俄羅斯落葉松導熱系數(shù)的影響因素1)

宦思琪 付宗營 蔡英春

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

俄羅斯落葉松是力學強度較大的針葉樹種之一，由其加工的鋸材抗水性及抗朽性高，性質(zhì)穩(wěn)定，具有較高的使用價值。但其難干燥、易裂、易翹曲，內(nèi)部樹脂易滲出等［1］，給干燥增加了難度，需進一步深入研究干燥新方法、新工藝，以實現(xiàn)其高效高品質(zhì)利用。

木材導熱系數(shù)決定了其內(nèi)部傳熱過程中的熱交換強度，是高頻(微波)加熱干燥過程中發(fā)熱量計算、各種方式干燥過程中熱質(zhì)遷移理論模型建立、求解等的必要參數(shù)之一，引起了國內(nèi)外學者的廣泛重視。Suleiman 等［2］研究了樺木導熱系數(shù)隨溫度、密度、孔隙度和各向異性的變化規(guī)律。Hamiyet Sahin Kol 等［3］分析了松木在橫紋方向上，不同含水率隨導熱系數(shù)的影響。國內(nèi)學者王彌康等［4］探索了溫度和熱流方向與木材導熱系數(shù)之間的相關(guān)性。

盡管國內(nèi)外諸多學者已對一些樹種的導熱系數(shù)進行了相關(guān)研究［5－7］，但針對俄羅斯落葉松樹種的導熱系數(shù)研究卻略顯不足，關(guān)于溫度和含水率對導熱系數(shù)的二元方程尚未建立。木材是一種各向異性的生物質(zhì)大分子材料，其導熱系數(shù)隨著樹種不同也存在一定差異?；谇叭搜芯?，筆者采用穩(wěn)態(tài)平板導熱儀，更為精確地檢測了徑弦向俄羅斯落葉松板材在不同含水率及溫度下的導熱系數(shù)，并分析了其隨含水率、溫度及紋理方向的變化規(guī)律，首次建立溫度和含水率對導熱系數(shù)的二元方程，對快速高品質(zhì)干燥的深入研究可提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

選取缺陷少、初含水率為75%的徑弦向俄羅斯落葉松(Russia Larch)板材(3 000 mm×500 mm×50 mm)各一塊，將其沿寬度和厚度鋸切、刨切至最后尺寸分別為300、30 mm，兩端較干部分截去后，自一端沿板長方向避開缺陷依次交替截取7 片長約15 mm，寬約300 mm 的含水率試片和尺寸為300 mm(長)×300 mm(寬)×30 mm(厚)，導熱儀要求的導熱系數(shù)檢測試樣6 塊，分別按順序標號、稱初始質(zhì)量，記錄后，前者烘干稱質(zhì)量，后者用塑料薄膜密封后置于冷藏室備用。實驗共重復測出8 組數(shù)據(jù)，其中6 組取均值用于分析規(guī)律及模擬方程，后2 組代入所得方程進行驗證。

徑向含水率設(shè)為67%、57%、47%、36%、25%、15%、絕干，弦向含水率為71%、65%、58%、45%、28%、15%、絕干;溫度變量均設(shè)為35、50、65、80 ℃。

1.2 檢測機理及試驗方法

1.2.1 檢測方法及機理

使用南京大展機電技術(shù)研究所生產(chǎn)的DZDR－P型穩(wěn)態(tài)平板導熱儀，采用穩(wěn)態(tài)平板法檢測試樣的導熱系數(shù)。

穩(wěn)態(tài)平板法是一種穩(wěn)態(tài)縱向熱流法，其物理模型是，在平板試樣內(nèi)產(chǎn)生一個沿厚度方向穩(wěn)定的一維熱流，再根據(jù)傅立葉導熱方程可得出單層平板試樣厚度方向的導熱系數(shù)。傅里葉導熱方程:

式中:λ 為導熱系數(shù);S 平板面積;dT 為冷熱板溫差;dx 為試樣厚度;dT/dx 為溫度梯度;Q 為單位時間內(nèi)由高溫部分向低溫部分通過面積S 的熱量。

圖1為穩(wěn)態(tài)平板法測量導熱系數(shù)機理。將厚度為d、長寬均為D 的方板夾在上下兩銅板之間，熱量由下方熱板通過試件傳遞到上方的冷板，當熱板與冷板的溫度都達到穩(wěn)態(tài)時，得到了樣品內(nèi)部由上下銅板溫差所引起的溫度梯度，從而得出導熱系數(shù):

圖1 導熱系數(shù)測量機理

穩(wěn)態(tài)法測試過程中，儀器需要穩(wěn)定較長時間才能達到設(shè)定溫度，而在此期間內(nèi)，儀器內(nèi)木材含水率會有微小變化。針對此問題進行前期測試，多次測試過程水分損失均小于0.04%，因此，可忽略該過程含水率變化對導熱系數(shù)的影響。為了更精確掌握測試過程中的含水率損失，取放試樣前后均要進行稱質(zhì)量，取其均值作為實時含水率。

1.2.2 試驗方法

第i 塊試樣的推定絕干質(zhì)量Gsoi由其兩側(cè)的初含水率試片推定，即

式中:Msi為第i 塊試樣初含水率(%);Gi為第i 快初含水率試片初始質(zhì)量(g);Goi為第i 塊初含水率試片絕干質(zhì)量(g)。

式中:Gsi為第i 塊試樣初始質(zhì)量(g)。

測量每塊試樣在不同溫度下、不同含水率時的導熱系數(shù)。檢測時的目標含水率由不同含水率梯度試樣達到平衡含水率的即時質(zhì)量和推定絕干質(zhì)量確定，含水率調(diào)控過程在恒溫恒濕箱或烘箱中進行。測量試樣導熱系數(shù)時的推定含水率，為導熱儀冷熱板溫度穩(wěn)定，測量值讀取后，立即稱其質(zhì)量計算得到的含水率;試樣測量全部結(jié)束后烘絕干，稱質(zhì)量，用實際絕干質(zhì)量取代含水率計算公式中的推定絕干質(zhì)量;所對應(yīng)的試樣溫度，為熱板冷板溫度穩(wěn)定后兩者的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 含水率對導熱系數(shù)影響

含水率對導熱系數(shù)的影響如表1、表2所示?？梢姴煌瑴囟葧r的試材導熱系數(shù)，絕干時最低，徑向均值為0.048 8 W·m－1·K－1，弦向均值為0.037 6 W·m－1·K－1;導熱系數(shù)沿徑弦向均隨含水率的升高而顯著增大，且溫度升高對含水率的影響程度具有增大趨勢;導熱系數(shù)徑向幾乎為線性升高，而65、80 ℃的弦向值則在含水率36%～47%時趨于平緩后又快速增大。產(chǎn)生以上現(xiàn)象的主要原因是:①木材是一種具有實質(zhì)和孔隙的多孔材料，隨著含水率的增大，孔隙內(nèi)部部分空氣被水分替代，且水的導熱能力強于空氣(約為空氣的24 倍);②徑向和弦向?qū)嵯禂?shù)均與垂直熱流方向單位橫截面積上并聯(lián)的管胞數(shù)量成正比，與熱流方向單位長度上串聯(lián)的管胞數(shù)量成反比。對于早材，管胞直徑徑向大于弦向。垂直熱流方向單位橫截面積上并聯(lián)的管胞數(shù)量，徑向熱流大于弦向熱流;而沿熱流方向單位長度所串聯(lián)的管胞數(shù)量，徑向熱流則小于弦向熱流，所以徑向?qū)嵯禂?shù)大于弦向。晚材與早材相反，但晚材率很低，所以起決定作用的是早材。

本結(jié)論與Gu、Wangaard、MacLean 等對其他樹種的研究結(jié)論相一致［8－10］。

2.2 溫度對導熱系數(shù)影響

表1、表2同時也示出了溫度對導熱系數(shù)的影響。除絕干狀態(tài)外的各含水率階段，試材徑、弦向?qū)嵯禂?shù)均隨溫度的升高而增大，試材含水率57%時，溫度自35 ℃升高至80 ℃過程中，徑向?qū)嵯禂?shù)最小值為0.113 1，最大值為0.129 9，增長了14.85%;而弦向?qū)嵯禂?shù)最小值為0.065 2，最大值為0.079 9，增長了22.55%;隨溫度升高弦向增長略高于徑向。絕干材的導熱系數(shù)幾乎不受溫度影響，隨著含水率的增大，溫度的影響具有增大趨勢。溫度的升高使木材孔隙內(nèi)水和空氣分子等熱運動加劇，孔隙壁間熱輻射能增加。其中，水分子熱運動加劇所引起導熱性能的增強占比最大，其他影響甚微;且導熱系數(shù)隨溫度升高斜率明顯小于其隨含水率增大斜率，這是產(chǎn)生上述結(jié)果的主要原因。本結(jié)論與國外學者Chia 和Raznjevic 等對其他樹種的實驗結(jié)論相符［11－12］。

表1 徑向含水率對導熱系數(shù)的影響

表2 弦向含水率對導熱系數(shù)的影響

2.3 紋理方向?qū)嵯禂?shù)影響

絕干材的平均導熱系數(shù)(λ)，徑向為0.048 8 W·m－1·K－1，弦向則為0.037 6 W·m－1·K－1。含水率15%和58%時徑向和弦向?qū)嵯禂?shù)的變化規(guī)律如表3所示?？梢姡瑥较?qū)嵯禂?shù)高于弦向?qū)嵯禂?shù)，比值在1.19 ～1.90;兩者差異隨著溫度的升高而減小，隨含水率升高而增大。而很多學者研究得出大多國產(chǎn)落葉松導熱系數(shù)，卻是沿弦向大于沿徑向。Steinhagen 等［13］指出:徑向與弦向?qū)嵯禂?shù)的比率取決于木射線細胞體積和早晚材密度。此外，諸多研究表明，晚材率亦是影響因素之一。大多國產(chǎn)落葉松木材，由于晚材密度明顯大于早材，且晚材率高，木射線體積比率較小，因而熱量大部分經(jīng)熱阻小的晚材沿弦向傳導，致使弦向?qū)嵯禂?shù)大于徑向;而本研究所選取的俄羅斯落葉松木材，與國產(chǎn)落葉松相比木射線體積比率較大，早晚材密度差異較小，晚材率較低，所以弦向熱阻增大，徑向熱阻減小，致使產(chǎn)生與前者相反的結(jié)果。

表3 導熱系數(shù)與紋理方向的關(guān)系

2.4 導熱系數(shù)與含水率和溫度的關(guān)系式

將2.1 和2.2 所述含水率、溫度對導熱系數(shù)影響的結(jié)果進行二元回歸，得到二元回歸方程:

式中:λ徑、λ弦為徑、弦向?qū)嵯禂?shù);M 為木材含水率(%);t 為木材溫度(℃)。

在不同溫度和含水率的條件下，將上述公式的計算值與實驗測量值進行了對比，見表4、表5。實驗值與計算值最大相差0.003 7，而最小誤差僅為0.001，且回歸擬合后的徑、弦向方程的相關(guān)系數(shù)分別為99.16%和97.78%。由此可見，實驗值與計算值符合程度是令人滿意的。

表4 不同溫度和含水率的徑向?qū)嵯禂?shù)實驗值與計算值

表5 不同溫度和含水率的弦向?qū)嵯禂?shù)實驗值與計算值

3 結(jié)論

俄羅斯落葉松木材導熱系數(shù)隨含水率的升高而增大，絕干材導熱系數(shù)基本不變，徑向絕干材的平均導熱系數(shù)為0.048 8 W·m－1·K－1，弦向則為0.037 6 W·m－1·K－1。

溫度升高的過程中，導熱系數(shù)逐漸增大。纖維飽和點以下，增大趨勢較為緩和，纖維飽和點以上則快速增大。

徑向?qū)嵯禂?shù)變化范圍在0.037 6～0.152 1 W·m－1·K－1，而弦向則在0.048 8 ～0.112 1 W·m－1·K－1之間;徑向?qū)嵯禂?shù)大于弦向，二者比值在1.119～1.738;且溫度越高，含水率越低，徑弦向?qū)嵯禂?shù)比值越小。

分別將徑、弦向含水率和溫度對導熱系數(shù)的影響結(jié)果二元回歸，得到了徑、弦向含水率和溫度對導熱系數(shù)的二元一次方程。經(jīng)對比，弦徑向方程的計算值與實驗值的相關(guān)系數(shù)分別為97.8%和99.2%。實驗值與計算值的符合程度良好，公式可信度較高。

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