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        柞木干燥預(yù)熱升溫過程中影響因素及其效果研究

        2018-09-10 23:22:46崔曉磊蘇蕓賈瀟然
        林業(yè)科技 2018年3期
        關(guān)鍵詞:厚度

        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。以柞木為研究對象,用預(yù)熱時(shí)間表示蒸汽用量作為考察指標(biāo),通過對干燥窯內(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: S 782. 31, TS 612 + . 3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A

        鋸材預(yù)熱過程中,熱量來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有林場。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,用于測定含水率對鋸材預(yù)熱時(shí)間的影響。

        試驗(yàn)時(shí)對試件長度兩端進(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。對試件進(jìn)行稱重,埋入測溫探針,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)過程結(jié)束。對試件進(jìn)行稱重,觀測試驗(yàn)后試件含水率的變化情況。

        2 結(jié)果及分析

        2. 1 鋸材厚度對預(yù)熱時(shí)間的影響

        在長期生產(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3組不同厚度的試材進(jìn)行升溫監(jiān)測,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與外界介質(zhì)的對流和內(nèi)部導(dǎo)熱來實(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,鋸材整體溫度上升相對減緩,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。這說明木材的初含水率對木材的升溫時(shí)間沒有顯著影響,也與李賢軍等[ 4 ](2004)對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,木材的初含水率對預(yù)熱時(shí)間影響不顯著。

        2. 3 環(huán)境溫度對預(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)溫度對木材升溫影響為顯著,木材的初含水率則對木材升溫基本無影響。

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

        參考文獻(xiàn)

        [1] 李賢軍, 伊松林.微波預(yù)處理對三種人工林木材干燥特性的影響[J]. 林產(chǎn)工業(yè), 2008, 35(4): 32 - 34.

        [2] 苗平, 薛偉, 徐柏森. 蒸汽爆破預(yù)處理對柞木微觀結(jié)構(gòu)的影響[J]. 林業(yè)科技開發(fā), 2007, 21(4): 51 - 53.

        [3] 伊松林, 張璧光, 常建民. 木材真空-過熱蒸汽干燥的預(yù)熱特性[J]. 木材工業(yè), 2002, 16(5): 21 - 23.

        [4] 李賢軍, 張璧光, 楊濤, 王群喜. 木材干燥預(yù)熱時(shí)間初探[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 26(2): 90 - 93.

        [5] 孟兆新, 于彪, 李尚, 等. 基于熱流耦合的木材干燥窯風(fēng)速溫度分布[J]. 森林工程, 2015, 31(1): 49 - 53.

        第1作者簡介: 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)

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