《木材干燥时的传热》PPT课件.ppt

第四章 木材干燥时的传热、传湿及应力、应变,本章重点： 1、木材在饱和介质和不饱和介质中对流加热的计算 2、干燥过程中木材水分的蒸发和移动 3、木材在气体介质中对流干燥过程及影响干燥速度的因子 4、木材干燥过程中的应力、应变产生的原因及发展规律,本章内容,第一节 木材和窑壳的传热 第二节 干燥过程中木材内水分的移动及 表面的水分蒸发 第三节 木材的对流干燥过程 第四节 木材干燥时的应力与变形 第五节 干燥窑内空气流动特性,第一节 木材和窑壳的传热,一、透过窑壳的散热 1 热传导的基本概念、傅立叶定律及平壁的热传导 温度场：在任一瞬间，物体或系统内部各点的温度分布。 不稳态导热：若温度场内各点的温度随时间变化，此温度场为不稳定温度场，不稳定温度场对应的导热为不稳态导热。 稳态导热:若温度场内各点的温度不随时间而变化，即为稳态温度场，稳态温度场对应的导热为稳态导热。,温度梯度可用下列数学式表示:,grad,温度梯度 为向量，它的正方向是指向温度增加的方向,等温面:温度场内同一时刻下相同温度各点所组成的面称为等温面。 温度梯度:将两相邻等温面的温度之差与距两面间垂直距离的比值的极限称为温度梯度。,傅立叶定律 傅立叶定律为热传导的基本定律，表示通过等温表面的导热速率(Q)与温度梯度及传热面积(S)成正比，用数学表示如下： 传热密度：单位面积的导热速率。,dQ ,2、单层平壁的热传导 3、多层平壁的热传导,4 对流传热 根据对流传热速率的普遍关系，壁面与流体间的对流传热速率等于推动力和阻力之比。 对流传热密度单位面积的对流导热速率。,5 透过窑壳的散热 透过窑壳的散热通常是一种稳定的热交换，由固定温度t1的窑内介质通过窑壁向固定温度t2的窑外空气传热。 透过窑壳的散热的热流密度综合了对流换热（窑内介质和窑壳内壁，窑外空气和窑壳外壁）和透过窑壳的热传导。,例：设有一木材干燥窑由两砖夹一保温层构成，内外墙用红砖，厚度为240mm，导热系数为 0.58W/m 。中间保温层为膨胀珍珠岩，厚度为100mm，导热系数为 0.046W/m 。干燥窑内的介质温度为湿空气，放热系数1 11.63W/m2 ,干燥窑建于露天，放热系数2 23.26W/m2 。 已知:干燥窑建于广州，窑内介质温度t1 =80 ，窑外温度t2 =10。 求：通过窑壳的热流密度和各层接触面的温度。,二、木材的对流加热,1、木材在饱和介质中加热 例：50mm 150mm的松木板材，密度 0.39g/cm3, 含水率M67%,初温度t0=23.5 ,在100 的饱和蒸汽中加热3h，求板材中心的温度t。,2、木材在不饱和介质中加热,例：50mm厚的松木板材，密度 0.39g/cm3, 含水率M67%,初温度t0=23.5 ,在100 的湿空气（ 1）中加热到中心温度99 ，求所需的加热时间。设放热系数 7W/m2 。,第二节 干燥过程中木材内部分的移动和表面水分蒸发,流体穿过木材的迁移分为两种类型： (1)体积流或质量流，即流体在毛细管压力梯度的作用下，穿过木材组织孔隙的流动。 (2)扩散，即水蒸气穿过细胞腔中空气的扩散及吸着水在细胞壁中的扩散。,流体穿过木材流动的数量大小，由木材的渗透性决定，渗透性是流体在压力梯度作用下，流过多孔固体（包括木材）容易程度的度量。 木材的渗透性又与其孔隙率有关，木材流体渗透性的高低，无论针叶材或阔叶材，种间或种内，均与密度无关，影响渗透性高低的诸因素中，最主要因素为有效纹孔膜微孔半径和数量。 自由水沿细胞腔和纹孔的移动、液体防腐剂对木材的防腐处理都与木材的渗透性密切相关。若要改善木材的渗透性，似应从纹孔入手，用人为的方法增大和增多有效纹孔半径和数量，以减小毛细管张力，降低木材浸注时的使用压力，提高渗透性。 干燥时，木材中水分的移动与木材的渗透性有关。木材中水分的移动分纤维饱和点（FSP）以上和FSP以下是两部分。,一、木材内部水分的移动,(一)水分移动的途径,1、通过大毛细管系统路径 由毛细管张力作用引起，液态自由水沿细胞腔和细胞壁上的纹孔作毛细管运动。如图76a。 2、沿连续不断的细胞壁的移动（微毛细管路径） 由木材细胞壁横断面上的含水率梯度引起。发生在FSP以下，如图76b1。 3、交替形式的路径 水分交替地既呈液体状态又呈蒸汽状态，不断沿着彼此相邻的细胞壁和细胞腔的移动或扩散。如图7-6b2。 注意：水蒸气的扩散无论在FSP以上或以下都会发生，扩散是以液态或气、液交替的形式进行。,图76 木材横断面上水分移动的途径,(二)FSP以上时木材中的水分移动,1、毛细管张力 液体在毛细管中，液体将在毛细管里上升，此时表面张力向上的合力必然与由压力差向下的合力相等，由Jurin定律得：,式中：P0 气相压力，Pa P1 液相压力，Pa 润湿角 r 毛细管半径 表面张力,由上式可得 ：,当气液交界的弯月在为半圆形时，=0，cos=1,此时：,(7-31),又由于水的表面张力在20的温度下为0.073N/m，所以有：,r-毛细管半径，m 如果：r=10m，为典型的针叶材管胞半径，则P0-P1=0.146 atm， r=1m，为典型的纹孔膜上大微孔半径，则P0-P1=1.46 atm，若此时P0=1 atm，则P1= P0-1.46=0.46 atm，该负压称为毛细管张力。 毛细管张力随半径的缩小而急剧增加，当毛细管半径r很小时，将产生很大的毛细管张力，对细胞壁产生很大的吸引力，会引起干燥时木材的皱缩，纹孔闭塞等。,2、自由水的移动,以针叶材管胞为例，用图7-9表示自由水沿大毛细管的移动。针叶材管胞锥形端部是相互交搭的，且纹孔多在锥形端部的径面壁上。,由于木材干燥时，木材表层水分蒸发最快，靠近表面的管胞腔中存在的自由水较少，而管胞锥形端部毛细管半径r2较小，因而毛细管张力增大。而木材内部含水率较高，毛细管半径r1较大，毛细管张力较小，因此，木材中存在从内到外的毛细管张力梯度，在这个毛细管张力梯度的作用下，迫使自由水由内向外流动。,图79针叶材管胞中自由水移动示意图,(三)FSP以下时木材中水分的扩散,认为细胞腔中无液态自由水存在，此时木材中的水分以下列两种途径移动： 沿连续不断的细胞壁 吸着水在细胞壁中以液态形式扩散。 交替形式 细胞壁细胞腔(纹孔) 细胞壁 以气、液交替形式扩散,木材干燥水分扩散的理论计算有下列三种：,1、等温扩散 等温状态下的稳态扩散，可以用菲克(Fick)第一定律计算：,式中：J水分的扩散强度， kg/(m2s) （即单位时间内通过单位面积水分扩散的质量） D水分扩散系数，m2/s 木材密度（kg/m3) 木材中水分扩散方向上的含水率梯度，%/m,7-36式说明，等温条件下，对于特定的木材，水分扩散强度取决于扩散系数D和含水率梯度dM/dx。若木材经过加热处理，在随后的短暂干燥过程中，木材内各部分的温度相差不大，这时的水分扩散可以近似认为是等温扩散。,2、不等温稳态扩散,木材干燥过程中，通常木材内部的温度是不同的，这时的水分扩散除了含水率梯度的作用之外，还有温度梯度的影响，即水分从温度高处向温度低处扩散，水分的扩散强度可用下式计算：,热力梯度系数，%/ ，即木材内1温差造成的含水率梯度,3、非稳态扩散,木材在实际的干燥过程中，水分扩散强度和含水率梯度是随空间和时间变化的，为不稳态扩散。 如果把板材的水分扩散认为是沿板材厚度方向进行的，则扩散变为一维问题，垂直于板面的非稳态水分扩散，可用Fick第二定律表示：,式中：M板厚方向某点的瞬时含水率，%； t时间，s； x距板厚中心层的距离，m D水分扩散系数，m2/s，是含水率的函数。,4、水分扩散观念的争议,水分扩散的传统观念都认为水分浓度梯度(或含水率梯度)和温度梯度是水分扩散的动力。而加拿大的G.Bramhall认为温度差和水分浓度梯度本身使水分移动的观念是难以置信的。他认为温度差只能使热量传递，只有水蒸压力差才能使水分移动。温度或含水率的提高都会使水蒸气分压提高，因此，只有水蒸气分压梯度，才能直接导致水分扩散运动。 G.Bramhall还得出了水蒸气分压梯度的表达式：,式中：P绝对温度T时，水蒸气分压 R气体常数 C浓度,FSP以下时木材中水分的扩散的结论：,木材在FSP以下的干燥过程，基本上都是水分非稳态扩散过程，水分横向扩散系数受含水率、木材纹理和周围空气温度、湿度的影响。具体如下： 木材的水分横向扩散系数的最大值均在FSP附近，并随着吸着水含水率的降低而减小。 木材径向水分扩散系数大于弦向扩散系数，DR=1.5DT。 木材周围介质的温度越高，湿度越低，则木材水分扩散系数越大。,二、木材表面的水分蒸发,1、表面含水率大于FSP时的水分蒸发 当木材表面含水率大于FSP时，木材表面水分蒸发与自由水表面的蒸发相似。木材表面的水分只有在相对湿度小于100%时才能发生，空气湿度越小，表明空气中的水蒸气分压力越小，木材表面的水分蒸发速度就越快。 湿木材表面的水分蒸发强度与蒸发温度下的饱和蒸汽压PO和周围空气的水蒸气分压Pv之差(即PO-Pv)成正比，此外蒸发强度又与湿木材表面的空气流动速度有密切关系。因湿木材表面有一层薄薄的饱和湿空气界层，阻碍木材表面水分的蒸发，木材表面的气流速度越大，饱和湿空气界层就越薄，木材表面水分蒸发就越快。,大气压力下，自由水表面的水分蒸发强度i近似用道尔顿公式计算：,水蒸气压力差(PO-Pv)称为蒸发势，它的确定比较困难，可用干、湿球温差t=t-tm即干燥势代替比较方便，当水蒸气分压Pv60kPa时，两者的关系为：,因此有：,式中： i 水分 蒸发强度， kg/(m2h) PO 蒸发温度下的饱和蒸汽压（Pa） Pv 周围空气的水蒸气分压（Pa）， 如果已知干、湿球温度就可以从I-d图求得Pv。 t干湿球温差（ ） B 水发蒸发系数，当气流方向平行于蒸发面及温度在60250时， 蒸发系数(B)为：,式中：蒸发表面上的气流速度，m/s 当气流方向垂直于蒸发面时，蒸发系数加大一倍。,例空气的温度为84，干湿球温差t为18，平行水面的气流速度=2 m/s，确定被加热到66的水分蒸发速度。 解：按照Id图求得水蒸气分压Pv=25500Pa(2600mmH2O)，蒸发系数B=0.0017+0.00132=0.0043，据此求 出水分蒸发强度为： i =0.004318(6.5-0.000625500) =0.385 Kg/（m2 .h）,2、表面含水率低于FSP时的水分蒸发,湿木材表面的水分蒸发，当其表层含水率没有降低到FSP以下时，与自由水面的水分蒸发情况相同，可以用公式7-55确定水分蒸量。但是从木材表面含水率降低到FSP的瞬间开始，情况就发生了变化，此时木材表面上的水蒸气压力为Pw将低于同温度下水面上的饱和水蒸气分压P0，因此蒸发强度降低。 木材是吸湿材料，它在不同的含水率及周围介质温、湿度的情况下，会与周围介质进行湿交换。如果木材表面的水蒸气分压为Pw ，周围介质中的水蒸气分压Pv那么： 当Pw Pv时，木材表面的水分向外蒸发 当Pw Pv时，木材表面的将从周围介质中吸收水分,当木材表面的水蒸气分压大于周围空气，且周围空气的相对湿度小于100%时，水分蒸强度i可用下式计算：,式中：i木材表面的水分蒸发强度，kg/(m2h) 木材表面的水分蒸发系数，m/s 0木材的全干密度，kg/m3 M0、Me木材的表层含水率及平衡含水率，% 水分蒸发系数表明水蒸气分子逸过木材表面上的边界层扩散到周围空气中去的能力，它与空气的温度、湿度、气流速度的有关，可用图7-14确定。,第三节 木材的对流干燥过程,一、含水率高于FSP的干燥过程 1、预热阶段 2、等速干燥阶段 3、减速干燥阶段,图715 木材厚度上的含水率分布曲线（a）及干燥线图（b）,（a）,（b）,a,b,c,d,MC,Mi,fsp,Mf,Me,Mi,Me,M=0,fsp,0,1、预热阶段,预热期间，木材的含水率基本不变，为Mi。 横断面上的含水率分布如图715（a）曲线0，在干燥曲线上如图7-15b的0a段。,2、等速干燥阶段,此阶段，内部有足够数量的自由水移动到表层，内部水分移动速度等于表层水分的蒸发速度，干燥速度保持不变，这一阶段木材厚度上的含水率分布如图7-15(a)所示，曲线1；在干燥曲线上如图7-15b的ab段。 在等速干燥阶段，木材的干燥速度由木材表面的水分蒸发强度来决定。 温度升高、湿度降低、风速升高，表面水分蒸发越快，则等速干燥阶段木材含水率降低越快。,3、减速干燥阶段,这一阶段木材厚度上的含水率分布如图7-15(a)曲线2、3 。 此阶段外层含水率FSP，在木材厚度上形成了含水率低于FSP的外层和含水率高于FSP的内部两个区域。木材横断上出现了明显的交界线，叫湿线。 此阶段 ，外层含水率FSP，水分在毛细管张力差作用下，自由水由内向外移动到（蒸发面）湿线，一部分水分蒸发为水蒸气向外扩散，另一部分水分以液态形式在外层的细胞壁内向外扩散。 在减速干燥阶段内，表层含水率低于FSP，由心部向表层移动的水分数量小于表面水分蒸发数量，干燥速度逐渐减小。 这一阶段的干燥速度由内部水分移动速度决定。 等速干燥期结束，减速干燥期开始这一时刻的含水率叫临界含水率Mc。干燥速度越快，被干木材越厚，越致密，Mc越向Mi靠近，等速干燥期越短。,二、含水率低于FSP的干燥过程,随干燥的进行，木材内层含水率也低于FSP，此时木材内不含自由水，细胞腔内充满空气和水蒸气。由于表层含水率远低于FSP，因此，在整个木材横断面上产生了含水率梯度。此阶段的含水率分布如图7-15(a)的曲线4、5。 随着吸着水含水率的降低，干燥速度越来越慢，干燥曲线越来越平缓，如图7-15b的cd段。此阶段，在含水率梯度的作用下，水分由内部向表面扩散，使木材整个横断面上的含水率也随之降低，当木材含水率接近周围介质对应的平衡含水率Me时，干燥速度趋于0。 实际上，干燥过程并没进行到木材平衡含水率的时候就结束干燥过程。这是因为木材含水率要达到EMC需要很长的时间，而实际生产时木材含水率达到规定的终了含水率Mf结束。,三、影响木材干燥速度的因子,1、外因 温度 温度是促进木材干燥速度的主要因子，木材的温度和木材中水的温度都随介质温度的升高而升高，水分温度升高后，木材中水蒸气压力升高，液态水的粘度降低，从而促进木材中水蒸气向外扩散及液态水移动。 湿度 湿度对干燥速度起制约作用。温度不变时，湿度越高，介质水蒸气分压越大，木材表面的水分越不易向介质蒸发，干燥速度越小。 气流循环速度 气流循环速度越高，则木材表面的饱和蒸汽界层越薄，从而改善介质与木材之间传热、传湿的条件，所以气流速度越高，木材干燥速度越快。 以上三个因子又称为干燥三要素,2、内因,树种 木材厚度 木材含水率 心、边材 径、弦向,第四节 木材干燥时的应力与变形,一、应力、应变产生、发展的基本要点 1、 应力产生的原因 (1) 含水率梯度引起的干燥应力(内外层干缩不一致引起的应力) 木材中任何一部分的含水率降低到FSP以下时，就要产生干缩，但受到其他部分的制约，不能正常干缩，而产生拉伸应力。 由于木材所受外力为0，由作用力与反作用力关系，木材内部一部分受拉应力时，则其它部分就会产生压应力与拉应力平衡，因此在木材内部产生内应力。 (2) 径、弦向干缩差异引起的附加干燥应力,2、应力应变的种类,木材受应力作用时，就会产生应变，应变按传统观点可分为：弹性应变和残余应变。 (1) 弹性应力与弹性应变 (2) 残余应力与残余应变 (3) 全应力 全应力=弹性应力+残余应力,(1) 弹性应力与弹性应变 由含水率梯度引起的应力，叫弹性应力，也叫含水率应力。 受弹性应力的作用，产生的应变叫弹性应变，当含水率梯度消失后，弹性应力可消除。,(2) 残余应力与残余应变 木材在长时间应力作用下或所受应力超过比例极限时，产生的应变在除去应力之后并不能消失，这种永久的应变叫残余应变，也叫塑化固定(drying set)。 含水率均匀后木材表层产生拉伸残余应变，内层产生压缩残余应变，这种内外不一致的残余应变产生了干燥残余应力。 残余应力在含水率均匀后仍然存在。,(3) 全应力 全应力=弹性应力+残余应力 在干燥过程中，影响干燥质量的是全应力，干燥结束后影响干燥质量的是残余应力。,近年来，国际上引入流变力学理论来分析木材干燥过程中的应力应变，新的应变理论认为木材干燥时的总应变包括： 自由干缩 弹性应变 粘弹性应变 机械吸附应变 热应变（在高温过程中）,二、木材内外层干缩不一致引起的应力与变形,干燥过程中应力变化可以分为四个阶段： 1、干燥刚开始阶段：无干燥应力产生阶段 2、干燥初期：应力为外拉内压阶段 3、干燥中期：内外层应力暂时平衡阶段 4、干燥后期：应力为外压内拉阶段,1、 干燥刚开始阶段：无干燥应力产生 此阶段中木材内外层的含水率都在纤维饱和点以上，各层无干缩，所以干燥刚开始阶段还未有应力产生。 此阶段若从木料中取应力试片，把试片锯成梳齿形，每根梳齿长度和未锯开之前原来尺寸一样。 若把试片剖为两条，每条都保持平直形状，含水率平衡后每条试片也保持平直形状。这说明这阶段板材内部无含水率应力，也没有残余应力。,随干燥的进行，木材表层的自由水先蒸发，从而出现含水率梯度，木材中出现扩散现象，木材横断面上出现“湿线”，“湿线”以内区域的木材中充满自由水，“湿线”以外区域的木材含水率降到FSP以下，干燥过程中，“湿线”不断向木材内部移动，即含水率在FSP以上的区域不断缩小。 此时木材表层及其附近区域的含水率低于FSP，内部含水率还在FSP以上。,2、干燥初期：应力为外拉内压,由于表层及其附近区域的含水率低于FSP，表层及其附近区域就会干缩，但受到没有干缩的内部各层的牵制，所以表层及其附近区域受到拉应力。由于木材内外层是一整体，又由于作用力与反作用力关系，内部各层受压应力。,若此阶段从木料中取应力试片剖成梳齿形，表层及表层的梳齿将不同程度地比剖开前缩短，而内部各层的梳齿将变长。干燥初期阶段，如果干燥条件激烈，那么在木材横断面上含水率低于FSP的区域较薄，相应受拉应力的区域较少，而受压应力的区域较大，由于木材内部拉应力与压应力相平衡，所以表层单位面积上的拉应力相当大，而且发展很快，很快达到最大拉应力，干燥初期很容易出现木材表裂。 若把应力试片剖为两条，那么试条各自向外弯曲。由于木材是弹、塑性体，木材表层所受拉应力超过比例极限时或受到拉应力小于比例极限但所受应力时间长，木材表层产生拉伸塑化固定。所以，当应力试片含水率均匀后，两片的形状就变得和原来的相反，形成向内弯曲。,3、干燥中期：内外层应力暂时平衡,此阶段内层含水率开始低于FSP，但内层含水率高于外层。 如果在此之前未进行中间调湿处理，那表层严重塑化固定（也称表面硬化）；由于表层的拉伸塑性变形，使表层的干缩不完全，而内层含水率下降后（在FSP以下），内部的干缩逐渐赶上表层的干缩，这时木材中内外层的应力暂时平衡。 若此阶段从木料中取应力试片剖成梳齿形，那么各层的梳齿在刚锯开时一样长，且梳齿平直。 如果把应力试片剖成两片，那刚剖开后两条应力片保持平直。含水率均匀后，应力试片向内弯曲。,4、干燥后期：应力为外压内拉,这阶段木材横断面上的含水率梯度已经减缓，如果前期未进行中间调湿处理，表层由于塑化固定早已停止了收缩，而内层含水率还在降低，加之内层由于干燥前期压应力的增加超过比例极限或受长时间的压应力而产生压缩塑化固定，而使内部各层干缩更加大，所以内部的干缩大于表层，内部的干缩受外层制约而产生拉应力，由于作用力与反作用力关系，外层受压应力。当内层所受的拉应力大于该条件下木材的抗拉强度时，将产生内裂。 内裂产生在木材干燥的后期。,若此阶段从木料中取应力试片剖成梳齿形，中间的梳齿由于脱离了外层的束缚后得到自由干缩，所以内层变短，外层变长。 若把应力试片剖成两片，那试条向内弯曲，含水率均匀后，由于内部吸着水的进一步排出，内层尺寸进一步缩短，两试条向内弯曲更厉害。,三、木材径弦向干缩不一致引起的应力与变形,木材干缩分三种情况分析： 径切板 弦切板 带髓心的方材,1 、径切板,径切板两个板面都是径向，干缩均匀，不会引起附加的应力和变形。,2、弦切板,弦切板由于外板面（靠近树皮的面）弦向程度大于内板面，所以在干燥过程中，弦切板的外板面干缩大于内板面，因此弦切板干燥使横断面向外板面翘(如图7-19a所示)。但在实际干燥作业中，板材都堆积成材堆，由于材堆及顶部压块的重量，而对板材产生附加的压力以抑制其翘曲。 这样，板材的外板面就产生附加的拉应力，而内板面产生附近压应力。这种附加的应力与含水率梯度无关。但板材外板面附加的拉应力与含水率不均匀引起的表层拉应力叠加，很容易引起板面的表裂。,3、带髓心的方材,带髓心的方材由于表面接近弦切面，干燥时四个表面的干缩受到内部直径方向木材的抑制，结果在表层区域产生附加的拉应力，中心区域附加压应力。 这种表层的拉应力与干燥初期含水率梯度引起的拉应力相叠加，很容易引起四个表面的表裂和径裂，因此带髓心的方材干燥时很容易产生缺陷。 (如图7-19b所示),四.干燥应力的测量,传统的干燥 应力测量方法有： (1) 切片法 (2)应力梳齿法,第六节 干燥窑内空气流动特性,一、干燥窑长度上空气的均匀分配 干燥窑长度上均匀分配空气的方法有： 1.分散放置多台平行作用的通风机 如顶部风机干燥窑 2.对于端部供气，利用配气道在干燥窑长度上均匀配气。 如端风机干燥窑,2.对于端部供气，利用配气道在干燥窑长度上均匀配气,设有一压气道，长度为L，截面不变，长度上的气孔配气均匀，如气孔为1215个，在这种情况下骤然扩大的压头损失可以忽略不计，因为在气道长度上排出空气（通过大量气孔），实际上是连续的。 设以Q1（m3/s）表示入口截面11的空气容积，Q2表示距截面11为X距离的截面22的空气容积， 1及 2（m/s）分别为11截面和22截面的空气速度，H为长度x的线段12上的静压力的增量（Pa），为摩擦系数，则,公式中的第一项为气道内的空气