濕熱蒸汽處理木質(zhì)材料溫度動態(tài)監(jiān)測研究?

2021-05-06 03:21:06李源河姚利宏徐偉濤張東彪

林產(chǎn)工業(yè) 2021年4期

李源河宋怡姚利宏徐偉濤張棟張東彪

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018； 2.國家林業(yè)和草原局林產(chǎn)工業(yè)規(guī)劃設(shè)計院，北京 100010； 3.靖江國林有限公司，江蘇靖江 214500； 4.大興安嶺神州北極木業(yè)有限公司，黑龍江大興安嶺 165000）

天然林木材全面禁伐以來，我國每年進口大量木材，木材相關(guān)產(chǎn)業(yè)對于進口材的依賴程度逐年增長。2018 年，我國原木消費量5.7 億m3，其中一半以上為進口木材。根據(jù)檢疫檢驗規(guī)定，進口木材如果不進行及時消殺，其內(nèi)部的有害生物會對國內(nèi)的生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴重威脅。傳統(tǒng)消殺主要使用溴甲烷對木材進行熏蒸處理[1]，但溴甲烷會消耗大氣臭氧層且難以重復(fù)利用。濕熱蒸汽處理作為一種替代技術(shù)，具有環(huán)境友好性、經(jīng)濟性等優(yōu)勢，且技術(shù)較為成熟。為了達到殺死木材中昆蟲、真菌等有害生物的目的，濕熱蒸汽處理中最為關(guān)鍵的影響因素便是處理溫度與時間[2]。根據(jù)國際通行的木材產(chǎn)品處理標準，要求處理時木材中心溫度保持在56 ℃以上30 min[3]。然而研究表明，要想達到全面消殺的效果需要中心溫度保持在70 ℃以上30 min[3]。濕熱蒸汽處理效率評價的重要指標是達到木材結(jié)構(gòu)中心所需消殺溫度的額外時間[4]，這一時間則受眾多因素共同影響，如木材種類、比重、含水率、截面尺寸、初始溫度、加熱溫度、加熱介質(zhì)、堆放方法等[5]。本研究通過監(jiān)測原木、木拼板、鋸材和單板層積材4 種木質(zhì)材料在濕熱蒸汽處理下的升溫過程，對濕熱蒸汽環(huán)境下木質(zhì)材料不同位置的升溫過程進行比較分析，以期為進口木質(zhì)材料中有害生物的濕熱蒸汽消殺處理技術(shù)奠定應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗選用4 種木質(zhì)材料：1）楊木(Populus L.)、樺木(Betula platyphylla Suk) 原木；2）樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica Litv.)拼板；3）樟子松鋸材；4）樟子松單板層積材。選取楊木、樺木原木各一根作為試驗材，從伐倒的原木上沿樹高方向截取3.5 m至5.5 m處的原木段，其中楊木胸徑30 cm，樺木胸徑22 cm。樟子松方形拼板截面尺寸為30 mm×30 mm，長度為3 000 mm。樟子松鋸材截面尺寸為50 mm×180 mm，長度為3 000 mm。單板層積材截面尺寸為100 mm×100 mm，長度為3 000 mm。

1.2 設(shè)備

1.2.1 試驗裝置

圖1 鋼管搭建的矩形框架Fig.1 Rectangular frame constructed by steel pipe

試驗裝置搭建如圖1 所示。首先將預(yù)制的鋼管搭建成矩形框架，鋼管之間通過預(yù)留的插孔連接，矩形框架的規(guī)格尺寸為高2 000 mm、寬3 000 mm、長5 000 mm，尺寸均為軸心到軸心的距離。鋼管矩形框架的4 根立柱底部均設(shè)有斜向支撐以增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，頂部的4 根鋼管設(shè)置有預(yù)留掛鉤，用于懸掛高密度聚氯乙烯（PVC）制成的耐高溫氣囊。

耐高溫氣囊由厚度為4 000D的高密度PVC制成。制作氣囊前首先對PVC樣品材的抗凍性和耐高溫性進行試驗：置于冷凍箱內(nèi)于-20 ℃下冷凍48 h后，對樣品材進行彎折，應(yīng)無任何破損跡象；然后使用銼刀對樣品表面進行破壞試驗，如只有輕微劃痕，表明材料在冷凍條件下具有良好的耐磨性。再對樣品材蒸煮4 h，同樣作銼刀破壞試驗，如無明顯破壞跡象，表明材料具有良好的耐高溫性能。

耐高溫氣囊立體展開圖設(shè)計近似一個側(cè)面為直角梯形的四棱柱,如圖2a所示，僅前側(cè)面開口用于裝填試材，裝填后可用金屬條和螺絲組成的金屬件封閉開口，開口正對的后側(cè)面預(yù)留3 個孔洞，分別用于進氣、排氣、排水，如圖2b所示，四棱柱其余四面完全封閉。四棱柱頂面的各邊預(yù)留PVC掛鉤，用于將耐高溫氣囊整體懸掛于鋼管搭建的矩形框架內(nèi)，組成蒸汽處理試材的整體試驗裝置。

圖2 耐高溫氣囊軸測圖（a）和背面正視圖（b）Fig.2 Axonometric view of high temperature air bag(a)and Rear view(b)

1.2.2 溫度記錄設(shè)備及溫度監(jiān)測點布置

采用NAPUI TR 230X溫度記錄儀（東莞納普電子科技有限公司）記錄木質(zhì)材料內(nèi)部不同監(jiān)測點的溫度數(shù)據(jù)。試驗中在楊木、樺木試材上各布置6 個溫度監(jiān)測點；在樟子松拼板中布置2 個溫度監(jiān)測點；在樟子松鋸材中布置4 個溫度監(jiān)測點；在單板層積材中布置3 個溫度監(jiān)測點，各溫度監(jiān)測點的具體位置分布如圖3a所示，每一監(jiān)測點均位于木材內(nèi)部4 cm處安裝，用膠帶固定，通過數(shù)據(jù)傳輸線將溫度實時數(shù)據(jù)傳入溫度記錄儀。

耐高溫氣囊內(nèi)部的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)采用Data Logger溫度記錄儀（玉環(huán)智拓儀器科技有限公司）記錄，分別于樺木的前后兩端共布置3 個溫度監(jiān)測點，監(jiān)測數(shù)據(jù)取平均值作為耐高溫氣囊內(nèi)部的環(huán)境溫度值，并將其與木材內(nèi)部的升溫過程進行比較。

1.2.3 濕熱蒸汽供給裝置

濕熱蒸汽由YH-2218 智能換熱站（四平研弘自控設(shè)備有限公司）提供，該裝置包括貯水缸、液壓閥、補水泵、二次循環(huán)泵、換熱器、流量計、泄壓閥等設(shè)備，如圖3b所示。自來水注入后可通過該裝置轉(zhuǎn)換為濕熱蒸汽，并通過傳輸管道注入耐高溫氣囊內(nèi)部。

1.3 試驗方法

根據(jù)上述方案完成試驗裝置的搭建，然后按圖3所示方法堆疊4種木質(zhì)材料，在所有溫度測點布置好后擰緊螺絲，密封耐高溫氣囊前端，從后端進氣孔通入飽和蒸汽4 h，利用溫度記錄儀記錄4 h內(nèi)木質(zhì)材料內(nèi)部溫度實時數(shù)據(jù)和耐高溫氣囊內(nèi)部的環(huán)境溫度實時數(shù)據(jù)，采用Origin 2019軟件進行分析。

圖3 溫度監(jiān)測點分布圖（a）和YH-2218 智能換熱站示意圖（b）Fig.3 Distribution of temperature monitoring points (a) and diagram of YH-2218 intelligent heat exchange station (b)

2 結(jié)果與分析

木質(zhì)材料內(nèi)部溫度的升高[6]可理解為熱量從濕熱蒸汽到木材內(nèi)部某一位置的傳導(dǎo)過程[7]，這種三維的瞬態(tài)溫度場的場變量 T（x, y, z, t）在直角坐標系中應(yīng)滿足熱平衡方程（1），式中第一項為木材升溫需要的熱量，第二、三、四項為由x、y、z方向流入木材的熱量，最后一項為木材內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱量，即木材升溫所需的熱量應(yīng)等于流入木材的熱量與木材內(nèi)產(chǎn)生熱量的總和[8]。計算濕熱蒸汽與木質(zhì)材料的熱傳遞要求已知零時刻溫度場的分布和對流邊界條件才能求出溫度場分布。

式中：ρ為材料密度，kg/m3；c為材料的比熱容，J/(kg·K)；T為瞬態(tài)溫度場的場變量；t為時間，s；λx、λy、λz分別是材料沿x、y、z方向的熱導(dǎo)率，W/(m·K)；Q=Q(x, y, z, t)是物體內(nèi)部的熱源密度，W/kg。

2.1 楊木、樺木升溫過程分析

如圖4a所示，濕熱蒸汽下，布置于楊木樹皮處的溫度監(jiān)測點3-4、3-5、3-6 達到56 ℃的時間分別為30、50、210 min；達到70 ℃的時間分別為100、160 min與未達到。布置于端部髓心附近的溫度監(jiān)測點3-2、3-3、3-8 達到56 ℃的時間分別是20、15、18 min；達到70 ℃的時間分別為35、30、150 min。從升溫時間可以看出，距離蒸汽進入孔洞越近的溫度監(jiān)測點升溫時間越短。楊木端部監(jiān)測點3-3、3-8 在60～90 min內(nèi)溫度發(fā)生急劇下降，可能是由于這兩個監(jiān)測點距離排氣、排水孔較近，排水、排氣導(dǎo)致了一定的熱量損失。整體來看，楊木各監(jiān)測點溫度平穩(wěn)升高，只有位于端部中心處的3-8 監(jiān)測點溫度升高過程中多次發(fā)生回落，導(dǎo)致這一監(jiān)測點溫度變化的原因可能是由于楊木直接接觸地面[9]，熱量傳導(dǎo)過程干擾因素較多[10]。由于距離蒸汽進入孔洞最遠，監(jiān)測點3-6 最高溫度在4 h加熱過程中未能達到70 ℃。

如圖4b所示，濕熱蒸汽下，布置于樺木樹皮處的溫度監(jiān)測點2-6、2-7、2-8 達到56 ℃的時間分別為100、120、120 min；達到70 ℃的時間分別為150、225、190 min。布置于端部髓心附近的溫度監(jiān)測點2-5、3-1、3-7 達到56 ℃的時間分別是45、15、15 min；達到70 ℃的時間分別為60、20、60 min。由于樺木端部髓心附近監(jiān)測點距離蒸汽進入孔洞較近，所以溫度在較短時間內(nèi)升高到基準點的56 ℃和70 ℃。樺木各監(jiān)測點溫度平穩(wěn)升高，只有位于端部中心附近處的3-7監(jiān)測點溫度升高過程中多次發(fā)生回落，可能是由堆垛方式引起的熱量損失所致[11-12]。

圖4 楊木（a）、樺木（b）升溫過程曲線Fig.4 Heating process curve of poplar (a) and birch (b)

楊木、樺木各監(jiān)測點除了3-6，2-7 之外，均在4 h加熱過程中達到70 ℃。楊木各監(jiān)測點達到56 ℃和70 ℃的最長時間分別約為50 min和160 min（監(jiān)測點3-6 最長時間數(shù)據(jù)異常故不采用）。樺木各監(jiān)測點達到56 ℃和70 ℃的最長時間分別約為120 min和225 min。飽和蒸汽下楊木升溫速率明顯高于樺木，其原因可能是堆垛方式、離蒸汽進入孔洞的距離、木材的徑級等因素[13-14]。楊木、樺木樹種的差異對升溫時間的影響在本試驗中無法體現(xiàn)。

2.2 樟子松拼板升溫過程分析

如圖5所示，濕熱蒸汽下，溫度監(jiān)測點1-1達到56 ℃和70 ℃的時間分別為150 min和170 min，試驗過程溫度雖有短暫回落但整體升溫趨勢穩(wěn)定。集中堆垛的方式導(dǎo)致濕熱蒸汽難以進入內(nèi)部[15]，因此溫度監(jiān)測點1-3在4 h試驗的全過程中溫度均未達到56 ℃。

圖5 樟子松拼板升溫過程曲線Fig.5 The heating process curve of Pinus sylvestris var. mongolica Litv. splicing board

2.3 樟子松鋸材升溫過程分析

濕熱蒸汽下，樟子松鋸材的溫度監(jiān)測點1-6、1-7、1-8、2-1 達到56 ℃的時間分別為45、90、120、80 min；達到70 ℃的時間分別為70、135、150、135 min。4 個監(jiān)測點試驗過程中溫度雖有短暫回落，但整體升溫趨勢穩(wěn)定（圖6）。

圖6 樟子松鋸材升溫過程曲線Fig.6 The heating process curve of Pinus sylvestris var. mongolica Litv. sawn timber

2.4 單板層積材升溫過程分析

圖7 樟子松單板層積材升溫過程曲線Fig.7 The heating process curve of Pinus sylvestris var. mongolica Litv. veneer lumber

如圖7 所示，濕熱蒸汽下，單板層積材的溫度監(jiān)測點2-2、2-3、2-4 達到56 ℃的時間分別為70、105、110 min；達到70 ℃的時間分別為75、135、150 min。監(jiān)測點2-2 距離蒸汽進入孔洞較近，因此在90 min內(nèi)迅速升至高溫狀態(tài)并保持平穩(wěn)趨勢。監(jiān)測點2-3 升溫趨勢最平穩(wěn)，說明在距離蒸汽進入孔洞中等距離的位置熱傳導(dǎo)環(huán)境相對穩(wěn)定。監(jiān)測點2-4 的溫度曲線在時間區(qū)間45～70 min之間起伏較大，這一變化可能是由排氣、排水導(dǎo)致的熱量損失所致[16-17]，70 min后進入穩(wěn)定升溫狀態(tài)。

在耐高溫氣囊內(nèi)部布置了3個環(huán)境溫度監(jiān)測點，取平均值作為參考值（圖8）。濕熱蒸汽輸入氣囊后0～30 min內(nèi)溫度迅速升高，30～240 min內(nèi)溫度保持穩(wěn)定狀態(tài)，240 min后由于排氣、排水溫度迅速下降。環(huán)境溫度曲線顯示，在試驗的全過程中濕熱蒸汽輸入穩(wěn)定，耐高溫氣囊內(nèi)部濕熱蒸汽環(huán)境狀態(tài)良好,試驗過程中耐高溫氣囊內(nèi)濕熱蒸汽環(huán)境溫度持續(xù)保持在85 ℃左右。