Trocknung

  Unter einer Trocknung oder Austrocknung (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 gasformigen 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 (mech. 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.

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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 bei der 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

Pflanzen (oder auch Gebäude) werden oft durch das so genannte Kondensationsverfahren getrocknet. Bei diesem Verfahren wird die durch das zu trocknende Gut mit Feuchtigkeit angereicherte Trocknungsluft abgekühlt. Dadurch kondensiert das Wasser und kann in flüssiger Form (oder bei noch niedrigeren Temperaturen in fester Form) abgeführt werden. Da der Luft Wasser entnommen wurde, kann sie jetzt wieder neues Wasser aufnehmen. Ein Teil der durch Kondensation freigewordenen Energie kann dem Luftstrom wieder zugeführt werden. Die Raumtemperatur kann dabei den Bedürfnissen angepasst werden. (z. B.: Trockenluft 20 °C, beim Kondensieren 0 °C). Durch das Kondensationsverfahren erreicht man durch niedrigere Temperaturen eine schonendere Trocknung als bei der Trocknung durch künstliche Erwärmung der Luft.

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. Anwendung findet 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

Ähnlich wie bei der Kondensationstrocknung wird bei der Adsorptionstrocknung feuchte Luft in das Gerät hineingezogen. Diese wird dann durch einen mit Metallsilikat beschichteten Rotor geführt, welcher der Luft die Feuchtigkeit entzieht. Die entfeuchtete Luft wird anschließend erwärmt in den Raum zurückführt.

Lufttrocknung

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 Oberflächen 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 Farbanstrichen, Lacken, Baustoffen (siehe Lehmziegel rechts) und Wäsche (Leine) oder dem Austrocknen von Gewässern und Pfützen.

Lufttrocknung von Lebensmitteln

Insbesondere versteht man unter der Lufttrocknung eine Konservierungsform für Lebensmittel, bei der diesen unter normaler 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 % 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 Lattenrost ausgebreitet, auf Zwirnfäden aufgezogen oder sonstwie an der zirkulierenden Luft vor Regen und direkter Sonne geschützt aufbewahrt. Dieser Lattenrost wurde früher als Darre bezeichnet, daher auch die Bezeichnung „dörren“.

Das Verfahren wird angewandt für

• Getreide – möglichst Trocknung auf unter 14 % Feuchtigkeit, typischerweise in Dächertrocknern
• Kräuter
• Pilze
• Hülsenfrüchte – Bohnen, Erbsen, Linsen
• Obst – Apfelringe, Backobst, Rosinen – siehe auch Trockenobst
• Fleisch – Parmaschinken, Serranoschinken, Bündnerfleisch, Pemmikan
• 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:

Literatur

• Quelle von „Lufttrocknung von Bauwerken“: Prof. Dr. A. Kober: Bauphysik. Vorlesungsscript der FH Darmstadt im FB Bauingenieurwesen.