低循環(huán)風(fēng)速下木材表層水分蒸發(fā)的試驗(yàn)研究

褚 俊，孟 楊，趙 庚，陳廣元

(東北林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

目前，國(guó)內(nèi)外的木材常規(guī)干燥過(guò)程大多是控制干燥室中介質(zhì)的溫度和濕度兩個(gè)主要參數(shù)，對(duì)介質(zhì)的溫度和濕度的研究已經(jīng)較完善。對(duì)其他變量參數(shù)如介質(zhì)循環(huán)速度等對(duì)工藝的影響研究也有，但一般僅限于干燥室中介質(zhì)循環(huán)的均勻性及對(duì)木材干燥均勻性影響的研究較多，而且木材干燥過(guò)程中使用較高的介質(zhì)循環(huán)速度以縮短干燥周期，在干燥過(guò)程中只追求質(zhì)量高和周期短，很少考慮到木材干燥過(guò)程中的低效率和高能耗問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外有一些研究，研究者認(rèn)為：干燥生產(chǎn)中，采用變頻風(fēng)機(jī)，前期高風(fēng)速，后期低風(fēng)速，對(duì)干燥周期影響不大，但能降低干燥成本[1-2]。D.S.Dedrick和N.M.Nassif強(qiáng)調(diào)穿過(guò)材堆的介質(zhì)循環(huán)速度是影響干燥速度的重要因素[3-4]。PANG.S和R.B.KEEY研究了氣流循環(huán)方向?qū)Ω稍锞鶆蛐缘挠绊懀Y(jié)果表明每4 h換一次風(fēng)向，24 h后，干燥室內(nèi)材堆不同角度的木材的溫度和含水率均勻[5-6]。隨著近年來(lái)資源的匱乏，考慮木材干燥過(guò)程中能源消耗問(wèn)題的學(xué)者和企業(yè)越來(lái)越多。張璧光等提出未來(lái)干燥技術(shù)將向節(jié)能減排方向發(fā)展[7]。在木材干燥過(guò)程中，木材在不同含水率階段，介質(zhì)循環(huán)速度對(duì)木材表層含水率的傳遞和蒸發(fā)的影響不同。如果能找到木材在不同含水率階段所需介質(zhì)循環(huán)速度的大小，并運(yùn)用到木材干燥實(shí)際生產(chǎn)，不僅對(duì)木材干燥的速度和質(zhì)量的提高有重要意義，而且有利于減少干燥過(guò)程中風(fēng)機(jī)的能耗。因此把介質(zhì)循環(huán)速度編入木材干燥基準(zhǔn)，是木材干燥企業(yè)及木材科技工作者應(yīng)該深入研究的問(wèn)題。

本研究探討干燥室中僅在低循環(huán)風(fēng)速情況下對(duì)不同含水率階段木材表面水分蒸發(fā)速度和木材斷面含水率梯度的影響。在木材干燥過(guò)程中采用不同的介質(zhì)循環(huán)速度，在保證干燥質(zhì)量和速度的前提下，制定出不同含水率階段合理的介質(zhì)循環(huán)速度，提高風(fēng)機(jī)效率及降低風(fēng)機(jī)能耗。

1 材料、設(shè)備和方法

1.1 材 料

試驗(yàn)材料為65 mm厚菲律賓桃花芯木鋸材，含水率為80%左右。試驗(yàn)前將鋸材四面刨光，規(guī)格為長(zhǎng)2000 mm(縱向)、寬150 mm(弦向)、厚65 mm(徑向)，將試材鋸截為：320 mm(長(zhǎng))×150 mm(寬)×65 mm(厚)的試件，共18塊。

1.2 設(shè) 備

DS-408型恒溫恒濕箱，溫度范圍0～100℃；相對(duì)濕度35%～98%；DHG-9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，溫度范圍0～250℃；ZRQF智能風(fēng)速計(jì)等。

1.3 試驗(yàn)方法

常規(guī)干燥在恒溫恒濕箱中分3次進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)一的試件1-A、1-B、1-C、1-D、1-E、1-F，實(shí)驗(yàn)二的試件2-A、2-B、2-C、2-D、2-E、2-F，實(shí)驗(yàn)三的試件3-A、3-B、3-C、3-D、3-E、3-F。3次試驗(yàn)使用相同的波動(dòng)基準(zhǔn)對(duì)試件進(jìn)行干燥，波動(dòng)基準(zhǔn)見表1。干燥時(shí)為防止水分從木材兩個(gè)端面散失，每個(gè)試件的兩端面用硅膠和保鮮膜密封。干燥過(guò)程中定期測(cè)量每個(gè)試件上下表層的風(fēng)速及試件的分層含水率，并用電子天平對(duì)每個(gè)試件進(jìn)行稱重。

表1 桃花心木鋸材波動(dòng)干燥基準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 循環(huán)風(fēng)速對(duì)試件整體干燥速度的影響

實(shí)驗(yàn)一，恒溫恒濕箱中，三個(gè)試件1-A、1-C和1-E的初含水率為81.87%，終含水率分別為12.62%、13.55%和13.81%，干燥共耗時(shí)600 h。

圖1 不同循環(huán)風(fēng)速下含水率變化曲線

如圖1所示可以看出，三個(gè)試件的干燥速度(曲線斜率)存在明顯的區(qū)別：在0～312 h期間，試件1-A表面風(fēng)速高干燥最快，試件1-C次之，試件1-E表面風(fēng)速低干燥最慢，干燥前期試件含水率較高，循環(huán)風(fēng)速高的干燥速度快，此階段風(fēng)速應(yīng)大于2.3 m/s；在312～600 h期間，試件1-A干燥最慢，試件1-C次之，試件1-E干燥最快，后期循環(huán)風(fēng)速對(duì)干燥速度的影響減弱。干燥后期三個(gè)試件的干燥速度都有加快趨勢(shì)的原因是干燥后期溫度升高，干濕球溫差增大。

形成這種同一恒溫恒濕箱中試件的干燥速度不同的主要原因是：在恒溫恒濕箱中三個(gè)試件表面的循環(huán)風(fēng)速不同。木材干燥初期，決定干燥速度的是木材表面水分的蒸發(fā)[8-9]。試件表面循環(huán)風(fēng)速的不同導(dǎo)致試件表層水分蒸發(fā)速度不同，表面循環(huán)風(fēng)速大的水分蒸發(fā)快，試件內(nèi)層與表層形成較大的含水率梯度，使試件的干燥速度加快。木材干燥后期，決定干燥速度的是木材內(nèi)部水分向表面移動(dòng)的速度[8]。在312～600 h期間，312 h時(shí)測(cè)得試件1-A、試件1-C和試件1-E的含水率分別為：35.94%、36.64%和42.51%。試件1-E的含水率高，內(nèi)部水分向表層移動(dòng)快，循環(huán)風(fēng)速對(duì)木材干燥速度的影響較小，形成試件1-E的干燥速度比試件1-A和試件1-C快的干燥狀態(tài)。

2.2 低循環(huán)風(fēng)速下不同含水率階段木材表層含水率偏差

含水率偏差是指木材芯層含水率與表層含水率之差。

圖2 各試件在不同含水率階段的含水率偏差

圖2中(a)～(e)所示為實(shí)驗(yàn)二中試件處于不同含水率時(shí)，低循環(huán)風(fēng)速下木材上下表層含水率偏差。

圖2中(a)所示為試件的含水率大于55%時(shí)，低循環(huán)風(fēng)速下木材上下表層含水率偏差。由圖2中(a)可以看出三個(gè)試件在平均含水率高于55%時(shí)，每個(gè)試件的上下表層含水率偏差都符合一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)律：表面循環(huán)風(fēng)速大的含水率偏差大，表面循環(huán)風(fēng)速小的含水率偏差小，表層的含水率偏差與循環(huán)風(fēng)速呈正相關(guān)關(guān)系。菲律賓桃花芯木在平均含水率高于55%時(shí)，表面循環(huán)風(fēng)速對(duì)菲律賓桃花芯木的含水率偏差有顯著的影響。

圖2中(b)所示為試件的含水率介于45%～55%之間時(shí)，低循環(huán)風(fēng)速下木材上下表層的含水率偏差。由圖2中(b)可以看出三個(gè)試件在含水率介于45%～55%之間時(shí)，對(duì)同一個(gè)試件上下表層的含水率偏差都隨著表層的循環(huán)風(fēng)速的增大而增大，但試件2-D-b和2-F-b在循環(huán)風(fēng)速增加的同時(shí)表層的含水率偏差數(shù)值只有微小的增加。可能由于三個(gè)試件上下表層的循環(huán)風(fēng)速差別較小，所以試件上下表層含水率偏差也較均勻。菲律賓桃花芯木在平均含水率介于45%～55%之間時(shí)，表面循環(huán)風(fēng)速對(duì)菲律賓桃花芯木的含水率偏差影響的作用比在平均含水率大于55%時(shí)要小。

圖2中(c)所示為試件的含水率介于35%～45%之間時(shí)，低循環(huán)風(fēng)速下木材上下表層含水率偏差。由圖2中(c)可以看出三個(gè)試件在含水率介于35%～45%之間時(shí)，試件2-D-c和試件2-F-c上下表層含水率偏差與循環(huán)風(fēng)速呈弱正相關(guān)關(guān)系，而試件2-B-c上下表層含水率偏差與循環(huán)風(fēng)速呈弱負(fù)相關(guān)關(guān)系。這一含水率階段，循環(huán)風(fēng)速對(duì)木材干燥速度的影響較小，由其他因素(如木材此時(shí)的含水率等)對(duì)干燥速度的影響占主導(dǎo)地位。

圖2中(d)所示為試件的含水率介于30%～35%之間時(shí)，低循環(huán)風(fēng)速下木材上下表層含水率偏差。由圖2中(d)可以看出三個(gè)試件在含水率介于30%～35%之間時(shí)，三個(gè)試件的表層循環(huán)風(fēng)速變化較大，三個(gè)試件的上下表層含水率偏差比較均勻。由此可以得出：菲律賓桃花芯木在平均含水率介于30%～35%之間時(shí)，表面低循環(huán)風(fēng)速范圍內(nèi)，循環(huán)風(fēng)速對(duì)菲律賓桃花芯木表層含水率偏差的影響很小。可以看成在含水率介于30%～35%之間時(shí)，循環(huán)風(fēng)速的大小對(duì)含水率偏差沒(méi)有影響，此時(shí)干燥室內(nèi)的循環(huán)風(fēng)速可以適當(dāng)降低，在保證干燥質(zhì)量和干燥速度的前提下，節(jié)約風(fēng)機(jī)能耗。

圖2中(e)所示為試件的試件在含水率小于30%時(shí)，低循環(huán)風(fēng)速下木材上下表層含水率偏差。由圖2中(e)可以看出三個(gè)試件在含水率小于30%時(shí)，三個(gè)試件的表層循環(huán)風(fēng)速變化較大，三個(gè)試件的上下表層含水率偏差比較均勻。由此可以得出：菲律賓桃花芯木在平均含水率小于30%之間時(shí)，表面低循環(huán)風(fēng)速范圍內(nèi)，循環(huán)風(fēng)速對(duì)菲律賓桃花芯木表層含水率偏差的影響很小。可以看成在含水率小于30%時(shí)，循環(huán)風(fēng)速的大小對(duì)含水率偏差沒(méi)有影響，此時(shí)干燥室內(nèi)的循環(huán)風(fēng)速可以適當(dāng)降低，在保證干燥質(zhì)量和干燥速度的前提下，節(jié)約風(fēng)機(jī)能耗。

表2表示不同含水率階段循環(huán)風(fēng)速變化對(duì)含水率偏差影響的大小，分別計(jì)算不同含水率階段試件含水率偏差的平均值、標(biāo)準(zhǔn)方差和變異系數(shù)。試件含水率偏差變異系數(shù)從高含水率到低含水率依次減小，即介質(zhì)循環(huán)速度對(duì)干燥速度的影響隨木材含水率的降低而減弱。含水率35%～45%時(shí)，由于介質(zhì)循環(huán)速度均勻，導(dǎo)致含水率偏差變異系數(shù)最小。

表2 含水率偏差的變化

2.3 低循環(huán)風(fēng)速對(duì)試件表層含水率的影響

如圖3所示為實(shí)驗(yàn)三中3-A、3-C和3-E，3個(gè)試件的下表層含水率在特定循環(huán)風(fēng)速下隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。由圖3可見，在3個(gè)試件表層含水率大于25%時(shí)，試件表面循環(huán)風(fēng)速對(duì)試件表層含水率的影響顯著。當(dāng)在3個(gè)試件表層含水率達(dá)到25%時(shí)，試件表面循環(huán)風(fēng)速對(duì)試件表層含水率的影響很小，不同循環(huán)風(fēng)速下試件表層含水率基本一樣。

圖3 不同循環(huán)風(fēng)速試件下表層含水率的變化

如圖4所示為3-A、3-C和3-E，3個(gè)試件的上表層含水率在特定循環(huán)風(fēng)速下隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。如圖4所示，3個(gè)試件表層含水率基本都小于25%，3個(gè)試件的上表層含水率趨勢(shì)線基本重合，試件表面循環(huán)風(fēng)速對(duì)試件表層含水率的影響很小，不同循環(huán)風(fēng)速下試件表層含水率基本一樣。

圖4 不同循環(huán)風(fēng)速試件上表層含水率的變化

3 結(jié)論與討論

(1)在木材高含水率時(shí)，介質(zhì)循環(huán)速度快則木材干燥速度快，介質(zhì)循環(huán)速度對(duì)干燥速度的影響顯著，但其影響隨木材含水率的降低而減弱。

(2)在低介質(zhì)循環(huán)速度條件下，試件含水率大于45%時(shí)，循環(huán)風(fēng)速對(duì)木材的干燥速度和木材表層含水率偏差影響顯著，表現(xiàn)為木材的干燥速度和木材表層含水率偏差隨循環(huán)風(fēng)速的增加而增加，呈顯著正相關(guān)關(guān)系；試件含水率介于35%～45%時(shí)，上述正相關(guān)關(guān)系存在但不顯著；試件含水率小于35%時(shí)，干燥室內(nèi)循環(huán)風(fēng)速的大小不是影響木材的干燥速度和木材含水率偏差的主導(dǎo)因素。

(3)試件表層含水率大于25%時(shí)，試件表面循環(huán)風(fēng)速對(duì)試件表層含水率的影響顯著；試件表層含水率達(dá)到25%時(shí)，試件表面循環(huán)風(fēng)速對(duì)試件表層含水率的影響很小，不同循環(huán)風(fēng)速下試件表層含水率基本一樣。

(4)木材干燥過(guò)程中可以分三個(gè)階段調(diào)整介質(zhì)循環(huán)速度，即木材含水率大于45%；含水率介于35%～45%；含水率小于35%。三個(gè)階段依次減小風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，在保證干燥速度和質(zhì)量的前提下，降低風(fēng)機(jī)能耗。同時(shí)也可以依據(jù)木材的表層含水率25%為界來(lái)調(diào)節(jié)介質(zhì)循環(huán)速度。

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