全 文 ：第 ws卷 第 w期
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林 业 科 学
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木材真空 p浮压干燥特性的试验研究
伊松林 张璧光 常建民
k北京林业大学木材干燥中心 北京 tsss{vl
摘 要 } 以马尾松为试验材料 o首先分别以过热蒸汽和空气作为干燥介质 o在预热阶段通过对木材内部温度场和
含水率变化的测定 o探讨了木材真空 p浮压干燥预热阶段的特性 ~然后 o通过对干燥介质条件与干燥速率之间影响
关系的研究 o总结出木材真空 p浮压干燥的特性 ∀结果表明 }真空 p浮压干燥预热阶段进行得非常迅速 o同时其表
面水分的凝结量也较空气干燥大 ~木材的浮压干燥速率随着干燥介质温度的增加 !绝对压力的减小和浮动频率的
加大而增加 ∀上述因素中对干燥速率影响程度从大到小的排列顺序为 }介质温度k Τl 压力浮动频率k Ηζl 绝对
压力k Πl ∀
关键词 } 木材干燥 o真空 o浮压 o预热 o干燥特性
中图分类号 }≥z{t1zt 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kusswlsw p stv| p sy
收稿日期 }ussv p sx p vs ∀
基金项目 }北京林业大学振兴计划人才培养专项课题/木材浮压干燥参数优化的关键问题研究kussvswstyl0资助项目 ∀
Ρεσεαρχη ον τηε ∆ρψινγ Προπερτιεσ οφ Ωοοδ υνδερ ς αχυυµpΦλοατινγ Πρεσσυρε
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Αβστραχτ } ˜¶¬±ª·«¨ ¤¶¶²± °¬±¨ ¤¶¶³¨¦¬°¨ ±oº«¨ ±·«¨ °¨ §¬∏° º¨ µ¨ ¶∏³¨µp«¨¤·¨§¶·¨¤°¤±§¤¬µµ¨¶³¨¦·¬√¨ ¼¯ o·«¨ ³µ¨«¨¤·¬±ª
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Κεψ ωορδσ} • ²²§§µ¼¬±ªo∂¤¦∏∏°oƒ¯ ²¤·¬±ª³µ¨¶¶∏µ¨ o°µ¨«¨¤·¬±ªo⁄µ¼¬±ª¦«¤µ¤¦·¨µ¬¶·¬¦¶
木材干燥是木制品生产过程中最为重要的工艺环节 o其能耗约占木制品生产总能耗的 ws h ∗ zs h k朱
政贤 ot||ul ∀对木材进行正确合理的干燥处理 o既是保证木制品质量的关键 o又是木材合理利用和节约木材
的重要手段 ∀
传统的干燥方法通常是以k湿l空气作为干燥介质 o将空气温度 !相对湿度和气流速度作为控制木材干燥
过程的/三要素0 ∀然而 o影响木材内水分移动和蒸发强度的主要外界因素除了上述/三要素0之外 o还要考虑
环境压力的影响 ∀在影响木材内部水分移动速度的因素中 o周围空气的压力是决定性因素之一 ∀在压力为
s1ss{ °¤时 o木材内水分移动速度大约是压力为 s1t °¤时的 x倍k若利等 ot|{xl ∀
真空 p浮压干燥就是在充分考虑了外界压力影响的基础上出现的一种新型干燥技术 ∀所谓浮压干燥就
是使木材及其中水分处在压力浮动的外界条件下完成干燥的过程 ∀在浮压干燥过程中对应不同的树种 !规
格和含水率区段的木材 o其压力浮动的模式和范围也相应有所不同 o压力的上限可以控制在正压区 !常压点
或负压区 o下限亦然 ∀浮压干燥与常规干燥的区别 o主要在于将压力因素从基本保持压力不变扩展到改变压
力的角度来加以研究 ∀从这个角度看 o现行各类干燥都不过是浮压干燥的特例k肖亦华 ot||yl ∀据 ∏­∏°§¤µ
等kussul的研究 o以 xs °°厚红橡木k Θυερχυσρυβραl为例 o从初含水率 vx h干至终含水率 { h o其干燥周期仅
为 t|x «o且干燥质量良好 ∀目前真空 p浮压干燥技术尽管在小规模工业应用中获得成功 o但诸多工艺问题
并未从机理上得到根本的解决 o有待于深入研究 ∀因此 o开展真空 p浮压干燥的基础研究与小型实用性试
验 o从根本上搞清其干燥的机理 o进而指导生产实际 o无论在应用前景与理论意义方面 o都有很重要的价值 ∀
本文分别以相同条件下的过热蒸汽和干空气作为干燥介质 o在预热阶段观测木材内部温度场和含水率
的变化 o找出木材真空 p浮压干燥时预热阶段的规律 ∀通过对干燥介质条件与干燥速率之间影响关系的研
究 o总结出木材真空 p浮压干燥的特性 o进而为真空 p浮压干燥工艺的科学制定提供准确的试验数据 ∀
t 试验设备
研究用的试验台如图 t所示 o其主要组成部分是 }试验箱本体k由 ƒ…Žp sux型真空干燥箱改造而成l !
重量连续在线检测系统k由 …Žp v型重量传感器和显示仪表组成l !木材内部温度多点检测系统k由 • • ∞Žp
t{t型铠装热电偶和智能数字显示仪表组成l !温度控制系统k箱体自带l !压力k真空度l控制系统 !自动电热
蒸汽发生器k型号 }…⁄ƒ• p u p µl !数据自动采集及控制系统 ∀
u 真空 p浮压干燥预热特性的试验研究
211 内容与方法
试验试材 }马尾松k Πινυσ µασσονιαναl ~规格 }tss °° ≅ tss °° ≅ ws °°k长 ≅宽 ≅厚l ~初始条件 }试件平均
初含水率为 xs1sv h o初始温度为 ut ε ∀
图 t 真空 p浮压干燥试验台原理图
ƒ¬ªqt °µ¬±¦¬³¯¨¦«¤µ·²©√¤¦∏∏° ¶∏³¨µ«¨¤·¶·¨¤° §µ¼¬±ª ¬¨³¨µ¬°¨ ±·¨ ∏´¬³° ±¨·
t1回气阀 ∂¤¯√¨ ©²µ¤¬µ~u1多点温度巡检仪 ∏¯·¬³²¬±·§¨·¨¦·²µ²©·¨°³¨µ¤·∏µ¨ ~v1 重量
连续检测仪 ≤²±·¬±∏²∏¶°²±¬·²µ²© º ¬¨ª«·~w1 进气阀 ∂¤¯√¨ ©²µ¶·¨¤° ~x1 蒸汽发生器
≥·¨¤° ª¨ ±¨ µ¤·²µ~y1 温控仪 × °¨³¨µ¤·∏µ¨ ¦²±·µ²¯¯¨µ~z1 循环风机 ≤¼¦¯¨¤¬µ2¥¯²º µ¨~{1 压
力控制仪 °µ¨¶¶∏µ¨ ¦²±·µ²¯¯¨µ~|1 真空泵 ∂¤¦∏∏° ³∏°³~ts1 压力表 °µ¨¶¶∏µ¨ °¨ ·¨µ~tt1
集水器 • ¤·¨µ¦²±·¤¬±¨ µ~tu1试件 ≥³¨¦¬° ±¨ ~tv1 计算机 ≤²°³∏·¨µq
将试件用环氧树脂和铝箔封闭端 !侧
面 o以保证在干燥过程中木材中的水分仅从
上下表面蒸发 ∀之后 o在已封端试件的侧面
上用直径 ©€ t °°的钻头 o沿木材半厚度的
方向上钻 v个孔 o孔中心距木材表面的距离
分别为 t !ts !us °° o孔深为试件宽度的一
半 o然后埋入铠装镍铬 p 康铜热电偶 o这样
测得的 v点温度分别为表层温度 !中间层温
度和心层温度 ∀在完成上述工作后 o将试件
放置于试验台中的重量传感器上 o环境压力
取 s1su °¤k真空度为 p s1s{ °¤l o分别用
ys ε 和 {s ε 的蒸汽和热风对试件进行预热
处理 ∀在预热处理过程中 o观察和记录木材
重量和内部温度场的变化 ∀将木材整体热
透后k即内外层温度均匀时l o试验即可结
束 ∀然后 o将试件从试验台中取出 o在烘箱
中确定其绝干重 o反过来推算其含水率的变化 ∀每组试验重复 v次 o取其平均值作为试验结果 ∀
212 结果与分析
u1u1t 试验结果 图 u¤为压力 Π€ s1su °¤!介质温度 Τ € ys ε 时木材内部温度变化曲线 ∀从图中可见 o
以蒸汽为干燥介质时 o木材内部的升温速度比以空气为干燥介质时要快 ∀通过对试验数据分析对比可得 }以
蒸汽为干燥介质时 o从木材的初温度到预热阶段结束的平均升温速度为 s1uus ε #°¬±pt o以空气为干燥介质
时的平均升温速度为 s1twu ε #°¬±pt o将两数值比较即可知 o以蒸汽为干燥介质时的平均升温速度为以空气
时的 t1xx倍 ∀
图 u¥为压力 Π€ s1su °¤!介质温度 Τ€ {s ε 时木材内部温度变化曲线 ∀从图中可见 o以蒸汽为干燥介
质时 o从木材的初温度到预热阶段结束的平均升温速度为 s1uz{ ε #°¬±pt o以空气为干燥介质时的平均升温
速度为 s1ty| ε #°¬±pt o将两数值比较即可知 o以蒸汽为干燥介质时的平均升温速度为以空气时的 t1yw倍 ∀
将图 u¤!¥的试验结果对比可得 }在绝对压力为 s1su °¤的情况下 o随着干燥介质温度的增加 o以蒸汽
swt 林 业 科 学 ws卷
为干燥介质时木材的平均升温速度与以空气为干燥介质时的比值将逐渐加大 ∀这说明随着干燥介质温度的
提高 o在木材的预热阶段从升温速度来讲 o以蒸汽为干燥介质要优于以空气为干燥介质 ∀
图 u 预热期间木材内部温度变化图
ƒ¬ªqu ≤«¤±ª¬±ª²©¬±±¨ µ·¨°³¨µ¤·∏µ¨ ²© ∏¯°¥¨µ¤··«¨ ¶·¤ª¨ ²©³µ¨«¨ ¤·¬±ª
图 v 预热期间木材含水率变化图
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图 w 绝对压力随时间变化示意图
ƒ¬ªqw „¥¶²¯∏·¨ ³µ¨¶¶∏µ¨ √¤µ¬¨¶º¬·«·¬°¨ ³¤¶¶¨¶
图 v是绝对压力为 s1su °¤!介质温度分别为 ys !{s ε 时 o木材初含水率随时间而变化的曲线 ∀从图中
可见 o无论是蒸汽还是空气作干燥介质时 o在预热阶段的初期 o木材的含水率均会有不同程度的增加 ∀其中
以蒸汽为干燥介质时木材含水率增加的幅度较大 o并伴随着干燥介质温度的增加 o两者的差异将进一步加
大 ∀从图中还可以看出 o当含水率达到最大值后逐渐开始回落 o但回落的程度不同 o到预热阶段结束时的最
终含水率可能会低于木材的初含水率 ∀通过对试验数据对比可知 }当介质温度为 ys ε o分别以蒸汽 !空气作
干燥介质时木材含水率增加的最大幅度为 w1xz h和 v1{t h ~当介质温度为 {s ε o分别以蒸汽 !空气作干燥介
质时木材含水率增加的最大幅度为 tu1z| h和 t1{y h ∀将上述数据对比后可以看出 o当以蒸汽为干燥介质
时 o随着蒸汽温度的增加 o木材表面的水分凝结将显著增加 ~当以空气为干燥介质时 o情况则相反 o即随着空
气温度的增加 o木材表面的水分凝结将减少 ∀此外 o在预热阶段结束后 o木材的最终含水率和其初含水率的
差值k用/ ∃ Ω0来表示l也随干燥介质的温度和种类的不同而不同 ∀当介质温度为 ys ε o分别以蒸汽 !空气为
干燥介质时 ∃ Ω的值分别为 u1yw h !p s1xv h ~当介质温度为 {s ε o分别以蒸汽 !空气为干燥介质时 ∃ Ω的
值分别为 ts1|| h !p z1{w h ∀
u1u1u 结果分析 分析出现上述差异的主要原因是由于其干燥介质的热力学性质不同 ∀过热蒸汽与空气
相比突出的优势在于以下两点 ∀第一 o在相同的外界条件下 o过热蒸汽的运动粘度比空气的要小 o由于空气
twt 第 w期 伊松林等 }木材真空 p浮压干燥特性的试验研究
的粘度增大 o对流换热系数要降低 o因此从粘度上来看过热蒸汽换热要优于空气 ~第二 o在相同的外界条件
下 o过热蒸汽的比热比空气的大 ∀经计算当温度在 ys ∗ tss ε 时 o过热蒸汽的比热大约为空气的两倍 o在同
样的温差下过热蒸汽的热容量为空气的两倍 ∀因此从二者比热的不同来看 o采用过热蒸汽进行干燥要比采
用空气优越 ∀
此外 o由于湿空气或热风中水蒸气含量相对较少 o其与木材之间的热量传递主要是靠单向流体的对流换
热 ~然而当使用过热蒸汽作为干燥介质时 o由于水蒸汽是可凝结性气体 o当遇到较低温度的物体时会发生凝
结换热现象 o特别是在预热开始阶段 o由于凝结换热比对流换热大 ts倍k杨世铭等 ot||{l o因而在凝结换热
和对流换热的共同作用下 o会使过热蒸汽干燥预热阶段进行得非常迅速 ∀
在木材干燥过程中 o预热阶段主要是提高木材温度 o使其整体热透 ∀为了确保木材的干燥质量 o在预热
期间木材表面不应蒸发水分 o但允许少量吸湿 ∀真空 p浮压干燥在预热阶段的特性恰好迎合了这一点 ∀
v 介质条件对干燥速率影响规律的研究
在试验研究之前 o首先要确定环境压力如何/浮动0的问题 ∀本文中的压力浮动频率用一个真空周期所
经历的时间长短来衡量 o一个真空周期包括预热结束后抽真空 !保真空和泄真空这 v个阶段 ∀真空周期越
短 o在相同的干燥时间内波动的次数就越多 o压力浮动的频率也相应增加 ∀图 w为压力浮动频率的示意图 ∀
在此 o为了试验和建立模型时的方便 o规定一个浮动周期内抽真空加上泄真空的时间等于保真空时间 o而且
规定压力浮动的上限为常压即 s1t °¤k真空度为 sl o这样压力浮动的幅度就可简化为用压力浮动的下限来
表示 ∀如图 x中所示抽真空时间为 us °¬±o泄真空时间为 us °¬±o保真空时间为 ws °¬±o这样单位时间内的浮
动频率为 s1zx次#«pt ~而压力浮动幅度可简化为 Π€ s1su °¤∀
311 内容与方法
试验材料 }马尾松 ~规格 }tss °° ≅ tss °° ≅ ws °° ~初始条件 }初含水率为 |s h ∗ tsx h ∀
首先将试件用环氧树脂 !铝箔封闭四周k端面和侧面l o仅上下两表面蒸发水分 o然后把做好的试件放入
试验台中 o按照设定的介质条件将试件从初含水率干燥至 tu h ∗ tx h o干燥速率用平均每小时含水率下降
的百分率表示k h #«ptl ∀每组试验重复 v次 o取其平均值作为测试结果 ∀
温度分别取 {s !|s !tss ε v个水平 ~压力浮动幅度用绝对压力来表示 o取 s1su !s1sv !s1sw °¤v个水平 ~
压力浮动频率用一个真空周期所经历的时间长短来衡量 o取 s1zx !s1x !s1vzx次#«ptv个水平 ∀以上 v个浮
动频率所对应的抽真空 !保真空 !泄真空的时间分别为 }us ∗ ws ∗ us !vs ∗ ys ∗ vs !ws ∗ {s ∗ ws °¬±∀
将上述介质条件相互交叉 o通过对试验数据的处理与分析 o进而找出浮压下干燥介质条件对干燥速率的
影响规律 ∀
312 结果与分析
图 x为在不考虑压力浮动的情况下 o介质温度和压力与干燥速率的关系曲线 ∀从图 x中曲线变化的趋
势可以看出 }同一温度水平 o随着绝对压力的增加 o干燥速率下降 ∀在同一压力下 o随温度的升高干燥速率加
快 ∀当温度为 tss ε !绝对压力为 s1su °¤时的干燥速率为 s1sw °¤时的 t1uw倍 o这说明绝对压力的提高
削弱了木材内 !外的蒸汽压力梯度 o从而减小了木材内水分迁移的驱动力 ~当压力为 s1su °¤!tss ε 时的干
燥速率为 {s ε 的 u1s{倍 o这说明干燥介质温度的提高 o有利于增强木材内水分迁移的驱动力 ~随温度的提
高 o绝对压力对干燥速率的影响加大 ∀根据图 x中的数据可知 o当温度为 {s ε !绝对压力为 s1su °¤时的干
燥速率为 s1sw °¤时的 t1tv倍 ~|s ε 为 t1ut倍 ~tss ε 为 t1uw倍 ∀
图 y !z和 {为综合考虑介质的温度 !压力和压力变化的频率时 o干燥介质条件对干燥速率的影响关系曲
线 ∀从图中可看出 o在介质温度和压力相同的情况下 o随着压力浮动频率的增加 o木材的干燥速率的也相应
增加 ∀可能是因为介质压力的波动会引起吸着水在细胞壁结合点上结合能的波动 o破坏原有的平衡 o促使水
分的解析k伊松林等 oussul o从而加快了水分的迁移 ∀同时单位时间内真空循环次数的增加 o即加快了压力
波动的频率 o因而进一步促进了水分的迁移 o加快了干燥速率 ∀
uwt 林 业 科 学 ws卷
图 x 温度 !压力与干燥速度的关系
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图 y 压力变化幅度及频率与干燥速率的关系
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图 z 压力变化幅度及频率与干燥速率的关系
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图 { 压力变化幅度及频率与干燥速率的关系
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在浮压干燥过程中 o干燥介质的温度 !压力及压力变化频率都是重要的外因 ∀为了比较以上三因素对干
燥速率的影响程度 o必须将试验数据进行分析处理 ∀由于影响浮压干燥速率的因素是三个 o在采用无重复双
因素分析法进行分析时 o可先将其中一个因素固定 o找出其它两个因素进行对比分析 o这样交叉组合就可确
定以上三因素对干燥速率的影响程度 ∀在显著性水平 Α€ s1sxk临界值 ΦΑ € y1|wl时 o分析结果如下 }
在温度固定时 o浮动频率较压力的影响为显著 o且随着温度的升高 o浮动频率和压力的 Φ值的比值减
小 o这说明两者对干燥速率影响程度的差异在减小 ~在压力固定时 o温度较浮动频率的影响为非常显著 o且随
着绝对压力的升高 o温度和浮动频率的 Φ值的比值增加 o这说明两者对干燥速率影响程度的差异在加大 ~在
浮动频率固定时 o温度较压力的影响为极其显著 o且随着浮动频率的升高 o温度和绝对压力的 Φ值的比值减
小 o这说明两者对干燥速率影响程度的差异在减小 ∀
将数据进行综合考虑后 o即可确定在浮压干燥过程中 o干燥介质的温度 !压力及压力变化频率对干燥速
率的影响程度 ∀通过方差分析可得 }介质温度对干燥速率的最为显著 o其次为压力变化频率 o再次是环境的
绝对压力 ∀
vwt 第 w期 伊松林等 }木材真空 p浮压干燥特性的试验研究
w 结论
真空 p浮压干燥的预热阶段进行地非常迅速 o并随着干燥介质温度的增加 o以蒸汽为干燥介质时木材的
平均升温速度与以空气为干燥介质时的比值将逐渐加大 o这说明从预热阶段的升温速度看 o以蒸汽为干燥介
质要优于以空气为干燥介质 ∀
以过热蒸汽为干燥介质时 o在预热阶段结束后的木材含水率比预热之前木材的初含水率要大 o这主要是
因水分凝结所致 ∀它说明用过热蒸汽预热时存在部分凝结换热 o由于凝结换热强度远大于空气的对流换热 o
故促使预热阶段升温很快 ∀
在木材真空 p浮压干燥过程中 o由于加大了木材内外的蒸汽压力梯度 o明显加快了水分迁移的速度 o使
干燥周期缩短 ∀通过对真空 p浮压干燥介质条件与干燥速率影响关系的试验研究可得 }木材的真空 p浮压
干燥速率随着干燥介质温度的增加 !绝对压力的减小和浮动频率的加大而增加 ∀但在上述三因素中对干燥
速率的影响程度各不相同 o从大到小的排列顺序为 }介质温度k Τl 压力浮动频率k Ηζl 绝对压力k Πl ∀
参 考 文 献
≈法 若利 ° o莫尔 p谢瓦利埃 ƒ q木材干燥 ) ) ) 理论 !实践和经济k宋闯译l q北京 }中国林业出版社 ot|{x oz
肖亦华 q浮压干燥的原理与国内外实践 q热带作物科技 ot||y okul }y p tv
杨世铭 o陶文铨编著 q传热学k第三版l q北京 }中国高等教育出版社 ot||{
伊松林 o张璧光 o常建民 q马尾松木材浮压干燥过程中的传质传热特性 q北京林业大学学报 oussu ouwkxl }z p |
朱政贤主编 q木材干燥k第二版l q北京 }中国林业出版社 ot||u
∏­∏°§¤µ„ ≥ o史勇春等译 q干燥过程原理与设备及新进展 q济南 }山东济南出版社 oussu
wwt 林 业 科 学 ws卷