循環風速對樺木干燥速度影響的研究

賈瀟然 劉珊杉 周雅菲 王宏棣

摘?要：木材干燥過程中，除介質溫度、濕度外，介質循環速度也是一個影響木材干燥的重要工藝參數。通過改變干燥設備中風機的工作頻率（50、40、30 Hz），分析研究在不同含水率階段，不同介質循環速度對木材干燥速度、干燥周期的影響。試驗結果表明，當試材含水率（MC）在纖維飽和點之上，介質循環速度對干燥速度的影響顯著，木材干燥速度和木材含水率偏差（△MC）隨介質循環速度的增加而增加，呈顯著正相關關系;當試材含水率在纖維飽和點之下，介質循環速度的大小不影響木材的干燥速度和木材含水率偏差。在干燥過程中以纖維飽和點為節點，將風機工作頻率由50 Hz降至30 Hz不會延長干燥周期，風機總能耗降低約18%。因此在干燥過程中適當改變介質循環速度，在保證干燥速度和質量的前提下，可實現節能減排的目的。

關鍵詞：介質循環速度; 干燥速度; 干燥周期; 風機能耗

中圖分類號：S782.31文獻標識碼：A文章編號：1006-8023（2019）06-0042-06

Study on the Effect of Circulation Velocity on Drying Rate of Birch

JIA Xiaoran*， LIU Shanshan， ZHOU Yafei，WANG Hongdi

（Heilongjiang Provincial Institute of Wood Science， Harbin 150040）

Abstract：In addition to temperature and humidity， medium circulation velocity is one of the very important process parameters that can affect wood drying during drying process. In this paper， it is to analyze the influence of medium circulation velocity on wood drying rate and drying cycle at different wood moisture content stages by changing the operating frequency （50， 40， 30Hz） of the fan of the drying equipment. The experimental results showed that， when the moisture content was above fiber saturation point （30%）， the influence of medium circulation velocity on wood drying rate was significant， the wood drying rate and the moisture content error in the sample surface increased when the medium circulation velocity became higher， and showed a significant positive correlation; when the moisture content was under fiber saturation point， the medium circulation velocity had no impacts on the wood drying rate and the moisture content error in the sample surface， at this time， the drying cycle was not prolonged by reducing the operating frequency from 50Hz to 30Hz of the fan， compared with the constant frequency operation of the fan， the total energy consumption of the fan was reduced by about 18%. Therefore， the purpose of energy saving and emission reduction can be achieved by appropriately changing the medium circulation speed during the drying process under the premise of ensuring drying rate and quality.

Keywords：Medium circulation velocity; wood drying rate; wood drying cycle; fan energy consumption

0?引言

木材干燥是木材加工過程中一個重要生產環節，盡管目前木材干燥的方式有很多種，但常規干燥仍占主導地位[1]。在常規干燥過程中，介質的溫度、濕度和循環風速是影響木材干燥速度、質量的重要參數[2]。溫度和濕度隨干燥過程的變化構成了木材的干燥基準，是木材干燥工藝的重要內容之一[3-4]。目前，國內外對介質的溫度和濕度的研究已經比較完善[5-9]。循環風速也是影響木材干燥的一個重要因子，現有研究表明[10-17]，在纖維飽和點之上，提高循環風速可提高干燥速度，因為風速越高，對流傳質系數越大，木材表面自由水蒸發越快，同時木材芯層與表層含水率差越大，對于部分樹種而言會產生干燥缺陷;纖維飽和點之下，循環風速對干燥速度影響較小，干燥速度取決于木材內部水分向木材表面擴散的速度。因此合理選擇循環風速，可提高干燥速度、質量，在保證干燥周期不變的情況下，降低干燥能耗。

目前木材干燥企業為了保證木材的干燥質量，一般都采取比較保守的干燥基準，從而造成了能源浪費的問題，未來常規干燥工藝也要向節能減排的方向發展[18-19]。在現有的干燥基準上，研究木材在不同含水率階段不同介質循環速度對木材干燥的影響，將循環風速、介質的溫、濕度3個參數同時納入控制系統中，使木材干燥工藝過程精細化，達到節能減排、提高企業生產效率和經濟利益的效果。

本研究探討不同循環風速對樺木鋸材不同含水率階段表層及芯層干燥速度的影響、不同循環風速對干燥周期的影響，通過對比分析，制定出不同含水率階段合理的介質循環速度，與恒定風速的干燥工藝相比，計算整個干燥周期風機節約的能耗。

1?研究方法

1.1?材料

試驗材料為含水率70%左右的40 mm厚樺木鋸材。試驗前將鋸材四面刨光，將試材加工成規格為長700 mm（縱向）、寬150～200 mm（弦向）、厚40 mm（徑向）的試件，為了讓試材內部水分僅沿厚度方向遷移，將試材兩端（縱向）用硅膠封閉。

1.2?設備

74-TA Ⅱ型實驗用常規木材干燥試驗機，裝材容積為0.4 m3;在控制柜中接入SV015iG5-1型變頻器，實現干燥室風機變頻;希瑪AR866手持式熱敏式風速儀等。

1.3?試驗方法

含水率70%左右的40 mm厚樺木試材在常規木材干燥試驗機中進行4組試驗，前3組試驗風機變頻器頻率分別為50、40、30 Hz，各組試驗頻率保持不變直到干燥結束;第4組試驗干燥初始風機變頻器頻率為50 Hz，當試件含水率降到纖維飽和點以下，變頻器頻率調為30 Hz，直到干燥結束。4組使用相同的基準對試件進行干燥，干燥基準見表1，干燥基準參照LY-T 1068-2012 鋸材窯干工藝規程。4組試驗在干燥過程中定期測量試材表層風速，選取上下表層風速相近的試件，采用稱重法計算該試件平均含水率，將試件端頭截斷，沿厚度方向等分成3層（通常情況下厚度<50 mm分3層，厚度>50 mm分5層），采用稱重法計算各上表層、芯層和下表層含水率，即分層含水率，不同頻率下風速見表2。

2?結果與分析

2.1?循環風速對試件干燥速度的影響

第1-3組試驗，風機頻率為50、40、30 Hz，每組試驗選取初含水率、表層循環風速相近的3個試材，編號分別為1-1、1-2、1-3;2-1、2-2、2-3;3-1、3-2、3-3，試材初始含水率約為70%，終含水率約為10%，平均含水率、表層含水率變化曲線、表層含水率偏差分別如圖1至圖3所示，其中表層含水率為上、下表層含水率均值。

從圖1至圖3中可以看出，各組試驗中，風速相近的3塊試材的干燥速度（曲線斜率）無明顯區別，變化趨勢基本一致，含水率在纖維飽和點之上，干燥速度較快，含水率在纖維飽和點之下，干燥速度降低。不同風速下，3塊試材平均含水率、平均表層含水率變化曲線如圖4所示。

由圖4（a）可以看出，當試材平均含水率在纖維飽和點之上，3組試驗干燥速度存在明顯區別，介質循環速度越大，干燥速度越快，即50 Hz下試材干燥速度最快，40 Hz下干燥速度次之，30 Hz下干燥速度最慢。從干燥時間可以看出，在50 Hz下試材平均含水率降至30%用時約為70 h，40 Hz下約為100 h，30 Hz下約為140 h;當含水率降至纖維飽和點之下， 3組試驗干燥速度相近，50 Hz下試材平均含水率降至10%用時約為190 h，40 Hz下約為200 h，30 Hz下約為210 h。

由圖4（b）可以看出，當含水率在纖維飽和點之上，3組試材表層含水率由70%降至30%用時分別約為38、50、74 h，平均干燥速度為含水率差/干燥時間，經計算3組試材表層干燥速度比為1.95∶1.48∶1，3組試驗介質循環平均風速分別為4.30、3.33、2.37 m/s，風速比為1.81∶1.41∶1，兩者趨勢相近，由此可以得出，介質循環風速與試材表層干燥速度成正相關關系，即介質循環速度越大，試材表層干燥速度越快;當含水率由纖維飽和點將至10%，3組試材用時分別約為220 h、230 h和240 h，試材表層干燥速度比為1.10∶1.05∶1，由此可以得出，介質循環風速對試材表層干燥速度影響很小。

圖5為3組試材平均表層含水率偏差，在不同循環風速下，3組試材表層含水率偏差均呈現先增大后減少的趨勢，干燥前期，循環風速越大，表層含水率偏差越大，干燥后期，隨著含水率逐漸降低，試材內部水分向表面移動的速度決定著木材干燥速度，即含水率梯度成為驅動力，此時通過提高介質循環速度來加快試材表面水分蒸發的速度沒有實際意義。

2.2?變頻循環風速對干燥周期及能耗的影響

第4組試驗干燥初始風機變頻器頻率為50 Hz，當試件平均含水率降到纖維飽和點以下，變頻器頻率調為30 Hz，直到干燥結束。第4組使用與前3組相同的基準對試件進行干燥，試驗選取初含水率、表面循環風速相近的3個試材， 50 Hz下平均風速為4.2 m/s， 30 Hz下平均風速為2.3 m/s，變頻循環風速與50 Hz定頻循環風速下試材平均含水率變化曲線對比如圖6所示。

由圖6可以看出，當含水率降至纖維飽和之下時，通過調整風機頻率由50 Hz降至30 Hz，風速降低對整個干燥周期基本沒有影響。通過變頻器對風機設備進行調速控制，其節能量可根據GB12497《三相異步電動機經濟運行》強制性國家標準實施監督指南中的計算公式算出[20]，如公式（1）所示。

PL=[0.45+0.55（Q/QN）2]PE。 （1）

式中：PL為變頻器改造后風機所需輸入功率，kW;PE為達到風機額定流量時所需輸入功率，kW;Q為實際所需流量，m3/h ; QN為風機額定流量，m3/h。

由流體力學可知，流量等于風速乘以管道的截面積。對于同一個風循環系統的同一個測點，其管道截面積相同，因此流量比等于風速比。利用風速儀測量干燥窯側面出風口風速，30 Hz與50 Hz的風速比為0.75，根據公式（1）可以得出PL=0.76PE，按照纖維飽和點之上干燥時間為64 h，纖維飽和點之下干燥時間為200 h，在變頻模式下風機消耗的電能為216PE，定頻模式下消耗的電能為264PE，在整個干燥周期內，變頻相較于定頻，風機節約的能耗約為18%。

3?結論

（1）當木材含水率較高時，介質循環速度快則木材干燥速度快，介質循環速度對干燥速度的影響顯著，隨著含水率降低，其影響逐漸減少。

（2）當木材含水率較高時，介質循環速度越快木材表層含水率偏差越大，介質循環速度對木材表層含水率偏差影響顯著，隨著含水率降低，木材表層含水率偏差逐漸減小。

（3）當木材含水率高于纖維飽和點時，風機工作頻率為50、40、30 Hz時，介質循環風速比為1.79∶1.38∶1，試材表層干燥速度比為1.94∶1.32∶1，兩者成正相關關系;當木材含水率低于纖維飽和點時，試材表層干燥速度比為1.1∶1.05∶1，此時木材的干燥速度由內部水分向表面移動的速度決定，而不是木材表面蒸發速度，介質循環風速對表層干燥速度沒有影響。

（3）在木材干燥過程以纖維飽和點為節點將電機工作頻率由50 Hz降至30 Hz，在保證干燥質量的前提下，不會延長干燥周期，風機能耗降低約18%。

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