胶合板热压过程中传热传质研究毕业论文

第 1 页本 科 生 毕 业 设 计（论文）（ 2012 届）工程学院题 目：胶合板热压过程中的传热传质研究学 号： 姓 名： 专业班级： 木材科学与工程 081 班 指导教师： 姜志宏 职称： 副教授 2012 年 5 月 10 日第 2 页本科生毕业设计（论文）诚信承诺书我谨在此承诺：本人所写的毕业设计（论文） 胶合板热压过程中的传热传质研究均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了引用注释，如出现抄袭及侵犯他人知识产权的情况，后果由本人承担。承诺人（签名）： 2012 年 5 月 10 日浙江农林大学本科生毕业设计（论文）第 3 页胶合板热压过程中的传热传质研究工程学院 木材科学与工程 081 张敏 指导教师：姜志宏摘要：本研究以杨木单板为原料，采用 K 型热电偶和温度压力一体化传感器，以热压温度、热压压力和单板初含水率为变量，按实验设计连续检测设置在板坯内的6个测点在热压过程中板坯的温度或者气压的变化。结果表明：1.胶合板热压过程中典型的温度变化可分为三段，即温度快速上升阶段，减速升温阶段，温度基本不上升阶段。2.胶合板热压升温时表面最快，次表面和芯层升温速率基本相同，达到稳定后测试点温度基本相同。3.胶合板内气压变化分为两种情况：热压温度100以下，板坯气压基本没有变化；热压温度超过100，板坯气压变化可分为五段，即气压不上升或上升非常缓慢的阶段，快速上升阶段，减速升压阶段，气压基本不上升阶段和缓慢下降阶段；4.板坯初含水率对板坯内温度影响不大，但是对板坯内气压影响较大，含水率高时压力明显增大。关键词：胶合板；传热传质;温度；气压；Heat and Mass Transfer of plywood during Hot Pressing Abstract:In this study, we take poplar veneer as raw material, and use K-type thermocouple and integrated temperature and pressure sensors to continuously monitor and detect the change of temperature and gas pressure of 6 measuring points set in the mat during hot processing according to the experimental design .The results show that: (1)Typical temperature change during hot-pressing can be usually divided into four phases: temperature rapidly rising phase, temperature moderatively rising phase and temperature nearly no rising phase(plateau phase ).(2)When hot-pressing , temperature of surface rise faster , sub-surface and facial layer is basically the same, and the three then come closer when stabilize .(3)Typical gas pressure change during hot-pressing can be usually divided into two condition: when the temperature below 100 , gas pressure almost without change. Temperature over 100, it can be usually divided into five phases: no or gas pressure slowly rising phase, gas pressure rapidly rising phase, gas pressure moderatively rising phase , gas pressure nearly no rising phase(plateau phase ) and gas pressure slowly decline phase.(4) moisture content almost has no impact on temperature and has great impact on the gas pressure, high moisture content significantly increase the gas pressure.Keywords: plywood,heat and mass transfer,temperature,gas pressure. 浙江农林大学本科生毕业设计（论文）第 4 页目 录封面1承诺书2摘要3目录41 前言52 试验材料与方法62.1 实验材料62.2 实验设备72.2.1 主要实验仪器说明72.2.1.1 R4000无纸记录仪简要说明及设置72.2.1.2 温度压力一体式传感器82.3 实验方法82.3.1 单板含水率的控制 92.3.2 温度气压测点的设置 92.3.3 温度和气压的测量方法 102.3.4 实验过程11浙江农林大学本科生毕业设计（论文）第 5 页2.4 实验方案123 结果与分析123.1 胶合板热压过程传热传质情况123.2 不同热压温度下胶合板传热传质情况163.3 不同热压压力下胶合板传热传质情况183.4 不同初含水率的胶合板传热传质情况194 总结20参考文献20致谢22浙江农林大学本科生毕业设计（论文）第 6 页1 前言胶合板是最早开始发展的一种人造板。早在公元前 3000 年的古埃及就有用作装饰材料的锯制薄木，如鸟木薄片的制造。1818 年有了旋切机的首次发明，此后的 1840 年和 1844 年法国和美国先后获得了旋切机的发明专利。十九世纪的六七十年代，美国和法国等已开始了胶合板的小批量生产。到十九世纪末，胶合板的质量已为消费者认可，有了真正意义上的批量生产。第一次世界大战期间，plywood 才成为一种真正的商品名称，胶合板工业已初步形成。20 世纪二十年代，我国也已有由外国商人在我国东北地区开办的胶合板厂。目前，就全球来看，胶合板生产主要集中于北美、北欧和东南亚三大区域。北美主要以花旗松和南方松为原料生产结构用厚胶合板；北欧则用小径木生产接长的单板制造结构用横纹胶合板；东南亚则以热带雨林阔叶材，如柳桉，生产三层胶合板为主。我国亦以生产三层胶合板为主，且以进口材为面板，辅以国产速生材的芯板，仅小部分以国产材生产厚胶合板 1,2,3,4。胶合板是中国人造板产品中国际市场占有率最高的品种，2009 年的市场占有率达到 29.7%5。胶合板产业的迅速发展有多个层面的意义。首先，这说明中国胶合板生产工艺较为成熟，在国际市场有较强的竞争力；同时，我们必须意识到，胶合板是所有板种中技术要求最低、加工流程最简单、投资规模最小的品种，中国胶合板的单线产量与世界相比还有较大差距，大多为小作坊生产。其次，胶合板产量的剧增说明中国以民营经济为主体、甚至家庭作坊为主体的人造板产业特征明显，这对促进中国劳动力就业和乡村地区经济发展发挥了巨大作用，但正由于工艺简单、规模较小等因素，胶合板在面对国际市场风险时，应对能力是最差的。最后，胶合板是资源利用率最低的板种，仅为中密度纤维板的 60%， 随着中国森林资源的紧缺，尤其是大径级木材的稀缺性，胶合板产业未来面临较大的发展压力 6。杨树属杨柳科杨属(Populus1)，是落叶乔木，生长较快，特别是速生杨树生长更快，生长78 年即成熟。杨树纹理较直，结构细，材质轻，材表面平滑，有一定的实用价值。作为胶合板的生产原料，杨木是比较新的树种，其生产经验不足，还有许多问题需要解决，其中最常见的就是胶合质量不稳定，有时出现局部开胶、鼓泡、翘曲等现象，直接影响企业的经济效益 7。因此，研究杨木单板压制胶合板的传热传质有很大的实际意义。在很多种木质复合材制造的过程中，热压是一个重要的环节，改善热压工艺是提高木质复合材质量和性能的重要途径之一。热压是人造板（wood-based Panel）生产中的关键性工序之一8,9，或称其为最重要的工序之一 6， 。 直接关系到人造板产品的性能及其劳动生产率和成本10,11,12,13,14。目前我国绝大多数的人造板企业，生产中一般根据经验确定热压时间，而对于热压过程中的导热问题研究较少。为了能够较准确的制定热压时间，改善热压工艺，充分了解木材受热压时导热规律是必要的 15。热压是人造板生产中的关键工序,不仅直接影响热固性树脂胶的固化速度和程度,影响产品密度、胶合强度等物理力学性能,而且决定着设备生产能力及生产能耗16。热压过程中板坯内部的主要环境因子包括温度、气压和含水率。其中，温度直接影响加压浙江农林大学本科生毕业设计（论文）第 7 页时间和生产率;气压(大部分是水蒸汽压力）直接影响卸压时是否会“分层、鼓泡”,影响成板力学性质，并与热传递有交互作用；含水率影响热量的传递和气压的变化,从而影响人造板的性能17 。近几十年来，木材科学的专家学者们采用模型分析的方法，即通过研究板坯结构中的传热传质机理，建立或借鉴现有的数学模型来描述和模拟各种实际的物理过程，或者通过实验来确定板坯的各种物理参数和传输系数，如热导率、导温系数、湿扩散系数等，从而为建立模型和求解模型提供基础数据。Kamke 等将人造板的热压过程描述为“一个伴随着动量传递、热传递、质传递及板坯内部复杂化学反应和相变同时发生的复杂过程” 18。而且板坯主要是由木单板、空气和水分组成的三相体系，所以板坯内部环境变化的研究一直是个难点板坯在热压过程中的定型主要通过两个方面的作用完成：压力的作用，使板坯内部空隙度减小，板坯形成一定的密度；热量在板坯内部传递，达到胶粘剂固化的温度要求，使胶粘剂固化，伴随此过程板坯内的水被加热汽化，产生一定的气压因此，在板坯内部环境的研究中，板坯内部的温度场和气压变化是研究的重点，能够为最优热压工艺的选择提供最基本的信息 19。北京科技大学热能工程系和加拿大森林研究所合作对木材热压过程热量与含湿量的传输进行了研究. 在一定的理论基础和合理的假设下, 建立了数学模型, 可以预测热压过程中木材内部的瞬时温度分布 20。徐长妍研究了喷蒸真空热压板坯内部的温度分布特征. 实验中采用热电偶对板坯内部的温度变化进行测量. 实验结果表明, 平行于热压板的板坯中心平面内的温度分布比较均匀, 沿板坯厚度方向各点的温度分布差异较大. 在喷蒸真空热压过程中, 板坯内部的温度上升速率比传统热压快得多 21 。谢力生( 2002) 对干法生产纤维板的热压传热进行了研究, 推导出了理想条件下板坯中心层达到胶粘剂固化温度( t Z ) 所需时间的数学模型 22。Kamke 研究了板坯含水率、密度、厚度及木质单元的形状对人造板热传导性能的影响 23。Kamke 和 Casey 采用热电偶和压力传感器, 对大片刨花板坯在传统热压过程中内部的温度和气压成功地进行了测量 ， 并探讨了热压温度和板坯初含水率对主要板坯内部环境因素-温度和气压变化的影响作用 24。胶合板热压过程中心层温度变化曲线基本可以根据热压时间分为短暂恒温、快速升温、水分汽化恒温和慢速升温四个阶段；胶粘剂种类、施胶量、单板材种、纹理排列方式和板坯密度对胶合板的热压传热过程影响很小；单板含水率、板材厚度和热压板初始温度对胶合板热压传热影响比较显著 25。2 实验材料与方法2.1 实验材料实验材料为400mm400mmm2.0mm（长宽厚）的杨木单板，所用杨木产自苏北，品种为意大利速生杨木。浙江农林大学本科生毕业设计（论文）第 8 页2.2 实验设备LHS-250SC 恒温箱（精度0.1）METTLER TOLEDO AG204电子天平（最大210g 精度0.1mg）电子称（最大6000g 精度1g）101-3型电热鼓风恒温干燥箱（温度10300）R4000无纸记录仪温度压力一体式传感器XLB-O500X500压力成型机2.2.1 主要仪器说明2.2.1.1 R4000无纸记录仪简要说明R4000 无纸记录仪采用 32 路微处理器和 5.6 英寸 TFT 蓝色液晶显示屏，内置 32MB NAND FLASH 作为历史数据的储存介质，具有 12 路模拟量输入、2 路脉冲量输出、4 路模拟量变送输出、12 路开关量输出和 100mA 配电输出。可实现采集、显示、处理、记录、积算、报警、配电等功能。通过 CF 卡可实现历史数据管理，通过 RS-232/RS-485 可将数据上传至计算机。本实验主要使用热电偶信号和电压信号的输入。具体技术参数如下：CPU 类型：32 位 ARM内部储存介质：32MB NAND FLASH屏幕类型：5.6 英寸 TFT 蓝屏屏幕分辨率：320234输入型号类型：/标准信号、毫伏信号、热电阻、热电偶、频率信号最大 AI 通道数：12最大 DO 通道数：12最小采样周期：1s显示刷新速度：1s准确度：0.2%通讯接口：RS-232/RS-485/以太网使用通道设置如下：通道组态设置：通道 1 2 3 4 5 6 9 10表征 温度 温度 温度 温度 温度 温度 温度 压力单位 MPa型号 K K K K K K K 420mA量程 0-150 0-150 0-150 0-150 0-150 0-150 0-150 0-1浙江农林大学本科生毕业设计（论文）第 9 页滤波时间 1s 1s 1s 1s 1s 1s 1s 1s注： 9、 10是温度压力一体式传感器在测点 3的温度和气压。系统设置：记录时间： 1s；2.2.1.2 温度压力一体式传感器该温度压力传感器系由两部分组成（图2-1）。1为外径2.0mm，内径1.2mm 的毛细不锈钢管，其加工成尖削状的一端封闭，并在离端头10mm 处的管壁上开有与管内空腔相连通的直径1mm 的小孔，用以导入热压过程中产生的混合气体，另一不封闭的端头与陶瓷扩散硅气压感应元件处的空腔连通。毛细不锈钢管的空腔内置入温度感应原件 K 型热电偶（日本产）。热电偶（两根，裸线直径均为0.10mm，并各自绝缘后组合封装在高温绝缘层内，封装后的截面尺寸为0.7mm1.0mm）的一端延伸到毛细不锈钢管的封闭端，另一端延伸到陶瓷扩散硅气压感应元件处的空腔后，经两个密封绝缘端子转接到空腔外，从而形成两个 K 型热电偶补偿导线的接线点，以通过热电偶引线3连接二次仪表（R4000无纸记录仪）。2为压力变送器。板坯内温度气压测试工作原理示意图见图2-2。具体技术参数如下：温度 测量范围：250；精度等级：0.5级。压力 测量范围：0-1MPa；模拟输出：4-20mA；精度等级：0.5级。浙江农林大学本科生毕业设计（论文）第 10 页2.3 实验方法2.3.1 单板含水率的控制单板含水率的调整也是保证本研究结果可靠性的基础条件之一。为此，将实验用单板先进行含水率测定，测得单板平均初含水率为 11.5%。为保证板坯初含水率均匀稳定，将单板放入将所有单板置于 30，90%湿度的恒温恒湿箱进行调温调湿一天，取出后测得含水率为 14.1%。一部分擦水控制水分增加量调节含水率到 15%和 25%，一部分放入 20烘箱，调节含水率至 5%。2.3.2 温度气压测点的设置本实验以热压温度、热压压力、单板初含水率为变量，分别进行热压实验，将取得的曲线图进行对比、分析得出结论。采用无胶的环境，三层胶合板四张单板，芯层为纹理方向相