熱壓干燥中高含水率楊木鋸材內(nèi)水分狀態(tài)及遷移機(jī)制

周永東 侯俊峰

(1. 中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所 北京 100091； 2. 浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院 杭州 311300)

熱壓干燥是一種利用壓機(jī)熱壓板接觸木材進(jìn)行傳熱的干燥方法，最初用于薄板干燥，20世紀(jì)50年代開始用于厚單板和鋸材干燥。熱壓干燥具有傳熱均勻、干燥速率高、翹曲缺陷少等優(yōu)點(diǎn)，且由于壓力和溫度作用，還能對(duì)木材產(chǎn)生密實(shí)化和熱處理等改性效果，對(duì)提高木材干燥質(zhì)量、干燥效率和改善木材尺寸穩(wěn)定性具有積極作用(莊壽增， 2008)。以往關(guān)于熱壓干燥的研究主要集中在干燥工藝對(duì)火炬松(Pinustaeda)(Simpsonetal.， 1992)、杉木(Cunninghamialanceolata)(蔡家斌等， 1997； 1998)、馬尾松(Pinusmassoniana)(汪佑宏等， 2002)、桉樹(Eucalyptus)(王喜明等， 2005)和樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)(鄔飛宇等， 2015)等人工林木材干燥速率、干燥質(zhì)量以及物理力學(xué)性能的影響等方面，為提高人工林木材干燥質(zhì)量和高附加值利用提供了較好的工藝基礎(chǔ)。

壓力是干燥過程中木材內(nèi)水分遷移的主要驅(qū)動(dòng)力之一，木材內(nèi)壓力越大，水分遷移速率越快，干燥效率越高(Hunteretal.， 1997； Pang， 1997； Lietal.， 2008； Perreetal.， 2004； Tumeretal.， 2004； 劉志軍等， 2006)；而且，木材內(nèi)壓力變化對(duì)熱量傳遞也會(huì)產(chǎn)生較大影響，進(jìn)而影響木材干燥過程的控制和干燥質(zhì)量。已有研究主要根據(jù)熱壓干燥木材內(nèi)溫度和含水率的變化規(guī)律構(gòu)建木材熱壓干燥熱質(zhì)傳遞模型(Tangetal.， 1994； 汪佑宏， 2003； 汪佑宏等， 2008)，但忽略了木材內(nèi)壓力對(duì)水分狀態(tài)的影響。根據(jù)熱力學(xué)原理，水的沸點(diǎn)(飽和溫度)隨所處環(huán)境壓力增大而升高(沈維道等， 2016)，熱壓干燥過程中熱壓板溫度通常在100 ℃以上，熱壓板與濕木材接觸會(huì)使水分劇烈汽化導(dǎo)致木材內(nèi)壓力升高，當(dāng)木材內(nèi)壓力高于大氣壓時(shí)，對(duì)應(yīng)壓力下液態(tài)水的沸點(diǎn)高于100 ℃； 當(dāng)木材內(nèi)液態(tài)水溫度升至100 ℃時(shí)，此刻并未達(dá)到對(duì)應(yīng)壓力下液態(tài)水的沸點(diǎn)，木材內(nèi)水分仍是未飽和水。鑒于此，本研究采用溫度-壓力集成傳感器在線檢測熱壓干燥中含水率高于纖維飽和點(diǎn)(FSP)的楊木鋸材內(nèi)溫度和壓力，分析熱壓板溫度對(duì)鋸材內(nèi)不同位置溫度和壓力的影響，探究鋸材表層和心層水分狀態(tài)和變化規(guī)律，闡釋高含水率楊木鋸材內(nèi)水分遷移機(jī)制，以期為揭示木材熱壓干燥機(jī)制和干燥過程的精準(zhǔn)控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

毛白楊(Populustomentosa)原木采自山東省冠縣，樹木胸徑25～40 cm。將原木鋸解成2 500 mm(縱向) × 120 mm (弦向) × 25 mm(徑向)的鋸材，置于冷藏庫(-6 ℃)中保存。熱壓干燥試驗(yàn)前將鋸材加工成規(guī)格為400 mm (縱向) × 120 mm (弦向) × 25 mm(徑向)的試樣，同時(shí)在試樣兩端各鋸取1個(gè)厚度15 mm(縱向)的含水率試片，采用絕干法得到試片絕干質(zhì)量并計(jì)算其含水率，每個(gè)試樣兩端試片含水率均值作為熱壓干燥試樣的初含水率。干燥試驗(yàn)前將試樣含水率調(diào)整至40%～60%(侯俊峰， 2019)。

1.2 儀器設(shè)備

壓機(jī)熱壓板幅面為500 mm×500 mm，最大壓力為100 t； 溫度-壓力集成傳感器規(guī)格為380 mm×2 mm(長度×直徑)，每套傳感器集成有1個(gè)壓力變送器和1支K型熱電偶，傳感器壓力檢測范圍為0～0.5 MPa，測試精度為±0.5%，溫度檢測范圍為-200～1 300 ℃，測試精度為Ⅰ級(jí)； 傳感器連接至16通道SIN-R6000C型彩色無紙記錄儀，用于在線監(jiān)測并實(shí)時(shí)儲(chǔ)存干燥過程中鋸材內(nèi)溫度和壓力，數(shù)據(jù)采集間隔1 s； 精度0.01 g的電子天平和0.1 g的電子秤分別用于稱量含水率試片和熱壓干燥前后鋸材試樣質(zhì)量； 溫度范圍為室溫～300 ℃的鼓風(fēng)干燥箱用于鋸材含水率試片的絕干處理。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 鋸材內(nèi)溫度和壓力測量 熱壓干燥試樣的長度和寬度較小，為了保證試驗(yàn)結(jié)果對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中的足尺鋸材有借鑒作用，試驗(yàn)前使用雙組分耐高溫環(huán)氧樹脂膠和鋁箔密封試樣端面和側(cè)面，以保證干燥過程中熱質(zhì)傳遞只沿厚度方向進(jìn)行。膠黏劑固化后，在鋸材試樣側(cè)面靠近長度居中位置的1/5厚度(表層)和中心處(心層)鉆2個(gè)孔，孔直徑為2 mm，孔深度為60 mm，即傳感器檢測點(diǎn)位于試樣寬度的中心處，將傳感器埋入孔中并密封好。圖1為試驗(yàn)所用溫度-壓力集成傳感器的結(jié)構(gòu)與安裝示意。

圖1 溫度-壓力集成傳感器的結(jié)構(gòu)與安裝示意Fig.1 Structural and embedded schematic diagram of the temperature-pressure integrated sensor in wood

1.3.2 鋸材熱壓干燥及溫度、壓力檢測 啟動(dòng)壓機(jī)，將埋入溫度-壓力集成傳感器的試樣置于壓機(jī)內(nèi)，分別在熱壓板溫度(TP)為120、130和140 ℃條件下進(jìn)行熱壓干燥。使用24 mm高不銹鋼厚度規(guī)控制鋸材試樣厚度，以保證熱壓板與鋸材表面緊密接觸且不使鋸材壓縮過量。熱壓干燥中通過2套溫度-壓力集成傳感器在線檢測鋸材表層和心層溫度和壓力，無紙記錄儀對(duì)各參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)。干燥結(jié)束后依據(jù)GB/T 6491—2012《鋸材干燥質(zhì)量》規(guī)定檢測鋸材試樣的終含水率和分層含水率。

1.4 鋸材內(nèi)水分狀態(tài)判斷

采用Antoine方程計(jì)算不同壓力下水蒸氣飽和溫度(TS)(Wisniak， 2001； 陳新志等， 2009)：

(1)

式中：PS為飽和蒸汽壓力(MPa)；a、b和c為常數(shù)，其值分別為9.387 6、3 826.36和227.68。

按照式(1)計(jì)算不同條件和位置處鋸材內(nèi)壓力測量值(PM)對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽溫度(TS)，并分別與同一點(diǎn)相應(yīng)的溫度測量值(TM)進(jìn)行比較。根據(jù)飽和蒸汽溫度(TS)與溫度測量值(TM)的大小推測鋸材內(nèi)水分狀態(tài)(沈維道等， 2016)： 1) 當(dāng)TS>TM時(shí)，表明鋸材內(nèi)水分尚未達(dá)到飽和狀態(tài)，所處狀態(tài)為液態(tài)； 2) 當(dāng)TS=TM時(shí)，鋸材內(nèi)水分恰好處于飽和蒸汽狀態(tài)(濕飽和狀態(tài)-干飽和狀態(tài))； 3) 當(dāng)TS

2 結(jié)果與分析

2.1 熱壓板溫度對(duì)鋸材內(nèi)不同厚度處溫度的影響

圖2為熱壓板溫度120、130和140 ℃條件下楊木鋸材表層溫度(TMS)和心層溫度(TMC)隨時(shí)間的變化曲線。可以看出，熱壓板閉合后鋸材表層和心層溫度均快速升高，且鋸材表層的升溫速度高于心層，5～10 min后進(jìn)入緩慢升溫階段。鋸材表層和心層溫度均會(huì)出現(xiàn)一個(gè)溫度峰值，峰值隨熱壓板溫度升高而增大。當(dāng)熱壓板溫度從120 ℃升至140 ℃時(shí)，鋸材表層和心層溫度峰值分別從115.4 ℃、109.4 ℃增至133.0 ℃、126.4 ℃。這是因?yàn)椋?1) 熱壓干燥開始時(shí)熱壓板溫度遠(yuǎn)高于鋸材溫度，能量在外高內(nèi)低的溫度梯度作用下以熱傳導(dǎo)形式不斷從鋸材表面?zhèn)鬟f到內(nèi)部，鋸材內(nèi)溫度持續(xù)升高； 2) 鋸材表面到中心之間的溫差隨熱壓板溫度升高而增大，熱量傳遞速率隨溫度梯度增加而增大，使得傳遞到鋸材內(nèi)的能量密度增大； 3) 熱壓板閉合后，鋸材表面液態(tài)水吸熱迅速汽化，因熱壓板與鋸材緊密接觸，液態(tài)水汽化產(chǎn)生的水蒸氣被封閉在鋸材內(nèi)部，水蒸氣的比容較液態(tài)水高千倍以上(1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下飽和蒸汽的比容是飽和水的1 624倍)(沈維道等， 2016)，從而使鋸材表層壓力快速提高，鋸材表層中的蒸汽及蒸發(fā)面內(nèi)的液態(tài)水在壓力梯度作用下沿厚度方向向鋸材內(nèi)部移動(dòng)，水蒸氣和高溫液態(tài)水?dāng)y帶的大量熱能傳遞到木材內(nèi)部。 上述因素的共同作用導(dǎo)致鋸材內(nèi)溫度快速升高并出現(xiàn)溫度峰值。此外，水分蒸發(fā)強(qiáng)度隨熱壓板溫度升高而增大，進(jìn)而導(dǎo)致液態(tài)水吸熱汽化量增大，所形成的蒸汽壓力增高，鋸材表層和心層之間的壓力差增加，水蒸氣和高溫液態(tài)水的內(nèi)遷密度增高，鋸材內(nèi)部升溫速率增大，鋸材心層達(dá)到的溫度峰值隨之增大。

圖2 不同熱壓板溫度下楊木鋸材表層和心層溫度變化Fig.2 Temperature changes in surface and center layer of poplar lumber under different heating platens’ temperatures

2.2 熱壓板溫度對(duì)鋸材內(nèi)不同厚度處壓力的影響

圖3為熱壓板溫度120、130和140 ℃條件下楊木鋸材表層壓力(PMS)和心層壓力(PMC)隨時(shí)間的變化曲線?？梢钥闯?，鋸材表層和心層壓力峰值隨熱壓板溫度升高而增大。熱壓板溫度從120 ℃升至140 ℃時(shí)，鋸材表層壓力峰值由209.3 kPa增至314.5 kPa，相應(yīng)的溫度分別為110.9和123.3 ℃； 鋸材心層壓力峰值由235.5 kPa增至336.9 kPa，相應(yīng)的溫度分別為107.2和125.9 ℃。這是因?yàn)椋?在鋸材含水率高于纖維飽和點(diǎn)時(shí)，由于鋸材表面與熱壓板緊密接觸，鋸材表面自由水吸熱汽化產(chǎn)生的水蒸氣不能排出，且水蒸氣的比容較液態(tài)水高千倍以上，導(dǎo)致鋸材表層壓力迅速升高，鋸材表面與蒸發(fā)面之間的蒸汽以及蒸發(fā)面內(nèi)的液態(tài)水在鋸材表面與中心之間的壓力梯度作用下沿厚度方向向鋸材中心遷移，并隨熱壓板溫度升高而加強(qiáng)。從圖2、3中溫度和對(duì)應(yīng)點(diǎn)壓力的變化情況看，在熱壓板閉合后5 min內(nèi)，鋸材內(nèi)溫度遠(yuǎn)沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下液態(tài)水的沸點(diǎn)，但鋸材內(nèi)壓力已經(jīng)開始升高并高于1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓； 隨熱壓板閉合時(shí)間增加，蒸發(fā)面附近的更多液態(tài)水汽化導(dǎo)致鋸材內(nèi)壓力升高，直至達(dá)到壓力峰值。此外，熱壓板傳遞給鋸材內(nèi)的能量密度隨熱壓板溫度升高而增大，使蒸發(fā)面內(nèi)吸熱汽化的液態(tài)水量更大，產(chǎn)生的蒸汽壓力更高，更高的壓力差使蒸汽和液態(tài)水向鋸材內(nèi)遷移密度更大，鋸材內(nèi)壓力升高越快，壓力峰值越高。

對(duì)比圖2、3中溫度和壓力到達(dá)峰值的時(shí)間可知，鋸材表層和心層壓力峰值對(duì)應(yīng)的溫度值均低于相同熱壓板溫度條件下的溫度峰值，即鋸材內(nèi)各層的溫度峰值滯后于壓力峰值。究其原因： 鋸材內(nèi)壓力升高是由鋸材表面與蒸發(fā)面之間的蒸汽壓力向鋸材內(nèi)部傳遞引起的，不僅由內(nèi)部液態(tài)水吸熱汽化引起，鋸材內(nèi)壓力傳導(dǎo)從熱壓板閉合的瞬間就已經(jīng)開始，而引起鋸材內(nèi)溫度升高所需要的熱量從鋸材表面?zhèn)鲗?dǎo)到心層的速率則較慢，進(jìn)而導(dǎo)致鋸材內(nèi)溫度達(dá)到峰值的時(shí)間晚于壓力達(dá)到峰值的時(shí)間。

圖3 不同熱壓板溫度下楊木鋸材表層和心層壓力變化Fig.3 Pressure changes in surface and center layer of poplar lumber under different heating platens’ temperatures

2.3 熱壓干燥中鋸材內(nèi)水分狀態(tài)分布

熱壓干燥開始后，鋸材表面與熱壓板接觸，溫度迅速升高到常壓下水的沸點(diǎn)并在鋸材表面附近形成一個(gè)“蒸發(fā)面”，蒸發(fā)面內(nèi)液態(tài)水吸熱汽化，由于蒸汽比容較液態(tài)水高千倍以上，且熱壓板與鋸材接觸緊密，蒸汽被熱壓板封閉在鋸材中，造成鋸材內(nèi)蒸發(fā)面附近區(qū)域壓力迅速升高。蒸發(fā)面隨著干燥過程延續(xù)沿鋸材厚度方向逐漸向中心移動(dòng)。鋸材表面與蒸發(fā)面之間的水蒸氣以及蒸發(fā)面附近的高溫液態(tài)水在壓差作用下向中心流動(dòng)，使鋸材內(nèi)壓力逐漸增加，最后達(dá)到壓力峰值。鋸材內(nèi)蒸發(fā)面處的壓力即為飽和蒸汽壓，液態(tài)水的沸點(diǎn)是所處位置壓力下的飽和蒸汽溫度，但飽和蒸汽溫度隨所處位置壓力的變化而不同，壓力越高，飽和溫度越高(沈維道等， 2016)。

表1 不同熱壓板溫度下干燥前后楊木鋸材含水率Tab.1 MC of poplar lumber before and after platen drying under different platen temperature

圖4為熱壓干燥中楊木鋸材表層實(shí)測溫度與同一點(diǎn)實(shí)測壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度變化曲線?？梢钥闯?，在熱壓板溫度為120 ℃條件下，鋸材表層溫度(TMS)實(shí)測值始終低于同一點(diǎn)實(shí)測壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度(TSS)，鋸材表層測點(diǎn)所在位置水分狀態(tài)為液態(tài)。這是因?yàn)椋轰彶谋砻孀杂伤a(chǎn)生的水蒸氣在壓差作用下遷移至測點(diǎn)位置，導(dǎo)致測點(diǎn)位置的壓力高于大氣壓(圖3)，表層測點(diǎn)位置的實(shí)際溫度一直低于所處位置壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度，即蒸發(fā)面還未到達(dá)鋸材表層測點(diǎn)所處位置，鋸材表層含水率仍處于FSP以上，表1中干燥后鋸材表層含水率為32.42%，證實(shí)了這一推測。當(dāng)熱壓板溫度增至130和140 ℃時(shí)，熱壓板閉合約22 min后鋸材表層測點(diǎn)所處位置的實(shí)測溫度(TMS)與所處位置實(shí)測壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度(TSS)相等，推測此時(shí)水分蒸發(fā)面已移動(dòng)到表層測點(diǎn)所處位置，鋸材內(nèi)液態(tài)水吸熱汽化形成水蒸氣； 隨干燥過程延續(xù)，鋸材表層溫度繼續(xù)升高，并于3 min后超過所處位置對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度，推測測點(diǎn)所處位置鋸材內(nèi)自由水已蒸發(fā)完畢，水分狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫^熱蒸汽狀態(tài)，此刻測點(diǎn)所處位置鋸材表層含水率降低至FSP以下，表1中干燥后鋸材表層含水率(24.27% 和21.26%)數(shù)據(jù)也證實(shí)了這一推測。分析可知，當(dāng)熱壓板溫度為130 ℃時(shí)，干燥開始后23.4 min鋸材表層水分由飽和狀態(tài)過渡到過熱蒸汽狀態(tài)對(duì)應(yīng)的溫度和壓力分別為125.4 ℃和233.5 kPa； 當(dāng)熱壓板溫度為140 ℃時(shí)，干燥開始后21.5 min鋸材表層水分由飽和狀態(tài)過渡到過熱蒸汽狀態(tài)對(duì)應(yīng)的溫度和壓力分別為131.4 ℃和280.4 kPa，即熱壓板溫度越高，鋸材表層含水率降低至FSP以下的時(shí)間越短，鋸材內(nèi)溫度和壓力也越高。

圖4 楊木鋸材表層實(shí)測溫度與實(shí)測壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度變化Fig.4 Changes of the measured temperature and saturated temperature related with measured pressure in surface layer of poplar lumber

圖5為熱壓干燥中楊木鋸材心層實(shí)測溫度與同一點(diǎn)實(shí)測壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度變化曲線?？梢钥闯?，在本研究熱壓板溫度范圍內(nèi)，鋸材心層溫度(TMC)始終低于同一測點(diǎn)實(shí)測壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度(TSC)，鋸材心層測點(diǎn)所處位置水分始終為液態(tài)。表1中不同熱壓板溫度下干燥后鋸材心層終含水率均超過50%，遠(yuǎn)高于FSP，證實(shí)了鋸材心層水分為液態(tài)的推測。這是因?yàn)椋?熱壓板閉合后，鋸材表面與蒸發(fā)面之間的液態(tài)水吸熱汽化轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝a(chǎn)生的壓力傳導(dǎo)導(dǎo)致心層壓力升高， 鋸材內(nèi)壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度始終高于實(shí)測溫度，即使實(shí)測溫度高于100 ℃，但由于沒有達(dá)到所處位置壓力下的飽和蒸汽溫度，鋸材心層水分狀態(tài)為過壓的未飽和水(液態(tài))。文獻(xiàn)中通常根據(jù)1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(101.3 kPa)下液態(tài)水的沸點(diǎn)(100 ℃)來確定木材內(nèi)水分狀態(tài)的轉(zhuǎn)化點(diǎn)(Tangetal., 1994)，沒有考慮熱壓干燥中木材內(nèi)水分吸熱汽化所產(chǎn)生的蒸汽壓力對(duì)木材內(nèi)水分狀態(tài)的決定作用，故其水分狀態(tài)轉(zhuǎn)化點(diǎn)的確定方法有待商榷； 特別是含水率高于FSP的木材熱壓干燥，表面與蒸發(fā)面之間的蒸汽壓力向中心傳導(dǎo)會(huì)導(dǎo)致木材中心壓力高于大氣壓，即液態(tài)水汽化溫度高于100 ℃。在熱壓板溫度為140 ℃條件下，熱壓干燥楊木鋸材內(nèi)壓力實(shí)測值可達(dá)201.6 kPa，對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽溫度達(dá)120.2 ℃，均高于常壓(101.3 kPa)及對(duì)應(yīng)的液態(tài)水沸點(diǎn)(100 ℃)(侯俊峰等， 2018)。

圖5 楊木鋸材心層實(shí)測溫度與實(shí)測壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度變化Fig.5 Changes of the measured temperature and theoretical saturated temperature calculated with measured pressure in center layer of poplar lumber

2.4 熱壓板打開期間鋸材內(nèi)水分狀態(tài)分析及遷移機(jī)制

由上述分析可知，熱壓干燥中鋸材內(nèi)水分為過壓的高溫液態(tài)水。當(dāng)熱壓板打開時(shí)，在熱壓板離開鋸材表面的瞬間，鋸材表面壓力急劇降低，鋸材內(nèi)液態(tài)水溫度高于環(huán)境壓力下自由水的沸點(diǎn)，導(dǎo)致過壓的高溫液態(tài)水發(fā)生閃蒸現(xiàn)象。閃蒸是指液態(tài)水瞬間汽化成蒸汽的吸熱相變過程(胡海濱， 2004)，熱壓板打開瞬間鋸材內(nèi)壓力急劇降低，部分顯熱釋放出來，這部分超量熱以潛熱的形式被鋸材中的液態(tài)水吸收，引起鋸材內(nèi)過壓的高溫液態(tài)水發(fā)生“閃蒸”現(xiàn)象轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?且隨鋸材內(nèi)外壓差增加，閃蒸引發(fā)的液態(tài)水汽化程度隨之增強(qiáng)。

圖6為熱壓板打開后150 s內(nèi)鋸材表層溫度和同一點(diǎn)實(shí)測壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度變化曲線(圖4熱壓板打開后的局部放大圖)。根據(jù)前述對(duì)圖4的分析，熱壓板溫度為120 ℃條件下，熱壓板閉合期間鋸材表層水分為超過常壓的高溫液態(tài)水，當(dāng)熱壓板打開時(shí)，鋸材表面壓力急劇下降至大氣壓，此時(shí)鋸材表層溫度高于大氣壓力對(duì)應(yīng)的液態(tài)水飽和溫度(約100 ℃)，使鋸材表層中過壓的高溫液態(tài)水發(fā)生閃蒸現(xiàn)象，部分表層液態(tài)水吸收鋸材釋放的顯熱瞬間汽化； 鋸材內(nèi)水蒸氣在鋸材表層與環(huán)境壓差的驅(qū)動(dòng)下快速從表面釋放到環(huán)境中。隨熱壓板打開時(shí)間延續(xù)，水蒸氣從鋸材表面的釋放及向環(huán)境散熱帶走大量的熱量導(dǎo)致鋸材溫度下降，鋸材表層測點(diǎn)所處位置的水分狀態(tài)在約40 s時(shí)逐漸由過壓的高溫液態(tài)水狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟冉咏?13.4 ℃的飽和蒸汽狀態(tài)，此時(shí)因鋸材表層自由水尚未完全汽化，水分狀態(tài)為濕飽和狀態(tài)。當(dāng)熱壓板溫度為130和140 ℃時(shí)，從圖中數(shù)據(jù)推測熱壓板打開后鋸材表層水分狀態(tài)在試驗(yàn)期間一直處于過熱蒸汽狀態(tài)。

圖6 熱壓板打開期間楊木鋸材表層溫度和實(shí)測壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度變化Fig.6 Changes of measured temperature and saturated temperature related with measured pressure in surface layer of poplar lumber during the opening period of heating platens

圖7 熱壓板打開期間楊木鋸材心層溫度和實(shí)測壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度變化Fig.7 Changes of measured temperature and saturated temperature related with measured pressure in center layer of poplar lumber during the opening period of heating platens

圖7為熱壓板打開后150 s內(nèi)鋸材心層溫度和同一點(diǎn)實(shí)測壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度變化曲線(圖5熱壓板打開后的局部放大圖)。由前述分析可知，不同熱壓板溫度下鋸材心層水分狀態(tài)均為液態(tài)。而從圖7的溫度變化看，熱壓板打開時(shí)，鋸材心層壓力迅速降低，實(shí)測壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度隨鋸材心層壓力降低，達(dá)到同一測點(diǎn)的鋸材實(shí)測溫度，即鋸材心層過壓的液態(tài)水溫度等于實(shí)測壓力對(duì)應(yīng)的水的沸點(diǎn)，產(chǎn)生汽化現(xiàn)象。此外，熱壓干燥中鋸材心層沿厚度方向的壓差較小，導(dǎo)致熱壓板打開時(shí)壓力降低量較小，小于表層與環(huán)境之間的壓差，使得鋸材心層過壓的未飽和水汽化程度較低，只有部分液態(tài)水吸熱汽化形成水蒸氣，此時(shí)鋸材心層水分處于濕飽和狀態(tài)。

熱壓板閉合期間鋸材內(nèi)溫度和壓力均顯著升高，鋸材內(nèi)壓力高于環(huán)境大氣壓； 當(dāng)熱壓板打開時(shí)，鋸材內(nèi)水分在壓差作用下從鋸材表面釋放到環(huán)境中，從而達(dá)到排除鋸材中水分的目的，這正是熱壓干燥鋸材中水分排出的主要方式。鋸材內(nèi)液態(tài)水的沸點(diǎn)隨鋸材內(nèi)壓力升高而增大，液態(tài)水含有的熱焓隨之增大； 在熱壓板打開瞬間，鋸材內(nèi)壓力急劇降低，濕熱鋸材釋放出來的顯熱以潛熱形式被鋸材內(nèi)過壓的未飽和高溫液態(tài)水吸收，液態(tài)水發(fā)生閃蒸汽化成水蒸氣(季璨等， 2017)，蒸汽在鋸材與大氣環(huán)境壓差作用下從鋸材表面釋放出來，從而使鋸材含水率降低。

根據(jù)熱壓干燥中鋸材內(nèi)壓力及水分狀態(tài)的變化規(guī)律，可對(duì)鋸材熱壓干燥工藝進(jìn)行優(yōu)化。依鋸材所處不同含水率階段，將熱壓板閉合后到達(dá)壓力峰值的時(shí)間作為閉合時(shí)間，熱壓板打開后鋸材內(nèi)溫度和壓力下降至趨于平緩的時(shí)間作為熱壓板開啟時(shí)間，可提高鋸材熱壓干燥效率。

3 結(jié)論

1) 對(duì)含水率高于纖維飽和點(diǎn)的楊木鋸材進(jìn)行熱壓干燥，熱壓板溫度越高，鋸材表層和心層溫度和壓力升高越快，達(dá)到的溫度和壓力峰值越高。當(dāng)熱壓板溫度從120 ℃升至140 ℃時(shí)，鋸材表層溫度和壓力峰值分別從115.4 ℃、209.3 kPa增至133.0 ℃、314.5 kPa， 心層溫度和壓力峰值分別從109.4 ℃、235.5 kPa增至126.4 ℃、336.9 kPa； 鋸材表層和心層達(dá)到溫度峰值的時(shí)間均滯后于對(duì)應(yīng)的壓力峰值。鋸材心層溫度和壓力升高不僅由高溫的熱壓板熱量傳遞所致，還包含由鋸材表面與心層之間的壓力差作用驅(qū)使的高溫水蒸氣和液態(tài)水沿厚度方向向心層流動(dòng)所攜帶的能量和壓力傳導(dǎo)所致。

2) 楊木鋸材表層水分狀態(tài)受熱壓板溫度影響較大。在熱壓板溫度為120 ℃條件下，鋸材表層水分始終處于液態(tài)(未飽和水狀態(tài))； 當(dāng)熱壓板溫度從120 ℃升至130和140 ℃時(shí)，鋸材表層水分狀態(tài)隨干燥時(shí)間延長由液態(tài)過渡到飽和蒸汽狀態(tài)，之后又轉(zhuǎn)變?yōu)檫^熱蒸汽狀態(tài)。熱壓板溫度120～140 ℃條件下鋸材心層水分均為液態(tài)(未飽和水狀態(tài))。

3) 熱壓板閉合過程中，熱壓板熱量及鋸材表面與蒸發(fā)面之間水分汽化產(chǎn)生的壓力沿厚度方向向心層傳遞，導(dǎo)致鋸材內(nèi)壓力高于大氣壓，鋸材表面到中心形成過熱蒸汽(表面/層)、飽和蒸汽(蒸發(fā)面)、液態(tài)水(中心)的水分狀態(tài)分布； 熱壓板打開時(shí)，鋸材內(nèi)過壓的液態(tài)水隨壓力急劇降低發(fā)生閃蒸汽化，此時(shí)，鋸材內(nèi)水蒸氣在鋸材與環(huán)境壓差驅(qū)動(dòng)下從鋸材表面釋放至環(huán)境中，使得鋸材含水率降低，這是高含水率鋸材熱壓干燥中內(nèi)部水分遷移的主要方式。