungsrichtung divergiert.
Die Leitungen können z.B. aus Aluminium bestehen, wobei dieses
Material beide Ströme begrenzt. Eine Verringerung des gesamten
Luftauslaßbereichs kann dadurch erreicht werden, daß die
benachbarten Wände z.B. aus Teflon sind, das Mikrowellenenergie
durchläßt, aber nicht die Luft, und das der innewohnenden
Temperatur von etwa 200ºC standhalten kann. Die Anzahl, die
Größe und die Positionen der Mikrowellenenergieauslaßöffnungen
müssen im allgemeinen für jeden aktuellen Fall bestimmt
werden. Die abgegebene Mikrowellenenergie, wie durch die
Zuführungseinrichtungs-"Verluste" gesehen, muß so klein gehalten
werden, daß der Q-Wert, d.h. das Verhältnis zwischen der
Schwingungsenergie und der Verlustenergie, nicht zu gering
wird. Normalerweise liegt er zwischen 100 und 40. Es kann sich
als notwendig erweisen, das Öffnungsmuster entlang der ganzen
Ausbreitungsrichtung der Wellenenergie, d.h. der Längsrichtung
der Leitung zu optimieren, aber in anderen Fällen können alle
Öffnungen identisch sein. Aber in diesem Zusammenhang muß eine
Bedingung erfüllt werden, nämlich, daß die Konfiguration und
die Größe der Öffnungen so ausgewählt werden müssen, daß die
Strahlung ganz sicher jeden Punkt der vorbeitransportierten
Ladung trifft. Zu diesem Zweck können die Öffnungen wie
Schlitze ausgebildet sein, die in einem Fischgrätenmuster oder
je nach den verschiedenen gegebenen Polarisationsrichtungen in
einer anderen Art und Weise angeordnet sind, z.B. in einer
gegebenen T- oder L-Konfiguration.
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Einfachheitshalber ist vorgeschlagen worden, daß die Zufuhr
von Mikrowellenenergie zu den Leitungen nur an dem einen
Leitungsende stattfindet, wobei auch stillschweigend inbegriffen
ist, daß ein Mikrowellengenerator in der Form eines oder
mehrerer Magnetronen oder dergleichen mit jedem dieser Leitungen
verbunden ist. Aber keines dieser beiden Kriterien stellt eine
Charakteristik der vorliegenden Erfindung dar. Jede Leitung
kann von zwei oder mehreren Mikrowellengeneratoren gespeist
werden, und umgekehrt kann ein Generator mehrere benachbarte
Leitungen speisen. Außerdem kann die Mikrowellenenergie an
beiden Leitungsenden zugeführt werden, wobei die
Leitungskupplung
so vorgenommen ist, daß sich die stehenden Wellen nicht
decken, aber, was die Position betrifft, gegenseitig
phasenversetzt sind, wodurch das Feldmuster so homogen wie möglich
wird.
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Wenn als Beispiel einer der zwei Wellenleiter in einem
geometrischen Sinn um 90º gedreht wird, werden zwei verschiedene
Resonanzfeldkombinationen erzeugt. Man kann auch einen
Zeitunterschied zwischen den Felderregungen durch die Verwendung
eines Dreiphasen-Systems erhalten, das eine modulierte
Halbwellengleichrichtung gibt, damit jeder Generator nur dann erregt
wird, wenn die anderen beiden passiv, also untätig sind.