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Vakuumtrocknung

Flüssiges Wasser ist bei normalem Luftdruck (1.013 mbar absoluter Druck) oberhalb von 100 °C nicht stabil. Es verdampft schnell. Unterhalb von 100 °C verdampft flüssiges Wasser aber auch, wenn sich darüber trockene Luft befindet. Dies geschieht aber recht langsam.

Man kann flüssiges Wasser aber auch rasch bei Zimmertemperatur verdampfen, wenn man den Druck über dem flüssigen Wasser mit einer Vakuumpumpe stark reduziert. Bei 20 °C siedet flüssiges Wasser, wenn der Druck auf 23 mbar absolut abgesenkt wurde. Mit den ölgeschmierten Vakuumpumpen der GUT mbH ist dieser niedrige Druck leicht zu erreichen.

Dieses Trocknungsverfahren wird zum Beispiel zur Trocknung von Metallteilen im Maschinenbau eingesetzt. Kleine Mengen Wasser können schnell verdampft werden.

Wenn flüssiges Wasser verdampft, muss Verdampfungswärme aufgebracht werden. Die Wärme wird dem flüssigen Wasser entzogen. Es kühlt ab. Wenn zu rasch verdampft wird und nicht genügend Wärme nachgeliefert werden kann, dann gefriert das flüssige Wasser zu Eis. Auch im Vakuum muss fast die gleiche Energie zum Verdampfen von Wasser aufgebracht werden, wie bei normalem Luftdruck. Die Energieeinsparung durch Vakuumtrocknung ist unwesentlich, aber im Vakuum kann viel schneller getrocknet werden und bei viel niedrigeren Temperaturen. Man kann dadurch preiswerte Energiequellen wie das Abkühlen von Wasser oder Luft verwenden.

Die folgenden drei Fotos zeigen einen durchsichtigen Behälter mit einer Wasserpfütze, der an eine Vakuumpumpe angeschlossen ist. Der Versuch wird bei Zimmertemperatur (20 °C) ausgeführt.

Vakuumtrocknung 1: flüssiges Wasser

Foto 1: Vor dem Einschalten der Vakuumpumpe ist das Wasser noch flüssig.

 

Vakuumtrocknung 2: Das Wasser siedet

Foto 2: Wenige Sekunden nach dem Einschalten der Vakuumpumpe siedet das Wasser.

 

Vakuumtrocknung 3: das Wasser ist zu Eis gefroren

Foto 3: Wenige Sekunden später ist das siedende Wasser zu Eis gefroren.

Hauptursache für das unerwünschte Gefrieren ist hier, dass der Versuch auf einer Kunststoffplatte (schwarz) ausgeführt wurde. Dieses Material leitet die Wärme schlecht. Somit kann nicht genügend Wärme an das flüssige Wasser herangeführt werden. Der Entzug der Verdampfungswärme aus dem Wasser lässt dieses gefrieren.

Sollen Wassertropfen auf Metallteilen getrocknet werden, kann das Wasser nicht so schnell gefrieren, da Metall ein guter Wärmeleiter ist. Eventuell muss aber auch hier die Temperatur erhöht werden, um ein Gefrieren zu verhindern.

Der abgesaugte Wasserdampf strömt durch die Ölfüllung der Vakuumpumpe hindurch. Bei den größeren ölgeschmierten Vakuumpumpen wird angegeben, wieviel reinen Wasserdampf eine Vakuumpumpe maximal verträgt (z.B. 0,7 kg/h bei der Vakuumpumpe LC.25). Reinen Wasserdampf, ohne Luftanteil, kann man nur mit Vakuumpumpen mit einer Gasballasteinrichtung fördern. Ohne Gasballast kondensiert der Wasserdampf im Öl der Pumpe zu flüssigem Wasser.

Diese Art der Vakuumtrocknung durch direktes Wegpumpen des Wasserdampfes ist mit den üblichen Vakuumpumpen nur für kleine Wassermengen geeignet, da im Vakuum aus dem flüssigen Wasser sehr viel gasfömiges Wasser entsteht. Beispielsweise erzeugt 1 ml flüssiges Wasser bei einem absoluten Druck von 1 mbar 1350 Liter Wasserdampf. Bei geringem absoluten Druck fördern Vakuumpumpen darüber hinaus deutlich weniger als den Nenn-Saugvolumenstrom (vgl. Kennlinien).

Müssen bei einer Vakuumtrocknung große Mengen Wasser verdampft werden, wird in die Vakuumkammer eine auf -60 bis -80 °C tiefgekühlte Kondensatorfläche eingebaut, an der der Wasserdampf zu Eis gefriert und somit nicht mehr durch die Vakuumpumpe gefördert werden muss.

 

Vakuumtrockung vom Werkstücken

Eine Vakuumpumpe kann nur das Wasser wegsaugen, was auch verdampft. Die Verdampfung von Wasser ist ein komplizierter Vorgang, deren Parameter man bei der Trocknung von Werkstücken kaum beeinflussen kann (Oberflächengröße der Flüssigkeit, Gasströmung, Wasserströmung, Störung durch z.B. Öl auf dem Wasser).

Wichtige verbleibende Einflussmöglichkeiten sind:
(1) Bei möglichst hoher Temperatur arbeiten
(2) Für Wärme-Nachströmung sorgen, wenn das Wasser verdampft.
(3) Über die Vakuumpumpe den Druck deutlich unter den Dampfdruck des Wassers bei der jeweiligen Temperatur absenken. Die Verdampfungsrate ist proportional zur Druckdifferenz.
Erfahrungsgemäß kann man mit folgenden Verdampfungsraten rechnen:
bei 20 °C: 40 g/h (Dampfdruck 20 mbar)
bei 60 °C: 300 g/h (Dampfdruck 200 mbar)

 

Vakuumkühlung bei Lebensmitteln

Oben wurde geschildert, dass Wasser stark abkühlt, wenn es im Vakuum verdampft. Das macht man sich bei Lebensmitteln zu Nutze. Beispielsweise wird Blattsalat nach der Ernte in eine Vakuumkammer gegeben. Dabei verdampft ein kleiner Teil des Wassers im Salat und kühlt die Pflanze schnell, auch tief im Innern des Salatkopfes.

Ähnlich machen es Bäcker mit heißem Brot, das frisch aus dem Ofen kommt. Die wasserhaltigen Brotlaibe werden in einer Vakuumkammer rasch, auch tief im Innern, abgekühlt und können schnell weiterverarbeitet werden.