柞木干燥預熱升溫過程中影響因素及其效果研究

崔曉磊　蘇蕓　賈瀟然

摘要： 鋸材干燥預熱需要大量蒸汽，為節約能源，本研究開展了減少蒸汽用量的研究。以柞木為研究對象，用預熱時間表示蒸汽用量作為考察指標，通過對干燥窯內介質溫度、鋸材厚度和鋸材初始含水率開展研究，得出三者同預熱時間之間的關系及規律，從而為實際生產中預熱時間的合理設定提供參考。

關鍵詞： 柞木； 介質溫度； 初含水率； 厚度

中圖分類號： S 782. 31， TS 612 + . 3 文獻標識碼： A

鋸材預熱過程中，熱量來源于蒸汽和加熱管的傳導，而且蒸汽的用量取決于木材樹種、初含水率、鋸材規格、干燥介質溫度、材積大小和窯體體積等多種因素，因此，在預熱中以升溫時間為蒸汽量化參數更易于實際操作，即以預熱時間表示蒸汽用量。

根據木材的熱學性能分析，木材升溫主要受到介質溫度、樹種、含水率、厚度等因素影響[ 1 - 3 ]。本研究以升溫時間為考察指標，通過單因素多水平試驗，研究介質溫度、初含水率和板材厚度對木材升溫時間的影響規律，以期為實際生產中預熱時間的合理設定提供參考，減少不必要的能源消耗。

1 試驗材料與方法

1. 1 材 料

柞木（Quercus mongolica），采自黑龍江省尚志國有林場。選取平均胸徑為22 cm的原木，加工成3種規格的整邊鋸材，試材要求表面平整，無節疤、裂紋等缺陷。試件的規格等情況見表1。

1. 2 儀器設備

本試驗采用的加熱設備為DS-408型恒溫恒濕箱，溫度范圍在-40～100 ℃，濕度范圍35%～98%RH；自組裝多點溫度監測儀；PB3002N型電子天平，精度0.01 g。

1. 3 方 法

本研究中采用單因素試驗方法，研究了3種初含水率鋸材的預熱時間，以及3種厚度規格鋸材和3種介質溫度對預熱時間的影響。

首先，選取含水率相近的鋸材作為厚度、介質溫度對預熱時間影響研究的試件；另外選取15 mm厚試材9塊，進行編號并記錄初重，分3組放置于大氣中進行氣干處理，定期稱重計算含水率，直至含水率分別接近60%、35%、25%時分組用塑料袋密封，進行平衡處理，用于測定含水率對鋸材預熱時間的影響。

試驗時對試件長度兩端進行封閉處理。之后，在試件側面用鉆頭打孔，深度為試件寬度的一半，孔的中心距是鋸材厚度的一半。對試件進行稱重，埋入測溫探針，再將試件放入恒溫恒濕箱中，定時記錄試材內部的溫度；當試件溫度達到設定的溫度值時，試驗過程結束。對試件進行稱重，觀測試驗后試件含水率的變化情況。

2 結果及分析

2. 1 鋸材厚度對預熱時間的影響

在長期生產實踐中，人們通常將厚度作為估算預熱時間的決定因素，從干燥室溫度升至預設溫度時，鋸材預熱時間以1～2 h/cm計算。本次試驗預設相同的溫濕度環境，對3組不同厚度的試材進行升溫監測，從結果（圖1）可以看到，木材初始的升溫速度較快，后期升溫速度趨緩。在30 min時，15 mm厚的鋸材中心溫度達到52.1 ℃，25 mm厚的鋸材為42.5 ℃；35 mm厚的鋸材中心溫度最低，只有33.4 ℃。鋸材從室溫20 ℃升至65 ℃，15 mm厚的試材用時80 min，平均升溫速度為0.65 ℃/min；35 mm厚試材則耗時140 min，升溫速度為0.43 ℃/min。15 mm厚試材升溫速度約為35 mm厚試材的1.5倍。

數據顯示，不同厚度試材中心點升溫速度差異較大，鋸材厚度與升溫時間并非呈線性關系，以鋸材預熱時間1～2 h/cm的經驗值確定預熱時間并不準確。另一方面，也證實了鋸材厚度對預熱時間有顯著影響，是影響預熱時間的決定性因素。分析其原因，由于木材升溫主要通過與外界介質的對流和內部導熱來實現，熱量由外界進入鋸材表層，鋸材表層與內部通過導熱將熱量向內部傳導，鋸材厚度越大，傳導路徑越長，鋸材整體溫度上升相對減緩，因此鋸材越厚其中心位置升溫越慢。

2. 2 鋸材含水率對預熱時間的影響

設定預熱溫度65 ℃，濕度97%，取初含水率分別為25%、35%、60%的3組試件，監測木材中心溫度變化。結果（圖2）顯示，開始加熱時，含水率為25%的試件升溫最快，60%的試件升溫最慢；但隨著溫度的上升，3組試件的升溫速度都趨于減緩，在70 min時同時達到預設溫度。這說明木材的初含水率對木材的升溫時間沒有顯著影響，也與李賢軍等[ 4 ]（2004）對杉木和落葉松含水率與預熱時間相關性的試驗結果相同。

可見，導溫系數又取決于木材的密度、比熱和熱導率。水的比熱遠大于木材比熱，當木材含水率增加時比熱也相應增加，升溫所需要的熱量也就越多。同時，含水率的增加提高了木材的導熱能力，根據公式（2）可知，木材含水率增加時，熱導率、比熱和密度同時增加，導溫系數略有減小但變化不大，預熱時間基本不受影響。由此得出，木材的初含水率對預熱時間影響不顯著。

2. 3 環境溫度對預熱時間的影響

在同等條件下，窯內介質溫度設定不同，鋸材升溫速度也不同[ 5 ]。本試驗中，窯內介質溫度越高，鋸材升溫越快，當介質溫度設定為90、 75、 65 ℃時，木材中心溫度達到60 ℃分別用時約40、 50、 90 min。這是因為介質溫度越高，單位時間內提供的熱能越多，在鋸材中傳導的熱量增加，內部溫度相應加速上升。從理論公式也能證明這一點。根據傅里葉偏微分方程，當鋸材的長度和寬度遠大于厚度時，可將鋸材視為平板，只考慮垂直于厚度方向截面熱量的傳導。方程（1）可簡化為

式中，tC為介質溫度（℃）；t0為鋸材初始溫度（℃）；t為鋸材給定點的溫度（℃）；R為鋸材厚度的一半（m）；F0為傅里葉準數；Bi為畢渥準數。無因次溫度θ與傅里葉準數F0呈反比例函數關系，由公式（6）可知，當鋸材初始溫度t0和給定點溫度t一定時，介質溫度tC越高，無因次溫度越高；相應地，傅里葉準數越小，鋸材升溫時間就會越短。

3 小 結

3. 1 從試驗結果可以得出，柞木鋸材的厚度、初含水率、介質溫度3個因素中，鋸材厚度和窯內介質溫度對木材升溫影響為顯著，木材的初含水率則對木材升溫基本無影響。

3. 2 試樣厚度對柞木預熱升溫速度有明顯影響，厚度越大，升溫所需時間越長，但二者呈非線性關系，實測升溫時間要遠短于依據經驗估算的預熱時間；初含水率對木材預熱時間基本無影響；介質溫度對柞木的干燥預熱時間有顯著影響。

3. 3 在介質溫度65 ℃，試樣含水率59%～70%時，15、25、35 mm厚柞木試樣中心點從15 ℃升至65 ℃，分別用時80、110、140 min。

3. 4 今后還需進一步從木材微觀結構和能量傳導等方面，深入研究木材厚度與預熱時間的關系，及預熱處理溫度和時間對木材干燥質量的影響。

參考文獻

[1] 李賢軍， 伊松林.微波預處理對三種人工林木材干燥特性的影響[J]. 林產工業， 2008， 35（4）： 32 - 34.

[2] 苗平， 薛偉， 徐柏森. 蒸汽爆破預處理對柞木微觀結構的影響[J]. 林業科技開發， 2007， 21（4）： 51 - 53.

[3] 伊松林， 張璧光， 常建民. 木材真空-過熱蒸汽干燥的預熱特性[J]. 木材工業， 2002， 16（5）： 21 - 23.

[4] 李賢軍， 張璧光， 楊濤， 王群喜. 木材干燥預熱時間初探[J]. 北京林業大學學報， 2004， 26（2）： 90 - 93.

[5] 孟兆新， 于彪， 李尚， 等. 基于熱流耦合的木材干燥窯風速溫度分布[J]. 森林工程， 2015， 31（1）： 49 - 53.

第1作者簡介： 崔曉磊（1982-）， 女， 助理研究員，研究方向： 木材科學。

通訊作者： 呂蕾（1978-）， 女， 副研究員， 研究方向： 木材科學。

收稿日期： 2017 - 12 - 10

（責任編輯： 潘啟英）