Holztrocknung - Wood drying

Lufttrocknender Holzstapel

Die Holztrocknung (auch Würzschnittholz oder Holzwürze ) reduziert den Feuchtigkeitsgehalt des Holzes vor seiner Verwendung. Wenn das Trocknen in einem geschieht Brennofen , wird das Produkt als bekannte gebranntem Holz oder Bauholz , während Lufttrocknung die traditionellere Verfahren ist.

Es gibt zwei Hauptgründe für das Trocknen von Holz:

Holzbearbeitung
Wenn Holz als Baustoff verwendet wird, sei es als tragende Stütze in einem Gebäude oder in holzverarbeitenden Gegenständen, nimmt es Feuchtigkeit auf oder gibt sie ab, bis es mit seiner Umgebung im Gleichgewicht ist. Das Gleichgewicht (normalerweise das Trocknen) verursacht eine ungleichmäßige Schwindung des Holzes und kann das Holz beschädigen, wenn das Gleichgewicht zu schnell erfolgt. Das Gleichgewicht muss kontrolliert werden, um Schäden am Holz zu vermeiden.
Holzverbrennung
Wenn Holz ( Brennholz ) verbrannt wird , ist es normalerweise am besten, es zuerst zu trocknen. Schwindungsschäden sind hier kein Problem, wie dies bei der Trocknung zur Holzbearbeitung der Fall sein kann. Feuchtigkeit beeinflusst den Verbrennungsprozess, wobei unverbrannte Kohlenwasserstoffe den Schornstein hinaufsteigen. Wenn ein 50% feucht lügt bei hohen Temperatur, mit gutem Wärmeentzug aus dem Abgas verbrannt wird , was zu einer 100 ° C Abgastemperatur , etwa 5% der Energie des Stammes wird durch Verdampfen und Erhitzen des Wasserdampfs verschwendet. Mit Kondensatoren lässt sich der Wirkungsgrad weiter steigern; aber für den normalen Ofen ist der Schlüssel zum Verbrennen von nassem Holz, es sehr heiß zu verbrennen, vielleicht mit trockenem Holz anzuzünden.
Kleine Brennholzscheite, die vor Ort trocknen

Für manche Zwecke wird Holz überhaupt nicht getrocknet und grün verwendet . Holz muss oft im Gleichgewicht mit der Außenluft wie bei Bauholz oder der Innenluft wie bei Holzmöbeln sein.

Holz wird luftgetrocknet oder in einem speziell dafür gebauten Ofen ( Ofen ) getrocknet . Normalerweise wird das Holz vor dem Trocknen gesägt, aber manchmal wird das Holz ganz getrocknet.

Einsatzhärten bezeichnet Holz oder Holz, das zu schnell getrocknet wurde. Holz trocknet zunächst von der Schale (Oberfläche), schrumpft die Schale und setzt den Kern unter Druck. Wenn diese Schale einen niedrigen Feuchtigkeitsgehalt hat, wird sie "fest werden" und dem Schrumpfen widerstehen. Der Holzkern hat noch einen höheren Feuchtigkeitsgehalt. Dieser Kern beginnt dann zu trocknen und zu schrumpfen. Einem Schrumpfen wird jedoch durch die bereits 'abgebundene' Schale widerstanden. Dies führt zu umgekehrten Spannungen; Druckspannungen an der Schale und Zugspannungen im Kern. Dies führt zu einer nicht entspannten Spannung, die als Einsatzhärtung bezeichnet wird. Einsatzgehärtetes [Holz] kann sich beim Abbau der Spannung durch Sägen erheblich und gefährlich verziehen .

Holzarten

Holz wird nach seiner botanischen Herkunft in zwei Arten eingeteilt: Nadelhölzer, Nadelhölzer, und Laubhölzer, Laubhölzer. Weichhölzer sind leichter und im Allgemeinen einfach in der Struktur, während Harthölzer härter und komplexer sind. In Australien beschreibt Weichholz jedoch im Allgemeinen Regenwaldbäume und Hartholz beschreibt Sclerophyll- Arten ( Eucalyptus spp ).

Nadelhölzer wie Kiefer sind in der Regel viel leichter und einfacher zu bearbeiten als Harthölzer wie Obstbaumholz. Die Dichte der Nadelhölzer reicht von350 kg/m 3 to700 kg/m 3 , Harthölzer sind450 kg/m 3 to1250 kg / m 3 . Nach dem Trocknen bestehen beide aus ungefähr 12% Feuchtigkeit ( Desch und Dinwoodie, 1996 ). Aufgrund der dichteren und komplexeren Struktur von Hartholz ist seine Durchlässigkeit viel geringer als die von Weichholz, was das Trocknen erschwert. Obwohl es etwa hundertmal mehr Laubholzarten gibt als Nadelholzbäume, ist Nadelholz heute aufgrund seiner schnelleren und einfacheren Trocknung und Verarbeitung zum Hauptlieferanten von Nutzholz.

Holz-Wasser-Beziehungen

Das Holz lebender Bäume und frischer Stämme enthält viel Wasser, das oft über 50 % des Holzgewichts ausmacht. Wasser hat einen erheblichen Einfluss auf Holz. Holz tauscht ständig Feuchtigkeit oder Wasser mit seiner Umgebung aus, wobei die Austauschgeschwindigkeit stark vom Versiegelungsgrad des Holzes beeinflusst wird.

Holz enthält Wasser in drei Formen:

Kostenloses Wasser
Der Großteil des in den Zelllumina enthaltenen Wassers wird nur durch Kapillarkräfte gehalten. Es ist nicht chemisch gebunden und wird als freies Wasser bezeichnet. Freies Wasser befindet sich nicht im gleichen thermodynamischen Zustand wie flüssiges Wasser: Es wird Energie benötigt, um die Kapillarkräfte zu überwinden . Darüber hinaus kann freies Wasser Chemikalien enthalten, die die Trocknungseigenschaften von Holz verändern.
Gebundenes oder hygroskopisches Wasser
Gebundenes Wasser wird über Wasserstoffbrücken an das Holz gebunden . Die Anziehungskraft von Holz auf Wasser beruht auf dem Vorhandensein von freien Hydroxylgruppen (OH) in der Zellulose , Hemizellulosen und Ligninmolekülen in der Zellwand. Die Hydroxylgruppen sind negativ geladen. Da Wasser eine polare Flüssigkeit ist, ziehen die freien Hydroxylgruppen in Cellulose Wasser durch Wasserstoffbrücken an und halten es fest.
Dampf
Wasser in Zelllumina in Form von Wasserdampf ist bei normaler Temperatur und Luftfeuchtigkeit normalerweise vernachlässigbar.

Feuchtigkeitsgehalt

Die Holzfeuchte berechnet sich als Massenänderung im Verhältnis zur Trockenmasse nach der Formel (Siau, 1984):

Ist hier die grüne Masse des Holzes, ist seine ofentrockene Masse (das Erreichen einer konstanten Masse im Allgemeinen nach dem Trocknen in einem Ofen bei103 ± 2 °C (218 ± 4 °F ) für 24 Stunden, wie von Walker et al. , 1993). Die Gleichung kann auch als Bruchteil der Masse des Wassers und der Masse des ofentrockenen Holzes anstatt als Prozentsatz ausgedrückt werden. Beispielsweise,0,59 kg/kg (Ofentrockenbasis) drückt den gleichen Feuchtigkeitsgehalt wie 59% (Ofentrockenbasis) aus.

Fasersättigungspunkt

Diese IPPC- Markierungen auf einer Holzpalette zeigen KD: ofengetrocknet, HT: wärmebehandelt und DB: entrindet an. Grundsätzlich muss jedes Holzverpackungsmaterial, das in einen IPPC-Mitgliedstaat exportiert wird, einen solchen Stempel tragen.

Wenn grünes Holz trocknet, geht zuerst freies Wasser aus den Zelllumina, das nur von den Kapillarkräften gehalten wird. Physikalische Eigenschaften wie Festigkeit und Schrumpfung werden im Allgemeinen durch die Entfernung von freiem Wasser nicht beeinflusst. Der Fasersättigungspunkt (FSP) ist definiert als der Feuchtigkeitsgehalt, bei dem freies Wasser vollständig verschwunden sein sollte, während die Zellwände mit gebundenem Wasser gesättigt sind. Bei den meisten Holzarten liegt der Fasersättigungspunkt bei 25 bis 30 % Feuchtigkeit. Siau (1984) berichtete, dass der Fasersättigungspunkt (kg/kg) nach folgender Gleichung von der Temperatur T (°C) abhängt:

(1.2)

Keyyet al. (2000) verwenden eine andere Definition des Fasersättigungspunktes (Gleichgewichtsfeuchte von Holz in einer Umgebung von 99% relativer Luftfeuchtigkeit).

Viele Eigenschaften von Holz ändern sich erheblich, wenn das Holz unterhalb des Fasersättigungspunktes getrocknet wird, darunter:

  1. Volumen (idealerweise tritt keine Schrumpfung auf, bis etwas gebundenes Wasser verloren geht, dh bis das Holz unter FSP getrocknet ist);
  2. Festigkeit (die Festigkeiten nehmen im Allgemeinen konstant zu, wenn das Holz unterhalb des FSP getrocknet wird (Desch und Dinwoodie, 1996), mit Ausnahme der Schlagbiegefestigkeit und in einigen Fällen der Zähigkeit);
  3. spezifischer elektrischer Widerstand , der mit dem Verlust von gebundenem Wasser sehr schnell ansteigt, wenn das Holz unterhalb des FSP trocknet.

Gleichgewichtsfeuchtigkeitsgehalt

Holz ist eine hygroskopische Substanz. Es hat die Fähigkeit, Feuchtigkeit in Form von Dampf aufzunehmen oder abzugeben. Im Holz enthaltenes Wasser übt einen eigenen Dampfdruck aus, der durch die maximale Größe der mit Wasser gefüllten Kapillaren zu jedem Zeitpunkt bestimmt wird. Wenn der Wasserdampfdruck im Umgebungsraum niedriger ist als der Dampfdruck im Holz, findet eine Desorption statt. Die größten Kapillaren, die zu diesem Zeitpunkt mit Wasser gefüllt sind, entleeren sich zuerst. Der Dampfdruck im Holz sinkt, da nach und nach Wasser in kleineren Kapillaren eingeschlossen wird. Ein Stadium wird schließlich erreicht, wenn der Dampfdruck im Holz dem Dampfdruck im Umgebungsraum über dem Holz gleicht und die weitere Desorption aufhört. Die zu diesem Zeitpunkt im Holz verbleibende Feuchtigkeitsmenge steht im Gleichgewicht mit dem Wasserdampfdruck im umgebenden Raum und wird als Gleichgewichtsfeuchte oder EMC bezeichnet (Siau, 1984). Aufgrund seiner Hygroskopizität neigt Holz dazu, einen Feuchtigkeitsgehalt zu erreichen, der mit der relativen Feuchtigkeit und Temperatur der Umgebungsluft im Gleichgewicht ist.

Die EMV von Holz variiert stark mit der relativen Luftfeuchtigkeit der Umgebung (eine Funktion der Temperatur), in geringerem Maße mit der Temperatur. Siau (1984) berichtete, dass die EMV auch sehr geringfügig mit der Holzart, der mechanischen Beanspruchung, der Trocknungsgeschichte des Holzes, der Dichte, dem Extraktgehalt und der Sorptionsrichtung, in der die Feuchtigkeitsänderung stattfindet (dh Adsorption oder Desorption), variiert.

Feuchtigkeitsgehalt von Holz im Betrieb

Holz behält seine hygroskopischen Eigenschaften nach der Verwendung. Es wird dann einer schwankenden Luftfeuchtigkeit ausgesetzt, die ausschlaggebend für seine EMV ist. Diese Schwankungen können mehr oder weniger zyklisch sein, wie zum Beispiel Tageswechsel oder jahreszeitliche Veränderungen.

Um die Veränderungen des Holzfeuchtigkeitsgehalts oder die Bewegung von Holzgegenständen im Betrieb zu minimieren, wird Holz normalerweise auf einen Feuchtigkeitsgehalt getrocknet, der nahe den durchschnittlichen EMV-Bedingungen liegt, denen es ausgesetzt ist. Diese Bedingungen variieren für Innenanwendungen im Vergleich zu Außenanwendungen an einem bestimmten geografischen Standort. Zum Beispiel wird gemäß dem Australian Standard for Timber Drying Quality (AS/NZS 4787, 2001) für die meisten australischen Bundesstaaten ein EMC von 10-12 % empfohlen, obwohl in einigen Extremfällen bis zu 15 bis 18 % betragen Orte in Queensland, Northern Territory, Western Australia und Tasmanien. In trockenen, zentral beheizten Häusern und Büros oder in permanent klimatisierten Gebäuden liegt die EMV jedoch bei nur 6 bis 7 %.

Schrumpfung und Schwellung

Beim Holz kann es zu Schwindungen und Quellen kommen, wenn der Feuchtigkeitsgehalt geändert wird (Stamm, 1964). Schwindung tritt auf, wenn der Feuchtigkeitsgehalt abnimmt, während Quellung stattfindet, wenn er zunimmt. Die Volumenänderung ist nicht in alle Richtungen gleich. Die größte Dimensionsänderung tritt tangential zu den Jahresringen auf. Die Schwindung vom Mark nach außen oder radial ist normalerweise erheblich geringer als die tangentiale Schwindung, während die Schwindung in Längsrichtung (entlang der Faser) so gering ist, dass sie normalerweise vernachlässigt wird. Der Längsschrumpf beträgt 0,1 % bis 0,3 % im Gegensatz zu den Querschrumpfungen, die 2 bis 10 % betragen. Die tangentiale Schrumpfung ist oft etwa doppelt so groß wie in radialer Richtung, obwohl sie bei einigen Arten sogar fünfmal so groß ist. Die Schrumpfung beträgt etwa 5 bis 10 % in tangentialer Richtung und etwa 2 bis 6 % in radialer Richtung (Walker et al. , 1993).

Differenzielles Querschwinden von Holz hängt zusammen mit:

  1. der Wechsel von Spätholz und Frühholz innerhalb des Jahresrings;
  2. der Einfluss von Holzstrahlen auf die radiale Richtung (Kollmann und Cote, 1968);
  3. die Merkmale der Zellwandstruktur wie Mikrofibrillenwinkelmodifikationen und Grübchen;
  4. die chemische Zusammensetzung der Mittellamelle.

Die Holztrocknung kann als die Kunst beschrieben werden, sicherzustellen, dass sich grobe Dimensionsänderungen durch Schwinden auf den Trocknungsprozess beschränken. Idealerweise wird Holz auf den Gleichgewichtsfeuchtegehalt getrocknet, den das Holz später (im Betrieb) erreicht. Somit wird eine weitere Dimensionsänderung auf ein Minimum beschränkt.

Es ist wahrscheinlich unmöglich, die Dimensionsänderung bei Holz vollständig zu eliminieren, aber die Eliminierung der Größenänderung kann durch chemische Modifikation angenähert werden. Holz kann beispielsweise mit Chemikalien behandelt werden, um die Hydroxylgruppen durch andere hydrophobe funktionelle Gruppen von Modifizierungsmitteln zu ersetzen (Stamm, 1964). Unter allen existierenden Verfahren ist die Holzmodifizierung mit Essigsäureanhydrid für die hohe Antischrumpf- oder Antiquelleffizienz (ASE) bekannt, die ohne Holzschädigung erreichbar ist. Die Acetylierung von Holz wurde jedoch aufgrund der Kosten, der Korrosion und des Einschlusses der Essigsäure in Holz nur langsam kommerzialisiert. Zur chemischen Modifizierung von Holz existiert eine umfangreiche Literatur (Rowell, 1983, 1991; Kumar, 1994; Haque, 1997).

Die Holztrocknung ist eine Methode zur Wertsteigerung von Sägeprodukten aus der primären holzverarbeitenden Industrie. Nach Angaben der Australian Forest and Wood Products Research and Development Corporation (FWPRDC) steigt der Wert von grün gesägtem Hartholz, das für etwa 350 US-Dollar pro Kubikmeter oder weniger verkauft wird, durch Trocknung und Verarbeitung auf 2.000 US-Dollar pro Kubikmeter oder mehr. Die derzeit eingesetzten konventionellen Trocknungsverfahren führen jedoch häufig zu erheblichen Qualitätsproblemen durch Risse, sowohl äußerlich als auch innerlich, was den Wert des Produkts mindert. Beispielsweise verlieren Sägewerker in Queensland (Anon, 1997) unter der Annahme, dass 10 % des getrockneten Nadelholzes aufgrund von Trocknungsfehlern um 200 Dollar pro Kubikmeter abgewertet werden, jährlich etwa 5 Millionen Dollar. In Australien könnte der Verlust für Weichholz 40 Millionen US-Dollar pro Jahr und für Hartholz einen gleichen oder höheren Betrag betragen. Daher ist eine ordnungsgemäße Trocknung unter kontrollierten Bedingungen vor der Verwendung von großer Bedeutung bei der Holznutzung in Ländern, in denen die klimatischen Bedingungen zu verschiedenen Jahreszeiten stark variieren.

Das Trocknen, wenn es zeitnah nach dem Fällen von Bäumen durchgeführt wird, schützt das Holz auch vor primärem Fäulnis, Pilzbefall und dem Befall durch bestimmte Insektenarten. Organismen, die Fäulnis und Flecken verursachen, können in Holz mit einem Feuchtigkeitsgehalt unter 20 % im Allgemeinen nicht gedeihen. Einige, wenn auch nicht alle, Schadinsekten können nur in grünem Holz leben.

Neben den oben genannten Vorteilen der Holztrocknung sind auch die folgenden Punkte von Bedeutung (Walker et al. , 1993; Desch und Dinwoodie, 1996):

  1. Getrocknetes Holz ist leichter und die Transport- und Handhabungskosten werden reduziert.
  2. Getrocknetes Holz ist in den meisten Festigkeitseigenschaften stärker als grünes Holz.
  3. Hölzer zur Imprägnierung mit Konservierungsmitteln müssen für eine gute Durchdringung, insbesondere bei ölhaltigen Konservierungsmitteln, ausreichend getrocknet werden.
  4. Im Bereich der chemischen Modifizierung von Holz und Holzprodukten sollte das Material auf einen bestimmten Feuchtigkeitsgehalt getrocknet werden, damit entsprechende Reaktionen ablaufen.
  5. Trockenes Holz funktioniert im Allgemeinen, maschinell, bearbeitet und verleimt besser als Rohholz (obwohl es Ausnahmen gibt; zum Beispiel ist Rohholz oft einfacher zu drehen als trockenes Holz). Farben und Lacke halten auf trockenem Holz länger.
  6. Durch die Trocknung werden die elektrischen und thermischen Isolationseigenschaften von Holz verbessert.

Die zeitnahe Trocknung des Holzes unmittelbar nach dem Fällen wertet somit das Rohholz deutlich auf und wertet es auf. Die Trocknung ermöglicht eine erhebliche langfristige Wirtschaftlichkeit durch Rationalisierung der Nutzung von Holzressourcen. Die Holztrocknung ist somit ein Forschungs- und Entwicklungsbereich, der viele Forscher und Holzunternehmen weltweit beschäftigt.

Mechanismen der Feuchtigkeitsbewegung

Wasser im Holz bewegt sich normalerweise von Zonen mit höherem zu Zonen mit niedrigerem Feuchtigkeitsgehalt (Walker et al. , 1993). Die Trocknung beginnt an der Außenseite des Holzes und bewegt sich zur Mitte hin, und eine Trocknung an der Außenseite ist auch notwendig, um Feuchtigkeit aus den inneren Zonen des Holzes zu entfernen. Holz stellt sich anschließend im Feuchtigkeitsgehalt der Umgebungsluft ein.

Feuchtigkeitsdurchgänge

Die treibende Kraft der Feuchtigkeitsbewegung ist das chemische Potenzial. Es ist jedoch nicht immer einfach, das chemische Potenzial von Holz mit allgemein beobachtbaren Variablen wie Temperatur und Feuchtigkeitsgehalt in Verbindung zu bringen (Keey et al. , 2000). Feuchtigkeit im Holz bewegt sich im Holz als Flüssigkeit oder Dampf durch verschiedene Arten von Durchgängen, abhängig von der Natur der treibenden Kraft (z. B. Druck- oder Feuchtigkeitsgradient) und Variationen in der Holzstruktur (Langrish und Walker, 1993), wie in explained erläutert der nächste Abschnitt über die treibenden Kräfte für die Feuchtigkeitsbewegung. Diese Bahnen bestehen aus Hohlräumen der Gefäße, Fasern, Holzstrahlzellen, Grubenkammern und ihren Grubenmembranöffnungen, Interzellularräumen und vorübergehenden Zellwanddurchgängen.

In diesen Durchgängen findet eine Bewegung des Wassers in jede Richtung statt, sowohl längs in den Zellen als auch seitlich von Zelle zu Zelle, bis es die seitlichen Trocknungsflächen des Holzes erreicht. Die höhere Längsdurchlässigkeit von Splint oder Laubholz wird im Allgemeinen durch das Vorhandensein von Gefäßen verursacht. Die seitliche Durchlässigkeit und Querströmung ist bei Harthölzern oft sehr gering. Die Gefäße in Harthölzern werden manchmal durch das Vorhandensein von Tylosen und/oder durch die Absonderung von Gummi und Harzen bei einigen anderen Arten, wie bereits erwähnt, blockiert. Das Vorhandensein von Zahnfleischadern, deren Bildung oft das Ergebnis einer natürlichen Schutzreaktion von Bäumen auf Verletzungen ist, wird häufig auf der Oberfläche von gesägten Brettern der meisten Eukalyptusbäume beobachtet. Trotz des im Allgemeinen höheren Volumenanteils von Holzstrahlen in Harthölzern (typischerweise 15 % des Holzvolumens) sind die Holzstrahlen bei radialer Strömung nicht besonders effektiv, noch sind die Grübchen auf den radialen Oberflächen der Fasern bei tangentialer Strömung wirksam (Langrish und Walker, 1993) .

Bewegungsraum für Feuchtigkeit

Der verfügbare Raum für Luft und Feuchtigkeit im Holz hängt von der Dichte und Porosität des Holzes ab. Porosität ist der Volumenanteil des Hohlraums in einem Festkörper. Die Porosität wird mit 1,2 bis 4,6 % des Trockenvolumens der Holzzellwand angegeben (Siau, 1984). Andererseits ist die Permeabilität ein Maß für die Leichtigkeit, mit der Flüssigkeiten durch einen porösen Festkörper unter dem Einfluss einiger treibender Kräfte, zB kapillarer Druckgradient oder Feuchtigkeitsgradient, transportiert werden. Es ist klar, dass Feststoffe porös sein müssen, um durchlässig zu sein, aber daraus folgt nicht notwendigerweise, dass alle porösen Körper durchlässig sind. Durchlässigkeit kann nur bestehen, wenn die Leerräume durch Öffnungen miteinander verbunden sind. Zum Beispiel kann ein Hartholz durchlässig sein, weil es zu Lochfraß zwischen den Gefäßen mit Öffnungen in den Membranen kommt (Keey et al. , 2000). Sind diese Membranen verstopft oder verkrustet oder werden die Gruben abgesaugt, nimmt das Holz eine geschlossenzellige Struktur an und kann praktisch undurchlässig sein. Die Dichte ist auch für undurchlässige Harthölzer wichtig, da pro Distanzeinheit mehr Zellwandmaterial durchquert wird, was einen erhöhten Diffusionswiderstand bietet (Keey et al. , 2000). Daher trocknen leichtere Hölzer im Allgemeinen schneller als schwerere Hölzer. Der Transport von Flüssigkeiten ist bei durchlässigen Weichhölzern bei hoher Temperatur häufig Massenstrom (Impulsübertragung), während bei undurchlässigen Harthölzern Diffusion stattfindet (Siau, 1984). Diese Mechanismen werden unten diskutiert.

Treibende Kräfte für die Feuchtigkeitsbewegung

Drei Haupttriebkräfte, die in verschiedenen Versionen von Diffusionsmodellen verwendet werden, sind der Feuchtigkeitsgehalt, der Partialdruck des Wasserdampfs und das chemische Potenzial (Skaar, 1988; Keey et al. , 2000). Diese werden hier diskutiert, einschließlich der Kapillarwirkung, die ein Mechanismus für den freien Wassertransport in durchlässigen Nadelhölzern ist. Die Gesamtdruckdifferenz ist die treibende Kraft bei der Holzvakuumtrocknung.

Kapillarwirkung

Kapillarkräfte bestimmen die Bewegungen (oder Bewegungsfreiheit) von freiem Wasser. Es ist sowohl auf Adhäsion als auch auf Kohäsion zurückzuführen. Adhäsion ist die Anziehungskraft von Wasser zu anderen Stoffen und Kohäsion ist die Anziehungskraft der Moleküle im Wasser zueinander.

Beim Trocknen von Holz entstehen durch die Verdunstung von Wasser von der Oberfläche Kapillarkräfte, die das freie Wasser in den Holzzonen unter der Oberfläche anziehen. Wenn kein freies Wasser mehr im Holz ist, spielen Kapillarkräfte keine Rolle mehr.

Unterschiede im Feuchtigkeitsgehalt

Das chemische Potenzial wird hier erklärt, da es die wahre Triebkraft für den Transport von Wasser sowohl in flüssiger als auch in dampfförmiger Phase im Holz ist (Siau, 1984). Die freie Gibbs-Energie pro Mol Substanz wird üblicherweise als chemisches Potential ausgedrückt (Skaar, 1933). Das chemische Potenzial von ungesättigter Luft oder Holz unterhalb des Fasersättigungspunktes beeinflusst die Holztrocknung. Das Gleichgewicht wird beim Gleichgewichtsfeuchtegehalt (wie zuvor definiert) von Holz auftreten, wenn das chemische Potenzial des Holzes dem der Umgebungsluft entspricht. Das chemische Potenzial von sorbiertem Wasser ist eine Funktion des Holzfeuchtegehalts. Daher wird ein Gradient des Holzfeuchtegehalts (zwischen Oberfläche und Mitte), oder genauer gesagt der Aktivität, von einem Gradienten des chemischen Potenzials unter isothermen Bedingungen begleitet. Feuchtigkeit verteilt sich im gesamten Holz, bis das chemische Potential überall gleichförmig ist, was zu einem Potentialgradienten von Null im Gleichgewicht führt (Skaar, 1988). Es wird angenommen, dass der Feuchtigkeitsfluss, der versucht, den Gleichgewichtszustand zu erreichen, proportional zur Differenz des chemischen Potenzials ist und umgekehrt proportional zur Weglänge, über die die Potenzialdifferenz wirkt (Key et al. , 2000).

Der Gradient des chemischen Potentials hängt mit dem Gradienten des Feuchtigkeitsgehalts zusammen, wie in den obigen Gleichungen erklärt (Key et al. , 2000). Das Diffusionsmodell unter Verwendung des Feuchtegradienten als treibende Kraft wurde erfolgreich von Wu (1989) und Doe et al. (1994). Obwohl die Übereinstimmung zwischen den vom Diffusionsmodell basierend auf Feuchtigkeitsgradienten vorhergesagten Feuchtigkeitsgehaltsprofilen bei niedrigeren Feuchtigkeitsgehalten besser ist als bei höheren, gibt es keine Hinweise darauf, dass es bei höherer Feuchtigkeit signifikant unterschiedliche Feuchtigkeitstransportmechanismen gibt Inhalt für dieses Holz. Ihre Beobachtungen stimmen mit einem Transportprozess überein, der von der Gesamtkonzentration des Wassers angetrieben wird. Das Diffusionsmodell wird für diese Arbeit verwendet, basierend auf diesem empirischen Beweis, dass der Feuchtigkeitsgradient eine treibende Kraft für die Trocknung dieser Art von undurchlässigem Holz ist.

Unterschiede im Feuchtigkeitsgehalt zwischen Oberfläche und Zentrum (Gradient, die chemische Potentialdifferenz zwischen Grenzfläche und Volumen) bewegen das gebundene Wasser durch Diffusion durch die kleinen Durchgänge in der Zellwand. Im Vergleich zur Kapillarbewegung ist die Diffusion ein langsamer Vorgang. Diffusion ist der allgemein vorgeschlagene Mechanismus zum Trocknen von undurchlässigen Harthölzern (Keey et al. , 2000). Darüber hinaus wandert Feuchtigkeit langsam aufgrund der Tatsache, dass Extrakte die kleinen Zellwandöffnungen im Kernholz verstopfen. Aus diesem Grund trocknet Splintholz bei gleichen Trocknungsbedingungen im Allgemeinen schneller als Kernholz.

Feuchtebewegungsrichtungen für die Diffusion

Es wird berichtet, dass das Verhältnis der longitudinalen zu den transversalen (radialen und tangentialen) Diffusionsraten für Holz von etwa 100 bei einem Feuchtigkeitsgehalt von 5% bis 2–4 bei einem Feuchtigkeitsgehalt von 25% reicht (Langrish und Walker, 1993 ). Die radiale Diffusion ist etwas schneller als die tangentiale Diffusion. Obwohl die Längsdiffusion am schnellsten ist, ist sie nur dann von praktischer Bedeutung, wenn kurze Stücke getrocknet werden. Im Allgemeinen sind die Holzbretter viel länger als in Breite oder Dicke. Eine typische Größe einer für diese Untersuchung verwendeten Grüntafel war beispielsweise 6  m lang, 250 mm breit und 43 mm dick. Bei viertelgesägten Brettern ist die Breite in radialer Richtung, während die Dicke in tangentialer Richtung liegt und umgekehrt bei sägeblattgesägten Brettern. Die meiste Feuchtigkeit wird dem Holz durch seitliche Bewegung während der Trocknung entzogen.

Ursachen für Spalten und Risse bei der Holztrocknung und deren Bekämpfung

Die Hauptschwierigkeit bei der Trocknung von Holz besteht darin, dass die äußeren Schichten schneller austrocknen als die inneren. Lässt man diese Schichten weit unterhalb des Fasersättigungspunktes trocknen, während das Innere noch gesättigt ist, werden Spannungen (sog. Trocknungsspannungen) aufgebaut, da die Schrumpfung der äußeren Schichten durch das nasse Innere eingeschränkt wird (Keey et al. , 2000) . Wenn diese Spannungen quer zur Faser die Festigkeit quer zur Faser übersteigen (Faser-Faser-Bindung), kommt es zum Bruch der Holzgewebe und folglich zu Rissen und Rissen.

Die erfolgreiche Kontrolle von Trocknungsfehlern in einem Trocknungsprozess besteht darin, ein Gleichgewicht zwischen der Geschwindigkeit der Feuchtigkeitsverdunstung von der Oberfläche und der Geschwindigkeit der Feuchtigkeitsbewegung aus dem Inneren des Holzes nach außen zu halten. Die Art und Weise, wie das Trocknen gesteuert werden kann, wird nun erklärt. Eine der erfolgreichsten Arten der Holztrocknung oder -würzung wäre die Ofentrocknung, bei der das Holz in Stapeln in einen Ofenraum gelegt und durch Dämpfen getrocknet wird und der Dampf langsam abgelassen wird.

Einfluss von Temperatur, relativer Luftfeuchtigkeit und Luftzirkulation

Die äußeren Trocknungsbedingungen (Temperatur, relative Feuchte und Luftgeschwindigkeit) steuern die äußeren Randbedingungen für die Trocknung und damit die Trocknungsgeschwindigkeit sowie die Geschwindigkeit der inneren Feuchtigkeitsbewegung. Die Trocknungsgeschwindigkeit wird durch externe Trocknungsbedingungen beeinflusst (Walker et al. , 1993; Keey et al. , 2000), wie nun beschrieben wird.

Temperatur
Bei konstanter relativer Luftfeuchtigkeit gilt: Je höher die Temperatur, desto höher die Trocknungsgeschwindigkeit. Die Temperatur beeinflusst die Trocknungsgeschwindigkeit, indem sie das Feuchtigkeitshaltevermögen der Luft erhöht sowie die Diffusionsgeschwindigkeit der Feuchtigkeit durch das Holz beschleunigt.
Die tatsächliche Temperatur in einem Trockenofen ist die Trockenkugeltemperatur (normalerweise mit Tg bezeichnet), die die Temperatur eines Dampf-Gas-Gemisches ist, die durch Einführen eines Thermometers mit einer Trockenkugel bestimmt wird. Andererseits ist die Feuchtkugeltemperatur (TW) als die Temperatur definiert, die von einer kleinen Flüssigkeitsmenge erreicht wird, die in einer großen Menge einer ungesättigten Luft-Dampf-Mischung verdampft. Das Temperaturfühlerelement dieses Thermometers wird mit einer porösen Stoffhülle (Tuch) feucht gehalten, die normalerweise in einen Behälter mit sauberem Wasser gelegt wird. Ein minimaler Luftstrom von 2 m/s ist erforderlich, um eine Zone stagnierender feuchter Luft um die Muffe herum zu verhindern (Walker et al. , 1993). Da Luft über die nasse Hülse strömt, verdampft Wasser und kühlt das Feuchtkugelthermometer. Der Unterschied zwischen den Trockenkugel- und Feuchtkugeltemperaturen, die Feuchtkugel-Depression, wird verwendet, um die relative Feuchtigkeit aus einem hygrometrischen Standarddiagramm zu bestimmen (Walker et al. , 1993). Ein größerer Unterschied zwischen den Trocken- und Feuchtkugeltemperaturen weist auf eine niedrigere relative Luftfeuchtigkeit hin. Wenn die Trockenkugeltemperatur beispielsweise 100 °C und die Feuchtkugeltemperatur 60 °C beträgt, wird die relative Luftfeuchtigkeit aus einem hygrometrischen Diagramm als 17 % abgelesen.
Relative Luftfeuchtigkeit
Die relative Luftfeuchtigkeit ist definiert als der Partialdruck von Wasserdampf geteilt durch den Sättigungsdampfdruck bei gleicher Temperatur und gleichem Gesamtdruck (Siau, 1984). Bei konstant gehaltener Temperatur führen niedrigere relative Luftfeuchten aufgrund des erhöhten Feuchtegradienten im Holz zu höheren Trocknungsraten, resultierend aus der Verringerung des Feuchtegehalts in den Deckschichten bei einer Verringerung der relativen Luftfeuchte. Die relative Luftfeuchtigkeit wird normalerweise in Prozent angegeben. Für die Trocknung ist der andere wesentliche Parameter in Bezug auf die relative Feuchte die absolute Feuchte, das heißt die Masse an Wasserdampf pro Masseneinheit trockener Luft (kg Wasser pro kg trockene Luft). Es wird jedoch von der Wassermenge in der erwärmten Luft beeinflusst.
Luftzirkulationsrate
Trocknungszeit und Holzqualität hängen von der Luftgeschwindigkeit und ihrer gleichmäßigen Zirkulation ab. Bei konstanter Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit wird die höchstmögliche Trocknungsgeschwindigkeit durch eine schnelle Luftzirkulation über die Holzoberfläche erreicht, wodurch die aus dem Holz verdunstende Feuchtigkeit schnell entfernt wird. Eine höhere Trocknungsgeschwindigkeit ist jedoch insbesondere bei undurchlässigen Harthölzern nicht immer wünschenswert, da höhere Trocknungsgeschwindigkeiten größere Spannungen entwickeln, die zu Rissen oder Verformungen des Holzes führen können. Bei sehr niedrigen Ventilatorgeschwindigkeiten von weniger als 1 m/s ist der Luftstrom durch den Kamin oft laminar und die Wärmeübertragung zwischen der Holzoberfläche und dem sich bewegenden Luftstrom ist nicht besonders effektiv (Walker et al. , 1993). Die geringe Effektivität (extern) der Wärmeübertragung ist nicht unbedingt ein Problem, wenn die interne Feuchtigkeitsbewegung die Hauptbeschränkung für die Feuchtigkeitsbewegung ist, wie dies bei den meisten Harthölzern der Fall ist (Pordage und Langrish, 1999).

Klassifizierung von Hölzern zum Trocknen

Die Hölzer werden nach ihrer Trocknungsneigung und ihrer Neigung zur Trocknungsverschlechterung wie folgt klassifiziert:

Hochfeuerfeste Hölzer
Diese Hölzer sind langsam und schwer zu trocknen, wenn das Endprodukt frei von Fehlern, insbesondere Rissen und Rissen sein soll. Beispiele sind schwere Konstruktionshölzer mit hoher Dichte wie Eisenrinde ( Eucalyptus paniculata ), Schwarzbutt ( E. pilularis ), Südlicher Blaugummi ( E. globulus ) und Pinselkasten ( Lophostemon cofertus ). Sie erfordern einen erheblichen Schutz und Pflege gegen schnelle Trocknungsbedingungen, um die besten Ergebnisse zu erzielen (Bootle, 1994).
Mäßig feuerfeste Hölzer
Diese Hölzer zeigen eine mäßige Neigung zum Reißen und Spalten während der Lagerung. Sie können mit mäßig schnellen Trocknungsbedingungen (dh maximal 85 °C Trockenkugeltemperatur) fehlerfrei gealtert werden. Beispiele sind Sydney Blue Gum ( E. saligna ) und andere Hölzer mittlerer Dichte (Bootle, 1994), die potentiell für Möbel geeignet sind.
Nicht feuerfeste Hölzer
Diese Hölzer können auch bei hohen Temperaturen (Trockenkugeltemperaturen über 100 °C) in Industrieöfen schnell fehlerfrei gealtert werden. Wenn sie nicht schnell getrocknet werden, können sie Verfärbungen (Bläue) und Schimmel auf der Oberfläche entwickeln. Beispiele sind Weichhölzer und Hölzer geringer Dichte wie Pinus radiata .

Modell

Die Trocknungsgeschwindigkeit von Holz hängt von einer Reihe von Faktoren ab, von denen die wichtigsten die Temperatur, die Abmessungen des Holzes und die relative Luftfeuchtigkeit sind. Simpson und Tschernitz haben ein einfaches Modell der Holztrocknung als Funktion dieser drei Variablen entwickelt. Obwohl die Analyse für Roteiche durchgeführt wurde, kann das Verfahren auf jede Holzart angewendet werden, indem die konstanten Parameter des Modells angepasst werden.

Einfach ausgedrückt geht das Modell davon aus, dass die Änderungsrate des Feuchtigkeitsgehalts M in Abhängigkeit von der Zeit t proportional dazu ist, wie weit die Holzprobe von ihrem Gleichgewichtsfeuchtigkeitsgehalt entfernt ist , der eine Funktion der Temperatur T und der relativen Feuchtigkeit h ist :

wobei ist eine Funktion der Temperatur T und einer typischen Holzabmessung L und hat Zeiteinheiten. Die typische Holzabmessung ist ungefähr der kleinste Wert von ( ), das sind die radialen, tangentialen bzw. Längsabmessungen, in Zoll, wobei die Längsabmessung durch zehn geteilt wird, da Wasser in Längsrichtung (entlang der Maserung) etwa 10-mal schneller diffundiert. als in den seitlichen Abmessungen. Die Lösung der obigen Gleichung lautet:

Wo ist der anfängliche Feuchtigkeitsgehalt. Es wurde festgestellt, dass die "Zeitkonstante" für Roteichenholz gut ausgedrückt wird als:

wobei a , b und n Konstanten sind und der Sättigungsdampfdruck von Wasser bei der Temperatur T ist . Für die in Tagen gemessene Zeit, die Länge in Zoll und gemessen in mmHg wurden die folgenden Werte der Konstanten für Roteichenholz gefunden.

a = 0,0575
b = 0,00142
n = 1,52

Auflösen nach der Trocknungszeit ergibt:

Beispielsweise wird bei 150  °F unter Verwendung der Arden-Buck-Gleichung festgestellt, dass der Sättigungsdampfdruck von Wasser etwa 192 mmHg (25,6 kPa) beträgt. Die Zeitkonstante zum Trocknen einer 1 Zoll dicken (25 mm) Red Oak-Platte bei 150  °F beträgt dann Tage, das ist die Zeit, die erforderlich ist, um den Feuchtigkeitsgehalt auf 1/e = 37 % seiner anfänglichen Abweichung vom Gleichgewicht zu reduzieren. Wenn die relative Luftfeuchtigkeit 0,50 beträgt, beträgt der Feuchtigkeitsgehalt des Holzes im Gleichgewicht unter Verwendung der Hailwood-Horrobin-Gleichung etwa 7,4%. Die Zeit, um das Holz von 85% Feuchtigkeitsgehalt auf 25% Feuchtigkeitsgehalt zu reduzieren, beträgt dann etwa 4,5 Tage. Höhere Temperaturen ergeben schnellere Zeiten Trocknen, aber sie werden auch größere Spannungen im Holz schaffen durch , weil die Feuchtigkeitsgefälle größer sein werden. Bei Brennholz ist dies kein Problem, aber bei der Holzbearbeitung führen hohe Spannungen dazu, dass das Holz reißt und unbrauchbar wird. Normale Trocknungszeiten, um minimale Ablagerungen (Risse) in 25 mm (1 Zoll oder 4/4) Red Oak zu erhalten, reichen von 22 bis 30 Tagen und für 8/4 (50 mm oder 2 Zoll) reichen sie von 65 bis 90 Tage.     

Methoden der Holztrocknung

Im Allgemeinen gibt es zwei Methoden, mit denen Holz getrocknet werden kann:

  • natürliche Trocknung oder Lufttrocknung
  • künstliche Trocknung

Luft trocknen

Lufttrocknung ist die Trocknung von Holz durch Aussetzen an die Luft. Die Lufttrocknungstechnik besteht hauptsächlich darin, einen Stapel Schnittholz (wobei die Bretterschichten durch Aufkleber getrennt sind) auf erhöhten Fundamenten an einem sauberen, kühlen, trockenen und schattigen Ort herzustellen. Die Trocknungsgeschwindigkeit hängt stark von den klimatischen Bedingungen und von der Luftbewegung (Windaussetzung) ab. Für eine erfolgreiche Lufttrocknung muss ein kontinuierlicher und gleichmäßiger Luftstrom im gesamten Holzstapel eingerichtet werden (Desch und Dinwoodie, 1996).

Die Geschwindigkeit des Feuchtigkeitsverlustes kann gesteuert werden, indem die Dielen mit einer beliebigen Substanz beschichtet werden, die für Feuchtigkeit relativ undurchlässig ist; gewöhnliches Mineralöl ist normalerweise ziemlich wirksam. Das Beschichten der Enden von Stämmen mit Öl oder dicker Farbe verbessert ihre Qualität beim Trocknen. Das Einwickeln von Brettern oder Stämmen in Materialien, die einen gewissen Feuchtigkeitstransport zulassen, funktioniert im Allgemeinen sehr gut, wenn das Holz zuerst durch Beschichten mit Benzin/Benzin oder Öl gegen Pilzbefall behandelt wird. Mineralöl dringt in der Regel nicht mehr als 1–2 mm unter die Oberfläche ein und lässt sich bei entsprechender Trockenheit des Holzes leicht durch Hobeln entfernen.

  • Vorteile: Diese Trocknungsmethode kann kostengünstiger sein (es fallen immer noch Kosten für die Lagerung des Holzes und die langsamere Vermarktung des Holzes an) und die Lufttrocknung erzeugt oft ein hochwertigeres, leichter zu bearbeitendes Holz als mit Ofentrocknung.
  • Nachteile: Je nach Klima dauert die Lufttrocknung des Holzes mehrere Monate bis mehrere Jahre.

Ofentrocknung

Großer Holztrockenofen, verwendet für Ahorn

Der Prozess der künstlichen oder „Ofen“-Trocknung besteht im Wesentlichen aus der Zufuhr von Wärme. Dies kann direkt über Erdgas und/oder Strom oder indirekt über dampfbeheizte Wärmetauscher erfolgen. Auch Solarenergie ist eine Option. Dabei schafft die gezielte Steuerung von Temperatur, relativer Luftfeuchtigkeit und Luftzirkulation variable Bedingungen, um spezifische Trocknungsprofile zu erreichen. Um dies zu erreichen, wird das Holz in Kammern gestapelt, die mit Geräten zur Kontrolle der atmosphärischen Temperatur, relativen Feuchtigkeit und Zirkulation ausgestattet sind (Walker et al.', 1993; Desch und Dinwoodie, 1996).

Die Kammertrocknung bietet ein Mittel zur Überwindung der Einschränkungen, die durch wechselhafte Wetterbedingungen auferlegt werden. Bei der Ofentrocknung wird wie bei der Lufttrocknung ungesättigte Luft als Trocknungsmedium verwendet. Fast alle handelsüblichen Hölzer der Welt werden in Industrieöfen getrocknet. Nachfolgend ein Vergleich zwischen Lufttrocknung, konventionellem Ofen und Solartrocknung:

  1. Holz kann durch konventionelle oder solare Trockentrocknung auf jeden gewünschten Feuchtegehalt getrocknet werden, bei der Lufttrocknung sind jedoch für die meisten Standorte Feuchtegehalte unter 18 % nur schwer zu erreichen.
  2. Die Trocknungszeiten sind bei der konventionellen Ofentrocknung deutlich kürzer als bei der Solarofentrocknung mit anschließender Lufttrocknung.
    • Dies bedeutet, dass bei Kapitaleinsatz dieses Kapital bei der Lufttrocknung länger sitzt. Andererseits ist die Installation, der Betrieb und die Wartung eines Industrieofens teuer.
    • Zudem nimmt luftgetrocknetes Holz Platz ein, was ebenfalls Geld kosten kann.
  3. Bei der Lufttrocknung gibt es wenig Kontrolle über die Trocknungsbedingungen, sodass die Trocknungsgeschwindigkeiten nicht kontrolliert werden können.
  4. Die bei der Ofentrocknung angewandten Temperaturen töten typischerweise alle Pilze und Insekten im Holz ab, wenn für den Trocknungsplan eine maximale Trockentemperatur von über 60 °C verwendet wird. Dies ist bei der Lufttrocknung nicht gewährleistet.
  5. Wenn die Lufttrocknung nicht richtig durchgeführt wird (der Sonne ausgesetzt), kann die Trocknungsgeschwindigkeit in den trockenen Sommermonaten zu schnell sein, was zu Rissen und Spalten führt, und in den kalten Wintermonaten zu langsam.

Wesentliche Vorteile der konventionellen Ofentrocknung sind ein höherer Durchsatz und eine bessere Kontrolle des Endfeuchtegehalts. Konventionelle Öfen und Solartrocknung ermöglichen es, Holz unabhängig von den Wetterbedingungen auf jeden Feuchtigkeitsgehalt zu trocknen. Für die meisten großtechnischen Trocknungsvorgänge sind solare und konventionelle Ofentrocknung effizienter als Lufttrocknung.

Kammeröfen werden am häufigsten in Holzbetrieben eingesetzt. Ein Kammerofen wird mit einer statischen Holzcharge gefüllt, durch die Luft zirkuliert. Bei diesen Ofentypen bleibt das Holz stehen. Die Trocknungsbedingungen werden sukzessive entsprechend der zu trocknenden Holzart variiert. Diese Trocknungsmethode ist gut für die Bedürfnisse von Holzunternehmen geeignet, die Hölzer unterschiedlicher Holzarten und -dicken trocknen müssen, einschließlich feuerfester Harthölzer, die stärker als andere Holzarten brechen und spalten.

Die Hauptelemente der Kammertrocknung sind:

Baumaterialien
Die Kammern werden in der Regel aus Ziegelmauerwerk oder hohlen Zementbetonplatten gebaut. Bleche oder vorgefertigtes Aluminium in doppelwandiger Bauweise mit Sandwich-Wärmedämmung, wie Glaswolle oder Polyurethanschaum, sind Materialien, die auch in einigen modernen Holzöfen Verwendung finden. Mauerwerkskammern aus Ziegelsteinen, die innen mit Kalk und (Mörtel-) Putz versehen und mit undurchlässigen Beschichtungen gestrichen sind, sind jedoch weit verbreitet und haben sich für viele Anwendungen als zufriedenstellend erwiesen.
Heizung
Die Beheizung erfolgt in der Regel durch Dampfwärmetauscher und Rohre verschiedener Konfigurationen (zB Glatt- oder Rippenrohre (Quer- oder Längsrohre)) oder durch große Rauchrohre, durch die heiße Gase aus einem Holzofen geleitet werden. Nur gelegentlich wird Strom oder Gas zum Heizen verwendet.
Befeuchtung
Die Befeuchtung wird üblicherweise durch Einleiten von Frischdampf in den Ofen durch ein Dampfsprührohr erreicht. Um die Luftfeuchtigkeit zu begrenzen und zu kontrollieren, wenn große Feuchtigkeitsmengen schnell aus dem Holz verdunsten, ist normalerweise bei allen Arten von Brennöfen eine Belüftung der Kammer vorgesehen.
Luftzirkulation
Luftzirkulation ist das Mittel, um die Wärme zu und die Feuchtigkeit von allen Teilen einer Ladung wegzuleiten. Am gebräuchlichsten sind Zwangsumlauföfen, bei denen die Luft mittels Ventilatoren oder Gebläsen umgewälzt wird, die außerhalb des Ofenraums (Außenventilatorofen) oder innerhalb des Ofenraums (Innenventilatorofen) installiert werden können.

Während des gesamten Prozesses ist es notwendig, den Feuchtigkeitsgehalt mit einem Feuchtigkeitsmessersystem genau zu kontrollieren, um eine Übertrocknung zu reduzieren und den Bedienern zu ermöglichen, zu wissen, wann die Ladung entnommen werden muss. Vorzugsweise hat dieser Feuchtigkeitsmesser im Ofen eine automatische Abschaltfunktion.

Trocknungspläne für den Ofen

Eine zufriedenstellende Ofentrocknung kann normalerweise durch Regulieren der Temperatur und Feuchtigkeit der zirkulierenden Luft erreicht werden, um den Feuchtigkeitsgehalt des Holzes zu einem bestimmten Zeitpunkt zu kontrollieren. Diese Bedingung wird durch die Anwendung von Ofentrocknungsplänen erreicht. Das gewünschte Ziel eines geeigneten Zeitplans besteht darin, das Trocknen von Holz mit der schnellstmöglichen Geschwindigkeit zu gewährleisten, ohne dass ein unerwünschter Abbau verursacht wird. Die folgenden Faktoren haben einen erheblichen Einfluss auf die Zeitpläne.

Die Arten
Variationen der anatomischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften zwischen den Spezies beeinflussen die Trocknungszeiten und das Gesamtergebnis.
Die Dicke des Holzes
Die Trocknungszeit ist umgekehrt proportional zur Dicke und in gewissem Maße auch zur Breite des Holzes.
Ob die Holzbretter viertelgesägt, flach gesägt oder bastardgesägt (gemischt gesägt) sind
Das Sägemuster beeinflusst den Verzug aufgrund der Schwindungsanisotropie.
Zulässiger Trocknungsverlust
Aggressive Trocknungspläne können zu Rissen und Verformungen des Holzes führen.
Verwendungszweck von Holz
Mechanische und ästhetische Anforderungen erfordern je nach Verwendungszweck unterschiedliche Feuchtigkeitsziele.

Unter Berücksichtigung der einzelnen Faktoren ist kein einziger Zeitplan notwendigerweise angemessen, auch nicht für ähnliche Ladungen derselben Art. Aus diesem Grund konzentriert sich die Forschung zur Holztrocknung auf die Entwicklung effektiver Trocknungspläne.

Entfeuchtungsofen

Eine Entfeuchtungskammer kann ein unbelüftetes System (geschlossener Kreislauf) oder ein teilweise belüftetes System sein, das eine Wärmepumpe verwendet, um Feuchtigkeit aus der Luft auf der kalten Seite des Kühlprozesses (Verdampfer) zu kondensieren. Die so gesammelte Wärme wird an die heiße Seite des den Kühlprozess (Kondensator), um die Luft wieder zu erhitzen und diese trockenere und wärmere Luft in den Ofen zurückzuführen. Ventilatoren blasen die Luft wie in einem normalen Ofen durch die Stapel. Diese Öfen arbeiten traditionell von 100 ° F bis 160 ° F und verbrauchen etwa die Hälfte der Energie eines herkömmlichen Ofens.

Vakuumofen

Diese Öfen können am schnellsten trocknen und am energieeffizientesten sein. Bei einem Vakuum siedet Wasser bei einer niedrigeren Temperatur. Neben der Geschwindigkeit kann ein Vakuumofen auch eine verbesserte Qualität im Holz erzeugen.

Ein niedriger Umgebungsdruck senkt zwar den Siedepunkt von Wasser, aber die Energiemenge, die erforderlich ist, um die Flüssigkeit in Dampf umzuwandeln, ist dieselbe. Einsparungen ergeben sich dadurch, dass kein großes Gebäude beheizt werden muss und die Wärme nicht abgeführt und gleichzeitig die Luftfeuchtigkeit gesenkt werden muss.

Da das gesamte freie Wasser unter 115'F entfernt werden kann, wird die Qualität verbessert.

Während beim herkömmlichen Trocknen warme, trockene Luft verwendet wird, um Wasser von der Oberfläche abzuschöpfen, können Vakuumöfen Wasser aus dem Inneren des Holzes kochen. Dadurch kann ein guter Vakuumofen sehr dickes Holz sehr schnell trocknen. Es ist möglich, 12/4 Red Oak frisch von der Säge auf 7% in 11 Tagen zu trocknen.

Da Holz mit einem Dampfgefälle getrocknet wird - Dampfdruck zu Umgebungsdruck - kann die Luftfeuchtigkeit sehr hoch gehalten werden. Aus diesem Grund kann ein guter Vakuumofen 4,5" dicke Weißeiche in weniger als einem Monat frisch von der Säge zu 8% trocknen. Eine Leistung, die zuvor für unmöglich gehalten wurde.

Solarofen

Ein Solarofen ist eine Kreuzung zwischen Ofentrocknung und Lufttrocknung. Diese Öfen sind im Allgemeinen ein Gewächshaus mit einem Hochtemperaturventilator und entweder Lüftungsöffnungen oder einem Kondensationssystem. Solaröfen sind wetterbedingt langsamer und variabel, aber kostengünstig.

Wasserwürze

Durch Eintauchen in fließendes Wasser wird der Saft schnell entfernt und anschließend wird das Holz luftgetrocknet. "...es verringert die Elastizität und Haltbarkeit des Holzes und macht es zudem spröde." Aber es gibt konkurrierende Ansichten, zB "Duhamel, der viele Experimente zu diesem wichtigen Thema gemacht hat, sagt, dass Holz für den Gebrauch des Tischlers am besten einige Zeit in Wasser gelegt und anschließend getrocknet wird, da es das Holz weniger verwindungsanfällig macht und Risse beim Trocknen; aber, fügt er hinzu, 'wo Kraft erforderlich ist, sollte sie nicht in Wasser gelegt werden.'"

Kochen oder Dampfwürzen

Das Eintauchen in kochendes Wasser oder die Anwendung von Dampf beschleunigen die Trocknung von Holz. Dieses Verfahren soll weniger Schwindung verursachen, "... aber es ist teuer in der Anwendung und verringert die Festigkeit und Elastizität des Holzes."

Chemische oder Salzwürze

Salzwürzen ist das Eintauchen von Holz in eine Lösung aus Harnstoff und Natriumnitrat, die alle als Entwässerungsmittel wirken. Anschließend wird das Holz luftgetrocknet.

Elektrisches Würzen

Beim elektrischen Würzen wird ein elektrischer Strom durch das Holz geleitet, wodurch Wärme entsteht, die das Holz trocknet. Dieses Verfahren ist teuer, hat aber eine schnelle und gleichmäßige Qualität.

Trocknungsfehler

Trocknungsfehler sind neben natürlichen Problemen wie Ästen die häufigste Form des Holzabbaus (Desch und Dinwoodie, 1996). Es gibt zwei Arten von Trocknungsfehlern, obwohl einige Fehler beide Ursachen haben:

  1. Defekte durch Schrumpfanisotropie, die zu Verwerfungen führen: Schröpfen, Krümmen, Verdrehen, Krümmen, Springen und Diamantieren.
  2. Defekte durch ungleichmäßige Trocknung, die zum Aufreißen des Holzgewebes führen, wie z. B. Riefen (Oberfläche, Ende und Innen), Endrisse, Wabenbildung und Einsatzhärten. Auch ein Kollaps, der sich oft als Wellung zeigt, oder ein sogenanntes Washboarding der Holzoberfläche, kann auftreten (Innes, 1996). Kollabieren ist ein Defekt, der aus der physikalischen Abflachung von Fasern bis über den Fasersättigungspunkt resultiert und somit keine Form von Schrumpfanisotropie ist.

Die Standardorganisationen in Australien und Neuseeland (AS/NZS 4787, 2001) haben einen Standard für die Holzqualität entwickelt. Zu den fünf Maßen für die Trocknungsqualität gehören:

  1. Feuchtegradient und Vorhandensein von Resttrocknungsspannung (Einsatzhärtung);
  2. Oberflächen-, Innen- und Endkontrolle;
  3. Zusammenbruch;
  4. Verzerrungen;
  5. Verfärbungen durch Austrocknung.

Holztrocknungsofen

Heute gibt es eine Vielzahl von Holztrockenofentechnologien: konventionell, Entfeuchtung, Solar, Vakuum und Hochfrequenz.

Herkömmliche Holztrockenöfen (Rasmussen, 1988) sind entweder in Paketbauweise (Seitenlader) oder in Gleisbauweise (Straßenbahn) gebaut. Die meisten Hartholzöfen sind Seitenstapleröfen, in denen Gabelstapler verwendet werden, um Schnittholzpakete in den Ofen zu laden. Die meisten Nadelholzöfen sind Gleisbauarten, bei denen Schnittholzpakete auf Ofen-/Gleiswagen geladen werden, um den Ofen zu beladen.

Moderne konventionelle Hochtemperatur-Hochgeschwindigkeitsöfen können in der Regel 25 mm dickes Rohholz in 10 Stunden auf einen Feuchtigkeitsgehalt von 18 % trocknen. Allerdings benötigt 1 Zoll dicke grüne Roteiche etwa 28 Tage, um auf einen Feuchtigkeitsgehalt von 8 % abzutrocknen.

Die Wärme wird typischerweise über Dampf eingeführt, der durch Rippen/Rohr-Wärmetauscher fließt, die von pneumatischen Ein/Aus-Ventilen gesteuert werden. Seltener sind proportionale pneumatische Ventile oder auch verschiedene elektrische Antriebe. Die Feuchtigkeit wird über ein Lüftungssystem abgeführt, dessen spezifische Anordnung in der Regel herstellerspezifisch ist. Im Allgemeinen wird an einem Ende des Ofens kühle trockene Luft eingeführt, während am anderen Ende warme feuchte Luft ausgestoßen wird. Konventionelle Hartholzöfen erfordern auch die Zufuhr von Feuchtigkeit entweder über Dampfsprüh- oder Kaltwasservernebelungssysteme, um zu verhindern, dass die relative Feuchtigkeit im Inneren des Ofens während des Trocknungszyklus zu niedrig abfällt. Die Ventilatorrichtungen werden normalerweise periodisch umgekehrt, um eine gleichmäßige Trocknung größerer Ofenchargen zu gewährleisten.

Die meisten Nadelholzöfen arbeiten unter 115 ° C (239 ° F) Temperatur. Die Trockenzeitpläne für Hartholzöfen halten die Trockenkugeltemperatur in der Regel unter 80 °C (176 °F). Schwierig zu trocknende Arten dürfen 60 °C (140 °F) nicht überschreiten.

Entfeuchtungsöfen sind im Grundaufbau herkömmlichen Öfen sehr ähnlich. Trocknungszeiten sind in der Regel vergleichbar. Die Wärmeversorgung erfolgt in erster Linie durch eine integrierte Entfeuchtungseinheit, die auch der Entfeuchtung dient. Hilfswärme wird oft früh im Zeitplan bereitgestellt, wenn die erforderliche Wärme die von der DH-Einheit erzeugte Wärme übersteigen kann.

Solaröfen sind konventionelle Öfen, die typischerweise von Bastlern gebaut werden, um die anfänglichen Investitionskosten niedrig zu halten. Die Wärme wird über Sonneneinstrahlung bereitgestellt, während die interne Luftzirkulation typischerweise passiv ist.

Im Jahr 1949 stellte ein Unternehmen aus Chicago einen Holztrockenofen vor, der Infrarotlampen verwendet, die angeblich die Standardtrocknungszeit von 14 Tagen auf 45 Minuten verkürzten.

Neuere Holztrocknungstechnologien beinhalten die Verwendung von reduziertem Atmosphärendruck, um zu versuchen, den Trocknungsprozess zu beschleunigen. Es gibt eine Vielzahl von Vakuumtechnologien, die sich hauptsächlich in der Art und Weise unterscheiden, wie Wärme in die Holzcharge eingebracht wird. Heißwasserplatten-Vakuumöfen verwenden Aluminiumheizplatten mit dem darin zirkulierenden Wasser als Wärmequelle und arbeiten typischerweise mit deutlich reduziertem Absolutdruck. Diskontinuierlicher und SSV (überhitzter Dampf) verwenden die Atmosphäre, um Wärme in die Ofenbeschickung einzubringen. Durch die diskontinuierliche Technologie wird die gesamte Ofenbeschickung auf vollen atmosphärischen Druck gebracht, die Luft in der Kammer wird dann erhitzt und schließlich Vakuum gezogen. SSV-Öfen werden bei Teilatmosphären (typischerweise etwa 1/3 des vollen Atmosphärendrucks) in einem Hybrid aus Vakuum- und konventioneller Ofentechnologie betrieben (SSV-Öfen sind in Europa deutlich beliebter, wo das lokal geerntete Holz leichter zu trocknen ist als in Nordamerika vorkommende Arten) . RF/V-Öfen (Hochfrequenz + Vakuum) verwenden Mikrowellenstrahlung, um die Ofenbeschickung zu erhitzen, und haben in der Regel die höchsten Betriebskosten, da die Verdampfungswärme durch Elektrizität und nicht durch lokale fossile Brennstoffe oder Altholzquellen bereitgestellt wird.

Gültige wirtschaftliche Studien verschiedener Holztrocknungstechnologien basieren auf den Gesamtkosten für Energie, Kapital, Versicherung/Risiko, Umweltauswirkungen, Arbeitsaufwand, Wartung und Produktabbaukosten für die Aufgabe, Wasser aus der Holzfaser zu entfernen. Diese Kosten (die einen erheblichen Teil der Gesamtkosten der Anlage ausmachen können) beziehen sich auf die unterschiedlichen Auswirkungen des Vorhandenseins von Trocknungsanlagen in einer bestimmten Anlage. Ein Beispiel dafür ist, dass jede Einrichtung (in einem Holzwerk) vom Grünschneider bis zum Einzugssystem am Hobelwerk das „Trocknungssystem“ ist. Da es weltweit Tausende von Produktionsstätten für verschiedene Arten von Holzprodukten gibt, die integriert (Bauholz, Sperrholz, Papier usw.) oder eigenständig (nur Bauholz) sein können, können die tatsächlichen Kosten des Trocknungssystems nur durch einen Vergleich ermittelt werden die Gesamtanlagenkosten und -risiken mit und ohne Trocknung.

Die gesamten (schädlichen) Luftemissionen von Holzöfen, einschließlich ihrer Wärmequelle, können erheblich sein. Je höher die Temperatur des Ofens ist, desto mehr Emissionen werden normalerweise erzeugt (pro Pfund entferntes Wasser). Dies gilt insbesondere bei der Trocknung dünner Furniere und der Hochtemperaturtrocknung von Nadelhölzern.


OSHA-Standards in Bezug auf Trockenofenanlagen

1910.265(f)(3)(i)(a): Die Türen des Hauptofens müssen mit einer Möglichkeit versehen sein, sie während des Beladens des Ofens offen zu halten.

1910.265(f)(3)(i)(b): Gegengewichte an vertikalen Aufzugstüren müssen in einem Kasten oder auf andere Weise gesichert werden.

1910.265(f)(3)(i)(c): Es müssen geeignete Mittel vorhanden sein, um die Haupttüren, wenn sie von Trägern und Aufhängern gelöst sind, fest zu sichern, um ein Umkippen zu verhindern.

1910.265(f)(3)(ii)(a): Wenn die Betriebsabläufe den Zugang zu den Öfen erfordern, müssen die Öfen mit Fluchttüren ausgestattet sein, die von innen leicht zu bedienen sind, in die Ausgangsrichtung schwenken und sich in oder in der Nähe des Ofens befinden Haupteingang am Ende des Durchgangs.

1910.265(f)(3)(ii)(b): Fluchttüren müssen eine ausreichende Höhe und Breite haben, um einen Mann durchschnittlicher Größe aufzunehmen.

1910.265(f)(4): Gruben . Gruben müssen gut belüftet, entwässert und beleuchtet sein und müssen groß genug sein, um den Ofenführer zusammen mit den Betriebsvorrichtungen wie Ventilen, Dämpfern, Dämpferstangen und Fallen sicher unterzubringen.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

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Externe Links