全 文 ：第 ww卷 第 z期
u s s {年 z 月
林 业 科 学
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间歇和连续微波干燥对木材内蒸汽压力
与温度变化的影响
刘志军t ou 张璧光u 刘 智t
kt1河北农业大学林学院 保定 sztsss ~u1北京林业大学材料科学与技术学院 北京 tsss{vl
摘 要 } 对间歇和连续微波干燥过程中木材内部温度 !蒸汽压力的变化以及二者相互关系进行探索 ∀结果表明 }
木材在连续微波干燥过程中 o温度的变化大致分为快速升温段 !恒温段和后期升温段 ~微波辐射功率增加 o升温速
度加快 o恒温段温度提高 o时间缩短 ~内裂通常在高含水率木材高功率连续加热时出现 ~在木材温度上升到 tss ε
之后 o适当减少微波功率输入 o或采用间歇输入微波能的方法可有效避免内裂的发生 ~炭化通常出现在木材干燥后
期 o适当控制木材中含水率 o避免过低 o减少微波能输入或采用间歇输入微波能的方法 o可有效防止木材炭化 ∀
关键词 } 干燥缺陷 ~能量 ~汽化 ~干燥速率
中图分类号 }≥z{t1zt 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kuss{lsz p ssy{ p sx
收稿日期 }ussz p st p ux ∀
基金项目 }国家自然科学基金资助项目kx|{zysssxl ∀
ς αριετψ οφ ς απορ Πρεσσυρε ανδ Τεµ περατυρειν Ωοοδ δυρινγ Ιντερµιττεντ
ανδ Χοντινυουσ Μιχροωαϖε ∆ρψινγ
¬∏«¬­∏±tou «¤±ª…¬ª∏¤±ªu ¬∏«¬t
kt1 Χολλεγε οφ Φορεστρψo Αγριχυλτυραλ Υνιϖερσιτψοφ Ηεβει Βαοδινγ sztsss ~
u1 Χολλεγε οφ ΜατεριαλΣχιενχε ανδ Τεχηνολογψo Βειϕινγ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Βειϕινγ tsss{vl
Αβστραχτ } ׫¨ ¶·∏§¼ º¤¶¦²±§∏¦·¨§·²¬±√¨ ¶·¬ª¤·¨·«¨ √¤µ¬¨·¼²©¬±±¨ µ2·¨°³¨µ¤·∏µ¨ o√¤³²µ³µ¨¶¶∏µ¨ ¤±§¥²·«µ¨ ¤¯·¬²±¶§∏µ¬±ª·«¨
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Κεψ ωορδσ} §µ¼¬±ª§¨©¨¦·¶~ ±¨¨ µª¼~ √¨¤³²µ¤·¬²±~§µ¼¬±ªµ¤·¨
微波干燥是以电磁波的形式将能量直接渗透到木材内部 o并通过微波电磁场与水分子及木材中极化分
子k羟基l的相互作用而迅速产生大量的热k«¤±ª ετ αλqousst ~ „±¤¶·¤¶¬²¶ ετ αλqousst¤~usst¥l ∀与常规干
燥中热量的缓慢传导过程相比 o其能量的传递和木材温度的升高都是一个较快的过程kŽ¬µ¤±²∏§¬¶ ετ αλqo
t||z ~≤¤µ¦¬ετ αλqot||{ ~Š²¼¨ ·¨ ετ αλqot||s ~Žµ²®¬§¤ ετ αλqot||| ~ ²∏¶¤ ετ αλqoussul ∀在很短的时间内 o
木材细胞腔内的温度快速升高 o水分迅速蒸发 o使得木材具有很快的干燥速率k¬ ετ αλqoussx ~Ž²¥¤¼¤¶«¬
ετ αλqousss ~Ž¤º¤¬ετ αλqousst ~ussu ~ussv ~¬∏ ετ αλqoussxl ∀但在微波干燥过程中也会出现各种干燥缺
陷 o主要缺陷有内裂和炭化 ∀本研究的目的就是想探究木材微波干燥过程中内部温度和压力的变化特性 o分
析木材内裂和炭化的原因 o找出避免缺陷产生的有效方法 ∀
t 材料与方法
马尾松k Πινυσ µασσονιαναl o规格 tss °° ≅ tss °° ≅ xs °°k长 ≅宽 ≅厚l o初含水率 tv| h ∗ twt h ∀
图 u 同一位置温度和压力测量装置图
ƒ¬ªqu ׫¨ ¬¨³¨µ¬°¨ ±·¤¯ ¨´ ∏¬³°¨ ±·²©·«¨ °¨ ¤¶∏µ¨° ±¨·²©
·«¨ ·¨°³¨µ¤·∏µ¨2³µ¨¶¶∏µ¨ ¤·¶¤°¨³¯¤¦¨
图 t 同一位置温度和压力测量装置原理图
ƒ¬ªqt ≥¦«¨ °¤·¬¦§¬¤ªµ¤° ²©·«¨ °¨ ¤¶∏µ¨° ±¨·²©
·«¨ ·¨°³¨µ¤·∏µ¨2³µ¨¶¶∏µ¨ ¤·¶¤°¨³¯¤¦¨
t1木材 • ²²§~u1× 型连接件 × ¥µ¬§ª¨ ³¬¨¦¨ ~v1 密封 ∞±√¨ ²¯³° ±¨·~
w1压力传感器°µ¨¶¶∏µ¨ ¶¨±¶²µ~x1 压力传递管 °µ¨¶¶∏µ¨ ·µ¤±¶°¬··∏¥¨ ~
y1聚四氟乙烯连接件 × ©¨¯²± ¥µ¬§ª¨ ³¬¨¦¨ ~ z1 温度传感器
× °¨³¨µ¤·∏µ¨ ¶¨±¶²µq
试验装置原理图如图 t所示 ∀该装置主要由压力与
温度监测系统 !微波加热系统和数据采集系统构成 ∀所
用微波炉为家用松下变频微波炉 o在试验前对微波炉进
行了改造 o使之能满足试验要求 ∀测量装置外形图如图
u所示 ∀此装置的特点是能够在微波场条件下同时测量
同一点的温度和内部蒸汽压力 ∀用环氧树脂和铝箔将试
件端面和侧面封闭 o使水分和能量只沿厚度方向传递 ∀
待树脂固化后 o在试件侧面几何中心位置钻一个直径为
{ °°孔 o孔的深度为试件宽度的一半 o小孔内插入与压
力传感器相连的带有螺纹的聚四氟乙烯连接件 ∀在带有
螺纹的聚四氟乙烯连接件外面裹一层铝箔纸屏蔽微波
场 o避免微波场对温度传感器测量值产生影响 ∀与螺纹
连接件相连的聚四氟乙烯管外面包有一层保温材料 o避
免内部蒸汽冷凝 o影响所测压力值 ∀为保证压力测试系
统不漏气 o在测定之前 o将连接系统内通入压力为 uxs
®°¤的氮气 o并将连接系统浸入水中 o确认不漏气后 o再
进行测定 ∀数据采集系统为智能仪表 o以微处理机为核
心 o具有对传感器的自动修正功能 ∀压力传感器k≠…2
Ž…2‹l o准确度为 „级 ? s1ux h ƒ q≥ ∀温度传感器精度为
? s1x ε ∀
图 v 不同微波功率木材温度随时间的变化
ƒ¬ªqv × °¨³¨µ¤·∏µ¨ ¦«¤±ª¨¶¬± º²²§√¶·¬°¨ º¬·«§¬©©¨µ¨±·°¬¦µ²º¤√¨ ³²º µ¨¶
试验分 w组 o功率分别为 t sssk间歇辐射l !{ss !xss
和 uss • o每组试验重复 t次 ∀间歇辐射微波 o在木材升
温到 tss ε 之前 o采用的是连续辐射微波能 o升温到 tss
ε 后 o间歇 t °¬±辐射 t °¬±∀数据记录间隔设置为 vs ¶∀
当干燥过程中温度剧烈波动并明显升高时 o干燥试验结
束 ∀
u 结果与分析
211 微波辐射功率对木材温度变化的影响
图 v表明不同功率条件下木材温度随时间的变化 o从图中可以看出 o木材在微波干燥过程中 o温度的变
化大致分为 v个阶段 }快速升温段 !恒温段和后期升温段 ∀木材干燥过程中吸收的能量主要用于湿木材的升
温和蒸发木材中的水分 ∀在干燥开始阶
段 o微波能主要用于提高木材温度 o木材
几乎不蒸发水分 o所以升温速度较快 ~恒
温阶段 o当木材内部达到或超过水的沸点
温度 o木材吸收的微波能主要用来蒸发水
分 o所以温度基本不变 ~后期升温阶段 o
木材温度开始出现波动 o并且开始较大幅
度的升温 o除部分用于水分蒸发之外 o大
部分能量被用来提高木材的温度k¬¤± ετ
αλqot||zl ∀
从图 v中可以看出 o功率越高 o升温
速度越快 o恒温段温度越高 o时间越短 ∀
|y 第 z期 刘志军等 }间歇和连续微波干燥对木材内蒸汽压力与温度变化的影响
当微波辐射功率分别为 {ss !xss和 uss • 时 o其升温段的升温速率分别为 us1{ !z1y和 v1s ε #°¬±pt o恒温段
温度分别在 tus ∗ tvs ε !tsy ∗ tuu ε 和 tss ∗ ttw ε 之间 o保温时间分别为 tz !us和 uu °¬±∀出现上述现象
的原因可能是由于微波功率越大 o单位时间木材吸收的能量越多 ∀根据能量守恒与转换定律 o被介质吸收的
微波能量将全部转换为热能 ∀热量将用于木材的升温和蒸发水分 o功率高 o单位时间内转换的热能就多 o升
温速度自然就会越快 o而达到水的沸点温度之后 o水分蒸发的速率也会加快 o使得恒温段时间相应缩短 ∀
在干燥后期 o温度快速升高 o并有较大幅度的波动 o木材炭化通常发生在这一阶段 ∀原因是当木材含水
率很低时ktx h l o木材的介电特性接近绝干材 o其弛豫频率小于微波加热的频率 o介电常数随温度的升高而
增加 o温度越高的地方介电常数越大 o升温越快 o又会使得介电常数进一步增大 o它反过来又促进温度的上
升 o如此循环就会造成木材内温度的/失控效应0 o严重时会烧焦木材 ∀从图 v可以看出 o功率为 xss • 连续
辐射微波能与额定输出功率为 t sss • 间歇辐射微波能 o在恒温段 o木材平均温度分别为 ttx和 ttu ε o在升
温段温度分别为 tuy和 tty ε ∀可见 o无论是升温段还是恒温段 o在微波辐射能量相同的条件下 o间歇辐射
微波能比连续辐射微波能木材的温度都低 o适当的间歇辐射微波能可以有效地避免干燥后期木材的炭化 ∀
212 微波辐射功率对木材内蒸汽压力变化的影响
图 w 不同功率条件下木材内部蒸汽压力随时间的变化
ƒ¬ªqw ∂¤³²µ³µ¨¶¶∏µ¨ ¦«¤±ª¨¶¬± º²²§√¶·¬°¨º¬·«§¬©©¨µ¨±·°¬¦µ²º¤√¨³²º µ¨¶
图 w表明不同功率条件下木材
内部蒸汽压力随时间的变化 ∀从图
中可以看出 o在微波加热过程中 o微
波辐射功率越高 o木材内部蒸汽压
力峰值越大 ∀微波辐射功率分别为
{ss !xss和 uss • 时 o木材内部绝对
蒸汽压峰值分别为 uuv !tys和 ttt
®°¤~而且微波辐射功率越高 o木材
内部蒸汽压力达到峰值后 o蒸汽压
力下降的越迅速 o最大压力值保持
的时间越短 o反之 o辐射功率越小 o
木材内部蒸汽压力峰值越小 o蒸汽
压力下降的越缓慢 o最大压力值保
持的时间越长 ∀出现上述现象可能
有以下 v方面的原因 }一方面是由于微波功率越大 o单位时间内辐射到木材的功率密度越大 o木材在单位时
间内吸收的能量就越多 o就会导致升温速度快 o水分汽化量加大 o木材内部蒸汽压力升高 ~另一方面可能是
由于木材内部蒸汽压力越高 o木材内外压差相应会加大 o蒸汽移动越快k≤¤¬ousstl o压力下降越迅速 ~还有
一方面的原因可能是压力越高 o木材内纹孔膜破坏的数量越多和破坏的程度越严重 o这有利于蒸汽向外部迁
移 o使压力越高降低的速度就越快k¬ετ αλqoussxl ∀
从图 w还可以看出 o内裂是由于高含水率木材在干燥前期连续输入过量微波能造成的 ∀干燥初期连续
输入过量的微波能 o木材内部形成大量的蒸汽 o过高的蒸汽压力会导致木材内部沿木射线方向开裂 ∀间歇辐
射微波能可降低木材内部蒸汽压力 ∀如图 w中 o在间歇辐射微波能之前 o采用的是连续辐射微波能 o微波功
率为 t sss • o但其最大压力仅为 tz{ ®°¤o微波功率 {ss • 连续辐射微波能最大压力为 uuv ®°¤∀而间歇辐射
微波能开始之后 o间歇干燥时木材内部的平均蒸汽压力 o也比功率 xss • 条件下连续辐射微波能时蒸汽压力
明显低 ∀由此可见 o间歇辐射微波能可以降低木材内的蒸汽压力 o有助于防止木材内裂 ∀
213 木材内蒸汽压力随温度的变化
图 x„ ∗ ≤显示了在不同功率条件下木材内部压力及温度随时间的变化 ∀从图中曲线变化趋势可以看
出 }木材在微波加热过程中 o温度达到 tss ε 之前 o压力值比较小 o压力上升比较缓慢 o温度升到 tss ε 之后 o
内部蒸汽压力迅速上升 ∀升温速度伴随着微波辐射功率的提高而加快 o压力上升速度同时伴随着升温速度
的加快而加快 ∀当温度升高到恒温段时 o压力也同时达到最大值 ∀微波辐射功率为 {ss • o加热 | °¬±时 o木
sz 林 业 科 学 ww卷
图 x 木材内部压力及温度随时间的变化
ƒ¬ªqx °µ¨¶¶∏µ¨ ¤±§·¨°³¨µ¤·∏µ¨ ¦«¤±ª¨¶º¬·«·¬°¨ ¤·¦²µ¨
材温度达到最高值 tvv ε o其相应的最大压力值为 uuv
®°¤~微波辐射功率为 xss • o加热 tx °¬±时 o木材温度达
到最高值 ttx ε o相应的最大压力值为 tys ®°¤~微波辐
射功率为 uss • o加热 uy °¬±时 o木材温度达到最高值 tsy
ε o相应的最大压力值为 tts ®°¤∀
在加热过程中 o木材中心温度达到 tss ε 之前 o在木
材表面观察到泡状水分的流出 o蒸汽压力达到峰值时 o流
量最大 o并且微波功率越高 o泡状水分流出现象越剧烈 ∀
压力减小时 o水分流出量减小 o并很快停止 ∀在加热过程
中 o木材内的蒸汽压力有一定幅度的波动 o这可能是由于
木材内含水率分布不均匀和年轮及早晚组织结构不均一
性造成的 ∀以上结果揭示了微波加热过程中自由水范围
内水分移动的机制 o即在温度最高的中心附近蒸汽压也
达到最高 o在中心附近和它周围间能形成蒸汽压力梯度 o
结果包围在中心附近的水分在蒸汽压力的作用下 o由内
向外移动 o直至最后从材面流出 ∀
v 结论
tl 木材在微波干燥过程中 o温度的变化大致分为 v
个阶段 }快速升温段 !恒温段和后期升温段 ∀功率增加 o
升温速度加快 o恒温段温度提高 o保温时间缩短 ∀在干燥
后期 o温度快速升高 o并有较大幅度的波动 ∀
ul 内裂通常是高含水率木材在干燥前期连续输入过
量微波能造成的 ∀干燥初期连续输入过量的微波能 o木
材内部形成大量的水蒸气 o过高的蒸汽压力会导致木材内部沿木射线方向开裂 ∀为减少开裂 o在木材温度上
升到 tss ε 之后 o可减少微波功率输入 o或采用间歇输入微波能的方法 ∀
vl 炭化通常出现在木材干燥后期 ∀适当控制木材中含水率 o避免过低 o减少微波能输入或采用间歇输
入微波能的方法 o可有效的防止木材炭化 ∀
参 考 文 献
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tz 第 z期 刘志军等 }间歇和连续微波干燥对木材内蒸汽压力与温度变化的影响
¬÷¬¤±­∏±o«¤±ª…¬ª∏¤±ªo¬• ±¨­∏±o ετ αλqussx1 • ¶¨¨¤µ¦«²±·«¨ ©¨©¨¦·²© °¬¦µ²º¤√¨ ³µ¨·µ¨¤·°¨ ±·²± °²¬¶·∏µ¨ §¬©©∏¶¬²± ¦²¨©©¬¦¬¨±·²©º²²§q • ²²§≥¦¬¨±¦¨
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k责任编辑 石红青l
第八届中国林业青年学术年会在哈尔滨召开
uss{年 z月 ty ) tz日 o第八届中国林业青年学术年会在哈尔滨市召开 ∀本届年会由中国林学会和东北
林业大学联合主办 o黑龙江省林业厅 !黑龙江森林工业总局 !大兴安岭林业集团协办 o黑龙江省林学会 !中国
林学会青年工作委员会承办 ∀支持单位为中国科协和国家自然科学基金委员会 ∀年会主题为/青年科技创
新与生态文明0 ∀全国政协人口资源环境委员会副主任 !中国林学会理事长江泽慧 o全国人大常委 !中国科协
书记处书记冯长根 o黑龙江省科协主席马淑杰 o黑龙江省人民政府副秘书长金济滨 o黑龙江省林业厅厅长 !黑
龙江省林学会理事长韩连生 o东北林业大学校长杨传平 o黑龙江省森工总局局长刘忠敏 o大兴安岭地区行署
副专员王怀刚 o黑龙江省林学会常务副理事长王英忱 o中国工程院院士马建章教授等出席了开幕式 ∀
开幕式由中国林学会副理事长 !秘书长赵良平主持 ∀江泽慧理事长致开幕词 ∀她希望当代林业青年科
技工作者努力成为理想远大 !信念坚定的新一代 o品德高尚 !意志顽强的新一代 o视野开阔 !知识丰富的新一
代 o开拓进取 !艰苦创业的新一代 o勇敢肩负起时代重任 o努力创造无愧于时代的青春业绩 ∀中国科协书记处
书记冯长根在开幕式上讲了话 ∀他充分肯定了中国林学会的工作 o强调了在新形势下学会工作的重要性 o从
建设创新型国家的战略高度 o对中国林学会和林业青年科技工作者提出了殷切希望和明确要求 ∀
与会代表听取了东北林业大学校长杨传平所作的5低调做人 高调做事 严谨治学6 o黑龙江省林业厅厅
长 !黑龙江省林学会理事长韩连生所作的5黑龙江省林业建设及发展对策6 o中国工程院院士马建章所作的
5中国自然保护区现状与发展6和中国青年科技奖获得者 !南京林业大学教授勇强所作的5开拓创新 做新时
期林业建设的接班人6的特邀报告和大会发言 ∀开幕式上还颁发了第二届梁希青年论文奖 ∀
本次年会新开设学术辩论赛和林业科技期刊展示专题会场 o同时设野生动物保护与管理 !林木育种与生
物技术等 |个学术分会场 ∀来自政府部门 !科研机构 !大专院校 !林业基层单位等近 zss余名代表参加了年
会 o是历年来规模最大的一次林业青年学术年会 ∀共提交学术论文 wus篇 o各分会场有近 vss人作了专题学
术报告 ∀经过专家评审 o有 tvz篇学术论文 !tsz场报告分别被评为年会优秀论文和优秀报告 ∀东北林业大
学代表队荣获本届年会青年学术辩论赛冠军 o南京林业大学代表队获得亚军 o北京林业大学代表队和中南林
业科技大学代表队获得优秀奖 ∀
又 }
作为中国林学会的年轻成员 o林业科技期刊分会以/林业科技期刊展示会0的形式参加了本次年会 ∀目
的是加强期刊的宣传和与科技工作者的交流 o推动期刊与学术活动的有机结合 o为青年人发表论文提供更多
的选择 o促进人才的成长 ∀
本次林业科技期刊展示会共设展板 u{块 o有 vw家林业科技期刊 !uy位科技期刊编辑参加 ∀活动起到了
丰富学术交流形式 o活跃学术会议气氛 o打造林业科技期刊整体形象 o加强科技期刊与学术交流互动的积极
作用 ∀
uz 林 业 科 学 ww卷