Strahlungstrocknung

Das offensichtliche Kennzeichen der Strahlungstrocknung ist, dass dem Feuchtprodukt (Edukt) die zur Trocknung notwendige Wärme über Strahlung zugeführt wird. Allgemein bekannte Beispiele für die Wärmzufuhr durch Strahlung sind die Sonnenstrahlung, elektrisch oder mit Brenngas betriebene Infrarot-Strahler oder die Haushalt-Mikrowelle zur Erwärmung von Speisen.

Prinzipiell wird die Strahlung nach ihrer Frequenz bzw. der Wellenlänge eingeteilt. Die für die Trocknung nutzbaren Wellenlängenbereiche sind in der nachfolgenden Frequenz - Tabelle fett dargestellt und geben den entsprechenden Trocknungsverfahren ihren Namen:

Wellenlängenbereich	Frequenzbereich	Bezeichnung
100 ... 10 km	3 ... 30 kHz	Längstwellen
10 km ... 1 m	30 kHz ... 300 MHz	Hochfrequenz (HF)
1 m ... 1 mm	300 MHz ... 300 GHz	Mikrowelle (MW)
1 mm ... 800 nm	*310¹¹ ... 3,7510*¹⁴ Hz	Infrarot (IR)
800 ... 400 nm	3,7510¹⁴ ... 7,510¹⁴ Hz	sichtbares Licht
400 ... 10 nm	7,510¹⁴ ... 310¹⁶ Hz	ultraviolettes Licht

Der prinzipielle Vorteil der Strahlungstrocknung im Vergleich zur konvektiven Trocknung oder Kontakttrocknung ist, daß die Wärme nicht über die Oberfläche ins Innere des feuchten Feststoffes gebracht werden muß, sondern im Inneren, dort wo meist eine höhere Feuchtekonzentration vorliegt, generiert wird. So wird als Vorteil der Strahlungstrocknungs - Verfahren meist eine vergleichsweise kurze Trocknungszeit angegeben. Die Strahlungstrocknung wird oft vorteilhaft dort eingesetzt, wo der Feststoff eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt (z.B. bei Schaum) oder wenn dünne Schichten getrocknet werden sollen.

Zum Einsatz der Hochfrequenztrocknung muß das Feuchtprodukt eine hinreichende ohmsche Leitfähig besitzten, denn die Erwärmung wird durch Ionenleitung im elektrischen Feld bewirkt. Die elektrische Leitfähigkeit läßt sich einfach messen und ist hinreichend hoch, wenn beispielsweise in wasserfeuchtem Feststoff gelöste Salze vorhanden sind. Da die elektrische Leitfähigkeit in solchen Feststoffen selbst vom Feuchtegehalt abhängt (dieser Zusammenhang wird zur Feuchtemessung nach der elektrolytischen Leitfähigkeitsmethode genutzt) werden die feuchteren Bereiche intensiver erwärmt als die schon trockenen Bereiche, was der Trocknungaufgabe sehr entgegenkommt. Der trockene Feststoff soll ein möglichst guter Isolator sein.
Bei Frequenzen im Mikrowellen - Bereich werden Moleküle mit unsymetrischer Molekülstruktur zur Drehung in Feldrichtung angeregt und erwärmen so den feuchten Feststoff. Wassermoleküle besitzten einen ausgeprägten Dipolcharakter (Dielektrizitätskonstante ca. 82) und unterscheiden sich damit deutlich von den meisten Feststoffen. Auch hier besteht der Vorteil, daß die sich hauptsächlich die feuchten Bereiche des Feststoffs erwärmen. Der Feststoff selbst darf nicht "ankoppeln", sonst kommt es zu lokalen Überhitzungen und entsprechenden Produktschädigungen. Zum Erzeugen der Mikrowellenenergie werden Magnetrons mit Leistungen bis zu 10 kW pro Einheit verwendet. Die Mikrowellenenergie wird von den Antennen der Mikrowellengeneratoren direkt oder über zwischengeschaltete Hohlleiteranordnungen in die Kammer abgestrahlt, in der sich das Trocknungsgut befindet. Bedingt durch die wesentlich höhere Frequenz und die Änderung der elektromagnetischen Wellenausbreitung mit der Frequenz benötigt die Mikrowellentechnik gegenüber der konventionellen Hochfrequenztechnik spezielle Bauelemente für Energieerzeugung und -übertragung.
Die folgende Tabelle zeigt die international festgelegten ISM-Frequenzen (frequencies for industrial, scientific and medical use) der Mikrowellenanwendung im Bereich Industrie, Wissenschaft und Medizin. Mit Ausnahme der Frequenz 915 MHz sind die aufgeführten Frequenzen in der Bundesrepublik Deutschland freigegeben. Im Bereich der industriellen Mikrowellenerwärmung wird in der Bundesrepublik Deutschland fast ausschließlich mit der Frequenz 2 450 MHz gearbeitet.

Wellenlängenbereich Frequenzbereich

69,14cm 433,92 MHz ± 0.2%

32,75 cm 915 MHz ± 13MHz

12,24 cm 2450 MHz ± 50MHz

5,17 cm 5800 MHz ± 75MHz

1,36 cm 24125 MHz ± 125MHz
Bei der Trocknung mit Infrarot - Strahlung ist zu beachten, daß die Eindringtiefe der Strahlung in den Feststoff mit < 1 mm nur gering ist. Die zu trocknenden Schichten sollten also dünn sein (so wie beim Trocknen von Lackschichten im IR - Tunnel) oder der Feststoff muß ständig vermischt werden. Die übertragbare Wärmemenge hängt vom Stahlungsabsorptionskoeffizienten des Feststoffs ab, günstig sind dunkle und rauhe Oberflächen. Der IR - Stahler (z.B. Quarzglas-, Keramik-, Metallrohr- oder Metallfolienstrahler) besitzen eine von der Frequenz abhängige Verteilung der Stahlungsintensität. Bei gut abgestimmten Systemen decken sich das Maximum der Intensitätskurve des Strahlers mit dem Absorptionsmaximum des zu trocknenden Feststoffs.

Wellenlängenbereich	Frequenzbereich
69,14cm	433,92 MHz ± 0.2%
32,75 cm	915 MHz ± 13MHz
12,24 cm	2450 MHz ± 50MHz
5,17 cm	5800 MHz ± 75MHz
1,36 cm	24125 MHz ± 125MHz

Neben den oben genannten Vorteilen weisen Strahlungstrockner jedoch einige Besonderheiten auf, die bei der Auswahl des Trocknungsverfahrens beachtet werden müssen:

Kosten: Zur Trocknung wird in der Regel elektische Energie eingesetzt (Ausnahme: gasbefeuerte IR - Strahler). Das kann dort vorteilhaft sein wo nur gelegentlich geringe Leistungen erforderlich sind oder wo es keine energietechische Infrastruktur, z.B. ein Dampfnetz, gibt. In der Regel ist die Beheizung mit Elektroenergie jedoch teuer, ein Trend, der sich unter den gegebenen Rahmenbedingungen in Deutschland noch verstärken wird.
Sicherheit: Beim Umgang mit Hochfrequenz- und Mikrowellenstahlung sind die gesetzlichen Bestimmungen zum Strahlenschutz einzuhalten; das erfordert geeignete Maßnahmen zur Abschirmung und regelmäßige Messungen. Gefährlich wird es, wenn Metallteile ins elektische Feld des Trockners kommen. Diese können Funken oder Lichtbögen bewirken und damit die Ursache für eine Explosion sein. Hier setzt man zur Absicherung Metalldetektoren ein. Weiterhin kann es bei Mikrowellentrocknern zu lokalen Überhitzungen im Feststoff kommen, sogenannten Hot Spots. Bei IR - Strahlern herrschen hohe Oberlächentemperaturen, das ist bei der sicherheitstechnischen Betrachtung für das Trocknungsverfahren zu berücksichtigen.

Hinsichtlich des Druckes kann in Trocknungsverfahren, die bei Normaldruck arbeiten (z.B. Infrarot - Drehrohrtrockner, Infrarot - Vibrationsrinne) und in solche, die im Vakuum arbeiten (z.B. Mikrowellen - Vakuumtrockner), unterschieden werden.

Hinsichtlich der Fahrweise kann in diskontinuierliche Fahrweise (z.B. Mikrowellen - Kammeröfen) und in kontinuierliche Fahrweise (z.B. Mikrowellen - Durchlauftrockner, IR - Tunneltrockner) unterschieden werden.