2 - dietz-wct

Trocknung 0 - Übersicht
Holztechnologische Grundlagen und
technische Grundregeln zum
Feuchteverhalten von Holz
Inhalt:
1.
Der anatomische Aufbau des Holzes
2.
Die Holzfeuchte
3.
Die Ermittlung der Holzfeuchte
4.
Das Holzfeuchtegleichgewicht
5.
Die Wasserbewegung im Holz
6.
Das Schwinden und Quellen des Holzes
7.
Die Bedeutung der Luftfeuchte beim Trocknungsvorgang
8.
Der Trocknungsablauf
9.
Die technische Schnittholztrocknung
Literatur:
(1)
R. Brunner, Die Schnittholztrocknung, 5. Auflage,
Buchdruckwerkstätten, Hannover GmbH, Hannover, 1987.
(2)
Holz-Lexikon, 3. Auflage, DRW-Verlag Stuttgart, 1988.
(3)
F. Kollmann, Technologie des Holzes und der Holzwerkstoffe,
2. Auflage, 2. Band, 1955, Verlag Springer Berlin.
(4)
F. Kollmann, Technologie des Holzes und der Holzwerkstoffe,
2. Auflage, 1. Band, 1982, Verlag Springer Berlin
(5)
Taschenbuch der Holztechnik
A. Wagenführ, F. Scholz, 2007
HANSER Verlag
1
Trocknung_1 – Anatomie_1
Der anatomische Aufbau des Holzes
Die Zellmasse eines Baumes, die selbst nicht mehr wächst, wird als Holz bezeichnet. Holz
ist ein fester Verband unzähliger röhrenförmiger, pflanzlicher Zellen, die annähernd
parallel zur Achse des Baumstammes ausgerichtet sind. Jede einzelne Zelle besteht aus
der Zellrohrwand und dem von ihr eingeschlossenen Zellhohlraum -Lumen- oder
Porenraum. Auch zwischen den Zellen existieren Hohlräume, die Interzellularräume. Auf
dem Querschnitt eines Holzstammes aus gemäßigten Klimazonen sind deutlich Jahrringe
zu erkennen. Sie kommen dadurch zustande, dass der Holzzuwachs jahreszeitlich
ungleichmäßig verläuft. Das Wachstum des Holzes findet unmittelbar unter der Rinde, dem
sogenannten Kambium statt. Diese den gesamten Schaft des Baumes einhüllende
Kambialschicht ist die Wachstumszone des Baumes, die in der Vegetationsperiode mehr
neue Zellen bildet, als in der kälteren Jahreszeit. Die im Frühjahr gebildeten Holzzellen sind
dünnwandiger und weitlumiger als die später gebildeten, so dass die etwa konzentrisch
verlaufenden Jahrringe aus Frühholz und Spätholz entstehen. Das Zentrum des Stammes
stellt das Mark dar, von dem aus senkrecht zu den Jahrringen die Holz- bzw. Markstrahlen
in radialer Richtung verlaufen. Bei Eichen- oder Rotbuchenholz sind diese besonders gut
zu erkennen. Die Außenhaut der Bäume wird von der Borke gebildet, die zusammen mit
dem darunterliegenden, lebenden Bast als Rinde des Baumes bezeichnet wird.
Die Breite der Jahrringe kann zwischen weniger als ein Millimeter und einigen Zentimetern
schwanken. An den Jahrringen der Bäume gemäßigter Klimazonen kann man ihr Alter
abzählen und Rückschlüsse auf die Lebensbedingungen während des Wachstums ziehen.
In den tropischen Zonen der Erde wachsen die Bäume während des ganzen Jahres.
Während längerer Trockenzeiten dagegen bleibt das Wachstum zeitweise aus. Es werden
keine regelmäßigen Jahrringe gebildet. Häufig sind auf dem Quer- und Längsschnitt
derartiger Hölzer verschieden getönte Wachstumszonen zu erkennen.
Die periodisch zuwachsenden Zellen haben folgende Aufgaben zu erfüllen: Den
Stoffwechsel zwischen den Wurzeln und dem Blattwerk, die Speicherung des
Wassers und der Nährstoffe und die progressive Festigung des Baumes
Bei Nadelhölzern werden diese verschiedenen Aufgaben von weitgehend gleichen Zellen
erledigt, während die entwicklungsgeschichtlich jüngeren Laubhölzer eine Differenzierung
einzelner Zellen für spezielle Aufgaben aufweisen.
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Trocknung_1 – Anatomie_2
Querschnitt durch einen ca. 35-jährigen Fichtenstamm
Rinde
Bast
Kambium (Lebensschicht)
Frühholz
Jahresringe
Spätholz
Markröhre
Markstrahlen
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Trocknung_2 – Holzfeuchte
Die Holzfeuchte
Da die Holzzellen im stehenden Baum das lebensnotwendige Wasser mit den darin gelösten
Nährstoffen von der Wurzel zu den Blättern leiten, enthalten die Zellen sowohl in ihren
Hohlräumen als auch in ihren Wandungen Wasser.
Als Holzfeuchte u [%] bezeichnet man üblicherweise den gesamten Wassergehalt einer
Holzprobe bezogen auf ihre absolute Trockenmasse im Darrzustand. Es gilt:
u = 100*(mu-mo)/mo
wobei
[%]
mu [g] das Gewicht einer feuchten Holzprobe und
m0 [g] das Gewicht derselben Probe im Darrgewicht darstellen.
Feuchtes Holz enthält an den Innenflächen des Zellaufbaus und im Kapillarsystem der
Zellwände durch physikalische und chemische Kräfte gebundenes und daher schwer
entfernbares Wasser bis zu einer Holzfeuchte von u - 30% als Durchschnittswert. Oberhalb
u - 30% Holzfeuchte enthält waldfrisches oder wassergelagertes Holz einen individuell
unterschiedlich hohen Anteil freien Wassers, das leichter entfernt werden kann. Den
Übergangszustand, bei dem nur noch die Zellwand sowie größere Kapillaren Wasser
enthalten, bezeichnet man auch als Fasersättigung. Der Übergang von freiem zu
gebundenem Wasser ist fließend: Er kann zwischen 25% und 35% liegen. Er sinkt um jeweils
1% Holzfeuchte pro 10°C Temperaturanstieg.
Die Rohdichte ist nach Kollmann wie folgt von der Holzfeuchte abhängig. Für 0 < u
< 25% gilt:
ρu = ρo*(100+u)/(100+0,85ρu*u)
[kg/m3]
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Trocknung_3 - Feucht_mess
Die Darrmethode zur Ermittlung der Holzfeuchte
Die Bestimmung der Holzfeuchte durch Verdampfen des im Holz enthaltenen Wassers
ist die genaueste Methode. Sie wurde in DIN 52183 genormt:
Die zu prüfende Holzprobe wird unmittelbar nach dem Herausschneiden aus dem
Prüfling gewogen: Nassgewicht mu [g]. Anschließend wird die Probe in einem
Trockenschrank bei einer Temperatur von 103°C ±2°C solange getrocknet, bis keine
Gewichtsabnahme mehr feststellbar ist: Darrgewicht m0 [g]. Der Feuchtegehalt
errechnet sich dann mit
u = 100*(m u -m o )/m o
[%]
Bei Holzarten mit leicht flüchtigen Inhaltsstoffen, wie Harzen oder ätherischen Ölen ist dieses
Verfahren fehlerhaft: Stattdessen wird im Vakuumschrank bei einer Temperatur von ca. 50°C
und einem Druck von p<1 hPa oder im Exsikkator mit einem Trockenmittel wie
Phosphorpentoxid getrocknet.
Die elektrische Schnellmessung zur Ermittlung der Holzfeuchte
Grundlage der elektrischen Holzfeuchtemessung ist der Zusammenhang zwischen dem
Holzfeuchtegehalt und der Dielektrizität oder dem Ohm'schen Widerstand des feuchten
Holzes.
Eine elektrische Holzfeuchtemessung nach dem Widerstandsprinzip liefert etwa im Bereich 5
< u < 30% reproduzierbare Werte mit einer Abweichung, die in der Praxis vertretbar ist. Gute
Holzfeuchte-Messgeräte sind mit Temperatur- und Holzarten-Korrektur ausgerüstet.
Verbesserung des Messverfahrens bietet die Kombination von elektrischer Widerstandsmessung und kapazitiver Messung.
Andere Messverfahren zur Ermittlung der Holzfeuchte
Bei Hölzern mit einem hohen Anteil flüchtiger Inhaltsstoffe wie Öle, Herze, Fette u.ä.
wird die Darrprobe durch das Entweichen dieser Stoffe oft verfälscht. Spezielle
Messmethoden, wie z.B.
das Extraktions- oder Destillationsverfahren,
das Vakuumtrocknungsverfahren oder das Messen
mit Holzstechhygrometern und das
Diakun-Verfahren
können genauere Holzfeuchtemesswerte liefern. Für die Praxis der Holztrocknung spielen
diese Messverfahren jedoch aufgrund ihres Laborcharakters keine Rolle.
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Trocknung_4 – Feu_Gl_gew_1
Das Holzfeuchtegleichgewicht
Frisch gefälltes Holz kann u.U. erhebliche Wassermengen enthalten. Der mögliche Bereich
liegt etwa zwischen 30% und 250% Holzfeuchte.
Auch getrocknetes Holz, das bereits in irgendeiner Form als Werkstoff verarbeitet ist, enthält
noch Wasser wegen seiner hygroskopischen Eigenschaften. Holz ist nämlich ein
kapillar-poröses, hygroskopisches Material. Es besteht im chemischen Feinbau auch aus
Zellulose-Makromolekülen, die eine hohe Affinität gegenüber Wasser besitzen.
Bei wechselndem Umgebungsklima ändert Holz seinen Feuchtegehalt durch
Wasseraufnahme oder -abhabe. In beiden Fällen wird bei konstantem Umgebungsklima
ein Geichgewichtszustand erreicht, den man als Holzfeuchtegleichgewicht oder
Sorptionsgleichgewicht ugl[%] bezeichnet.
Maßgebend für das Holzfeuchtegleichgewicht sind die Temperatur und die relative Feuchte
der Umgebungsluft. Der Zusammenhang ist dem sogenannten KEYLWERH-Diagramm zu
entnehmen. Dieses Diagramm beruht auf umfangreichen Messungen an Holzproben von
Sitka Sprude. Die Unterschiede einzelner Holzarten sind in der Praxis nicht relevant.
Zum Diagramm:, Das Holzfeuchtegleichgewicht nimmt mit sinkender relativer Luftfeuchte
stark ab. Der Einfluss der Lufttemperatur ist dagegen bei unveränderter relativer Luftfeuchte
wesentlich geringer. Die Kurvenzüge des Sorptionsgleichgewichtes sind nur bis 21%
Holzgleichgewichtsfeuchte eingezeichnet. Oberhalb dieser Geichgewichtsfeuchte befindet
sich das Holz im Bereich der Kapillarkondensation. Hier setzt bei der Adsorption der
Übergang von der mehr chemischen zur mehr physikalischen Bindung des Wassers ein, bis
schließlich Fasersättigung erreicht ist.
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Trocknung_4 – Feu_Gl_gew_2
Das Holzfeuchtegleichgewicht bei der Desorption liegt höher als bei der Adsorption. Die
Sorptionsisothermen verlaufen mit zunehmender Temperatur flacher. Der
Fasersättigungsbereich verlagert sich mit steigender Temperatur in Richtung niedrigerer
Holzfeuchte: Näherungsweise um 1% pro 10°C Temperaturänderung.
Die Kenntnis des Holzfeuchtegleichgewichtes ist wichtig für die zweckmäßige Trocknung und
die Verwendung des Holzes. Vor der Verarbeitung sollte das Holz grundsätzlich auf diejenige
Feuchte getrocknet werden, die annähernd dem Gleichgewichtszustand gegenüber seiner
späteren Umgebung entspricht. Damit wirken nur noch die periodischen Klimaschwankungen
auf das Holz ein, die zu keine wesentlichen Formänderungen, bedingt durch Quellen und
Schwinden führen. Ausgenommen sind extreme Klimaschwankungen oder eine Befeuchtung
der Oberfläche mit flüssigem Wasser.
Im Mitteleuropäischen Klima gelten im Allgemeinen folgende Sollfeuchtewerte für
Holzbauteile:
Bauholz im Freien
16 - 25 %
Fassdauben
17 - 20 %
Geräte für die Verwendung im Freien
12 - 16 %
Fenster und Außentüren
12 - 15 %
Möbel, Innentüren usw. bei Ofenheizung
10 - 12 %
Möbel, Innentüren usw. bei Zentralheizung
Furniere, Sperrplatten und Schichtholz
7 - 10 %
6-8%
Da in unseren Klimaregionen eine Gleichgewichtsfeuchte unter 12 - 14 % bei natürlicher
Trocknung nicht erreichbar ist, muss das Holz technisch getrocknet werden.
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Trocknung_4 – Feu_Gl_gew_3
Feuchtegleichgewicht von Holz nach R. Keylwerth und Angaben des U.S. Forest Products
Laboratory, Madison 1951, auf der Basis von Ad- und Desorptionsuntersuchungen an Sitka
Spruce, Picea sitchensis.
Beispiel. Bei einer Trockentemperatur von 45°C und einer relativen Luftfeuchte von 55% bzw.
einer Feuchttemperatur von 36°C beträgt das Holzfeuchtegleichgewicht 9%.
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Trocknung_5 – Wa_Bew_1
Die Wasserbewegung im Holz
Die Zellwände des Holzgewebes bestehen im wesentlichen aus Zellulose-Hemizellulose- und
Lignin- Makromolekülen, die unterschiedlich häufig vernetzt sind. Kristalline und amorphe
Zonen wechseln einander ab. Zellulose-Molekülketten sind dabei in der Lignin-Matrix
gleichsam eingebettet. Die so aufgebaute Zellwand enthält zahlreiche feine und feinste
Kapillaren. Holz wird deshalb auch als kapillar-poröser Stoff bezeichnet, dessen "innere"
Oberfläche etwa 250 m2/g beträgt.
Die chemischen Bestandteile der Zellwand besitzen eine unterschiedlich große Affinität zu
Wassermolekülen. Holz verhält sich deshalb hygroskopisch. Die Sorption eines
darrgetrockneten Holzes, das in eine wasserdampfhaltige Atmosphäre bewirkt eine
Anlagerungsreaktion von Wassermolekülen an die nicht abgesättigten Hydroxyl-Gruppen der
Zellulose-Moleküle. Diese sogenannte Chemosorption innerhalb der den Wassermolekülen
zugänglichen amorphen Bereiche der Mikrofibrillen führt zunächst zu einer einlagigen
Beschichtung der inneren Oberfläche mit Wassermolekülen. Die Holzfeuchte liegt dabei
etwa im Bereich 0-6 %.
Bei einer relativen Luftfeuchte bis etwa 60 % wird von den Zellwänden weiteres Wasser
aufgenommen. Infolge elektrochemischer Anziehungskräfte zwischen den
Wassermolekülen werden weitere Wassermolekülschichten durch Adsorption angelagert.
Die Holzfeuchte beträgt in diesem Abschnitt der Sorption etwa 5-15 %.
Die Kapillarstruktur begünstigt bei weiter zunehmender relativer Luftfeuchte bis hin zur
Sättigung eine zunehmende Kapillarkondensation. Oberhalb von etwa 15 % Holzfeuchte
kondensiert hier aufgrund der Dampfteildruck-Absenkung in den gefüllten Kapillaren
Wasserdampf, so dass sich diese weiter füllen. Fasersättigung ist dann erreicht, wenn alle
Kapillaren im submikroskopischen und mikroskopischen Bereich der Zellwände mit Wasser
gefüllt sind. Bei den meisten einheimischen Holzarten liegt der Fasersättigungsbereich um 30
% bei 20°C. Die beschriebenen drei Stufen der Sorption überlagern sich jeweils in den
Übergangsbereichen.
Der höchstmögliche Wassergehalt umax [%] ist erreicht, wenn alle Zellwände
gesättigt und alle Hohlräume, die Lumina und Interzellularräume vollständig mit Wasser
gefüllt sind. Dieser Zustand lässt sich nur durch Eintauchen oder langanhaltendes Benetzen
mit Wasser erreichen, unterstützt durch ein zeitweiliges Evakuieren.
Trocknet man umgekehrt grünes bzw. saftfrisches Holz, dann wird zunächst das freie oder
tropfbare Wasser aus den oberflächennahen Schichten abgegeben. Zuerst leeren sich die
größeren, später die kleineren Zellhohlräume.
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Trocknung_5 – Wa_Bew_2
Dort wo kein freies Wasser mehr vorhanden ist, beginnt die Austrocknung der Zellwände. Es
entsteht zwischen den inneren und äußeren Schichten ein typisches Holzfeuchte-Gefälle
bzw. Holzfeuchte-Profil.
Da sich im Holz durchgehende , untereinander verbundene, wasserführende Kapillaren und
luftgefüllte Hohlräume abwechseln, ist eine ausschließliche Kapillarwasserbewegung nicht
möglich. Durch das Verdampfen von Wassermolekülen an der äußeren Oberfläche des
Holzes entstehen im Kapillarsystem Zugkräfte durch Adhäsion und Kohäsion, die bewirken,
dass Wasser aus weiten Kapillaren in enge strömt. Eingeschlossene, luftgefülte Hohlräume
werden durch Dampfdiffusion überwunden. Mit zunehmender Trocknung wächst die
Bedeutung verschiedenster Diffusionsmechanismen für den Gesamt-Wassertransport.
Schneller ablaufende Kapillartransportvorgänge, wie sie noch zu Beginn der Trocknung
oberhalb der Fasersättigung für den Trocknungsfortschritt ausschlaggebend sind, finden
dann nicht mehr statt. Physikalisch gesehen ist die Trocknung von Holz sowohl ein Problem
der Kapillarwasserbewegung, als auch der verschiedenen Diffusionserscheinungen.
Die pro Zeit- und Flächeneinheit transportierte Wassermenge ist bei konstanter Temperatur
näherungsweise proportional zum Holzfeuchte-Gefälle. Daraus ist abzuleiten, dass auch ein
Temperaturgefälle und ein Dampfteildruck- Gefälle über den Holzquerschnitt den
Trocknungsvorgang mit beeinflussen.
Die Wasserdampfdiffusion in Holz steigt mit zunehmender Temperatur an. Dadurch ist die
Trocknungsgeschwindigkeit beeinflussbar. Bei reiner Kapillarwasserbewegung mit 40<u<45
% erfolgt die Feuchteabgabe quer zur Faserrichtung nur wenig langsamer als längs zur
Faser. Unterhalb der Fasersättigung bestehen deutliche Unterschiede in der
Diffusionsgeschwindigkeit in den verschiedenen Hauptrichtungen des Holzes.
In Faserrichtung, sind erheblich niedrigere Diffusionswiderstände zu überwinden als quer
dazu. Im hygroskopischen Bereich kann für Trockentemperaturen über 50°C für Holzarten mit
einer Rohdichte von 0,4 < py < 0,6 g/cm3 angenommen werden, dass
der Feuchtetransport längs der Faser etwa 5 bis 8 mal schneller abläuft als senkrecht dazu.
Bei höheren Temperaturen und geringerer Holzfeuchte reicht dieses Verhältnis bis zu 20.
Die Geschwindigkeit der radialen Feuchtebewegung ist um ca. 10 bis 20 % höher als
diejenige in tangentialer Richtung zum Jahrring. Die radial angeordneten Holzstrahlen und
die bevorzugte Anordnung sogenannter Tüpfel, das sind einzelne Zellen verbindende
"Ventile", erleichtern die Feuchtebewegung bzw. Diffusion.
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Trocknung_5 – Wa_Bew_3
Feinbau der
Zellwand des
Holzes
(Kollmann 1951)
Schematische
Darstellung der
kapillaren
Feuchtebewegung
in Holz bei der
Trocknung.
A Anfangszustand
B+C spätere Zustände
(nach L. F. Hawley)
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Trocknung_6 – Schwinden_1
Das Schwinden und Quellen des Holzes
Die Änderungen des Feuchtegehalts im Holz sind mit einer Änderung des Holzvolumens
verbunden. Man bezeichnet diesen Vorgang als Quellen bei Feuchteaufnahme und als
Schwinden bei Feuchteabgabe. Der Vorgang findet im Holzfeuchtebereich zwischen
Fasersättigung und Darrtrocken statt. Das Ausmaß der Volumenänderung ist proportional zur
Aufnahme von gebundenem Wasser.
Der Feinbau des Holzes, bestehend aus Zellulose-Fadenmolekülen, Elementar- und
Mikrofibrillen, bestimmt das Verhalten beim Quellen und Schwinden. Das gebundene Wasser
ist in der Zellwand zwischen den Fibrillen eingelagert. Bei darrtrockenem Holz liegen die
Fibrillen dicht aneinander gepackt.
Nimmt die Zellwand nun Wasser auf, weil die Anziehungskräfte zwischen den nicht vollständig
gegenseitig abgesättigten Zellulose-Molekülketten und Wasser -das sind die amorphen
Bereiche- größer sind als diejenigen zwischen den gegenseitig abgesättigten, zu Fibrillen
zusammengelagerten Molekülketten - das sind die kristallinen Bereiche-, dann rücken diese
auseinander. Die Zellwand wird "dicker", das Volumen des Holzes nimmt zu.
Diese Formänderung kommt mit dem Erreichen des Holzfeuchtegleichgewichts zum Stillstand.
Hieraus wird auch verständlich, dass oberhalb der Fasersättigung keine weitere Quellung
mehr auftreten kann. Es wird nur noch freies Wasser in den größeren Zellhohlräumen
eingelagert. Die holzartenspezifische Fasersättigung stellt eine Übergangszone dar, die einen
Bereich um ca. 30 % ±5 % umfasst.
Infolge der kristallinen Strukturelemente und deren überwiegender Ausrichtung in den
langgestreckten Zellen wirken sich Quellung und Schwindung hauptsächlich quer zur
Faserrichtung aus. In Faserlängsrichtung ist die Formänderung sehr gering: maximal 1% und
deshalb normalerweise vernachlässigbar. Tangential zum Jahrring schwindet Holz wesentlich
mehr als in radialer Richtung. Das Verhältnis von tangentialem zu radialem Schwindmaß wird
als Schwindungsanisotropie bezeichnet. Diese liefert eine Aussagemöglichkeit über das
Stehvermögen einer Holzart bei der Trocknung und ist damit für die Maßhaltigkeit im
praktischen Einsatz von ausschlaggebender Bedeutung.
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Trocknung_6 – Schwinden_2
Schwindmaße in den drei Hauptachsrichtungen für Rotbuche in
Abhängigkeit von der Holzfeuchte.
βt —> tangential
βr —> radial
βI —> longitudinal
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Trocknung_7 – Luft_Feu_1
Die Bedeutung der Luftfeuchte beim Trocknungsvorgang
Die absolute Luftfeuchte ist ein Maß für die im Kubikmeter Raumluft enthaltene
Wasserdampfmenge, gemessen in [g/m3]. Bei einer gegebenen Temperatur kann ein
abgeschlossener Raum nur eine bestimmte Höchstmenge an Wasserdampf -Sattdampfaufnehmen; nach dem Dalton'schen Gesetz unabhängig davon, ob dieser Raum noch andere
Gase enthält oder nicht. Das Gemisch heißt dann gesättigte feuchte Luft. Mit Wasserdampf
gesättigte Luft enthält bei höherer Temperatur absolut mehr Wasser als bei niedrigerer
Temperatur.
Wenn in einem abgegrenzten Raum weniger als die maximal aufnehmbare Menge an
Wasserdampf vorhanden ist, so wird dieser Dampf als ungesättigt oder überhitzt bezeichnet.
Die absolute Feuchte der Luft bzw. deren Wassergehalt ändert sich bei Erwärmung nicht und
bei Abkühlung erst dann, wenn der betreffende Taupunkt unterschritten wird und Wasser
auskondensiert. Für Trocknungsvorgänge ist weniger die absolute Luftfeuchte
ausschlaggebend, als vielmehr die Aufnahmefähigkeit der Luft für Wasserdampf, ausgedrückt
durch die relative Luftfeuchte. Die relative Luftfeuchte ist das Verhältnis der im Raum
tatsächlich vorhandenen Wasserdampfmenge zu der bei gleicher Temperatur möglichen
Höchstmenge also Sattdampf. Die gibt in Prozent ausgedrückt an, wie viel in der maximal
möglichen Wasserdampfmenge bei einer gegebenen Temperatur tatsächlich in der feuchten
Luft vorhanden ist. Demnach kann die relative Luftfeuchte Werte im Bereich von Null bis 100
% annehmen.
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Trocknung_7 – Luft_Feu_2
Zusammenhang zwischen Lufttemperatur, relativer Luftfeuchte und
absoluter Luftfeuchte.
Beispiel: Lufttemperatur 70°C, relative Luftfeuchte 40%, absolute Feuchte 80 g/m3.
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Trocknung_8 – Trock_Ablauf_1
Der Trocknungsablauf
Neben Temperatur und relativer Luftfeuchte ist die Luftgeschwindigkeit von Bedeutung für den
Trocknungsablauf. Sowohl bei der technischen Schnittholztrocknung, als auch bei der
Freilufttrocknung erfolgen Wärme- und Stoffaustausch über das bewegte Medium Luft. Für
eine gleichmäßige, rasche Trocknung ist deshalb eine ausreichend große, gleichförmige
Luftgeschwindigkeit innerhalb der gesamten Charge erforderlich. Von der Art der Belüftung
der Trockenkammer und von der Höhe und Gleichmäßigkeit der Luftbewegung werden
Trockenzeit und Trocknungsqualität wesentlich beeinflusst. Nach praktischer Erfahrung kann
von einer sinnvollen und zugleich wirtschaftlichen Luftgeschwindigkeit im Bereich von 2.0 m/s
bis 2,5 m/s ausgegangen werden.
Die Vorteile einer höheren Luftgeschwindigkeit sinken, je dicker das Schnittholz, je geringer die
Anfangsholzfeuchte, je niedriger die Lufttemperatur und das Trocknungsgefälle sind.
Nur bei sägefrischem Schnittholz ist das im Holz enthaltene Wasser einigermaßen
gleichmäßig über den Brettquerschnitt verteilt. Während der Trocknung stellt sich sehr bald
eine unterschiedliche Holzfeuchte innerhalb des Brettes ein: Das Holz trocknet zunächst in
den Oberflächenschichten, während die Trocknung im Brettinneren mehr oder weniger stark
verzögert wird. Es bildet sich deshalb ein Holzfeuchtegefälle von der Brettmitte zur Oberfläche
aus.
Das Holzfeuchtegefälle zwischen benachbarten Schichten innerhalb eines Brettes ist
gleichzeitig Ursache und Folge der Feuchtebewegung im Holz und damit Bestandteil der
treibenden Kräfte der Trocknung. Grund für die Entstehung der Feuchtebewegung im Holz auch bei einem anfänglichen Feuchtegefälle Null - ist eine Dampfteildruck-Differenz an der
Oberfläche. Die Aufgabe der Trocknungssteuerung besteht darin, dieses Holzfeuchtegefälle
im Verlauf der Trocknung jeweils so einzustellen, dass der Trocknungsprozess optimal abläuft.
Ein zu starkes Holzfeuchtegefälle oder ein zu steiler Feuchtegradient in den
oberflächennahen Schichten während der Anfangsphase der Trocknung oberhalb der
Fasersättigung führt zu einer Behinderung des Feuchtetransportes aus dem Brettinneren an
die Oberfläche. Die Wasserbewegung wird dadurch so gebremst, daß ein Großteil des
Wassers den Weg durch das Holz in Dampfform zurücklegen muss. Ein Vorgang, der
wesentlich langsamer abläuft als die Bewegung des flüssigen Wassers.
Bei zu "scharfer" Trocknung kommt es dann zu einem "Abreißen des
Wasserfadens". Es entsteht aufgrund der durch die feuchten Innenzonen
behinderten Schwindung der äußeren zu trockenen Zonen die gefürchtete
Verschalung, die zu Trocknungsrissen im Holzinneren führt.
Das Trocknungsgefälle TG wird beschrieben mit:
TG = um/ugl[-]
Man versteht hierunter das Verhältnis der augenblicklichen mittleren Holzfeuchte um[%] des
Trockengutes zum Holzfeuchtegleichgewicht Ugl [%], das sich im Holz
einstellen würde, wenn es beim gegenwärtigen Kammerklima bis zum
hygroskopischen Gleichgewicht getrocknet würde.
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Trocknung_8 – Trock_Ablauf_2
Solange die Trocknung im Bereich oberhalb der Fasersättigung erfolgt, sind die spezifischen
Eigenschaften es Trockengutes von untergeordneter Bedeutung für den
Trocknungsfortschritt. Maßgebend sind hauptsächlich die äußeren Bedingungen, wie
Temperatur, relative Luftfeuchte, Luftgeschwindigkeit etc.. Werden diese Bedingungen auf
einem dem Trocknungsgut angepassten, konstanten Niveau gehalten, bleibt auch die
Wasserabgabe pro Zeiteinheit, d.h. die Trocknungsgeschwindigkeit, konstant. Es ändert sich
lediglich die Verteilung des Wassers im Holz. Der Trocknungsvorgang in diesem Abschnitt
lässt sich im Holzfeuchte-Zeitdiagramm als Gerade darstellen.
Unterhalb der Fasersättigung, also im hygroskopischen Bereich machen sich die
Eigenschaften des Trockengutes verstärkt hemmend bemerkbar. Da sich aber die
verschiedenen Trocknungsvorgänge überlagern, bildet sich eine Übergangskurve aus. Gegen
Ende der Trocknung wird die Trocknungsgeschwindigkeit im Holzfeuchte-Zeitdiagramm durch
eine Exponentialkurve beschrieben.
Die Trocknungszeit ist nach F.KOLLMANN
tTr = 1/αT • In (ua/ue) * (d/25) 1,5 * (65/θ)1 >5
[h]
wobei
tTr
h
Trockenzeit
αT
—
Trocknungsbeiwert
u
%
Anfangsfeuchte
%
Endfeuchte
Holzdicke
Trocknungstemperatur
u
a
e
d
θ
mm
°C
Der Trocknungsbeiwert αT ist von Holzart, Anfangsfeuchte, Güteansprüchen,
Kammerbauart, Luftgeschwindigkeit und anderen Einflussgrößen abhängig. Als
Richtwert kann mit
αT = 0,0477 für Nadelholz
αT = 0,0265 für Hartholz und
αT = 0,012 für Eiche gerechnet werden.
Bei verschiedenen Holzdicken verhalten sich die Trockenzeiten wie
t2/t1 = (d2/d1)1,5
Für den Temperaturbereich zwischen 40°C und 90°C ergibt sich näherungsweise folgenden
Beziehung:
t2/t1 = (θ 2/ θ 1)1,5
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Trocknung_8 – Trock_Ablauf_3
Näherungswerte des Holzfeuchtegleichgewichts Ug| [%] in Abhängigkeit von den Kenngrößen
des Kammerklimas:
Trockentemperatur d [°C] und Psychrometerdifferenz ∆θ [°C].
Luftgeschwindigkeit am Feuchtthermometer vL_ ≧ 2 m/s.
Schematische
Darstellung der
Veränderung der Feuchte
im Brettquerschnitt
während der Trocknung.
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Trocknung_8 – Trock_Ablauf_4
Theoretischer Verlauf der Trockenkurve:
a)
b)
c)
d)
Gabelproben
beginnende Trocknung
Verschalung
Verschalung beseitigt
spannungsfreies Holz
Querschnitt eines falsch getrockneten
Eichenbrettes mit starken Innenrissen
Formänderung von Brettern durch Verwerfen
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Trocknung_9 – Tro_Typen_1
Die technische Schnittholztrocknung
Klassifizierung der Trocknertypen; gemäß (1) "R. Brunner, Die Schnittholztrocknung".
Niedrigtemperaturtrocknung;
Temperatur
15°C < θ < 45°C
Ungesättigte warme Luft als Energieträger
Indirekte Beheizung über Warmwasser aus konventioneller Kesselanlage
Kondensationsaggregat über Wärmepumpe; auch Solarheizung
Normaltemperaturtrocknung;
Temperatur
40°C < - θ < 90°C
Ungesättigte heiße Luft als Energieträger
Indirekte Beheizung über Heißwasser oder Dampf aus konventioneller Kesselanlage oder
Hochtemperaturwärmepumpe oder direkte Beheizung über Gas- oder Ölbrenner Einsatz von
Wärmetauschern; auch Verbundverfahren mit Kondensationstrocknung
Hochtemperaturtrocknung;
Temperatur
90°C < θ < 130°C
Ungesättigte heiße Luft oder Sattdampf als Energieträger
Indirekte Beheizung über Kesselanlage, Dampferzeuger und Wärmetauscher auch
Verbundverfahren mit Kondensationstrocknung
Gleichgewichtsfeuchte bei Sattdampf:
Vakuumtrocknung;
θ = 100,2 °C Sattdampf ergibt ugl ≈ 20 %
θ = 105,8 °C Sattdampf ergibt ug( ≈ 10 % θ = 129,3 °C Sattdampf ergibt ugl ≈ 3 %
Temperatur
Druck
45°C < θ < 55°C
90 mbar < p <150 mbar
Kurze Trockenzeiten und damit rasche Verfügbarkeit von Hölzern, die auf konventionelle Weise nur langsam
und schwer zu trocknen sind, haben der Vakuumtrocknung auch im Holzsektor einen festen
Anwendungsbereich erschlossen.
Grundprinzip dieses Verfahrens ist die Druckabhängigkeit des Siedepunktes des Wassers. Wird der Druck in
einer Vakuumanlage unter den Druck abgesenkt, bei dem das Wasser bei gegebener Holztemperatur zu
sieden und zu verdampfen beginnt, so führt dies zu einem Gesamtdruckgefälle über den Brettquerschnitt und
damit zu einer gleichmäßigen und rasch ablaufenden Dampfströmung im Holz in Richtung Oberfläche. Damit
ist eine relativ schnelle Trocknung bei niedrigen Temperaturen möglich.
Hochfrequenztrocknung
Bei diesem Verfahren wird feuchtes Holz als Dielektrikum zwischen die Platten eines
Kondensators gebracht. Den Kondensator speist ein Hochfrequenzgenerator. Die dafür
zugelassenen Frequenzen sind:
13,560 MHz ± 0,06%
27,120 MHz ± 0,60%; meistgenutzte Frequenz
40,680 MHz ± 0,05%
Wasser absorbiert im hochfrequenten Wechselfeld, bedingt durch die höhere
Dielektrizitätskonstante, mehr Energie als trockenes Holz.
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Trocknung_9 – Tro_Typen_2
Damit ist eine selektive Erwärmung der feuchteren Stellen im Holzinneren möglich. Mit dem Erreichen der
Siedetemperatur setzt das Verdampfen des Wassers ein. Der Feuchtetransport hin zur Oberfläche wird durch
einen Temperaturgradienten parallel zum Holzfeuchtegradienten begünstigt, d.h. die feuchtere Innenzone ist
wärmer als die trockenere Holzoberfläche. Eine gute Dampfdurchlässigkeit der mit diesem Verfahren zu
trocknenden Holzarten ist von Vorteil; bei weniger permeablen Hölzern führen falsche
Trocknungsbedingungen durch den im Holzinneren entstehenden hohen Dampfdruck zu einer Schädigung
des Trocknungsgutes.
Mikrowellentrocknung
Im Mikrowellenbereich arbeitende Trockner verwenden Frequenzen von 1 bis 6 GHz. Die Elektroden befinden
sich nicht in unmittelbarer Nähe des Trocknungsgutes, vielmehr wird die im Generator erzeugte HF-Energie
durch sogenannte Hohlleiter dem Gut zugeführt. Das Holz wird direkt durch den Hohlleiter geführt, wobei
dieser selbst den "Trocknungsraum" bildet. Kennzeichnend für einen Mikrowellengenerator ist der
Dauerbetrieb mit Höchstleistung und die Vernichtung der überschüssigen bzw. nicht zur Trocknung genutzten
Energie in einem angeschlossenen Absorptionswiderstand.
Der Trocknungsvorgang gleicht dem der HF-Trocknung. Die über das Wechselfeld zugeführte Energie lässt
die Gutsfeuchte im Inneren des Holzes verdampfen. Es muss keine Wärme von außen durch ein
entsprechendes Temperaturgefälle zugeführt werden. Vielmehr entsteht im Gut, das sich in einer kälteren
Umgebung befindet, ein Temperaturgefälle von innen dach außen, so dass das verdampfende Wasser zur
Oberfläche wandert und von dort konvektiv abgeführt werden muss.
Infrarottrocknung
Eigentlich wissenschaftlich richtig: Ultrarottrocknung. Hier wird die Energie in Form elektromagnetischer
Strahlung eingesetzt; ihr Frequenzbereich liegt bei 8*1011 bis 3,8»1014 Hz. Ein Teil der Strahlung wird vom
Trockengut absorbiert und in Wärme umgesetzt und zwar nur an den Stellen, wo die Oberfläche direkt der
Strahlung ausgesetzt ist und daher im wesentlichen die Holzoberfläche erwärmt wird, eignet sich das
Verfahren nicht zur Trocknung dicker Hölzer. Der Temperaturgradient verläuft entgegen dem
Feuchtegradienten. Das kann zu Oberflächenrissen und Verschalung führen. Deshalb bevorzugter Einsatz in
der Furnier- und Lacktrocknung.
Trocknung in organischen Flüssigkeiten und mit chemischen Mitteln
Die Trocknung in organischen Flüssigkeiten kommt nur dann in Frage, wenn parallel zur Trocknung noch
eine Schutzbehandlung z.B. gegen Fäulnis durchgeführt werden soll. Die Trocknung mit chemischen
Mitteln wird nur in Einzelfällen als "Laborbehandlung" durchgeführt.
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Trocknung_9 – Tro_Typen_3
Schema eines Schnittholz-Durchlauftrockners mit
Gegenstrombelüftung und integriertem Wärmetauscher
Abhängigkeit der
Siedetemperatur des
Wassers vom Druck
Trocknungsverlauf
in einem
kontinuierlich
arbeitenden
Vakuumtrockner mit
Heizplatten
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