高頻—對流木材干燥設(shè)備中高頻發(fā)生器的選用1)

夏興華 蔡英春

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

高頻—對流木材干燥技術(shù)，既利用了高頻對木材內(nèi)部迅速加熱的優(yōu)點(diǎn)又能降低用電成本，易于控制木材內(nèi)外的溫度梯度、木材周圍干燥介質(zhì)的相對濕度，因而是一種快速、低成本、高品質(zhì)的先進(jìn)木材干燥技術(shù)，在快速干燥大斷面方材及難干材方面具有廣闊應(yīng)用前景。然而干燥過程中使用的電能仍然很大，因此選用適宜功率和頻率的高頻發(fā)生器，對于降低成本、保證木材加熱均勻等具有重要意義。國外尤其是日本學(xué)者對此研究較多，并取得了一定進(jìn)展。筆者總結(jié)了日本高頻干燥木材時計算高頻功率的方法并在運(yùn)用時加以改進(jìn)，深入探討了適用于高頻—對流木材干燥的高頻發(fā)生器功率的計算和選用方法，并分析了高頻—對流木材干燥過程中高頻發(fā)生器頻率的選定，為高頻設(shè)備的選型提供參照依據(jù)。

1 研究現(xiàn)狀

聯(lián)合干燥在國際木材干燥技術(shù)的發(fā)展趨勢中占據(jù)很重要位置。木材高頻加熱干燥的理論研究始于20世紀(jì)50年代［1］，但在當(dāng)時因其耗資大而未應(yīng)用于生產(chǎn)。H.A.Bielsarnoff曾建議，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，高頻—對流聯(lián)合干燥沿木材厚度的正向溫度梯度應(yīng)為1～2℃，按此計算，在干燥室內(nèi)堆放的每立方米木材所需的高頻發(fā)生器的單位安裝功率為1 kW左右［2］。Bucki.M在其提出的木材高頻加熱物理公式和數(shù)學(xué)模型中提到所需高頻能量的最大值在木材纖維飽和點(diǎn)附近獲得［3］。近年來，日本率先研制開發(fā)出實體木材高頻—對流聯(lián)合加熱干燥技術(shù)并應(yīng)用于生產(chǎn)［4］。

隨著我國工業(yè)的飛速發(fā)展，高頻設(shè)備價格有了很大程度的降低，為高頻加熱技術(shù)在我國木材干燥行業(yè)的應(yīng)用創(chuàng)造了條件，但必須依高頻加熱設(shè)備的合理選擇為前提。因此，依據(jù)高頻加熱理論，借鑒發(fā)達(dá)國家經(jīng)驗，據(jù)干燥對象確定高頻—對流木材干燥設(shè)備中高頻發(fā)生器的功率、頻率是關(guān)鍵的前期工作。本研究在概括高頻對流聯(lián)合加熱木材干燥特點(diǎn)后，重點(diǎn)探討了高頻發(fā)生器的選型。

2 高頻—對流聯(lián)合加熱木材干燥特點(diǎn)

高頻加熱木材時，是利用木材內(nèi)部水分等偶極子在高頻電磁場中高速翻轉(zhuǎn)而磨擦生熱等原理的內(nèi)部自身加熱。水分多的部位發(fā)熱量大，使材內(nèi)溫度迅速升高，形成內(nèi)高外低的溫度和壓力梯度，有利于材內(nèi)水分向外排出，可大幅降低木材干燥過程中，特別是干燥后期的能耗。在木材內(nèi)部加熱的同時使用熱濕空氣等進(jìn)行外部對流加熱，既降低了單純內(nèi)部加熱時的電能消耗，又易于控制材內(nèi)外的溫度梯度、干燥介質(zhì)的相對濕度、木材表面的水分蒸發(fā)速度，有利于提高干燥質(zhì)量和成品率。

3 高頻發(fā)生器的選型

3.1 高頻發(fā)生器介紹

高頻發(fā)生器是高頻介電加熱的核心設(shè)備，利用380 V、50 Hz三相交流電源，可產(chǎn)生6.78、13.56、27.12 MHz等高頻振蕩源，經(jīng)過輸出匹配網(wǎng)絡(luò)將大功率高頻電場施加到被干燥木材上，對木材進(jìn)行加熱。

3.2 功率的計算

3.2.1 計算方法

單位體積木材所消耗的電功率用下式表示:

式中:P為單位體積木材所消耗的電功率(W·m－3);f為電場頻率(Hz);ε0為真空介電系數(shù)(8.85×10－12F·m－1);ε″為介電損耗因子;E為電場強(qiáng)度(V·m－1)。

然而，實際木材加熱過程中，由于木材的介電損耗受溫度和含水率變化等影響，介電損耗因子的值不確定，因此在計算木材加熱升溫階段和水分蒸發(fā)階段所需的電功率時多采用如下經(jīng)驗公式(1)—式(3)。

①木材加熱升溫階段所需高頻發(fā)生器功率

因初質(zhì)量為W的木材升溫所需要的熱量用下式計算，

式中:Qh為木材升溫階段所需熱量(kJ);W為木材初始質(zhì)量量(kg);Cu為含水率為u時木材的比熱(J·g－1·℃－1);ΔT為溫度差(℃)。

其中Cu可用如下的經(jīng)驗公式計算:

將熱量換算為功，kJ換算為kWh的系數(shù)為2.8×10－4，并用η表示高頻發(fā)生器自輸入至轉(zhuǎn)換為有效熱量的加熱效率，含水率較高時一般取0.5，則木材加熱升溫階段所需高頻發(fā)生器功率為

式中:Ph為木材加熱升溫階段所需高頻發(fā)生器功率(kW);th為加熱升溫階段所需要的時間(h)。

②木材內(nèi)水分蒸發(fā)階段所需高頻發(fā)生器功率

干燥過程中自木材內(nèi)的水分蒸發(fā)量等于初含水率時木材的質(zhì)量與目標(biāo)含水率時木材的質(zhì)量之差，所以，水分蒸發(fā)所需的熱量為

式中:Qe為水分蒸發(fā)所需的熱量(kJ);Wu為初含水率時木材的質(zhì)量(kg);We為目標(biāo)含水率時木材的質(zhì)量(kg);Hr為水分蒸發(fā)潛熱(2 427 J·g－1)。

該熱量換算為功后除以高頻發(fā)生器加熱效率η(自輸入至轉(zhuǎn)換為有效熱量)及干燥時間，可得木材內(nèi)水分蒸發(fā)階段所需高頻發(fā)生器功率Pe，即

式中:Pe為木材內(nèi)水分蒸發(fā)階段所需高頻發(fā)生器功率(kW);te為木材內(nèi)水分蒸發(fā)階段所需要的時間，即干燥時間(h)。

η在干燥初期的值為0.4～0.5;在干燥末期，隨著干燥特性的變化、難干材加熱時間的延長及含水率的降低，η減少到0.2左右，一般取均值0.35。

然而，在高頻—對流聯(lián)合加熱干燥木材的實際干燥過程中，木材升溫和木材內(nèi)水分蒸發(fā)這兩個階段并不一定是一直使用高頻加熱，可根據(jù)兩個階段高頻加熱所占的百分比來確定實際所用高頻功率的大小。木材升溫和木材內(nèi)水分蒸發(fā)干燥是兩個階段，因此取兩個階段高頻功率的最大值，即得出整個干燥過程中所需要的高頻功率，從而確定高頻發(fā)生器的功率。

3.2.2 計算例

以1 m3木材容量的干燥設(shè)備為例，設(shè)初含水率為80%，計算將其干燥到含水率為15%時所需高頻輸入功率(高頻發(fā)生器功率)。又設(shè)木材的全干密度為0.4 g/cm3，最初的材溫是20℃、干燥溫度設(shè)定為60℃。木材加熱過程高頻發(fā)生器的加熱效率η取0.5，升溫時間為10 h。干燥過程高頻發(fā)生器加熱效率取0.35，干燥時間為120 h。

全干密度為0.4 g/cm3的木材含水率為80%時的密度為0.65 g/cm3。因此木材的初始質(zhì)量為650 kg、全干質(zhì)量為361 kg、含水率為15%時的質(zhì)量為415 kg。木材從含水率為80%干燥到含水率為15%時所蒸發(fā)掉的水分為235 kg。

含水率為80%時木材的比熱據(jù)(1)式計算為2.61J·g－1·℃－1。上述木材由20℃加熱到60℃時所需高頻發(fā)生器功率據(jù)(2)式計算為3.8 kW;水分蒸發(fā)干燥階段所需的高頻功率據(jù)(3)式計算為3.8 kW。

若木材升溫和木材內(nèi)水分蒸發(fā)兩個階段都按100%的高頻加熱計算，則取兩個階段所用高頻功率的最大值得到干燥上述1 m3木材所需高頻發(fā)生器輸入功率約為4 kW。

3.3 功率的選用

據(jù)日本高頻—對流聯(lián)合加熱木材干燥的實際經(jīng)驗可知［5］，干燥前期升溫階段大多采用常規(guī)對流加熱，高頻加熱所占百分比為0～10%，所以上例中Ph為0～0.4 kW;而在干燥后期水分蒸發(fā)干燥階段，高頻加熱所占百分比很大，為80%～90%，所以上例中Pe為3.2～3.6 kW。選型時考慮一個最大值，假設(shè)干燥后期按100%的高頻能量投入計算，則Pe為4 kW，即上例1 m3木材所需高頻發(fā)生器的最大輸入功率約為4 kW。因此該木材所選用的高頻發(fā)生器的功率在3.2～4.0 kW范圍內(nèi)。另外，最近有研究表明［6］，在干燥后期木材含水率達(dá)到纖維飽和點(diǎn)以下時投入高頻加熱，可以達(dá)到很好的干燥效果。如表1所示，在含水率達(dá)到20%時投入高頻加熱，可以減少表面開裂，并且降低能耗。按此計算，后期高頻投入能量占15%～25%，則Pe為0.6～1.0 kW，高頻發(fā)生器輸入功率在1 kW左右，節(jié)省電能很大。

表1 3種聯(lián)合加熱干燥方法的干燥效果

日本用于高頻干燥的木材厚度多為100～150 mm，而我國木材干燥常用的木材厚度為25 mm和50 mm，因此干燥時間將顯著縮短。一般情況下，常規(guī)干燥升溫階段在5 h左右，水分蒸發(fā)階段的時間取72 h計算，則Ph為7.6 kW，Pe為6.3 kW。按干燥初期階段采用對流加熱、干燥后期水分蒸發(fā)階段采用15%～25%的高頻加熱來計算，高頻發(fā)生器功率為1～2 kW。

上述表明，高頻—對流聯(lián)合加熱干燥木材的過程中在適當(dāng)?shù)臅r機(jī)使用高頻加熱可以在保證干燥質(zhì)量的同時大大減少高頻發(fā)生器的功率，從而減少電能的消耗。針對不同種類的木材及不同地域不同季節(jié)干燥的木材等，可根據(jù)實際干燥工藝基準(zhǔn)確定參數(shù)并通過計算來選擇適宜的高頻發(fā)生器的功率。

3.4 頻率的確定

高頻發(fā)生器頻率選擇應(yīng)考慮加熱均勻度、加熱效率等多種因素，但重點(diǎn)是前者，在確保加熱均勻的前提下，盡可能選擇高頻率以保證效率。

高頻發(fā)生器所輸出的電磁波速度近似為光速，而為確保高頻加熱均勻，應(yīng)使用電磁波的高效區(qū)(波峰附近1/5半波長)，所以其波長至少應(yīng)取木材長度的10倍。若電磁波速度為c，木材長度為L，則考慮加熱均勻時的頻率f為:

f

同時考慮加熱效率，若木材長度為1 m，則較適宜的f小于30 MHz;材長2 m，f小于15 MHz;材長3 m，f小于10 MHz;材長4 m，f小于7.5 MHz。為避免高頻電磁波對電信等產(chǎn)生干擾，實驗室用小型實驗機(jī)(干燥1.5 m以下試材)頻率取27.12 MHz;干燥2～3 m的生產(chǎn)用頻率取13.56 MHz;若木材超過4 m，取6.78 MHz。

4 結(jié)論

木材介電損耗因子因其主要影響因素溫度和含水率等在干燥過程中變化而難把握，因此高頻加熱干燥的功率不能用傳統(tǒng)的由電場強(qiáng)度、介電損耗因子和頻率來計算的理論公式確定，應(yīng)據(jù)木材加熱及材內(nèi)水分蒸發(fā)所需熱量，并考慮加熱效率后計算。高頻—對流聯(lián)合加熱木材干燥過程中升溫階段所使用的高頻加熱所占的百分比很少，計算高頻發(fā)生器功率時可以將其忽略而僅考慮木材干燥水分蒸發(fā)所需高頻發(fā)生器功率;為保證加熱均勻度，高頻發(fā)生器頻率據(jù)木材長度來確定，并在確保加熱均勻的前提下盡可能選擇高頻率以保證效率。

［1］George H B.Theory and application of radio-frequency heating［M］.New York:D Van Nostrand Company Inc，1947:3－9.

［2］孫建國.木材高頻干燥展望［J］.林業(yè)科技，1982，8(4):43－44.

［3］Bucki M，Perre P.Physical formulation and numerical modeling of high frequency heating of wood［J］.Drying Technology，2003，21(7):1151－1172.

［4］Koji Y.The exploitation of high-frequency/hot air compound drying machine［J］.Wood Industry，2001，56(11):519－521.

［5］Yayoi K，Ikuo F，Tomoyasu S，et al.Artificial drying of the sugi(Cryptomeria japonica D.Don)columns by newly developed dryer combined with high-frequency heating and steam heating(1).characteristics of the process of artificial drying［J］.Wood Industry，1999，54(7):323－328.

［6］Piao J，F(xiàn)ujimoto N，Yamamoto Y，et al.Development of hybrid drying system with radio frequency heating for the sugi boxed heart timber［J］.J Fac Agr Kyushu Univ，2007，52(1):117－121.