空氣能輔助太陽能干燥過程中“悶窯”工藝對楊木干燥效能的影響

湯賽 遲祥 宋曉雪 朱志鵬 蔡英春 程萬里

摘 要：為解決木材空氣能輔助太陽能干燥設備增濕過程中缺少蒸汽來源的問題，通過“悶窯干燥”工藝（關閉干燥設備內進排氣通道，依靠木材中蒸發的水分來增加介質濕度），以期實現其干燥過程的濕度調節、保證楊木干燥品質。采用分層切片及圖像解析等方法分析空氣能輔助太陽能供熱“常規干燥”（ Conventional Ｄrying，CD）工藝和空氣能輔助太陽能供熱“悶窯干燥”（ Ｓtuffy Ｋiln Drying，SKD）工藝楊木鋸材的干燥速率、分層含水率、彈性應變的變化趨勢以及干燥質量。結果表明，空氣能輔助太陽能干燥過程中供熱SKD工藝可提高一定階段的干燥介質濕度。在含水率10%～120%，SKD干燥速率是CD的81.25%，干燥時長較CD的104 h僅延長22 h，同時木材厚度上的含水率偏差降低了12.05%，提高了材堆整體干燥均勻度和木材的干燥質量。

關鍵詞：空氣能輔助太陽能干燥；悶窯工藝；楊木鋸材；干燥效能

中圖分類號：S782.31 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8023（2023）03-0107-09

Abstract：In order to solve the problem of lack of steam source in the humidification process of wood air energy assisted solar drying equipment， this study adopted the process of ‘stuffy kiln drying' （closing the inlet and exhaust channels in the drying equipment， and relying on the evaporated moisture in the wood to increase the humidity of the medium）. In order to realize the humidity adjustment in the drying process and ensure the drying quality of poplar. The drying rate， stratified moisture content， elastic strain variation trend and drying quality of poplar sawn wood in the process of ‘conventional drying' （CD） with air energy assisted solar heating and ‘stuffy kiln drying （SKD） with air energy assisted solar heating were analyzed by using the method of stratified slice and image analysis. The results showed that the SKD process can improve the humidity of the drying medium in a certain stage during the air energy assisted solar heating drying process. In the range of moisture content from 10% to 120%， the drying rate of SKD was 81.25% of CD， and the drying time was only 22 h longer than 104 h of CD. At the same time， the deviation of moisture content in wood thickness was reduced by 12.05%， which improved the overall drying uniformity of the wood pile degree and dry quality of the wood.

Keywords：Air energy assisted solar drying; stuffy kiln process; poplar sawn wood; drying efficiency

基金項目：國家自然科學基金項目（31870544）；黑龍江省自然科學基金項目（LH2022060）

第一作者簡介：湯賽，碩士研究生。研究方向為木材干燥。E-mail： tangsai72@163.com

*通信作者：程萬里，博士，教授。研究方向為木材熱加工技術。E-mail： nefucwl@nefu.edu.cn

0 引言

木材干燥是提高木材力學性能和降低儲存、運輸成本的重要手段，但木材干燥所需的能源消耗高達整個木制品加工所用總能源的30%～60%[1-2]。為提高太陽能干燥技術的光熱利用，郝文剛等[3]開發出直接式太陽能干燥機。Bahammou等[4]開發了間接強制對流式太陽能干燥機，通過空氣集熱器中的熱空氣加熱物料。明廷玉等[5]使用熱泵加熱與太陽能直接加熱方式，開發了太陽能-熱泵聯合干燥機。Seyfi等[6]、張洪濱等[7]利用太陽加熱水進行蓄熱，開發了蓄熱式太陽能熱泵干燥系統。Ibiyinka等[8]設計建造了一個太陽能木材窯，用于商業鋸材的干燥。黑龍江省林產工業研究所研制出HST-1型太陽能木材干燥窯，證明在我國北方有效地利用太陽能干燥木材是可行的[9]。潘學飚等[10]設計了一種帶有熱管集熱器和石蠟儲熱的整體式太陽能木材干燥室，比常規干燥節能70.9%。姚遠等[11]對太陽能-熱泵聯合干燥橡膠木進行能耗分析，成本是電+熱泵干燥的84%。目前關于太陽能物料干燥的研究，主要聚焦于太陽能與溫度的轉換，集熱介質[12]的選擇和干燥方法[13-14]，以及對太陽能干燥窯內介質參數檢測系統的設計[15-16]。一般來講，大多數空氣能輔助太陽能干燥設備僅關注干燥室內的溫度是否能滿足工藝要求，基本上不設置加濕（尤其是噴蒸加濕）裝置，不適于采用常規干燥工藝的木材干燥。缺少蒸汽來源又未設置噴水等裝置的空氣能輔助太陽能干燥設備用于木材干燥，需研發與其相匹配的干燥工藝。因此對這類設備干燥木材過程中的干燥介質濕度及干燥性能與干燥工藝之間關系的研究十分必要。

本研究為解決木材空氣能輔助太陽能干燥設備增濕過程中缺少蒸汽來源的問題，采用關閉干燥室進排氣通道，通過木材中蒸發的水分來增加介質濕度的空氣能輔助太陽能供熱“悶窯干燥”（Stuffy Kiln Drying，SKD）和正常開啟干燥室進排氣通道，通過外部加濕調節介質濕度的空氣輔助太陽能供熱“常規干燥”（Conventional Drying，CD）2種工藝干燥楊木鋸材，通過分層切片及圖像解析等方法分析CD和SKD過程中干燥介質的溫濕度變化及楊木鋸材的干燥速率、分層含水率、彈性應變的變化趨勢、干燥后的質量，研究空氣能輔助太陽能設備性能及SKD工藝對干燥介質濕度的影響規律以及低耗高質干燥木材的可行性，為研發空氣能輔助太陽能干燥木材提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

采購試材為哈爾濱市依蘭縣速生楊木，鋸解為2 000 mm×150 mm×25 mm的弦切板鋸材，初含水率為121.36%～189.55%。

試驗設備：木材空氣能輔助太陽能干燥設備，主要由太陽能供熱系統、空氣能供熱系統、自動化控制系統、干燥室和廢熱回收系統等部分組成，如圖1所示。LD210-2型電子天平（精度0.01 g）；YP15K-1電子天平（精度0.1 g）；數顯游標卡尺（精度0.01 mm）；TENMARS-207型太陽輻照儀；HQJYF型太陽總輻射傳感器（漢秦）；101-2AB型烘箱；Pt100溫度傳感器（-40～120 ℃）；FG6010型濕度傳感器（0%～100%）；THD無紙記錄儀（信號范圍4～20 mA，0～5 V）；SPC-16K開關量電熱蒸汽加濕器等。

1.2 試驗方法

將試材分2組分別進行干燥試驗（CD試驗和SKD試驗），每組試材均按LYT 1068—2012《鋸材窯干工藝規程》所規定的堆垛原則堆放于圖1所示干燥設備的干燥室內，材堆尺寸為3 000 mm×1 555 mm×700 mm；選取含水率檢驗板和應力檢驗板各3塊，并用酸性硅酮玻璃膠進行兩端封閉處理，防止水分從兩側端口遷出，分別放置于材堆上、中、下3個部位。使用溫、濕度傳感器對室內介質溫濕度進行測量，并用無紙化記錄儀每間隔1 min記錄1次。將堆裝好的試材分別按CD和SKD工藝分2組依據表1所示干燥基準進行干燥：2組干燥試驗中干燥介質的狀態控制、干球溫度，由設備的自動控制系統控制空氣能輔助太陽能維持在表1給出的基準值附近。①第1組CD試驗中相對濕度，高于基準值時，通過適當開啟干燥室的進排氣閥門排濕；低于基準值時，通過電熱加濕器進行噴蒸加濕。②第2組SKD試驗，全程關閉進排氣口，依靠木材中蒸發的水分來增加介質濕度。此外，第1組CD在干燥開始前進行低溫預熱和初期處理，在干燥結束前進行平衡處理和終了處理。

參照GB/T 1931—2009《木材含水率測定方法》采用稱重法對試件進行含水率測量。每隔4 h對含水率檢驗板進行1次稱重，測量含水率；每隔24 h對應力檢驗板按要求鋸制成分層含水率試驗片、應力試驗片以及含水率分布試片，如圖2所示。干燥結束對試驗板進行終檢。

試驗中分層含水率試驗片按圖2（a）所示制備，含水率分布試片按照圖2（c）進行分解并標號。

鋸制的應力試驗片按照圖2（b）所示進行分解。分解后按圖3所示用圖像解析數據，計算彈性應變（εE），計算公式如下

式中：L0 為應變試片干燥前尺寸，mm；L1 為應變試片分解前尺寸，mm；L2 為應變試片剛分解后的瞬時尺寸，mm。

圖2（a）中的1號與5號試片為表層，2號與4號試片為中間層，3號試片為芯層，用稱重法測量每片含水率。含水率梯度（Δu）為

式中：mi是編號為i的試片即時稱重時的質量， g；m0i是編號為i的試件絕干質量， g；h是表層與芯層之間的距離， mm[17]。

2 結果與分析

2.1 楊木鋸材干燥過程中設備工況和工藝對干燥介質溫濕度及與基準值偏差的影響

2組空氣能輔助太陽能干燥試驗分別于2021年7月18日至7月23日和2021年8月16日至8月23日在哈爾濱夏季進行，2組試驗中空氣能輔助太陽能干燥設備的太陽輻照值、水箱溫度和集熱器溫度情況如圖4所示。圖4（a）為楊木鋸材空氣能輔助太陽能CD過程中設備工況變化，圖4（b）為SKD過程中設備工況變化，干燥期間水箱溫度最高達100 ℃，太陽能供熱情況較好[10]。

2組空氣能輔助太陽能楊木鋸材干燥試驗過程的介質溫度和濕度變化如圖5所示。在試驗初期，由于木材水分蒸發強度高，干燥介質濕度均高于80%，隨著干燥的進行，CD試驗中介質濕度過高時打開進排氣口，濕度開始降低。介質濕度降低后向室內加濕，同時隨著干燥的進行，木材內部的水分不斷蒸發又使室內濕度回升，因此濕度呈波動式變化。由于使用濕熱蒸汽向室內加濕，所以加濕排濕過程中對室內溫度也有所影響，導致室內溫度有所波動，但其波動幅度小于濕度波動幅度。SKD試驗中關閉了干燥室進排氣口，利用木材本身蒸發水分干燥，減少了室內濕度散失。CD試驗中干燥介質在各干燥階段的溫度平均低于干燥基準溫度2.10%，濕度平均低于基準濕度2.51%。SKD試驗中干燥介質在各干燥階段的溫度平均低于干燥基準溫度1.28%，濕度平均低于基準濕度13.46%。CD試驗中加濕排濕過程對室內介質的溫濕度影響較大，導致CD與SKD相比，溫度較干燥基準溫度要求相差更大。SKD試驗中不進行噴蒸加濕，濕度僅依靠室內木材水分蒸發，部分階段濕度與干燥基準濕度要求相差較大。

2.2 工藝對干燥速度的影響

2組空氣能輔助太陽能干燥試驗的木材平均含水率及干燥速率變化如圖6所示。由于同規格具有相同干燥特性的鋸材，其干燥速度受含水率影響很大，所以同含水率變化范圍內的平均干燥速度才有相互比較的意義。因此CD試驗與SKD試驗取相同含水率階段，CD試驗含水率試驗板的平均含水率104 h后從127.05%降到10.62%，平均干燥速率為1.12%/h；SKD試驗含水率試驗板的平均含水率126 h后從124.95%降到10.19%，平均干燥速率為0.91%/h。SKD試驗的干燥速率約為CD試驗的81.25%，用時較CD多22 h。且在含水率為20%以上的階段，CD試驗的干燥速率皆大于SKD試驗。同時，SKD楊木鋸材的含水率變化曲線較CD楊木鋸材的含水率變化曲線更加光滑，而CD楊木鋸材的含水率誤差更大，根據兩者的誤差棒數值，空氣能輔助太陽能SKD過程中，干燥更加穩定。

2.3 工藝對鋸材干燥過程中含水率分布變化的影響

在2組試驗中木材表層、中間層、芯層及含水率梯度24 h檢測一次，干燥終了分層含水率詳見2.5小節，干燥過程中變化曲線分別如圖7所示。由于CD試驗在干燥過程中介質溫濕度波動較大，影響了木材水分蒸發速度，而SKD試驗接近于干燥基準溫度條件較為穩定，因此相同含水率階段CD試驗中木材表層、中間層和芯層含水率下降速度都大于SKD試驗。但在纖維飽和點以下時，2組試驗中木材內部自由水蒸發殆盡，各層含水率下降速度較相似。SKD試驗含水率梯度在120～144 h下降速度最快為0.7%/h。干燥前期SKD試驗中室內干燥介質濕度較高，因此表面蒸發速率較CD試驗慢，且在相同平均含水率條件下，SKD試驗木材含水率梯度皆低于對照組CD試驗。SKD中，含水率較高的木材利用木材自身的水分擴散至干燥室內，而含水率較低的木材在吸濕和緩慢解吸中降低水分含量，相當于木材水分與濕度的互響應，因此SKD的楊木鋸材表層、中間層和芯層的含水率平緩下降，木材整體含水率梯度相較CD低12.05%，有利于降低木材彈性應變。

2.4 工藝對木材干燥中彈性應變變化的影響

干燥過程中，在纖維飽和點之上，木材毛細管張力和加熱引起的水蒸氣壓力等驅使木材內部自由水向外蒸發；在纖維飽和點之下，木材內部的結合水在含水率梯度、溫度梯度和水蒸氣壓力梯度的作用下向外擴散[18-20]。這些引起水分擴散蒸發的因素同時也會對木材尺寸產生影響。與此同時，自由水快速移動產生的水分蒸發張力會使薄壁細胞潰陷，造成木材不規則收縮[21-22]。木材毛細管張力、水蒸氣壓力、水分蒸發張力、含水率梯度和木材干縮異向性引起的干燥應力共同對干燥中的木材造成影響，使其發生形變。為具體了解木材干燥過程中彈性應變的變化，對木材進行應力試片鋸制并使用ImageJ圖像分析軟件分析應力試片尺寸變化，如圖8所示。圖8中彈性應變值的正負僅代表應變方向。CD試驗中室內木材表層彈性拉應變在16 h達到最大值0.008 0，彈性壓應變在90 h達到最大值0.003 0。中間層彈性壓應變在16 h達到最大值0.005 8，彈性拉應變在40 h達到最大值0.004 1。芯層彈性壓應變在40 h達到最大值0.009 2。彈性拉應變分別在64 h達到最大值0.002 1。SKD試驗中室內木材表層彈性壓應變在24 h達到最大值0.001 3，彈性拉應變在96 h達到最大值0.004 3。中間層彈性應變在0刻度線上下波動，彈性拉應變在120 h達到最大值0.002 3，彈性壓應變在24 h達到最大值0.000 8。芯層彈性拉應變在72 h達到最大值0.006 8，彈性壓應變在120 h達到最大值0.002 2。在楊木含水率為50%～60%時，皺縮是導致木材發生彈性應變的主要因素[23-25]。從纖維飽和點附近開始，干燥應力導致的干縮[17]是木材各層發生彈性應變的主要因素。對比2組試驗這2個階段各層彈性應變的峰值和變化趨勢可以發現，SKD試驗有效緩解了楊木干燥過程中皺縮和干燥應力的影響。結合2組試驗中木材各層彈性應變整體的趨勢和峰值不難看出，SKD工藝減小了干燥過程中木材的彈性應變，降低了干燥應力對木材的影響，緩解了楊木的皺縮，有效提高了楊木干燥質量。

2.5 工藝對木材干燥質量的影響

參照國家標準GB/T 6491—2012《鋸材干燥質量》，對2組試驗干燥后的楊木鋸材的平均最終含水率、干燥均勻度、含水率偏差、殘余應力指標、順彎、橫彎和扭曲7個指標進行測量及評價，見表2。CD試驗與SKD試驗干燥后的木材都屬于2級木材，但在干燥均勻度、含水率偏差、殘余應力指標及可見干燥缺陷質量等評價指標指數，SKD試驗的結果略好于CD。

圖9是2組試驗結束后從室內取出木材進行拍照對比。圖9（a）和圖9（c）是第1組試驗木材的整體變形情況和木材表面狀況，圖9（b）和圖9（d）是SKD試驗中木材的整體變形情況和木材表面狀況。從圖9（a）和圖9（b）的對比情況可以看出SKD試驗室內木材的變形情況要小于CD。從圖9（c）和圖9（d）的對比情況可以看出SKD試驗中木材表面變形情況要優于CD試驗。從木材直觀表面上佐證SKD試驗的木材在干燥質量上優于CD試驗中的木材。

圖10分別為CD試驗和SKD試驗木材含水率分布。通過比較可以發現，CD試驗中木材干燥后水分主要集中在芯層，而SKD試驗中木材干燥后的水分主要集中在中間層，且SKD試驗中木材含水率分布較CD試驗中木材含水率分布更加均勻。前中期CD試驗室內濕度部分時間里相對較低且不穩定，導致木材表面發生皺縮，后期芯層木材水分不易干燥。

由上述結果不難看出，干燥前期介質濕度會對楊木干燥后的干燥缺陷質量以及含水率分布規律造成影響，SKD工藝可以提高干燥質量，改善木材含水率分布，降低木材厚度上的含水率偏差。

3 結論

通過空氣能輔助太陽能CD試驗與空氣能輔助太陽能SKD試驗比較研究，得到如下結論。

1）在含水率10%～120%，SKD干燥速率是CD的81.25%，干燥時長較CD僅延長22 h，但該工藝有效提高介質濕度，干燥后的鋸材干燥質量經檢驗符合國家二級標準。

2）相較于CD，SKD有利于木材表層、中間層和芯層含水率平緩下降，降低了木材厚度上12.05%的含水率偏差。

3）SKD相較于CD平均彈性拉應變降低了5%，降低了干燥應力對木材的影響，改善了楊木表面質量，有效提高了楊木干燥質量。

綜上所述，空氣能輔助太陽能SKD工藝是可行的，該工藝提高了木材干燥過程中的穩定性，降低了含水率偏差，緩解了干燥應力對木材的影響，提高了木材的干燥質量，空氣能輔助太陽能SKD工藝相較于CD工藝減少了噴蒸加濕環節，降低了能耗，是一種低耗高質的楊木干燥方式。

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