低循環風速下木材表層水分蒸發的試驗研究

褚 俊，孟 楊，趙 庚，陳廣元

(東北林業大學 材料科學與工程學院，哈爾濱 150040)

目前，國內外的木材常規干燥過程大多是控制干燥室中介質的溫度和濕度兩個主要參數，對介質的溫度和濕度的研究已經較完善。對其他變量參數如介質循環速度等對工藝的影響研究也有，但一般僅限于干燥室中介質循環的均勻性及對木材干燥均勻性影響的研究較多，而且木材干燥過程中使用較高的介質循環速度以縮短干燥周期，在干燥過程中只追求質量高和周期短，很少考慮到木材干燥過程中的低效率和高能耗問題。國內外有一些研究，研究者認為：干燥生產中，采用變頻風機，前期高風速，后期低風速，對干燥周期影響不大，但能降低干燥成本[1-2]。D.S.Dedrick和N.M.Nassif強調穿過材堆的介質循環速度是影響干燥速度的重要因素[3-4]。PANG.S和R.B.KEEY研究了氣流循環方向對干燥均勻性的影響，結果表明每4 h換一次風向，24 h后，干燥室內材堆不同角度的木材的溫度和含水率均勻[5-6]。隨著近年來資源的匱乏，考慮木材干燥過程中能源消耗問題的學者和企業越來越多。張璧光等提出未來干燥技術將向節能減排方向發展[7]。在木材干燥過程中，木材在不同含水率階段，介質循環速度對木材表層含水率的傳遞和蒸發的影響不同。如果能找到木材在不同含水率階段所需介質循環速度的大小，并運用到木材干燥實際生產，不僅對木材干燥的速度和質量的提高有重要意義，而且有利于減少干燥過程中風機的能耗。因此把介質循環速度編入木材干燥基準，是木材干燥企業及木材科技工作者應該深入研究的問題。

本研究探討干燥室中僅在低循環風速情況下對不同含水率階段木材表面水分蒸發速度和木材斷面含水率梯度的影響。在木材干燥過程中采用不同的介質循環速度，在保證干燥質量和速度的前提下，制定出不同含水率階段合理的介質循環速度，提高風機效率及降低風機能耗。

1 材料、設備和方法

1.1 材 料

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

1.2 設 備

DS-408型恒溫恒濕箱，溫度范圍0～100℃；相對濕度35%～98%；DHG-9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱，溫度范圍0～250℃；ZRQF智能風速計等。

1.3 試驗方法

常規干燥在恒溫恒濕箱中分3次進行，實驗一的試件1-A、1-B、1-C、1-D、1-E、1-F，實驗二的試件2-A、2-B、2-C、2-D、2-E、2-F，實驗三的試件3-A、3-B、3-C、3-D、3-E、3-F。3次試驗使用相同的波動基準對試件進行干燥，波動基準見表1。干燥時為防止水分從木材兩個端面散失，每個試件的兩端面用硅膠和保鮮膜密封。干燥過程中定期測量每個試件上下表層的風速及試件的分層含水率，并用電子天平對每個試件進行稱重。

表1 桃花心木鋸材波動干燥基準

2 結果與分析

2.1 循環風速對試件整體干燥速度的影響

實驗一，恒溫恒濕箱中，三個試件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600 h。

圖1 不同循環風速下含水率變化曲線

如圖1所示可以看出，三個試件的干燥速度(曲線斜率)存在明顯的區別：在0～312 h期間，試件1-A表面風速高干燥最快，試件1-C次之，試件1-E表面風速低干燥最慢，干燥前期試件含水率較高，循環風速高的干燥速度快，此階段風速應大于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，后期循環風速對干燥速度的影響減弱。干燥后期三個試件的干燥速度都有加快趨勢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試件表面的循環風速不同。木材干燥初期，決定干燥速度的是木材表面水分的蒸發[8-9]。試件表面循環風速的不同導致試件表層水分蒸發速度不同，表面循環風速大的水分蒸發快，試件內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部水分向表面移動的速度[8]。在312～600 h期間，312 h時測得試件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，內部水分向表層移動快，循環風速對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。

2.2 低循環風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)所示為實驗二中試件處于不同含水率時，低循環風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，低循環風速下木材上下表層含水率偏差。由圖2中(a)可以看出三個試件在平均含水率高于55%時，每個試件的上下表層含水率偏差都符合一個統一的規律：表面循環風速大的含水率偏差大，表面循環風速小的含水率偏差小，表層的含水率偏差與循環風速呈正相關關系。菲律賓桃花芯木在平均含水率高于55%時，表面循環風速對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，低循環風速下木材上下表層的含水率偏差。由圖2中(b)可以看出三個試件在含水率介于45%～55%之間時，對同一個試件上下表層的含水率偏差都隨著表層的循環風速的增大而增大，但試件2-D-b和2-F-b在循環風速增加的同時表層的含水率偏差數值只有微小的增加。可能由于三個試件上下表層的循環風速差別較小，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，表面循環風速對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%時要小。

圖2中(c)所示為試件的含水率介于35%～45%之間時，低循環風速下木材上下表層含水率偏差。由圖2中(c)可以看出三個試件在含水率介于35%～45%之間時，試件2-D-c和試件2-F-c上下表層含水率偏差與循環風速呈弱正相關關系，而試件2-B-c上下表層含水率偏差與循環風速呈弱負相關關系。這一含水率階段，循環風速對木材干燥速度的影響較小，由其他因素(如木材此時的含水率等)對干燥速度的影響占主導地位。

圖2中(d)所示為試件的含水率介于30%～35%之間時，低循環風速下木材上下表層含水率偏差。由圖2中(d)可以看出三個試件在含水率介于30%～35%之間時，三個試件的表層循環風速變化較大，三個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，表面低循環風速范圍內，循環風速對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，循環風速的大小對含水率偏差沒有影響，此時干燥室內的循環風速可以適當降低，在保證干燥質量和干燥速度的前提下，節約風機能耗。

圖2中(e)所示為試件的試件在含水率小于30%時，低循環風速下木材上下表層含水率偏差。由圖2中(e)可以看出三個試件在含水率小于30%時，三個試件的表層循環風速變化較大，三個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，表面低循環風速范圍內，循環風速對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，循環風速的大小對含水率偏差沒有影響，此時干燥室內的循環風速可以適當降低，在保證干燥質量和干燥速度的前提下，節約風機能耗。

表2表示不同含水率階段循環風速變化對含水率偏差影響的大小，分別計算不同含水率階段試件含水率偏差的平均值、標準方差和變異系數。試件含水率偏差變異系數從高含水率到低含水率依次減小，即介質循環速度對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，由于介質循環速度均勻，導致含水率偏差變異系數最小。

表2 含水率偏差的變化

2.3 低循環風速對試件表層含水率的影響

如圖3所示為實驗三中3-A、3-C和3-E，3個試件的下表層含水率在特定循環風速下隨時間的變化趨勢。由圖3可見，在3個試件表層含水率大于25%時，試件表面循環風速對試件表層含水率的影響顯著。當在3個試件表層含水率達到25%時，試件表面循環風速對試件表層含水率的影響很小，不同循環風速下試件表層含水率基本一樣。

圖3 不同循環風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個試件的上表層含水率在特定循環風速下隨時間的變化趨勢。如圖4所示，3個試件表層含水率基本都小于25%，3個試件的上表層含水率趨勢線基本重合，試件表面循環風速對試件表層含水率的影響很小，不同循環風速下試件表層含水率基本一樣。

圖4 不同循環風速試件上表層含水率的變化

3 結論與討論

(1)在木材高含水率時，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，但其影響隨木材含水率的降低而減弱。

(2)在低介質循環速度條件下，試件含水率大于45%時，循環風速對木材的干燥速度和木材表層含水率偏差影響顯著，表現為木材的干燥速度和木材表層含水率偏差隨循環風速的增加而增加，呈顯著正相關關系；試件含水率介于35%～45%時，上述正相關關系存在但不顯著；試件含水率小于35%時，干燥室內循環風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因素。

(3)試件表層含水率大于25%時，試件表面循環風速對試件表層含水率的影響顯著；試件表層含水率達到25%時，試件表面循環風速對試件表層含水率的影響很小，不同循環風速下試件表層含水率基本一樣。

(4)木材干燥過程中可以分三個階段調整介質循環速度，即木材含水率大于45%；含水率介于35%～45%；含水率小于35%。三個階段依次減小風機轉速，在保證干燥速度和質量的前提下，降低風機能耗。同時也可以依據木材的表層含水率25%為界來調節介質循環速度。

【參 考 文 獻】

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