Solarunterstützte Trocknung

Was ist eigentlich Trocknung? Eine Erklärung gibt Meyers Online Lexikon: "Trocknung, Abtrennen von anhaftender Flüssigkeit (Feuchte) aus Feststoffen, auch die Entfernung von Wasserdampf aus Gasen (z. B. durch Trockenmittel oder Kondensation) und von gelöstem oder emulgiertem Wasser aus Flüssigkeiten (z. B. organischen Lösungsmitteln). Nach Art des Wasserentzugs unterscheidet man Verdunstungstrocknung, Verdampfungstrocknung und Sorptionstrocknung; Freilufttrocknung ist eine natürliche Trocknung durch die Sonne und Wärme der Luft. Bei der thermischen Trocknung (künstlichen Trocknung) wird Wärme zugeführt (von außen oder im Inneren des zu trocknenden Gutes). Je nach Art der Wärmezufuhr liegt Konvektions-, Kontakt-, Strahlungs- oder Hochfrequenztrocknung vor."

Dies ist sehr knapp formuliert. Daher werden im ersten Teil dieser Seite die Grundlagen, die zum Verstehen des Trocknungsprozesses wichtig sind, detailliert beschrieben. Im zweiten werden dann die für den Praktiker wichtigeren Beispiele vorgestellt und diskutiert.


Grundlagen der Trocknung

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, ein Material - auch Trocknungsgut genannt - zu trocknen:

  • Bei der Gefriertrocknung wird das Trockengut zunächst gefroren. Anschließend geht das Wasser vom festen Zustand (Eis) direkt in den gasförmigen (Wasserdampf) über. Man sagt auch es sublimiert. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist, dass das gefrorene Material konserviert ist.
  • Steht auf einem landwirtschaftlichen Betrieb Abwärme aus einem BHKW zur Verfügung, kann mit Hilfe einer Absorptionskälteanlage, die zum "Antrieb" hauptsächlich Wärme braucht, die Kälte bereitgestellt werden. Dieses Verfahren ist nur für große Trocknungsleistungen geeignet.
  • Bei der Kondensationstrocknung nimmt die über das zu trocknende Material strömende Luft Feuchtigkeit auf und wird dabei abgekühlt. Unterschreitet man dabei die Kondensationstemperatur (siehe auch Mollier-Diagramm), kondensiert das Wasser in der feuchten Luft und kann abgeführt werden.
    Da die Luft nun wieder trocken ist, kann sie erneut zum Trocknen genutzt werden. Ein Teil der bei der Kondensation frei werdenden Wärme kann zum Aufheizen der Trocknungsluft verwendet werden. Dieses Verfahren ist daher wenig energieaufwändig.
    Da die Kondensationstrocknung bei niedrigen Temperaturen abläuft (z.B. 20 °C), handelt es sich um eine sehr schonendes Verfahren.
  • (Warm-)Lufttrocknung. Die einfachste Form ist das Trocknen an der Luft.
    Die reine Lufttrocknung wird häufig zur Kondensierung von Lebensmitteln benutzt. Umgebungsluft überströmt das Trocknungsgut und entzieht ihm Feuchtigkeit. Nach der Trocknung hat das Lebensmittel einen Wassergehalt von 20 bis 25 %. Dadurch bleibt es länger haltbar und verdirbt oder verschimmelt später. Der Geschmack bleibt erhalten oder verstärkt sich teilweise sogar.
    Die Lebensmittel werden auf einem Lattenrost ausgebreitet, auf Zwirnfäden aufgezogen oder sonst wie an der zirkulierenden Luft vor Regen und direkter Sonne geschützt aufbewahrt. Dieser Lattenrost wurde früher als Darre bezeichnet, daher auch die Bezeichnung "dörren".
    Effizienter aber genauso schonend ist die Warmlufttrocknung. In diesem Fall wird die Luft angewärmt, bevor sie mit dem zu trocknenden Material in Berührung kommt. Die dafür benötige Wärme kann Abwärme aus einem BHKW sein oder sie kann von der Sonne geliefert werden. Der Wasserentzug geschieht durch Verdunstung. Die Trocknungsgeschwindigkeit hängt von den vier Parametern
    • Temperatur
    • Strömungsgeschwindigkeit der Luft
    • Luftfeuchtigkeit und
    • effektive Oberfläche des Trockengutes im Vergleich zu dessen Volumen

Das Gut befindet sich in Darren, Trocknungskammern oder -schränken oder in Bandtrocknern.
Die Warmlufttrocknung wird auch angewandt für

    • Gras, Getreide, Samen
    • Tee
    • Kräuter
    • Pilze
    • Hülsenfrüchte wie Bohnen, Erbsen, Linsen
    • Obst
    • Fleisch
    • Fisch

Die Erwärmung der Trocknungsluft mit Sonnenenergie bietet sich insbesondere bei landwirtschaftlichen Produkten an. Denn Angebot (Sonnenschein) und Nachfrage (es wird nur bei schönem Wetter geerntet) fallen ideal zusammen. Warmluftkollektoren sind preisgünstig und leicht zu installieren. Sie stehen als industriell gefertigte und als Selbstbau-Kollektoren zur Verfügung.

Eine weitere sinnvolle Wärmebereitstellung soll hier aber nicht unter den Tisch fallen: Die Abwärmenutzung von BHKWs. Betreibt ein Landwirt eine Biogasanlage in Verbindung mit einem BHKW, so erzeugt er in den Sommermonaten meist Überschusswärme, die er bisher wegkühlen musste. Deren Nutzung ist in zweifacher Hinsicht vorteilhaft. Er bekommt die höhere Einspeisevergütung nach dem EEG und er kann kostengünstig trocknen.

 

       

 
          
        

Kleiner Selbstbau-Trockner für Gemüse, Obst und Tee

 

Das Mollier-Diagramm

Um den Prozess der Luft- und Warmlufttrocknung besser verstehen zu können, zieht man gerne das Mollier- oder auch h-x-Diagramm zu Rate. In ihm lässt sich die Luft hinsichtlich ihrer relativen und absoluten Feuchte sowie der Temperatur charakterisieren und die einzusetzende bzw. freiwerdende Energie bei der Veränderungen der Luftzustände berechnen.
Die neben stehende Abbildung zeigt ein Mollier-Diagramm für feuchte Luft

Um das h-x-Diagramms benutzen zu können, müssen mindestens zwei Größen bekannt sein, die anderen lassen sich daraus ableiten.
Die waagrechten Linien geben die Lufttemperaturen an (z.B. 30 °C), die senkrechten die absoluten Feuchten (z.B. 10 g/kg); das bedeutet, dass in einem Kilogramm Luft 10 g Wasser enthalten sind. Eine Erwärmung der Luft bedeutet, im Mollier-Diagramm senkrecht nach oben zu gehen. Die absolute Feuchte bleibt gleich, die relative Feuchte nimmt ab. Die hyperbolischen (gekrümmten) Kurven geben die relativen Feuchten (z.B. 37 %) wider. Die Taupunkttemperatur (bei deren Unterschreitung kondensiert die feuchte Luft) erhält man, indem man senkrecht nach unten bis zur Taulinie (unterste Kurve) folgt. Dann die Temperatur auf der Temperaturachse ablesen (z.B. knapp 14 °C; bei einer absoluten Feuchte von 10 g/kg).

Die von links oben nach rechts unten verlaufenden Linien, geben die in der Luft enthaltene Energie (genauer ihre Enthalpie) an (z.B. 56 kJ/kg). Die Gerade nennt man Isenthalpe.

Wie lässt sich mit diesem Diagramm das Trocknungspotenzial eine solaren Warmlufttrocknung beschreiben?

Das Trocknungspotential (in g Wasseraufnahme/kg Luft) kann mit Hilfe des Mollier-Diagramms bestimmt werden. Von einem Ausgangszustand ausgehend wird durch die Temperaturerhöhung der Luft in einem Kollektor oder einem anderen Lufterhitzer das Wasseraufnahmepotential wesentlich erhöht. Im Idealfall (adiabatische Zustandsänderung) könnte der Trocknungsverlauf parallel zu einer Isenthalpen (Linie gleichen Wärmeinhalts) verlaufen. Verluste verhindern das jedoch.
Die theoretisch höchste Luftfeuchte stellt sich erst nach einem viel größerem Zeit-raum ein, als die Luft im Trockner verweilt, d.h. der Luftweg und die Verweildauer haben Einfluss auf die erzielbare Wasseraufnahme.

Das h-x-Diagramm kann auch für einfache Überlegungen bei der praktischen Kon-zeption von Anlagen verwendet werden. Denn je flacher die Verbindungsgerade zwi-schen Lufteintritts- und Austrittszustand liegt, um so niedriger wird der Wärme-verbrauch und umgekehrt. Andererseits ergibt sich bei großer Änderung des Feuchtigkeitsgehalts ein geringer Luftbedarf und aufzuwendende Ventilatorleistung.
Nach so viel Theorie sollen nun einige Praxisbeispiele vorgestellt werden.


Mollier-Diagramm für feuchte Luft

Bedingungen an einem schwülen Sommertag:
Lufttemperatur: 30 °C
Relative Luftfeuchte: 80 %

Erwärmung der Umgebungsluft in einem Luftkollektor auf 50 °C. Die relative Feuchteder Luft sinkt auf 27,5 %.

Die erwärmte Luft kann drei mal mehr Feuchtigkeit aufnehmen als die Umgebungsluft.

 

 

Solare Heutrocknung

Das Trocknen von Gras auf dem Feld hat zwei Nachteile. Erstens das häufige wenden erhöht die Bröckelverluste. Zweitens es besteht die Gefahr, dass ein Regen den Erfolg zunichte macht. Daher ist es ein Qualitätsvorteil, wenn das angewelkte Heu nach dem ersten Tag eingebracht werden kann. Seine Einbringfeuchte sollte idealerweise zwischen 25 und 35 %, im Extremfall zwischen 45 und 55 % liegen. Da das lagerfähige Heu nicht mehr als 12 bis 14 % Feuchte haben darf, muss es auf dem landwirtschaftlichen Betrieb nachgetrocknet werden.

Am Beispiel der Rundballentrocknung wird die solare Trocknung beschrieben. Entscheidend ist, dass die Ballen möglichst einheitlich gepresst sind. Andernfalls wird der Ballen nicht gleichmäßig von der Warmluft durchströmt. Die Pressdichte sollte 100 kg/m³ aber nicht überschreiten, um eine regelmäßige Trocknung zu gewährleisten. Da pro Ballen stündlich etwa 1.500 bis 2.000 m³ Warmluft benötigt werden, sind große Ventilatoren notwendig.

In der Praxis werden die Ballen mit dem Frontlader senkrecht in Reihen auf leichte Holzroste gesetzt. Anschließend werden sie einzeln mit einer Folienhaube überzogen, die fast bis zum Boden reicht und mit zwei Spanngurten fest angepresst wird. Über einen Verteilkanal wird Warmluft von oben her durch den ganzen Ballenquerschnitt geblasen, wodurch die Luftwiderstände mit 10 bis 30, selten mit 40 hPa sehr niedrig liegen.

Wie Futterwertbestimmungen ergaben, gelingt es bei dem Haubentrockner mit solar erwärmter Luft, erstklassige Heuqualitäten mit hohem Eiweißgehalt und Stärkewert zu erzielen. Die Hauben wurden in den Jahren so verbessert, dass eine Arbeitskraft nur noch eine bis eineinhalb Minuten zum Auf- oder Abziehen einer Haube braucht.

Solare Heutrocknung; Quelle: Landtechnik Weihenstephan

 

Solarunterstützte Kräutertrocknung

Bei der solarunterstützten Trocknung übernimmt die Solaranlage in der Regel nur eine Vorerwärmung der Trocknungsluft. Die restliche Wärme wird mit konventionellen Lufterwärmern, die mit fossilen Energieträgern wie Erdgas, Heiz- oder Rapsöl oder mit regenerativen wie Holzhackschnitzeln oder –pellets befeuert werden, erzeugt. Dadurch wird die Trocknung Wetter unabhängig und kann auch in den Abendstunden noch arbeiten.

Eine kommerzielle Anlage kann beispielsweise aus einer Gutaufbereitungsanlage, einem Bandtrockner und einer Absackanlage mit Sortiersieben bestehen. Zur Einsparung von fossiler Energie wird die Dachfläche der Trocknungsanlage mit Luftkollektoren belegt. Die Kollektoren ersetzen die übliche Dacheindeckung.

Das erntefrischen Gut wird auf das Vorrats- und Dosierband abgelegt und kontinuierlich dem Schneidorgan zugeführt. Dieses hat die Aufgabe, die minderwertigen Stängel und die inhaltsstoffreichen Blätter schonend zu zerschneiden. In einer nachgeschalteten Sortiermaschine werden die Stängel abgetrennt. Die Blätter werden auf das oberste Trocknungsband, das sich mit einer Geschwindigkeit von wenigen Metern pro Stunde bewegt, abgelegt. Auf dem Band liegt das Trockengut in einer Schütthöhe von 10 - 15 cm. Vom oberen Band wird das vorgetrocknete Gut auf das darunter liegende geschüttet.

Die heiße Trocknungsluft (40 - 100 °C) wird von unten eingeblasen (Kreuzstrom von Trocknungsluft und Trocknungsgut). Die Unterschiede in der Betriebstemperatur ergeben sich aus der Art des Trocknungsgutes. Pfefferminze beispielsweise verträgt nur Temperaturen bis 60 °C, da die ätherischen Öle bei höheren Betriebstemperatu-ren verloren gehen. Der Luftstrom muss in Abhängigkeit vom Trocknungsgut so eingestellt werden, dass im unteren Band keine Untertrocknung stattfindet und durch Zumischen von kühlerer Umgebungsluft die dem Gutszustand entsprechende Trocknungstemperatur angeboten werden kann.

Die feuchte Abluft wird über wird über Kamine abgeführt.

Das Kollektorfeld muss über einen verschließbaren Kamin verfügen. Ist die Trocknungsanlage nicht in Betrieb, wird dieser geöffnet. Die Warmluft kann entweichen. Dadurch wird eine Überhitzung des Kollektors vermieden.

Kommerzielle landwirtschaftliche Trockner haben eine stündliche Trocknungsleistung von 60 - 100 kg Trockengut bei 10 - 12 % Restfeuchte und sind geeignet für schütt- und rieselfähige Güter.

Schemazeichnung einer solarunterstützten Trocknungsanlage

 

Tunneltrockner

Ein sehr einfacher, aber nichtsdestoweniger sehr effektiver Trockner ist der so genannte Tunneltrockner, wie ihn die nachfolgende Abbildung zeigt.

Einfacher Tunneltrockner; in der rechten Hälfte liegt das Trockengut und in de linken befindet sich der Kollektor;  Quelle: Institute for Agricultural Engineering in the tropics and subtropics, University of Hohenheim, Stuttgart); www.solare-bruecke.org/Bauanleitungen/Tunneltrockner_dt.pdf

 

Typische

Die nachfolgende Tabelle gibt Anhaltswerte für den Wassergehalt von Lebensmitteln:

In der nachfolgenden tabelle sind die maximalen Trocknungstemperaturen von Lebensmitteln zusammen gestellt:

 Diese Temperaturen im Trockner sollten nicht überschritten werden.

Weitere Informationen zur Trocknung

Schmalschläger, Thomas;  Luboschik, Uli: Solare und solarunterstützte Trocknung; pdf-Datei

Schmalschläger Thomas: Mehr als nur heiße Luft: Dörren und Trocknen mit der Sonne - Funktionsweise eines Solartrockners; Workshop im Rahmen des Klimaherbst 2016
im Ökologischen Bildungszentrum München, pdf-Datei

Lorenz-Ladener, Claudia: Trocknen & Dörren mit der Sonne; ökobuch Verlag, Staufen, 2010