柞木干燥預(yù)熱升溫過(guò)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(yù)熱需要大量蒸汽，為節(jié)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(duì)象，用預(yù)熱時(shí)間表示蒸汽用量作為考察指標(biāo)，通過(guò)對(duì)干燥窯內(nèi)介質(zhì)溫度、鋸材厚度和鋸材初始含水率開展研究，得出三者同預(yù)熱時(shí)間之間的關(guān)系及規(guī)律，從而為實(shí)際生產(chǎn)中預(yù)熱時(shí)間的合理設(shè)定提供參考。

關(guān)鍵詞： 柞木； 介質(zhì)溫度； 初含水率； 厚度

中圖分類號(hào)： S 782. 31， TS 612 + . 3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

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

根據(jù)木材的熱學(xué)性能分析，木材升溫主要受到介質(zhì)溫度、樹種、含水率、厚度等因素影響[ 1 - 3 ]。本研究以升溫時(shí)間為考察指標(biāo)，通過(guò)單因素多水平試驗(yàn)，研究介質(zhì)溫度、初含水率和板材厚度對(duì)木材升溫時(shí)間的影響規(guī)律，以期為實(shí)際生產(chǎn)中預(yù)熱時(shí)間的合理設(shè)定提供參考，減少不必要的能源消耗。

1 試驗(yàn)材料與方法

1. 1 材 料

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

1. 2 儀器設(shè)備

本試驗(yàn)采用的加熱設(shè)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(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)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(yàn)方法，研究了3種初含水率鋸材的預(yù)熱時(shí)間，以及3種厚度規(guī)格鋸材和3種介質(zhì)溫度對(duì)預(yù)熱時(shí)間的影響。

首先，選取含水率相近的鋸材作為厚度、介質(zhì)溫度對(duì)預(yù)熱時(shí)間影響研究的試件；另外選取15 mm厚試材9塊，進(jìn)行編號(hào)并記錄初重，分3組放置于大氣中進(jìn)行氣干處理，定期稱重計(jì)算含水率，直至含水率分別接近60%、35%、25%時(shí)分組用塑料袋密封，進(jìn)行平衡處理，用于測(cè)定含水率對(duì)鋸材預(yù)熱時(shí)間的影響。

試驗(yàn)時(shí)對(duì)試件長(zhǎng)度兩端進(jìn)行封閉處理。之后，在試件側(cè)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(duì)試件進(jìn)行稱重，埋入測(cè)溫探針，再將試件放入恒溫恒濕箱中，定時(shí)記錄試材內(nèi)部的溫度；當(dāng)試件溫度達(dá)到設(shè)定的溫度值時(shí)，試驗(yàn)過(guò)程結(jié)束。對(duì)試件進(jìn)行稱重，觀測(cè)試驗(yàn)后試件含水率的變化情況。

2 結(jié)果及分析

2. 1 鋸材厚度對(duì)預(yù)熱時(shí)間的影響

在長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐中，人們通常將厚度作為估算預(yù)熱時(shí)間的決定因素，從干燥室溫度升至預(yù)設(shè)溫度時(shí)，鋸材預(yù)熱時(shí)間以1～2 h/cm計(jì)算。本次試驗(yàn)預(yù)設(shè)相同的溫濕度環(huán)境，對(duì)3組不同厚度的試材進(jìn)行升溫監(jiān)測(cè)，從結(jié)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(shí)，15 mm厚的鋸材中心溫度達(dá)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(shí)80 min，平均升溫速度為0.65 ℃/min；35 mm厚試材則耗時(shí)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(shù)據(jù)顯示，不同厚度試材中心點(diǎn)升溫速度差異較大，鋸材厚度與升溫時(shí)間并非呈線性關(guān)系，以鋸材預(yù)熱時(shí)間1～2 h/cm的經(jīng)驗(yàn)值確定預(yù)熱時(shí)間并不準(zhǔn)確。另一方面，也證實(shí)了鋸材厚度對(duì)預(yù)熱時(shí)間有顯著影響，是影響預(yù)熱時(shí)間的決定性因素。分析其原因，由于木材升溫主要通過(guò)與外界介質(zhì)的對(duì)流和內(nèi)部導(dǎo)熱來(lái)實(shí)現(xiàn)，熱量由外界進(jìn)入鋸材表層，鋸材表層與內(nèi)部通過(guò)導(dǎo)熱將熱量向內(nèi)部傳導(dǎo)，鋸材厚度越大，傳導(dǎo)路徑越長(zhǎng)，鋸材整體溫度上升相對(duì)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(duì)預(yù)熱時(shí)間的影響

設(shè)定預(yù)熱溫度65 ℃，濕度97%，取初含水率分別為25%、35%、60%的3組試件，監(jiān)測(cè)木材中心溫度變化。結(jié)果（圖2）顯示，開始加熱時(shí)，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(shí)同時(shí)達(dá)到預(yù)設(shè)溫度。這說(shuō)明木材的初含水率對(duì)木材的升溫時(shí)間沒有顯著影響，也與李賢軍等[ 4 ]（2004）對(duì)杉木和落葉松含水率與預(yù)熱時(shí)間相關(guān)性的試驗(yàn)結(jié)果相同。

可見，導(dǎo)溫系數(shù)又取決于木材的密度、比熱和熱導(dǎo)率。水的比熱遠(yuǎn)大于木材比熱，當(dāng)木材含水率增加時(shí)比熱也相應(yīng)增加，升溫所需要的熱量也就越多。同時(shí)，含水率的增加提高了木材的導(dǎo)熱能力，根據(jù)公式（2）可知，木材含水率增加時(shí)，熱導(dǎo)率、比熱和密度同時(shí)增加，導(dǎo)溫系數(shù)略有減小但變化不大，預(yù)熱時(shí)間基本不受影響。由此得出，木材的初含水率對(duì)預(yù)熱時(shí)間影響不顯著。

2. 3 環(huán)境溫度對(duì)預(yù)熱時(shí)間的影響

在同等條件下，窯內(nèi)介質(zhì)溫度設(shè)定不同，鋸材升溫速度也不同[ 5 ]。本試驗(yàn)中，窯內(nèi)介質(zhì)溫度越高，鋸材升溫越快，當(dāng)介質(zhì)溫度設(shè)定為90、 75、 65 ℃時(shí)，木材中心溫度達(dá)到60 ℃分別用時(shí)約40、 50、 90 min。這是因?yàn)榻橘|(zhì)溫度越高，單位時(shí)間內(nèi)提供的熱能越多，在鋸材中傳導(dǎo)的熱量增加，內(nèi)部溫度相應(yīng)加速上升。從理論公式也能證明這一點(diǎn)。根據(jù)傅里葉偏微分方程，當(dāng)鋸材的長(zhǎng)度和寬度遠(yuǎn)大于厚度時(shí)，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(dǎo)。方程（1）可簡(jiǎn)化為

式中，tC為介質(zhì)溫度（℃）；t0為鋸材初始溫度（℃）；t為鋸材給定點(diǎn)的溫度（℃）；R為鋸材厚度的一半（m）；F0為傅里葉準(zhǔn)數(shù)；Bi為畢渥準(zhǔn)數(shù)。無(wú)因次溫度θ與傅里葉準(zhǔn)數(shù)F0呈反比例函數(shù)關(guān)系，由公式（6）可知，當(dāng)鋸材初始溫度t0和給定點(diǎn)溫度t一定時(shí)，介質(zhì)溫度tC越高，無(wú)因次溫度越高；相應(yīng)地，傅里葉準(zhǔn)數(shù)越小，鋸材升溫時(shí)間就會(huì)越短。

3 小 結(jié)

3. 1 從試驗(yàn)結(jié)果可以得出，柞木鋸材的厚度、初含水率、介質(zhì)溫度3個(gè)因素中，鋸材厚度和窯內(nèi)介質(zhì)溫度對(duì)木材升溫影響為顯著，木材的初含水率則對(duì)木材升溫基本無(wú)影響。

3. 2 試樣厚度對(duì)柞木預(yù)熱升溫速度有明顯影響，厚度越大，升溫所需時(shí)間越長(zhǎng)，但二者呈非線性關(guān)系，實(shí)測(cè)升溫時(shí)間要遠(yuǎn)短于依據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算的預(yù)熱時(shí)間；初含水率對(duì)木材預(yù)熱時(shí)間基本無(wú)影響；介質(zhì)溫度對(duì)柞木的干燥預(yù)熱時(shí)間有顯著影響。

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

3. 4 今后還需進(jìn)一步從木材微觀結(jié)構(gòu)和能量傳導(dǎo)等方面，深入研究木材厚度與預(yù)熱時(shí)間的關(guān)系，及預(yù)熱處理溫度和時(shí)間對(duì)木材干燥質(zhì)量的影響。

參考文獻(xiàn)

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

通訊作者： 呂蕾（1978-）， 女， 副研究員， 研究方向： 木材科學(xué)。

收稿日期： 2017 - 12 - 10

（責(zé)任編輯： 潘啟英）