木材干燥学：木材的特种干燥方法.ppt

木材干燥学,木材的特种干燥方法,一、除湿干燥(dehumidification drying),1、除湿干燥：干燥窑不设进排气道，湿热废气不是排入大气而是 经除湿机先将其中的水分除去，再将变干了的空气加热后送进干燥室，继续干燥木材的干燥方式，又叫热泵干燥。 2、主要设备和工作原理： （1）主要设备：干燥室和除湿机 （2）工作原理：利用低沸点的制冷剂由气体变为液体时放出的热量将空气加热，又利用它由液态变为气态时吸收热量的作用，使木材蒸发出的水分冷凝成液体而排出室外。,图 木材除湿干燥系统 1.制冷压缩机；2.冷凝器（热源）；3.热膨胀阀（减压器）；4.蒸发器（冷源）；5.辅助加热器 6.干燥室外壳；7.轴流通风机；8.材堆,3、对除湿干燥室的要求： （1）保温 （2）密闭 (3) 防腐 4、除湿干燥工艺 （1）干燥温度： 1）辅助加热器预热空气温度约到24 c 2）热泵供热使干燥室渐升温到32 c 49 c （2）干燥湿度：针叶材 63%27% 阔叶材 90%35% （3）干燥时间：由于除湿干燥为低温干燥，故干燥时间较长。例如，32mm厚的赤栎锯材从生材干燥到6%8%的含水率，需要4045天；25mm厚的白松从含水率90%干燥到8%需18天。而同样的锯材，常规蒸汽干燥分别需要26天和6天。,5、除湿干燥的优缺点： 优点： 1）节省能耗； 2）对干燥室的设计和使用材料的要求不高； 3）使用电能，环境污染少； 4）适用于含水率大于20%的阶段。 缺点： 1）干燥速度慢，终含水率偏高； 2）无调湿装置，木料有表面硬化； 3）压缩阀和控制阀需要很好保养； 4）高温除湿机的制冷剂，国内来源困难； 5）成本大于常规干燥。,二、真空干燥(vacuum drying) 1、真空干燥：把木材置于密闭容器内，在低于大气压力的条件下加热干燥木材的方法称为真空干燥。,罐体用1015mm厚的钢板辊压弯曲、焊接而成。圆柱体结构在真空下承受外压性能好，制作工艺也较简便。 内壁喷镀铝层或涂防锈漆以防腐蚀。外壁包保温层。罐内下部设有两条钢轨道。 圆柱形罐体的直径通常为1.22.6m，有效长度为320m。 蒸汽发生器内蒸汽的压力不容许超过2个表压力，以保证操作安全。,2、真空、真空度、真空表 真空：物理学是指没有或只有很少原子和分子的空间。工程技术上泛指在给定空间内，气体分子密度低于当地大气压下的气体分子密度的气体状态。 真空度：处于真空状态下气体的稀簿程度称之为真空度。 工程技术上真空度常用两种方式，即绝对真空度和相对真空度表示。绝对真空度指真空状态下稀薄气体的绝对压力，容器内气体越稀薄压力越低，真空度越高； 相对真空度 （%）： （%） 式中：1atm为一个标准大气压(1.01325105pa)；p为处于真空状态下的绝对压力。 真空表：工业生产中常用的一种指示大气压力与容器内气体绝对压力之差的仪器，用来粗略的表示真空度的大小。,3、真空干燥的设备：干燥筒（容量几个至十几个m3）、真空泵、加热系统、冷却系统和控制系统（手动或计算机自动控制）。 4、真空干燥的原理和特点： 原理：（1）内高外低的压力梯度 （2）内高外低的含水率梯度 特点： 在真空环境下，水分沸点降低，可以实现低温快速干燥； 干燥周期短，干燥质量好； 氧分压降低，可减少物料在干燥过程中的氧化变质现象， 并在缺氧状态下抑制一些细菌的繁殖生长； 可以回收一些有毒有害的气体，减少环境污染。 5、真空干燥的分类： 1）间隙式 2）连续式,6、真空干燥的工艺过程 按加热方式分：对流加热间隙真空干燥、热板加热连续 真空干燥和高频加热真空干燥 (1)对流加热间隙真空干燥工艺 对流加热间歇真空干燥主要由常压加热和真空脱水交替进行的若干个循环过程组成。典型的干燥流程如下： 如从整体上把握，真空干燥亦可分为预热、干燥、调湿处理三个阶段。,1）预热 木材预热阶段通常需作汽蒸处理。 主要目的：使木材脱脂(树脂含量高的木材)、改善木材的渗透性（permeability）等。 一般用100饱和蒸汽进行预热，时间按木材厚度来确定，即汽蒸11.5h/厚1cm。 预热结束后，需将材芯温度降到干燥基准所规定的温度后方能抽真空。,2）干燥 干燥阶段包括若干个循环过程。 (1)加热 目的是为木材中水分蒸发和移动提供能量。 加热阶段干燥机内风机运转。 加热时间据木材中心温度来确定，待其达到干燥基准所规定的值(通常比空气介质的温度低815)时，即停止加热。风机亦停止运转，并转入平衡阶段。 (2)平衡 在加热停止后应平衡约30min，待木材表、心层温差较小后再启动真空泵。 (3)真空 抽真空阶段才是真正干燥阶段。可根据木材中心温度值确定抽真空的时间。 对于不能实现干燥过程中木材心部温度和气压监测的干燥设备，抽真空时间可凭经验据木料厚度确定，即，抽真空1min/厚1mm。如木料厚50mm，每次抽真空时间可定为50min。 (4)泄压 真空阶段结束后，应使干燥罐体内部恢复到常压。对于难干材，卸压时可据需要适量喷入蒸汽，以使木材表面吸湿，确保其在干燥过程中始终维持较小的含水率梯度。,3）调湿 调湿处理在常压和风机运转的条件下进行。 介质温度一般比加热阶段介质基准温度低68，并向干燥罐 体内适当喷蒸，以提高木材的平衡含水率。 处理时间据木材厚度而定，一般为824h。,对流加热间歇真空干燥法制定干燥基准的原则是： a.首先确立真空阶段木材芯部的温度。一般不超过70，否则将由于加热阶段木材其它部位温度过高而使木材产生降解、变色等缺陷。常用范围为5070； b.其次确立真空阶段罐体内部的真空度。一般根据木材芯部温度所对应的饱和蒸汽压与罐体内部气压差(p)的大小来确立。渗透性差的难干材、较厚材，p应选小值，否则p可适当加大。,(2) 热板加热连续真空干燥工艺,加热板为空心铝板。 板中的载热流体通常为热水或热油。 加热板通过软管与管体内的热水总管连接。 供水温度一般不超过95。,该工艺过程分为预热、干燥和调湿三个阶段。 1）预热 预热通常在常压下进行。 温度比干燥阶段的初始温度低5左右； 时间以木材中心达到预定温度为准，亦可按经验确定：对于硬质材， 预热22.5h/厚1cm；对于半硬质材和软材，预热1.5h/厚1cm。 2）干燥 木材预热到预定温度后，启动真空泵即转入干燥阶段。 干燥阶段真空度依材芯温度所对应的饱和蒸汽压与罐体内部气压差 (p)的大小而定。一般p由材种及其初含水率来确定，之后据干 燥初始阶段的材芯温度来确定罐体内部真空度。 木材达到终含水率要求后，即关闭真空泵，停止加热。 3）调湿处理 热板加热真空干燥木材的终含水率均匀性较差，干燥结束后须作调湿处理。 停机后将木材密闭在干燥罐内“闷放”若干小时。此时木材中心的水分继续向外移动，有利于使木材终含水率趋于均匀。,7、真空干燥的优缺点、应用及其它 1）优点 (1)干燥速度快。 干燥阔叶树材厚板时，真空干燥的速度通常为常规干燥的35倍；干燥针叶树材厚板时，真空干燥的速度通常为常规干燥的23倍；而干燥针叶树材薄板时，速度提高不明显。 (2)干燥质量好。 带髓心的柞木、水曲柳方材及其它硬阔叶树厚板材，采用真空干燥，干燥降等率有较大幅度降低，且基本上能保持木材的天然颜色和强度；对于初含水率较高的厚板，若用热板加热连续真空干燥，其终含水率均匀性将较差，所以宜用间歇真空干燥。 (3)干燥机使用灵活性较好。,2）缺点 (1)设备较复杂，投资较大。 (2)不带能量回收装置的间歇真空干燥机的能耗大于常规干燥。 (3)连续真空干燥时，木材装卸较麻烦，费用较大。 (4)木材的终含水率不均匀，难以检查板材干燥状态。 3）适用范围 1）透气性好的木材； 2）短材，厚材； 3）容易在高温下发生皱缩而增大收缩的木材； 4）树脂含量多的木材； 5）常规干燥中厚度较大、干燥易开裂、难干的材种及高档 用材。 4）生产上常用于：1)硬阔叶树材低含水率阶段的干燥（206-8）；2）珍贵树种的气干材干燥；3）作为联合干燥的最后阶段干燥。,5) 真空干燥过程的观测与记录每15分钟进行一次，风机每2小时循环换向一次，含水率检验板每812小时称量一次。 6) 真空干燥设备容量较小，在数量上检验板不得少于3块，试验板不得少于5块。,-,实验室小型蒸汽加热真空干燥机,风机和加热管安装在材堆两侧,风机和加热管安装在材堆下部,8 两种节能真空干燥新技术 （1）双联式真空 干燥机,双联真空干燥机的热能回收装置示意图 1.真空泵；2、4、6、9、 管道；3、7干燥筒； 5. 热交换器 8.真空泵工作液回收槽(自梁世镇等，1998),（2）带蒸汽 压缩机的真空 干燥 （见h79）,高效节能木材真空干燥机组工作原理 1.真空干燥筒；2.风机；3.往复式压汽机；4.注液泵；5. 贮汽罐 6.主加热器；7.蒸管；8.辅助加热器；9.材垛；10.气囊 (自梁世镇等，1998),三、太阳能干燥（solar-energy drying ）：利用集热器吸收太阳辐射能加热空气,再通过空气的对流传热,干燥木材。 1、类型：分为暖房型、半暖房型及集热器与不透光干燥室分 开型三种。 2、优点： 利用来自太阳的无限清洁自然再生能源 ，干燥周期比气干短。 温度低，干燥质量较好，缺陷也较少。 干燥室可以不要蒸汽锅炉等高投资设备，因此投资建造费用少，设备运转费相应较低，干燥成本较低。 缺点： 太阳能是一种低密度、间歇性的能源，且受自然条件制约，干燥时间长。 集热器面积大，设备投资较高； 集热器的透明盖板容易破损，故设备维修费用较大。 应用：主要是作为预干。,注：当将某种电阻物体置于两块与高频电流发生器连接的电极 板之间时，由于该物体分子被高频电流激励而剧烈振动，温度会很快升高。这时，那两块电极板即构成一个电容器，位于两电极板之间的物体就称为电介质， 用 表示。 木材可以看成是木质、空气和水 的混合电介质。 木（ w ，） 由图可见， w对木的影响比 大得多。,四、微波干燥（microwave drying ） 1 原理：以湿木材作为电介质，置于微波电磁场中，在频繁交变的电磁场的作用下，木材中的极化水分子迅速旋转相互磨擦产生热量，加热和干燥木材。微波指波长1m至1mm、频率300mhz 至300ghz的电磁波，高频指波长1000m至7.5m、频率0.3mhz至40mhz的电磁波。,2 特点：1）热量在被干材的内部直接产生； 2）木料沿整个厚度均匀热透，且热透时间t与厚度无关， t （e2， f ， ）； 注：电场越强，极化的水分子摆动的振幅越大，磨擦产生的热量就越多。 频率越高，木材中水分子的摆动就越频繁，磨擦产生的热量就越多。 电磁波对物料的穿透深度与频率成反比 ；高频适宜于干燥大断面的方材。 3）水分移动受含水率梯度和温度梯度作用。 （注：t木内t 水沸时，p木内p 常压） 4）木材的内应力比普通对流干燥小。 （原因：内部水分移动快，沿厚度的含水率 梯度小，在整个厚度上同时热透提高了可塑性。）,湿木材在微波或高频电磁场中，吸收的电功率可用下式表示： p0.55fe 2tg10-12 式中 p单位体积木材吸收的电功率，w/cm3； f电流频率，hz； e电场强度，v/cm； 木材的介电系数（dielectric constant ）； tg木材损耗角（loss angle）的正切。,3 设备：微波发生器、微波加热器、传动系统、 通风排湿系统、控制和测量系统。 4 优点：(1)加热均匀，干燥速度快； (2) 干燥质量高（内应力小，材色不变化）； (3)高效节能，且易于连续化、自动化生产。 缺点：(1)设备投资大，运行成本（主要是电费）高； (2)由于木材材质及含水率分布不均，有时将导致木材 内部局部温度过高，尤其是渗透性差或厚板材； (3)若木料中含有导磁性金属物质，则由于电磁感应 加热使其温度急剧升高，将有可能将其周围的木料 烤焦，甚至燃烧。,5 微波干燥工艺：采用微波干燥与气干或对流干燥的 联合工艺 。 微波干燥与对流干燥的联合干燥。 试材在预热阶段以及在纤维饱和点以上的干燥阶段，需要消耗大量的热能，此时可向干燥室内输送温度较高的热空气，同时间歇地输入微波能。这样，木料加热和水分蒸发所需的大部分热量可由廉价的对流热空气供给，而让微波能将更多的热量提供给木材内部。此外，间歇地输入微波能，还可以使木材内部的水蒸汽有足够的时间移动到木材表面，从而可减小木材横断面上的含水率梯度，防治木材表层和内部的不均匀收缩。 当木材含水率降到纤维饱和点以下时，随着水分蒸发量的减少，木材的热能消耗降低，并且因木材导热系数的降低而减弱了热空气对木材内部温度的影响，所以，应降低热空气的温度，同时增加微波功率输入，以促使木材内部的水分向表面移动。,例：25mm厚的松木板的微波对流联合干燥基准： 对于边材板，因其渗透性较好，所以每隔3min输入11.1kwh/m3的微波能。纤维饱和点以上时，热空气温度采用104.4(220)，纤维饱和点以下时，基本上不供给热空气； 对于心材板，因其渗透性较差，所以每隔3min输入6.3kwh/m3的微波能。热空气温度控制在66.6(150)以下。,微波干燥工艺不当，会出现内裂、表裂和炭化等缺陷。 内裂：在wwfsp时产生。干燥初期若连续地输入过量的微波能，则将使木材内部形成大量的水蒸汽，过高的水蒸汽压力（渗透性较差的部位尤为突出）会导致木材内部沿木射线方向开裂。为防止内裂，可适当减少微波功率输入，或适当延长每两次输入微波能之间的