Trocknung

Veranschaulichung verschiedener Trocknungsverfahren.

Unter einer Trocknung oder Austrocknung oder Exsikkation versteht man allgemein den Entzug von Flüssigkeiten aus einem Stoff oder Gegenstand, dem Trockengut, durch Verdunstung, Verdampfung, den Einsatz von Trocknungsmitteln oder anderen technischen wie chemischen Anwendungen. Merkmal einer Trocknung ist daher die Verringerung der Feuchtigkeit (Feuchteentzug, Entfeuchtung) durch eine in der Regel thermisch-physikalische Umwandlung der Flüssigkeit (meist eine Phasenumwandlung in den gasförmigen Zustand). Bei dieser Flüssigkeit handelt es sich meist um Wasser, weshalb man auch oft von einem Wasserentzug spricht. Dieser Begriff ist jedoch nicht deckungsgleich zur Trocknung, da er auch eine mechanische bzw. gravitative Entwässerung (mechanische Entfeuchtung) mit einschließt. Es empfiehlt sich bei technischen Anwendungen, wenn möglich, eine mechanische Entfeuchtung vorzuschalten, da die mechanischen Verfahren in der Regel bezüglich des Energieaufwands günstiger (ungefähr 1/10 der Energiekosten) sind.

Das technische Anwendungsgebiet, das sich mit der Trocknung von Materialien befasst, ist die Trocknungstechnik. Apparate für Trocknungsaufgaben sind unter dem Begriff Trockner kurz beschrieben.

Grundlage der Trocknung bei Konvektion ist der Dampfdruck der Flüssigkeit bei einer bestimmten Temperatur und bestimmtem Druck. Entspricht der Gehalt der Flüssigkeit in der Atmosphäre dem Dampfdruck (oder überschreitet ihn), so ist keine Trocknung (Verdunstung) möglich. Ist weniger Flüssigkeit enthalten, hängt es vom treibenden Konzentrationsgefälle und vom Gasaustausch (Wind, Oberfläche…) ab, wie schnell die Trocknung voranschreitet. Mit höherer Temperatur steigt in der Regel der Dampfdruck, die Trocknung ist begünstigt. Mit sinkendem Druck steigt für die Flüssigkeit der mögliche Anteil in der Atmosphäre. Für wichtige Flüssigkeiten, insbesondere für Wasser, gibt es Diagramme und Tabellen, die für die technische Beherrschung der Trocknung zu Rate gezogen werden können. Das wichtigste Diagramm hierfür ist das Mollierdiagramm für feuchte Luft.

Technische Trocknungsverfahren

Die hohe Abhängigkeit der Trockengeschwindigkeit von der Temperatur macht man sich in Darren, Trocknungskammern, Trockenschränken und Wäschetrocknern zunutze. Es finden jedoch auch die mit einer Temperaturerhöhung verbundenen Trockenprozesse der Teigtrocknung, Filmtrocknung und Sprühtrocknung eine Anwendung. Weitere Verfahren sind die im Folgenden dargelegten Prozesse der Gefriertrocknung, überkritischen Trocknung und Mikrowellentrocknung.

Gefriertrocknung

Bei der Gefriertrocknung wird das zu trocknende Gut zunächst gefroren. Das Wasser geht anschließend vom festen Zustand direkt in den gasförmigen über – es sublimiert. Einer der Vorteile besteht darin, dass das zu trocknende Gut im gefrorenen Zustand konserviert ist. Gefriertrocknen wurde zum Beispiel zur Restaurierung von Papieren nach dem Elbehochwasser 2002 angewendet.

Überkritische Trocknung

Wie die Gefriertrocknung geht auch die überkritische Trocknung einen Umweg um die Verdampfung, jedoch indem mit hohen Drücken und Temperaturen der kritische Punkt überschritten wird. Grundprinzip ist, dass der Stoff zunächst vom flüssigen in den überkritischen Zustand versetzt wird und hiernach bei konstanter Temperatur den Druck auf den Umgebungsdruck überführt. Eine Phasengrenze passiert man dabei im Unterschied zur unterkritischen Trocknung und auch Gefriertrocknung nicht, da eine Unterscheidung zwischen Gas und Flüssigkeit nicht möglich ist.

Mikrowellentrocknung

Bei der Mikrowellentrocknung wird eine nasse Bausubstanz direkt entfeuchtet. Dies geschieht durch die Bestrahlung mit hoch energetischen Mikrowellen, die eine Bewegung der Wassermoleküle im Inneren der Bausubstanz auslösen. Die hierbei entstehende Reibungswärme trocknet die Bausubstanz von innen nach außen. Bei lebenden Organismen ist dieses Verfahren tödlich.

Kondensationsverfahren

Kondenstrockner entziehen der Luft Feuchtigkeit, indem diese unter den Taupunkt abgekühlt, und über ein Wärmerückgewinnungsregister wieder erwärmt wird: Feuchte Raumluft wird durch einen im Gerät eingebauten Ventilator angesaugt. Die Luft wird über ein Kühlteil (dem sogenannten Verdampfer) geführt. Daran wird die Luft schockartig so weit abgekühlt, dass deren Taupunkt unterschritten wird. Da kalte Luft kaum Feuchtigkeit speichern kann, kondensiert die Feuchtigkeit an der kalten Oberfläche. Das physikalische Funktionsprinzip kann man auch im Sommer beobachten, wenn man eine kalte Flasche aus dem Kühlschrank nimmt und damit ins Freie geht - am Glas bilden sich Wassertröpfchen, da die Umgebungstemperatur sich an der kalten Oberfläche abkühlt. Dasselbe Prinzip wird hier angewandt… Im tiefen Temperaturbereich bildet sich an dieser Kühlfläche ein Eisfilm. Da fast jeder Lufttrockner mit einer Abtauautomatik ausgestattet ist, schaltet der Trockner je nach Bedarfsfall diese Abtaufunktion ein - das Eis wird verflüssigt und sammelt sich im Behälter. Die getrocknete Luft passiert im Trocknungsgerät einen “Wiedererwärmungsteil” und tritt trocken und temperiert an der Frontseite des Gerätes aus. Das sich bildende Kondensat wird in einem Wasserbehälter gesammelt oder kann über eine Schlauchleitung direkt abgeführt werden.

Vakuumtrocknung

Bei der Vakuumtrocknung wird das Trockengut einem Unterdruck ausgesetzt, was den Siedepunkt reduziert und somit auch bei niedrigen Temperaturen zu einer Verdampfung des Wassers führt. Angewandt wird das Verfahren vor allem bei hitzeempfindlichen Lebensmitteln und Chemikalien. Hierdurch wird außerdem der Gleichgewichtsdampfdruck erniedrigt, was den Kapillartransport begünstigt. Zur Verbesserung der Trockenwirkung kann man das zu trocknende Gut erwärmen, z.B. in Vakuumtrockenschränken, oder noch ein Trockenmittel wie P₂O₅ einbringen, bei kleinen Probemengen geschieht dies in sog. Trockenpistolen.

Adsorptionstrocknung

Der Adsorptionstrockner wird auch als Sorptionstrockner oder Rotortrockner bezeichnet. Die zu trocknende Luft wird durch einen Ventilator in den Sorptionstrockner geleitet. Im Modul befindet sich ein sich ständig drehendes Trockenrad (der Rotor – deswegen der Name Rotortrockner). Dieses Rad hat eine wabenförmige Struktur und besteht aus vielen axial verlaufenden Kanälen. Durch die hygroskopische Wirkungsweise des Rotormaterials wird der Luft die Feuchtigkeit entzogen. Die Wassermoleküle müssen kontinuierlich aus dem Rotor entfernt („regeneriert“) werden. Zu diesem Zweck wird über einen zweiten Ventilator Luft angesaugt, auf hohe Temperaturen erhitzt, und von den anderen Luftströmen getrennt, über den Rotor geleitet. Durch die hohe Temperatur verdampft die Feuchtigkeit des Rotors – der erwärmte Wasserdampf wird über einen Luftschlauch abgeleitet. Dies ist der sogenannte Regenerationsluftstrom. Im Gerät verbleibt die getrocknete Luft – diese wird dem Raum zugeführt (Trockenluftstrom). Mit Prozessluft wird jener Luftstrom bezeichnet, der aus dem Raum in den Rotortrockner geleitet wird (also der „Feuchtluftstrom“).

Peltiertrocknung

Gleichstrom wird durch ein thermoelektrisches Element geleitet. Dadurch wird Wärme von einer Seite des Elementes zur anderen Seite transportiert. Daraus ergibt sich, dass eine Seite kalt und die gegenüberliegende Seite warm ist. So können mit geeigneten Materialien Temperaturdifferenzen zur Erwärmung erzeugen werden.

Granulattrocknung

In einem Behälter befindet sich ein Granulat, das entweder aus Salzkristallen oder chemischen Stoffen besteht. Bei der passiven Granulattrocknung zieht das Granulat die Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft. Bei der aktiven Granulattrocknung wird die Luft durch einen Ventilator angesaugt und über das Granulat geleitet. Das Granulat muss in regelmäßigen Abständen erneuert werden. Oder man verwendet Regenerationsgranulat, dieses muss in regelmäßigen Abständen entnommen und getrocknet werden.

Lufttrocknung

Lufttrocknung von Lehmziegeln

Zur Lufttrocknung gespaltenes und aufgeschichtetes Brennholz

Die Lufttrocknung – mit Einschränkung auch als solare Trocknung bezeichnet – ist ein Überbegriff für alle Trocknungsprozesse an der Luft, also unter atmosphärischen Standardbedingungen. Der Flüssigkeitsentzug erfolgt im Falle des Wassers in der Regel durch Verdunstung. Bei Windstille handelt es sich um eine freie Konvektion, bei Wind um eine erzwungene Konvektion. Faktoren, die die letztendliche Trocknungsgeschwindigkeit bestimmen, sind daher die Temperatur, Windgeschwindigkeit, Luftfeuchtigkeit und die effektive Oberfläche des Trockengutes im Vergleich zu dessen Volumen. Anwendung findet die Lufttrocknung in unterschiedlichsten Bereichen, beispielsweise bei die Trocknung von Gras zu Heu, der Trocknung von Holz, Farbanstrichen, Lacken, Baustoffen (siehe Lehmziegel rechts), Schlämmen und Wäsche (Leine) oder dem Austrocknen von Gewässern und Pfützen. Die Wirbelschichttrocknung grobkristalliner Haufgüter ist ein weiteres Beispiel für ein Trockenverfahren, das auf dem Trockenmittel Luft basiert.

Lufttrocknung von Lebensmitteln

Insbesondere versteht man unter der Lufttrocknung eine Konservierungsform für Lebensmittel, bei der diesen unter normalen Lufttemperaturen und ohne eine zusätzliche Wärmezufuhr Wasser entzogen wird. Man bezeichnet das Verfahren auch als Dörren. Durch die Reduktion des Wassergehaltes auf einen Bereich von typischerweise zwischen 20 und 25 Prozent bleiben die Lebensmittel eine längere Zeit haltbar und verderben bzw. verschimmeln wesentlich langsamer. Der Geschmack bleibt erhalten und verstärkt sich teilweise sogar. Die Lebensmittel werden auf einem Gitterrost ausgebreitet, auf Zwirnfäden aufgezogen oder sonstwie an der zirkulierenden Luft vor Regen und direkter Sonne geschützt aufbewahrt. Dieser Gitterrost wurde früher als Darre bezeichnet, daher auch die Bezeichnung „dörren“.

Das Verfahren wird angewandt für

Lufttrocknung von Stockfisch

Getrocknete Fichtensteinpilze auf dem Sagra del Fungo (Pilzfestival) in Borgotaro (Italien).

• Getreide – möglichst Trocknung auf unter 14 Prozent Feuchtigkeit, typischerweise in Dächertrocknern
• Kräuter
• Pfeffer
• Pilze
• Hülsenfrüchte – Bohnen, Erbsen, Linsen
• Obst – Apfelringe, Backobst, Rosinen – siehe auch Trockenobst
• Fleisch – Parmaschinken, Serranoschinken, Bündnerfleisch, Pemmikan, Biltong – siehe auch Trockenfleisch
• Fisch – Stockfisch oder Klippfisch

Im weiteren Sinne gehört auch das traditionelle Kalträuchern in einer Räucherkate mit zum Lufttrocknen, da der Rauch hier nur eine zusätzliche Geschmacksnote gibt.

Vor der weiteren Zubereitung sollten die meisten getrockneten Lebensmittel gewässert werden, ausgenommen Fleisch.

Lufttrocknung von Bauwerken

Beim Temperaturanstieg im Sommer verschiebt sich die Kurve des Sättigungsdampfdruckes zu höheren Werten. Ist im Bauteil bereichsweise Kondenswasser enthalten, so muss in diesen Bereichen der vorhandene Dampfdruck p dem Sättigungsdampfdruck p_s entsprechen. Es kommt zur Austrocknung. Bei einschichtigen Bauteilen geht man vereinfachend davon aus, dass die Austrocknung aus der Mitte der Durchfeuchtungszone heraus geschieht.

Bei mehrschichtigen Bauteilen mit Tauwasserausfall an den Schichtgrenzen rechnet man mit Austrocknung von den betreffenden Schichtgrenzen aus. Bei einem durchfeuchteten Bereich wählt man als Ausgangspunkt der Trocknung die Bereichsmitte.

Bei sehr großen Temperaturunterschieden zwischen außen und innen kann bei der Austrocknung der Fall eintreten, dass die Austrocknung von neuer Tauwasserbildung in weiter innenliegenden Bereichen begleitet wird. Infolge der verringerten Trocknungsgeschwindigkeit spricht man dann von behinderter Trocknung.

Gemäß DIN 4108, Teil 5, Abschnitt 11.2.3 kann man davon ausgehen, dass Kondensation während der Trocknungsperiode nicht berücksichtigt zu werden braucht.

Im Regelfall werden bei nichtklimatisierten Räumen die vereinfachten Klimabedingungen nach DIN 4108 Teil 3 der Berechnung zugrunde gelegt:

Klimabedingungen nach DIN 4108, Teil 3
1. Tauperiode: Dauer 1440h = 60 Tage
Außenklima Innenklima	-10 °C +20 °C	80 % 50 %
2. Verdunstungsperiode: Dauer 2160h = 90 Tage
2.1 Wandbauteile und Decken unter nicht ausgebauten Dachräumen
Außenklima Innenklima Klima im Tauwasserbereich	+12 °C +12 °C +12 °C	70 % 70 % 100 %
2.2 Dächer, die Aufenthaltsräume gegen die Außenluft abschließen
Außenklima Temperatur an Dachoberfläche Innenklima Klima im Tauwasserbereich	+12 °C +20 °C +12 °C Temp. entsprechend dem Temperaturgefälle von außen nach innen	70 % 70 % 100 %

Lufttrocknung von Klärschlamm

Hierzu wird der in der Abwasserreinigung anfallende und vorentwässerte Klärschlamm mit Hilfe der natürliche Kraft der Sonne getrocknet. Diese Art von Lufttrocknung nennt man Solare Klärschlammtrocknung.

Der Schlamm wird großflächig in eine Trocknungshalle aufgebracht. Diese Halle gleicht einem Gewächshaus und hat eine transparenter Gebäudeeindeckung aus Folie, Polycarbonat oder auch Glas. Die Erwärmung der Trocknungsluft in der Halle erfolgt durch Umwandlung von direkter und diffuser Sonnenstrahlung, dadurch wird sowohl die Luft als auch der lagernde Klärschlamm erwärmt. Diese Erwärmung erhöht den Dampfdruck im Klärschlamm gegenüber der darüberstehenden Luft und verdunstet (siehe Verdunstung) das Wasser aus dem Klärschlamm. Ein eingebautes Lüftungssystem in der Halle (realisiert z.B durch Lüftungsklappen, Ventilatoren) sorgt für einen kontrollierten Luftaustausch. Dadurch wird die feuchte Luft aus der Trocknungshalle abgeführt bzw. ausgetauscht.

Der mögliche Trocknungsgrad des Schlammes ist ausschließlich von der Zeit abhängig. Er gibt an, wie viel Restfeuchte im Schlamm nach dem Trocknen vorhanden ist. Bei genügend langer Aufenthaltsdauer in der Halle erhält man einen Trocknungsgrad im Sommer von ca. 90 %. Im Winter verringert sich der spezifische Wasserentzug je m² Grundfläche, dadurch ist die Verdunstung etwas geringer als Sommer. Es ergibt sich im Winter ein niedriger Trocknungsgrad des Schlamms. Durch die Trocknung wird ein Granulat erzeugt, welches zum einen als nachwachsender Sekundärbrennstoff ^[1] mit einem Heizwert von 8–11 MJ/kg TS ^[2] (entspricht ca. 2-3 kWh/kg TS; Umrechnung: 1 MJ = 0,2778kWh) in Kohlekraft- und Zementwerken (als fossile Energieträger Ersatz) eingesetzt wird zum anderen auch als Dünger verwendet werden kann. Die größte solare Klärschlammtrocknungsanlage mit 7.200 m² Trocknungsfläche wird zurzeit in Nicaragua nach dem Wendewolf - Verfahren ^{[3] [4]} betrieben.

Literatur

• Quelle von Lufttrocknung von Bauwerken: Prof. Dr. A. Kober: Bauphysik. Vorlesungsscript der FH Darmstadt im FB Bauingenieurwesen.
• Achim Samwald, Dörren: Früchte, Gemüse, Kräuter, Ulmer (Eugen); Auflage: 4., überarb. A. (17. April 2007), ISBN 978-3-8001-4922-3.

Weblinks

• Funktionsweise der Luftentfeuchtung durch Adsorption
• Hinweise zur Trocknung von Lebensmitteln
• Beispiele von Heizwerten (Trockensubstanz)
• Einsatz von Sekundärbrennstoffen

Einzelnachweise

1. ↑ Stefan Lechtenböhmer, Sabine Nanning, Bernhard Hillebrand, Hans-Georg Buttermann; Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (Hrsg.): Einsatz von Sekundärbrennstoffen. Umsetzung des Inventarplanes und nationale unabhängige Überprüfung der Emissionsinventare für Treibhausgase, Teilvorhaben 02. Wuppertal 2007, ISSN 1862-4804 (http://opus.kobv.de/zlb/volltexte/2007/1090/pdf/Einsatz.pdf, abgerufen am 29. April 2011).
2. ↑ Beispiele von Heizwerten (Trockensubstanz)
3. ↑ Verfahrensinfo
4. ↑ Solare Klärschlammtrockung in Managua