高頻加熱對落葉松含髓心方材水分遷移的影響

呂洋毅，付宗營，宋濤雲(yún)，蔡英春

(東北林業(yè)大學材料科學與工程學院，黑龍江哈爾濱 150040)

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高頻加熱對落葉松含髓心方材水分遷移的影響

呂洋毅，付宗營，宋濤雲(yún)，蔡英春*

(東北林業(yè)大學材料科學與工程學院，黑龍江哈爾濱 150040)

以橫截面120 mm落葉松含髓心方材為研究對象，檢測并對比分析了高頻-對流干燥與常規(guī)對流干燥過程中，試材含水率及其沿厚度方向分布的變化，探討了高頻-對流干燥過程中高頻復合加熱對木材內(nèi)部水分遷移的影響。結果表明：①干燥過程中在對流加熱的同時實施高頻加熱，干燥速率由單獨對流干燥過程中的0.153%/h提高到0.398%/h。②高頻加熱對水分遷移的促進作用效果，木材纖維飽和點之上隨著含水率的降低而增大，纖維飽和點時最強；纖維飽和點之下隨著含水率的降低而減弱。③高頻加熱對含水率分布均勻性的作用效果顯著，但隨著干燥的進行作用效果減弱。

高頻-對流干燥；含水率分布；干燥速率；水分遷移

隨著木結構建筑的興起以及使用框鋸加工實木復合地板表板工序的增加，大斷面板方材的需求量逐年增加[1]，其高品質干燥是滿足用戶需求、保證建筑結構安全和延長使用壽命的關鍵。然而，由于該種木材熱質遷移路徑長，尤其是含髓心材異向性干縮嚴重，導致干燥品質低、周期長。另外，木材干燥作為木制品加工過程中耗能最大的一道工序，其干燥周期、能耗直接關系到企業(yè)的生產(chǎn)加工成本和間接影響環(huán)保負擔。因此關于大斷面板方材高品質、快速、節(jié)能干燥技術的研究具有重要意義，深受國內(nèi)外相關行業(yè)學者及工程技術人員的關注。

Yayoi等對日本大斷面含髓心柳杉進行高頻-對流干燥與常規(guī)對流干燥的對比試驗，結果表明前者的干燥速度是后者的4倍，且干燥質量也有所提升[2]；Norihiko等研究了高頻和微波預處理對中空材干燥效果的影響，結果表明預處理使木材厚度方向上加熱均勻，含水率梯度和應力梯度較小，能有效減少干燥缺陷[3]。Jinji等探討了含髓心柳杉方材高頻-對流聯(lián)合干燥工藝，結果表明高頻加熱的投入能夠有效減少柳杉方材表裂的產(chǎn)生，在含水率降至20%后采取高頻-對流加熱干燥，能明顯縮短干燥時間、降低能耗[4]；Poulin 探討了高頻-對流聯(lián)合干燥過程中木材熱質傳遞和水分遷移的規(guī)律。結果顯示：①高頻加熱的投入引發(fā)蒸發(fā)速率的提高，促使木材的傳熱傳質系數(shù)增大。②干燥過程中木材含水率的分布取決于初始含水率的分布和熱量遷移的相對強度，總干燥時間也因初始含水率的非均勻分布而有所增加[5]。國內(nèi)尚未見相關研究報道。

落葉松木材強度高，適于木結構建筑用材，但其較上述用材更難干燥。該研究以橫截面120 mm落葉松含髓心方材為對象，檢測分析高頻-對流聯(lián)合干燥及常規(guī)對流干燥過程中，其內(nèi)部含水率及其分布隨時間的變化，探討雙熱源干燥過程中高頻加熱對木材內(nèi)部水分遷移的作用，以期為開發(fā)大斷面落葉松含髓心方材的適宜干燥技術提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1試材。自黑龍江興安落葉松(Larixgmelinii)小徑原木鋸制斷面2 500 mm×120 mm×120 mm含髓心方材，選取無明顯缺陷的16根，按圖1所示截掉兩端較干燥部分后制成長度900 mm試材，用硅膠進行端部涂封，以確保水分僅沿橫向遷移。由同1根方材制備成2塊材性相近試材，將1塊置于“1.2”項所述1#材堆，另1塊置于2#材堆。干燥前初含水率約為47%。

1.1.2設備。主要設備是委托石家莊紀元電氣有限公司制造的JYC型高頻發(fā)生器：輸入3相380 V、50 Hz、20 kW交流電源，輸出頻率6.78 MHz、功率2～10 kW高頻振蕩電源，試驗選定輸出功率4 kW[6]；配套的對流干燥設備(由東北林業(yè)大學設計，委托哈爾濱華意干燥設備公司生產(chǎn))：總容量2 m3，內(nèi)部可堆放4個0.05 m3單元材堆，每個可在需要時連接高頻電源與對流熱濕空氣同時加熱干燥。

1.2 試驗方法

1.2.1試材堆放及干燥工藝條件。 在干燥設備內(nèi)按圖2堆放2個單元材堆(1#、2#)，每個材堆各堆放試材16塊，分別在便于取放位置設置2塊含水率分布和平均含水率檢驗材。

1#采用表1所示干燥基準進行對流加熱干燥；2#(與1#處于相同對流加熱干燥介質環(huán)境)在平均含水率達到約30%時，實施高頻加熱。高頻加熱及停歇按材堆中埋入溫度傳感器的試材的心表層溫差之上、下限值(6 ℃、1 ℃)來控制，即升至上限值停歇、降至下限值加熱。干燥終含水率約10%。

表1 120 mm厚落葉松方材聯(lián)合干燥基準

含水率∥%干球溫度∥℃干濕球溫差∥℃平衡含水量∥%>4060315.540～3062413.53075413.530～2565611.525～207089.520～1575146.5<1585253.5

1.2.2含水率分布的檢測。初含水率分布試片按圖1所示截取，檢測干燥過程含水率分布變化，每隔12 h分別從1#、2#材堆中取出含水率分布檢驗材，在一端截取20 mm厚(纖維方向)分層含水率試片后端部涂封放回原處。含水率分布試片規(guī)格為20 mm×120 mm×120 mm，按圖3所示劃線、編號(中心25，中間層17～24，表層1～16)，沿劃線劈解成25塊試樣，用稱重法測算每塊的含水率。試片總平均含水率及需要檢測的層面上的平均含水率依據(jù)蔡英春等[7]提出的重量累加法計算，即：

(1)

式中：j、k分別為試件中需求含水率均值的試樣的編號最小值和最大值。例如，計算表層含水率均值Ws，j=1、k=16；中間層Wm，j=17、k=24；上表層，j=1、k=5。Wjk為試件中i至k試樣的平均含水率(%)；mi是試件中編號為i的試樣檢測時的即時質量(g)；m0i是試件中編號為i的試樣的絕干質量(g)。

中間層與表層間的含水率梯度：

材心與中間層間的含水率梯度：

1.2.3試材絕干重和干燥過程含水率變化測算。每個材堆試材平均含水率的變化過程由設置在其中的平均含水率檢驗材的重量變化確定，其平均含水率由其兩端的初含水率試片(50塊試樣)按(1)式計算，由其和初重計算推定絕干重，干燥過程中每隔一定時間(6、8、12、…、24 h)取出稱重，由其和推定絕干重計算平均含水率，把握其變化，干燥結束后用實際絕干重置換推定值。

1.2.4可視干燥缺陷觀測。 隨時觀察并記錄試件的開裂產(chǎn)生和發(fā)展情況。

2 結果與分析

2.1 高頻加熱對試材干燥曲線與干燥速率的影響圖4為2種干燥條件下木材水分的變化曲線。

圖5為干燥速率隨含水率的變化曲線。在0～48 h之間(木材含水率30%以上)，為材性相近的2個材堆(1#、2#)以表1所示干燥基準進行對流加熱干燥，干燥過程曲線近為重合、干燥速率接近；之后2#材堆同時實施高頻加熱(控制心表層溫差在1～6 ℃)，含水率迅速降低，干燥速率最高達到0.750%/h，為僅對流干燥條件下1#材堆的4.1倍。由初含水率47%干燥至10%，僅對流加熱干燥的1#材堆用時240 h、平均干燥速率0.153%/h，而雙熱源干燥的2#材堆用時僅96 h、平均干燥速率達0.398%/h。隨著雙熱源干燥的繼續(xù)進行，2個材堆干燥速率的差值在減小，高頻加熱對水分遷移的影響減弱。高頻加熱對木材干燥速度產(chǎn)生上述影響的原因為木材心表層溫度梯度的作用，不同程度的高頻加熱會使木材產(chǎn)生不同的心表層溫度梯度(該研究條件下為1～6 ℃)。具體作用分析如下：①纖維飽和點之上但未飽水木材的大毛細管系統(tǒng)中存在自由水以及某種狀態(tài)的濕空氣，溫度高會加快自由水蒸發(fā)、增大大毛細管系統(tǒng)中濕空氣壓力，使自由水黏度降低，因而使水分遷出速度增加。該研究中，高頻施加始于試材平均含水率約30%，由于含水率分布不均，心層仍高于纖維飽和點，致使高頻加熱對水分遷移的影響顯著；②纖維飽和點之下，木材大毛細管及微毛細管系統(tǒng)中皆存在某種狀態(tài)濕空氣，溫度高，大毛細管中水蒸汽及微毛細管系統(tǒng)中液態(tài)水的擴散系數(shù)、2系統(tǒng)中濕空氣壓力均增大，使得水分向外擴散速度加快，但隨著干燥的進行，高頻加熱使得木材含水率分布較單一對流濕空氣熱源干燥時均勻，水分擴散驅動力中含水率梯度的減小弱化了空氣壓力梯度的增大，且微毛細管系統(tǒng)中液態(tài)水的擴散系數(shù)隨含水率的降低而減小，該種類擴散制約著當時總干燥速度，所以高頻加熱對水分遷移的影響減弱。由上述作用分析可知：①木材纖維飽和點之上，高含水率時，大毛細管系統(tǒng)中液柱間的空氣很少，即使隨著溫度的升高會有液態(tài)水蒸發(fā)，但很快就會因空氣飽和而停止，且溫度升高引起的空氣膨脹有限，所以高頻復合加熱對水分遷移的作用較小；隨著含水率的降低，大毛細管系統(tǒng)中液柱間的空氣增加，水分蒸發(fā)增多及空氣膨脹增大，使高頻加熱對水分遷移的作用效果增強，至纖維飽和點增至最大。因而，含水率降至20%后采取高頻-對流加熱干燥明顯縮短干燥時間、降低能耗[4]的觀點有待進一步研究驗證；②纖維飽和點之下，隨著含水率的降低，高頻復合加熱對水分遷移的作用效果減弱，欲增大效果，應適當提高高頻加熱強度以增大木材心表層溫差。適宜溫差與含水率的關系有待進一步研究。

2.2 高頻加熱對試材含水率分布的影響2種干燥條件下不同含水率階段試材內(nèi)部含水率分布如圖6所示。圖6a、6b、6c分別為平均含水率30%、20%和10%時2材堆含水率的分布情況。圖7進一步表示2種干燥條件下沿厚度方向、寬度方向含水率變化、中間層、表層(Wm-s)間含水率的梯度，心層、中間層(Wc-m)間含水率梯度的變化情況如圖8，表明：①試材平均含水率為30%時，2材堆(相同對流加熱條件下)的含水率分布幾乎一致，心層含水率最高、中間層次之，表層最低(圖6a)，呈現(xiàn)常規(guī)對流干燥過程中木材含水率的典型分布狀態(tài)；②隨著干燥的進行，2材堆含水率分布都趨于均勻，但均勻程度或心表層含水率梯度不同，高頻復合加熱下較僅對流加熱條件下含水率梯度明顯小；后者與前者的差值逐漸減小，即隨著干燥的進行，高頻復合加熱對含水率分布均勻性的作用減弱。產(chǎn)生上述結果的原因是高頻復合加熱對木材水分遷移速率的作用程度因含水率而異，纖維飽和點之下含水率高的部位作用程度大，且水的介電系數(shù)約為絕干木材的40倍，高含水率部位高頻加熱量大，因而促進了含水率分布的均勻變化。

3 結論

該研究以橫截面120 mm落葉松含髓心方材為研究對象，檢測了高頻-對流干燥過程與常規(guī)對流干燥過程中，其平均含水率以及含水率分布隨時間的變化；分析了高頻加熱對含水率分布及干燥速度等的影響，結果表明：

(1)高頻-對流雙熱源干燥過程中的平均干燥速率0.398%/h，顯著高于單獨對流干燥過程中的0.153%/h，這主要是由于高頻加熱使木材形成內(nèi)高外低的溫度和空氣壓力梯度，水分擴散系數(shù)增大、黏度降低等所致。

(2)木材纖維飽和點之上，隨著含水率的降低，高頻加熱對水分遷移的促進作用效果增大，纖維飽和點時最強；纖維飽和點之下，隨著含水率的降低，高頻加熱對水分遷移的促進效果減弱。

(3)纖維飽和點之下高含水率部位高頻加熱對水分遷移的促進作用程度大，且高頻加熱具有水分選擇性特點，因而促進了含水率分布的均勻變化，但隨著干燥的進行該促進作用減弱。

[1] 郭偉，費本華，陳恩靈.我國木結構建筑行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].木材工業(yè)，2009，23(2)：19-22.

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[3] NORIHIKO Y, YOSHIAKI T. High-frequency and microwave heating as a pretreatment to kiln drying of hollowed-out timber[J]. Journal of the Japan Wood Research Society, 2011,47(6):501-507.

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[5] POULIN A, DOSTIE M. Convective heat and mass transfer and evolution of the moisture distribution in combined convective and radio frequency drying[J]. Drying Technology,1997,15:6-8.

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The Effect of Radio-frequent Heating on Water Migration for Boxed-heart Larch Lumber

LV Yang-yi, FU Zong-ying, SONG Tao-yun, CAI Ying-chun*

(College of Materials Science and Engineering, Northeast Forestry University, Harbin, Heilongjiang 150040)

The cross section of 120 mm boxed-heart larch lumber was investigated. The moisture content and its distribution along the thickness direction of specimens were investigated and analyzed during radio-frequency convection drying and conventional drying. The effect of radio frequency on water migration was also discussed during radio-frequency convection drying. The results show that, ① Radio-frequent heating was carried out during conventional drying, the drying rate increased from 0.153%/h to 0.398 %/h. ② The promoting effect of radio-frequency on moisture migration were various at different moisture content; above fiber saturation point, it increased with decreased moisture content; under the fiber saturation point, it decreased with decreased moisture content; and it is the strongest at the fiber saturation point. ③ Radio-frequency heating had an effective influence on the uniformity of moisture content distribution, but it became weakened as drying continue.

Radio-frequency convection drying; Moisture content distribution; Drying rate; Water migration

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費重大項目(201304502)；國家自然科學

(30972306)。

呂洋毅(1991-)，女，黑龍江鶴崗人，碩士研究生，研究方向：木材干燥。*通訊作者，教授，博士生導師，從事木材干燥研究。

2015-02-09

S 782.31

A

0517-6611(2015)09-148-04