Liquid water flow in Pinus radiata during drying

Abstract

End-sealed 60×60×250 mm³ Pinus radiata pieces were dried at 65/37 °C (dry bulb/wet bulb temperature) and 4 ms^-1 air speed to study various drying phenomena above fibre saturation point. While drying, an X-ray computed tomography (CT) scanner captured a cross-cut density image every ten minutes. The density data was used to determine moisture content, rate of moisture loss from the core, wetline (boundary line of the free water region) depth and cross-cut area of the wood pieces. Repeating patterns were observed, which indicated that the cavity-size distribution of the wood pieces dictated fluctuations in the rate of moisture loss from the core and cross-cut area shrinkage during drying in the free water phase.

It is hypothesised that, while drying an interconnected capillary network in the free water phase, the largest meniscus penetrates a wood piece through the largest cavities, thus also allowing air into the capillary network. The largest meniscus would always get smaller as it penetrates the wood piece until it is not the largest meniscus in the network anymore. Then the new largest meniscus would start penetrating the capillary network, etc. The largest meniscus would also determine the liquid tension in the capillary network. When the largest meniscus gets small enough, and the liquid tension strong enough, deformation and collapse of the remaining liquid-filled cavities can occur. A large liquid-filled interconnected capillary network would eventually fragment into a number of smaller liquid-filled interconnected networks, at which point a receding wetline could be observed.

Zusammenfassung

Zur Untersuchung verschiedener Phänomene bei der Trocknung oberhalb des Fasersättigungsbe- reichs wurden Pinus radiata Prüfkörper mit den Abmessungen 60×60×250 mm³, an den Hirnholzenden versiegelt, bei einer Trocken- bzw. Feuchttemperatur von 65 bzw. 37 °C und einer Luftgeschwindigkeit von 4 ms^-1 getrocknet. Mittels Röntgencomputertomografie wurde im 10-Minuten-Takt die Rohdichteverteilung im Holzquerschnitt erfasst. Anhand dieser Daten wurden die Holzfeuchte, die Geschwindigkeit der Feuchteänderung im Kern, die Tiefe der Verdampfungsgrenze (Grenze des Bereichs mit freiem Wasser) sowie die Querschnittsfläche der Prüfkörper bestimmt. Dabei wurde ein sich wiederholendes Muster beobachtet, das darauf hinweist, dass die Größe der Hohlräume im Holz für die unterschiedliche Geschwindigkeit der Feuchteänderung im Kern und das Schwindmaß des Querschnitts während der Trocknung in der Freien-Wasser-Phase maßgebend ist.

Es wird angenommen, dass beim Trocknen eines Systems miteinander verbundener Kapillaren in der Freien-Wasser-Phase der größte Meniskus über den größten Hohlraum eindringt und dabei auch Luft in das Kapillarnetz gelangen kann. Der größte Meniskus wird beim Eindringen in das Holz immer kleiner, bis er nicht mehr der größte Meniskus im Netz ist. Daraufhin dringt der dann größte Meniskus in das Kapillarnetz ein, usw. Der größte Meniskus bestimmt auch die Flüssigkeitsspannung im Kapillarnetz. Wenn der größte Meniskus hinreichend klein und die Flüssigkeitsspannung hinreichend groß ist, kann es zu einer Verformung und zu einem Kollaps der restlichen, mit Flüssigkeit gefüllten Hohlräume kommen. Ein großes, mit Flüssigkeit gefülltes Kapillarnetz zerfällt letztendlich in etliche kleinere, mit Flüssigkeit gefüllte Netze, dabei ist ein Zurückweichen der Verdampfungsgrenze zu beobachten.