Zur Konvektionstrocknung von Schnittholz bei extrem hohen Temperaturen

Zusammenfassung

Als Beitrag zur Hochtemperaturtrocknung von Schnittholz wurden systematische Untersuchungen über die Trocknung von Kiefern-Splint-und Buchenholzbrettern in Luft-Dampf-Gemischen bei den extrem hohen Trocknungstemperaturen von 150, 165 und 180°C und zum Vergleich auch noch bei den heute schon gebräuchlichen Temperaturen von 110 und 130° C durch-geführt. Die vorliegende Mitteilung befaßt sich mit dem allgemeinen Verlauf und kennzeichnenden Eigentümlichkeiten der Trocknung sowie mit den Temperaturverhältnissen in den trocknenden Brettern. In einer späteren Mitteilung wird dann über die bei den Versuchen aufgetretenen Trocknungsschäden sowie Farb-und Festigkeitsänderungen des Holzes, berichtet.

Zuerst werden die Unterschiede zwischen der Hochtemperaturtrocknung in Luft-Dampf-Gemischen und im Heißdampf beschrieben und neue Diagramme zur Bestimmung der relativen Luftfeuchtigkeit im Temperaturbereich von 100 bis 200° C und des Holzfeuchtigkeitsgleichgewichtes im Bereich von 100 bis 180 °C wiedergegeben. Theoretische Betrachtungen und Vorversuche mit einem weitgehend „idealen Trocknungsgut” (Ytong-Gasbetonplatten) dienten dazu, den Einfluß der psychrometrischen Differenz des Trocknungsmittels auf die Trocknungsgeschwindigkeit zu bestimmen. Es ergab sich, daß bei diesem Trocknungsgut die Trocknungsgeschwindigkeit nicht nur im ersten Trocknungsabschnitt (der Theorie entsprechend), sondern auch noch in einem wesentlich erweiterten Bereich der Trocknung der psychrometrischen Differenz proportional ist, und zwar unabhängig von der Höhe der Feuchttemperatur.

Die Trocknungsversuche (insgesamt 76) wurden in einem Laboratoriumstrockner mit Einrichtungen zur automatischen Aufzeichnung der Gewichtsabnahme des Versuchsbrettes und der Brettemperaturen durchgeführt. Die Feuchttemperatur des Trocknungsmittels wurde zu 90, 75 und 70° C, die Strömungs-geschwindigkeit zu 3 und 12 m/s, die Brettdicke bei Kiefern-Splintholz zu 10, 20 und 40 mm, bei Buchenholz zu 20 mm gewählt. Der Anfangsfeuchtigkeitsgehalt der Brettproben lag zwischen 130 und 160%.

Die Dauer der Trocknung der 20 mm dicken Kiefern-Splintholzbretter von 100 auf 10% mittlere Holzfeuchtigkeit betrug bei 3 m/s Strömungsgeschwindigkeit und 90° C Feuchttemperatur 9,0 h bei 110° C Trocknungstemperatur, 5,3 h bei 130° C, 3,6 h bei 150° C und 2,4 h bei 180° C. Die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit auf 12 m/s erbrachte eine Verkürzung der Trocknungszeiten auf entsprechend 6,4 h, 3,7 h, 2,8 h und 1,7 h. Es ließ sich abschätzen, daß eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit von 3 auf 12 m/s (bei gleichbleibender Trocknungstemperatur) annähernd eine gleiche Verkürzung der Trocknungsdauer wie eine Anhebung der Trocknungstemperatur um 15° C (bei gleichbleibender Strömungsgeschwindikeit) bewirkt. Grundsätzlich ähnliche Verhältnisse ergaben sich auch bei der Trocknung der Buchenholzbretter, die jedoch bei 130, 150 und 180° C etwas schneller trockneten als die Kiefern-Splintholzbretter.

Der Abschnitt konstanter Trocknungsgeschwindigkeit konnte nur bei einigen Versuchen ausreichend genau erfaßt werden. In diesem Abschnitt erhöhte sich die Trocknungsgeschwindigkeit mit der 0,54 ten Potenz der Strömungsgeschwindigkeit. Im Bereich fallender Trocknungsgeschwindigkeit. Im Bereich fallender Trocknungsgeschwindigkeit verringerte sich der Einfluß der Strömungsgeschwindigkeit auf die Trocknungstetig mit abnehmender Holzfeuchtigkeit. Die Untersuchung der mittleren Trocknungsgeschwindigkeit zwischen 100 und 10% Holzfeuchtigkeit bei sämtlichen Trocknungsversuchen mit Kiefern-Splintholz bei 90° C Feuchttemperatur ergab daß diese Trocknungsgeschwindigkeit, ebenso wie bei dem Gasbeton, der psychrometrischen Differenz annähernd, proportional war, Bei gleicher psychrometrischer Differenz war jedoch die mittlere Trocknungsgeschwindigkeit bei 70° C Feuchttemperatur vergleichsweise wesentlich niedriger. Weiterhin ergab sich, daß bei der Schnittholztrocknung mit Temperaturen von 130° C und darüber der Einfluß der relativen Luftfeuchtigkeit auf die gesamte Trocknungsdauer praktisch verschwindet. Anhand der erhaltenen Versuchsergebnisse konnten Gleichungen für die näherungsweise Berechnung der Trocknungszeit aufgestellt werden.

Die Untersuchung der Temperaturen in der Randzone (1 mm unter der Oberfläche) und in mittlerer Dicke der trocknenden Bretter ab 100% mittlerer Holzfeuchtigkeit ergab, daß die Brettemperaturen mit abnebmender Holzfeuchtigkeit, ständig anstiegen und erst am Trocknungsende die Höhe der eingestellten Trocknungstemperatur erreichten. Bei allen Versuchen mit 90° C Feuchttemperatur wurde in Brettmitte schon oberhalb der Fasersättigungsfeuchtigkiet die Siedetemperatur von 100° C überschritten, wodurch im Holz ein Überdruck entstehen mußte. Erst bei 180° C Trocknungstemperatur konnte eine geringe thermische Teilzersetzung des Holzes nachgewiesen werden. Durch Senkung der Feuchttemperatur konnte die thermische Beanspruchung des trocknenden Holzes verringert werden.

Summary

As a contribution to high-temperature drying of lumber investigations on the drying of pine sapwood and beechwood boards in air-steam mixtures at the extremely high drying temperatures of 150, 165 and 180° C and for comparison of 110 and 130° C were carried out. The present paper deals with the general course and special characteristics of the drying and with the temperatures in the drying boards. In a subsequent paper to be published later degrades as well as changes in colour and strength caused by drying will be accounted for.

First the differences between high-temperature drying in air-steam mixtures and superheated steam are described, and new diagrams for the determination of the relative humidity at temperatures from 100 to 200° C and the equilibrium moisture content within a range of 100 to 180° C are developed. Theoretical considerations and pre-tests with an almost “idealized drying material” (Ytong aerated cement slabs) served to determine the influence of the psychrometric difference of the drying medium on the drying rate. It was found that the drying rate of this material was not only proportional to the psychrometric difference within the constant rate period (according to theory) but also over an extended range of drying and that independent of the height of wet-bulb temperature.

The drying tests (76 altogether) were carried out in a laboratory dry kiln equipped with devices for automatically recording the decrease in weight and the temperatures of the tested specimen. The wet-bulb temperature of the drying medium was chosen to be 90, 75 and 70° C, its flow velocity 3 and 12 m/s, the thickness of pine sapwood boards was 10, 20 and 40 mm, that of beechwood boards 20 mm. The initial moisture content of the specimens ranged between 130 and 160%.

The drying time of the 20 mm thick pine sapwood boards from 100 to 10% average moisture content with 3 m/s flow velocity and 90° C wet-bulb temperature, was 9,0 h at 110° C drying temperature, 5,3 h at 130° C, 3,6 h at 150° C and 2,4 h at 180° C. The increase in flow velocity to 12 m/s reduced the drying time accordingly to 6,4h, 3,7h, 2,8h and 1,7h. It could be estimated, that an increase in flow velocity from 3 to 12 m/s (at constant drying temperature) led to approximately the same reduction in the drying time as the raising of the drying temperature by 15° C (with constant flow velocity). The drying of the beechwood boards in principal led to analogous relations; however at 130, 150 and 180° C the drying times of pine sapwood boards were somewhat longer.

Only in some tests, the constant rate period could by determined satisfactorily. Within this first stage of drying, the drying rate increased with the 0,54 power of the flow velocity. within the falling rate period, the influence of the flow velocity on drying decreased steadity with decreasing wood moisture content. As regards the average drying rate between 100 and 10% wood moisture content of pine sapwood at 90° C wet bulb temperature, the investigations showed that this drying rate was approximately proportional to the psychrometric difference, as was the case with the Ytong aerated cement slabs. For the same psychrometric difference the average drying rate at 70 °C wet bulb temperature was relatively much lower. In addition the tests revealed that, with lumber drying at temperatures of 130 °C and above, the influence of the relative humidity on the total drying time is practically of no more importance. The test results obtained permitted to set up equations for the approximative calculation of the drying time.

The investigation of the temperatures in the edge zone (1 mm below the surface) and in the center line of the drying boards beginning with 100% wood moisture content showed that the board temperatures rose continuously with decreasing wood moisture content and reached the height of dry-bulb temperature adjusted only at the end of drying. In all tests with 90° C wet-bulb temperature, in te board center the boiling point of 100° C was exceeded already above the fibre saturation point, thus causing a pressure in excess of atmospheric pressure in the wood. Only at 180° C drying temperature a slight partial thermal degradation was detectable. By lowering the wet-bulb temperature, the thermal load of the drying wood could be reduced.