張 尚，丁青峰，王德福

(蘇州昆侖綠建木結(jié)構(gòu)科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215000)

1 引言

傳質(zhì)(Mass Transfer)是指由兩種及兩種以上的物質(zhì)構(gòu)成混合物的體系中，如果其中一種物質(zhì)的濃度處處不同，則必發(fā)生由濃度大的地方向濃度小的地方遷移[1]。傳質(zhì)從機(jī)理上可分為分子傳質(zhì)(Molecular Mass Transfer)和對(duì)流傳質(zhì)(Convective Mass Transfer)，對(duì)流傳質(zhì)又分為自然和強(qiáng)制對(duì)流傳質(zhì)。分子傳質(zhì)的最基本的機(jī)理是分子擴(kuò)散現(xiàn)象。對(duì)流傳質(zhì)是指運(yùn)動(dòng)流體與固體表面之間發(fā)生質(zhì)量傳遞的一種方式。自然對(duì)流傳質(zhì)是指空氣中各部分的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是因?yàn)闈舛炔罨驕囟炔睿鸬淖兓a(chǎn)生的變化。強(qiáng)制傳質(zhì)是指由于外力推動(dòng)而產(chǎn)生的傳質(zhì)[2]。

對(duì)流傳質(zhì)是沿混合物的體系界面運(yùn)動(dòng)的流體與界面發(fā)生的質(zhì)交換[3]。當(dāng)木材置于空氣中時(shí)，由于木材具有吸濕與解吸特征，故木材與空氣發(fā)生自然對(duì)流傳質(zhì)。當(dāng)木材與空氣發(fā)生傳質(zhì)時(shí)表現(xiàn)為木材的含水率(Moisture content，MC)發(fā)生變化，因此木材的對(duì)流傳質(zhì)可用木材平衡含水率(Equilibrium moisture content, EMC)來(lái)量化[4,5]。研究氣—固兩相的對(duì)流傳質(zhì)[6]，必須要了解氣體流速，木材表面的性質(zhì)，因?yàn)檫@是木材表面對(duì)流傳質(zhì)中非常重要的因素。知道木材表面對(duì)流傳質(zhì)的機(jī)理，掌握木材吸濕解吸的基本原理[7]。氣—固兩相的強(qiáng)制對(duì)流傳質(zhì)不僅僅是對(duì)木材干燥情況具有研究意義，而且對(duì)木材的吸濕解吸出現(xiàn)的諸多問(wèn)題的解釋和解決提供了強(qiáng)有力理論依據(jù)，同時(shí)對(duì)木材對(duì)流傳質(zhì)進(jìn)一步的研究打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)[8]。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

冷杉(fir)產(chǎn)地美國(guó)。依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1929-2009《木材物理力學(xué)試材鋸解及試樣截取方法》加工后試件尺寸為(長(zhǎng)×寬×厚)220 mm×20 mm×10 mm[9]，絕干密度441.2 kg/m3，絕干順紋抗彎靜曲強(qiáng)度和彈性模量分別為80 MPa和7900 MPa。

2.2 儀器設(shè)備

①數(shù)顯鼓風(fēng)式電加熱干燥箱；②稱量天平(精度0.0001 g)；③Binder恒溫恒濕箱，濕度精度2.0%、溫度精度0.1 ℃；④SRT-1(F)型表面粗糙度測(cè)量?jī)x；⑤費(fèi)斯托臺(tái)式木工鋸機(jī)一臺(tái)，精度0.01 mm；⑥數(shù)顯游標(biāo)卡尺一把，精度0.01 mm；⑦日本產(chǎn)KANOMAX加哥麥克斯風(fēng)速測(cè)定儀一臺(tái)，精度±0.01 m/s。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

用費(fèi)斯托木工鋸機(jī)將冷杉試件加工為220 mm(長(zhǎng))×20 mm(寬)×10 mm(厚)的尺寸，將試件放置鼓風(fēng)干燥箱至絕干狀態(tài)。將部分試件依次用目數(shù)為50、100、200、400、1000、2000的砂紙打磨。打磨后的實(shí)驗(yàn)組試件與空白組試件根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12472-2003《產(chǎn)品幾何量技術(shù)規(guī)范(GPS)表面結(jié)構(gòu) 輪廓法 木制件表面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值》木制件表面粗糙度參數(shù)從輪廓算術(shù)平均偏差(Ra)和輪廓最大高度(Rz)選取[10]。

2.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1931-2009《木材含水率測(cè)定方法》設(shè)計(jì)木材對(duì)流傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)[11]。本實(shí)驗(yàn)采用單因素控制變量法分別設(shè)計(jì)三種環(huán)境溫度(表1)、三種環(huán)境濕度(表2)、木材表面粗糙度則分為實(shí)驗(yàn)組和空白組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(表3)。

表1 試驗(yàn)環(huán)境溫度級(jí)別

表2 試驗(yàn)相對(duì)濕度級(jí)別

表3 試件實(shí)際輪廓算術(shù)平均偏差(Ra)和輪廓最大高度(Rz)

2.5 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)啟動(dòng)恒溫恒濕箱，調(diào)整恒溫恒濕箱參數(shù)(溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速)至穩(wěn)定。

(2)迅速測(cè)出試件的質(zhì)量并記錄數(shù)據(jù)，把試件放入恒溫恒濕箱中。

(3)前2 h，每隔30 min測(cè)一次試件的質(zhì)量并記錄數(shù)據(jù)；然后10 h，每隔1 h測(cè)一次試件的質(zhì)量并記錄數(shù)據(jù)；之后每隔2 h測(cè)一次質(zhì)量，連續(xù)測(cè)八次；最后每隔3 h測(cè)一次質(zhì)量，直到試件的質(zhì)量不在發(fā)生變化。

3 結(jié)果與分析

3.1 環(huán)境溫度對(duì)冷杉對(duì)流傳質(zhì)的影響

由圖1可知，在不同環(huán)境溫度下試件的吸濕特性相似。木材的吸濕速率在剛開(kāi)始段內(nèi)迅速增加，而后增長(zhǎng)緩慢，最后趨于相對(duì)平衡。在前30 h內(nèi)盡管溫度不同但吸濕曲線卻趨于一致。但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，溫度越高木材到平衡含水率的時(shí)間越短。在200 h，三組實(shí)驗(yàn)的木材含水率均達(dá)到平衡。在15～35 ℃之間溫度越高平衡含水率越低，且達(dá)到平衡含水率的時(shí)間越短，其傳質(zhì)隨溫度的升高而逐漸降低。

由于木材是多孔材料，在多孔材料中的孔洞往往非常微小，氣體的擴(kuò)散與孔徑(或毛細(xì)管直徑)有關(guān)。不同的孔徑將發(fā)生不同的擴(kuò)散機(jī)理，不同擴(kuò)散類型是由小孔的幾何尺寸和平均自由程所決定的；擴(kuò)散分為：①努森擴(kuò)散；②分子擴(kuò)散；③過(guò)渡擴(kuò)散[3]。為了區(qū)別這三種擴(kuò)散需要引入自由程，如公式(1)所示：

(1)

圖1 環(huán)境溫度對(duì)木材含水率的影響

式(1)中：λ表示分子自由程，P表示系統(tǒng)壓力，R表示通過(guò)氣體的常數(shù)，T表示系統(tǒng)溫度，π表示無(wú)因次量，gc常數(shù)=980gm×cm/(gforce×s2)，M表示分子量，μ表示粘度。

努森擴(kuò)散是指平均自由程大于毛細(xì)管直徑多陪時(shí)的擴(kuò)散，其計(jì)算式為:

(2)

分子擴(kuò)散是指毛細(xì)管的直徑比自由程大得非常多的擴(kuò)散，其計(jì)算式為:

(3)

式(3)中：表示NAA組元相對(duì)于固定坐標(biāo)的凈摩爾通量，DAB表示二元擴(kuò)散系數(shù)，α表示通量比因子等于(NA+NB)/NA。

過(guò)渡擴(kuò)散是指自由程和毛細(xì)管直徑之比界于上述的努森擴(kuò)散和分子擴(kuò)散之間的擴(kuò)散，其計(jì)算式為:

(4)

由上述的三個(gè)式子可知不管是努森擴(kuò)散，分子擴(kuò)散，過(guò)渡擴(kuò)散其溫度都與凈摩爾通量成反比，所以導(dǎo)致環(huán)境溫度越高平衡含水率越低。

3.2 相對(duì)濕度對(duì)冷杉對(duì)流傳質(zhì)的影響

由圖2可知，在不同相對(duì)濕度下試件的吸濕特性相似。木材的吸濕速率在剛開(kāi)始段內(nèi)迅速增加，而后吸濕速率增長(zhǎng)緩慢，最后趨于相對(duì)平衡。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因是試件表面水蒸氣濃度與環(huán)境水蒸氣濃度差異造成的，當(dāng)試件表面水蒸氣濃度低于環(huán)境中水蒸氣濃度，環(huán)境中的水蒸氣與試件發(fā)生質(zhì)交換，同時(shí)木材表層細(xì)胞壁吸附空氣中的水蒸氣并轉(zhuǎn)為吸著水，使木材含水率迅速的增加，直至與環(huán)境中的水蒸氣濃度相平衡為止。

圖2 相對(duì)濕度對(duì)木材含水率的影響

3.3 木材表面粗糙度對(duì)冷杉對(duì)流傳質(zhì)的影響

圖3 木材表面粗糙度對(duì)木材含水率的影響

由圖3可得，木材表面粗糙度對(duì)木材含水率沒(méi)有較大的影響。其主要原因是木材平衡含水率跟環(huán)境溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速有關(guān)，但只有當(dāng)風(fēng)速到達(dá)紊流時(shí)才會(huì)影響木材平衡含水率[6]。通過(guò)公式(5)可計(jì)算實(shí)驗(yàn)是處于紊流狀態(tài)或者層流狀態(tài)。

(5)

式(5)中：Re為雷諾數(shù)，u為空氣流速m/s，L為試件特征長(zhǎng)度，η為空氣的運(yùn)動(dòng)粘度，其值可從“空氣性質(zhì)表”中根據(jù)空氣溫度所求得。計(jì)算可得本實(shí)驗(yàn)處于層流狀態(tài)，而當(dāng)風(fēng)速在層流時(shí)風(fēng)速的大小只會(huì)影響木材達(dá)到平衡含水率的時(shí)間。但當(dāng)風(fēng)速突破雷諾數(shù)時(shí)變?yōu)槲闪鬟@是木材的表面粗糙度將會(huì)影響氣—固界面從而影響木材的含水率。故在層流狀態(tài)時(shí)木材表面粗糙度不會(huì)影響木材平衡含水率，因此也不會(huì)影響對(duì)流傳質(zhì)。

4 結(jié)論

(1)環(huán)境溫度(15～35 ℃)越高木材的對(duì)流傳質(zhì)越小，且達(dá)到平衡含水率的時(shí)間越短，其對(duì)流傳質(zhì)隨溫度的升高而逐漸降低。

(2)相對(duì)濕度(32%～98%)越高木材的對(duì)流傳質(zhì)越大。

(3)在層流狀態(tài)下，木材表面粗糙度對(duì)木材的對(duì)流傳質(zhì)沒(méi)有影響。