FAANYAG VÁKUUMSZÁRÍTÁSA TAKÁTS P., NÉMETH R. Nyugat−Magyarországi Egyetem Fa− és Papírtechnológiai Intézet, Lemezipari Tanszék; Faanyagtudományi Intézet 9400 Sopron, Bajcsy−Zsilinszky út 4. Tel: 99 311 100, Fax: 99 311 103 E−mail:
[email protected],
[email protected] Összefoglaló A vákuumszárítás, a fűrészárú szárítás napjainkban egyik legdinamikusabban fejlődő eljárása, mivel rendkívül kíméletes és egyben gyors faanyagszárítást tesz lehetővé. Az előadás részletesen foglalkozik a vákuum szárítás elméleti összefüggéseivel, törvényszerűségeivel, a különböző vákuum szárítási eljárások előnyével ill. hátrányával. Adott szárítási példa keretében bükk és tölgy keménylombos faanyagra összehasonlító értékelő elemzést nyújt a szakaszos−, folyamatos− és Tandem szárítási eljárások fajlagos energiaszükségletének vonatkozásában Bevezetés A vákuumszárítás elmélete azon az ismert törvényszerűségen alapul, hogy nyomáscsökkenés hatására a fában lévő víz forráspontja jelentős mértékben lecsökken. A tengerszint felett például a víz: −normál légköri nyomáson (760 Hgmm) 100 °C-on, −4400 m magasságban 87 °C-on, −8800 m magasban (Mount Everest) 71 °C-on forr. A légnyomás változás hatására, a víz forráspontjában bekövetkezett csökkenést használjuk tehát ki vákuumszárításkor (1. táblázat). I. táblázat. Víz forráspontja különböző nyomáson Víz forráspontja Nyomás Nyomás Vákuum Vákuum °C (Torr) (mbar) (Torr) (mbar) 40 55,32 73,8 -704,68 -939,4 45 71,89 95,8 -688,11 -917,4 50 92,55 123,4 -667,45 -889,8 55 118,08 157,4 -641,92 -855,8 60 149,39 199,2 -610,61 -814,0 65 187,53 250,0 -572,47 -751,8 70 233,66 311,5 -526,34 -701,7 75 289,08 385,4 -470,92 -627,8 80 355,20 473,6 -404,80 -539,6 85 433,57 578,0 -326,43 -435,2 90 525,90 701,1 -234,1 -312,1 95 634,03 845,3 -125,97 -167,9 100 760,00 1013,2 0,00 0,0 Megjegyzés: A vákuumtechnikában a mbar használatos. 1 mbar = 10-3 bar = 102 N/m2 = 102 Pa
Az alkalmazott vákuum nagyságától függően megkülönböztetünk: – alacsony vákuum: 20 mbar – 1,0 mbar – finom vákuum: 1,0 mbar – 10-3 mbar – nagy vákuum: 10-3 mbar – 10-7 mbar – ultramagas vákuum: 10-7 mbar felett A vákuumszárításnál a nedvesség eltávozását a faanyagból a légnyomás csökkenésével segítjük elő. A kapillárisokból ekkor elméletileg négy-ötszörös sebességgel távozik el a víz, miközben a fa belső rétegei is felmelegednek. A vákuumszárítás folyamatát alapvetően négy technikai lépcső jellemzi: 1.) Felfűtés és átmelegedés. 2.) Vákuum létrehozása. 3.) Kondenzáció. 4.) Kondenzvíz eltávolítása. Annak érdekében, hogy a vákuumszárítás beinduljon a faanyagot 40-50 °C-ra fel kell melegíteni, csak ezt követően lehet az erősen redukált nyomás mellett, a forrási vonalat elérni. További feladat, hogy folyamatosan pótolni kell azt a hőmennyiséget, amit az elpárolgó víz a fából elvont. A fűtésnek és hőátadásnak két különböző módja terjedt el az iparban: a.) Melegítés fűtőlapokkal (folyamatos eljárás). A faanyag rétegek közé fűtőlapokat helyezünk, melyek kontakt, vagy sugárzás útján adják át a hőt a faanyagnak. A fűtőlapokat forró vízzel, vagy elektromos árammal fűtjük. Mivel a fűtőlapokat a faanyaggal együtt kell mozgatni, ezért a „préslapok” fűtése oldható gyorscsatlakozók segítségével történik (1. ábra).
1. ábra. Folyamatos vákuumszárítás 2
b.) Melegítés áramló levegővel (szakaszos eljárás). Jelen esetben a tiszta vákuumszárítás elvét elhagyjuk és meghatározott időnként a nyomást a normál légköri nyomásra emeljük, miközben a faanyag körül ventillátorok segítségével meleg levegőt keringtetünk. Ez az ún. „kevert eljárás” jelentős beruházást igényel, mivel egy hagyományos konvekciós és egy vákuumszárító valamennyi elemére szükség van (2. ábra). Mindkét eljárásra vonatkozik, hogy 50 % feletti kezdő nedvességtartalomnál max. 50 °C-kal lehet szárítani.
2. ábra: Szakaszos vákuumszárítás A vákuumszárítás: Előnye: – Kíméletes és egyben gyors szárítás. – A faanyag belső részei is egyenletesen száradnak. – Az alkalmazott 100 mbar nyomásnál elegendő már 40-50 °C is. – Nagy sűrűségű és vastag lombos, exóta fafajoknál is száríthatók. Hátrány: – Nyomásálló henger alakú tartály szükséges, mely kb. 0,9 bar vákuum értéket, azaz 90 kN falfelületi nyomást is el kell bírjon. – Nagyobb szárítási kapacitás esetén több szárító szükséges. – Jelentős beruházás igény.
3
c.) TANDEM eljárás A vákuumszárítás területén a (KNOEVENAGEL / MASPELL-TANDEM eljárás is ismert, ahol két egymással sorba kapcsolt szárító üzemel gazdaságossági szempontból rendkívül előnyös módon (3. ábra).
3. ábra. A hőátadás sematikus ábrázolása a KNOEVENA GEL / MASPELL TANDEM eljárásnál 4
Hőátadás folyamata: –
Kiindulási helyzet (0): A faanyag egyidejű felfűtése A és B kamrában
–
1. fázis: A faanyag felülete mindkét kamrában eléri a 60 °C-ot, ezt követően a B kamrában vákuumképzés, az A kamrában a hőmérséklet tartása, ill. fűtés.
–
2. fázis: Nyomáskiegyenlítés A és B kamra között, a nedves levegő B-ből A kamrába, a meleg száraz levegő ugyanakkor A-ból B kamrába áramlik.
–
3. fázis: Vákuumképzés A kamrában, közben B kamra felfűtése az A-ból visszanyert hőenergiával.
–
4. fázis: Nyomáskiegyenlítés A és B között, a nedves levegő A-ból B kamrába, a meleg levegő B-ből A kamrába jut.
–
1. fázis: B kamrában vákuumképzés és a folyamat ismételten tovább folyik az 1. fázistól kezdődően.
Eredmények Egy 50 x 50 mm keresztmetszetű és uk = 50 % kezdeti nedvességtartalmú bükk (ρ=660 kg/m3) és tölgy (ρ=650 kg/m3) faanyagnak uv = 10 % végnedvességre való szárítása történt mindhárom vákuumszárítási eljárással, az alábbi energiaszükségletek mellett. A fából eltávolított víz mennyisége: bükk 264 kg/m3, tölgy 260 kg/m3 értéknek adódott. II. táblázat. Fajlagos energiaszükséglet bükk és tölgy faanyag szárításakor Megnevezés Folyamatos és szakaszos eljárás TANDEM eljárás Fafaj Bükk Tölgy Bükk Tölgy 3 Hőenergia (MJ/m ) 916 1465 550 1099 Elektromos energia, (MJ/m3) 414 828 342 497 3 Összes energiaigény (MJ/m ) 1330 2293 892 1596 Fajlagos energiaszükséglet 5038 8819 3397 6138 (kJ/kg víz) (100%) (100%) (67%) (70%) Belátható tehát, hogy a vákuumszárítás a minőségi áru szárításának egyik meghatározó formája, mely elsősorban magas sűrűségű, vastag lombos faanyagok esetében és különösen utószárítóként − rosttelítettségi határérték alatt − alkalmazható igen előnyösen. Irodalom Takáts P.(2000) Szárítás és gőzölés. Egyetemi jegyzet 1−121. Hess H., Annies H (1980) RWE-Verfahrensinformation, Die Technische Holztrocknung. Essen Németh R. (2001) A vákuumszárítás előnyei és hátrányai. Magyar Asztalos, 2001 6. sz.
5
Abstract: The vacuum drying is one of the most developing procedure, because it enables a mild and at the same time a fast drying process. The paper deals with the theoretical basis of the vacuum drying, and presents the advantages and the disadvantages of several vacuum drying procedure. Regarding the energy demand a comparison was between the periodical, the continuous and the Tandem drying procedure. An example for the computations with beech and oak id also shown in the paper.
6
