（木材科学与技术专业论文）辐射松板材高温及降温干燥机理及工艺的研究.pdf

摘要 木材l f 燥过程中的水分移动是术材干燥的基础研究内容，水分移动的快慢直接影响到 干燥速度的快慢和木材内部应力的发展规律。 本文以辐射松板材为研究对象，对辐射松扳材在恒温高温干燥及前期恒温高温后期降 温干燥过程中的f 燥规律及横向水分扩散系数进行了研究。根据恒温高温干燥过程中板材 芯层温度与芯层含水率的关系及开始进行降温时的芯层含水率，实现了在高温干燥过程中 用芯层温度作为控制参数，选择干燥过程中的开始降温点，对板材进行前期恒温高温后期 降温干燥工艺试验，为解决生产实际问题提供了理论依据，并且对术材干燥过程中水分的 不等温非稳态扩散做了初步的理论探索。 本文根据恒温高温干燥过程中芯层温度、芯层含水率及平均含水率的变化规律，得到 芯层温度与芯层含水率之间的关系，并根据该关系把芯层温度作为控制参数，选择合适的 丌始降温时的芯层含水率值。通过适当的降温速度，板材在降温结束后，横断面上的含水 率分布较之恒温高温干燥更加均匀，并且于燥时间明显缩短。后划降温干燥不需要调湿处 理前的降温过程，这也节省了时间：调湿处理需要的时间也比恒温高温干燥短，且干燥质 量更好。 本文还得到了辐射松板材在各恒温高温条件下及后期降温干燥的降温过程中的横向水 分扩散系数。 在恒温高温条件f ，当含水率在纤维饱和点以上时，辐射松木材的水分扩散系数随含 水率的下降而增加：当含水率低于纤维饱和点时，水分扩散系数随含水率的降低而减小。 辐射松木材的径向水分扩散系数大于弦向水分扩散系数。在相对湿度和平衡含水率不变的 情况下，随着介质温度的升高横向水分扩散系数增大。 在后期降温过程中，随着木材含水率的降低，水分排除需要的活化能增加。在降温过 程的前面大半部分，水分横向扩散系数均比各恒定温湿度条件下所对应的扩散系数大，且 又有热力梯度的作用，所以木材中横向水分扩散很快。在降温后期，虽然横向水分扩散系 数减小，但由于仍有热力梯度的作用，所以水分扩散相对仍较快。 关键词：水分移动；扩散系数；非稳态不等温扩散；高温干燥；含水率梯度 s t u d yo nm e c h a n i s ma n dt e c h n o l o g yo fh i g h t e m p e r a t u r ea n d l o w e r i n gt e m p e r a t u r ed r y i n go f p i n u sr a d i a t ab o a r d a b s t r a c t m o i s t u r em o v e m e n td u r i n gw o o dd r y i n gp r o c e s si st h ef u n d a m e n t a lr e s e a r c ho fw o o d d r y i n g ，t h er a t eo f m o i s t u r em o v e m e n td i r e c t l ya f f e c t st h ed r y i n gr a t ea n d t h el a wo f d r y i n gs t r e s s c h a n g i n gi nw o o d t h eo b j e c to ft h i sp a p e rw a sp i n u sr a d i a t ab o a r d t h ed r y i n gl a wa n dt h et r a n s v e r s e m o i s t u r ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n to fp i n u sr a d i a t ab o a r di n t h ec o n d i t i o no fc o n s t a n t l i 曲 t e m p e r a t u r ea n di nt h a to fc o n s t a n th i g h t e m p e r a t u r ei ne a r l ys t a g ea n dl o w e r i n gt e m p e r a t u r ei n l a t es t a g ew e r es t u d i e d i tw a sr e a l i z e dt od r yp i n u sr a d i a t ab o a r di nt h ec o n d i t i o no fc o n s t a n t h i g h - t e m p e r a t u r ei ne a r l ys t a g ea n dl o w e r i n gt e m p e r a t u r ei nl a t es t a g eb yt a k i n gt e m p e m t u r eo f t h ec o r el a y e rd u r i n gh i g h t e m p el a t u r ed r y i n ga sc o n t r o l l i n gp a r a m e t e ra n dc h o o s e t h e a p p r o p r i a t em o i s t u r ec o n t e n to fs t a r t i n gt ol o w e rt e m p e r a t u r e i nt h i sp a p e rt h et h e o r e t i c a lb a s i s w a sp r o v i d e df o rs o l v i n gt h ep r a c t i c a lp r o b l e mi nh i g h - t e m p e r a t u r ed r y i n go f p i n u sr a d i a t ab o a r d a n dt h ep r i m a r i l yt h e o r e t i c a le x p l o r a t i o nw a sm a d ef o ru n s t e a d y s t a t en o n i s o t h e r m a ld i f f u s i o no f m o i s t u r ed u r i n gw o o dd r y i n g i nt h i sp a p e rt h er e l a t i o nb e t w e e nt e m p e r a t u r ea n dm o i s t u r ec o n t e n to ft h ec o r el a y e rw a s o b t a i n e da c c o r d i n gt ot h ec h a n g i n gr u l e so ft e m p e r a t u r ea n dm o i s t u r ec o n t e n to ft h ec o r el a y e r a n dt h ea v e r a g em o i s t u r ec o n t e n t b yt h i sr e l a t i o n ，t e m p e r a t u r eo ft h ec o r el a y e rw a st a k e na s c o n t r o l l i n gp a r a m e t e ra n dt h ea p p r o p r i a t em o i s t u r ec o n t e n to ft h ec o r el a y e rw h e nt e m p e r a t u r e s t a r t e dt od e c l i n ew a sc h o s e n b yt h ep r o p e rr a t eo fl o w e r i n gt e m p e r a t u r e ，m o i s t u r ec o n t e n ti n t h i c k n e s sw a sm o r ee v e nb yt h ee n do fl o w e r i n gt e m p e r a t u r et h a n t h a t a f t e rc o n s t a n t h i g h - t e m p e r a t u r ed r y i n g ，t h ed r y i n gt i m ew a sc u to b v i o u s l y t h ec o u r s eo fl o w e r i n gt e m p e r a t u r e b e f o r ec o n d i t i o n i n gw a sn o tr e q u i r e di nl o w e r i n gt e m p e r a t u r ed r y i n gi nl a t es t a g es ot i m ew a s s a v e d ，t i m eo fc o n d i t i o n i n gw a ss h o r t e ra n dt h ed r y i n gq u a l i t yw a sb e t t e rt h a nt h o s ei nc o n s t a n t h i g h t e m p e r a t u r ed r y i n g i nt h i sp a p e gi tw a so b t a i n e df o rt h et r a n s v e r s ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n to fp 加珊r a d i a t ab o a r d i nt h ec o n d i t i o n so fa l lc o n s t a n th i g h - t e m p e r a t u r e sa n di nt h a to fl o w e r i n gt e m p e r a t u r ei nl a t e s t a g e i nt h ec o n d i t i o no fc o n s t a n th i g h t e m p e r a t u r e s t h em o i s t u r ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n to fp i n u s r a d i a t ab o a r dd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fm o i s t u r ec o n t e n tw h e ni tw a sa b o v ef i b e rs a t u r a t i o n p o i n ta n dd e c r e a s e dw i t ht h ed e c r e a s eo fm o i s t u r ec o n t e n tw h e ni tw a sb e l o wf i b e rs a t u r a t i o n p o i n t t h em o i s t u r ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n to fp i n u sr a d i a t ab o a r di nr a d i a ld i r e c t i o nw a sl a r g e r t h a nt h a ti nt a n g e n t i a ld i r e c t i o n t h et r a n s v e r s ed i f f u s i o nt o e f f i c i e n ti n c r e a s e da st e m p e r a t u r e e l e v a t e di f t h er e l a t i v eh u r n i d i t ya n de q u i l i b r i u mm o i s t u r ec o n t e n tw e r ec o n s t a n t t h ea c t i v a t i o ne n e r g yn e e d e df o rt h er e m o v a lo fm o i s t u i ei n c r e a s e da sm o i s t u r ec o n t e n t d e c r e a s e dd u r i n gt h ec o u r s eo fl o w e r i n gt e m p e r a t u r e i nt h ee a r l yl a r g ep a r to fl o w e r i n g t e m p e r a t u r e ，t h et r a n s v e r s ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n tv c a sl a r g e rt h a nt h a to ft h ec o r r e s p o n d i n g c o n d i d o no fe v e nt e m p e r a t u r ea n dr e l a t i v eh u m i d i t ya n dt h e r ew a st h ee 丘c to fh e a tg r a d i e n t s o t h et r a n s v e r s ed i f f u s i o no fw o o dm o i s t u r ew a sv e r yf a s t i nt h el a t es t a g eo fl o w e r i n gt e m p e r a t u r e ， t h et r a n s v e r s ed i f f u s i o nt o e 箭e i e n to fm o i s t u r ed e c r e a s e d h o w e v e rt h e r ew a st h ee f f e c to fh e a t g r a d i e n t , s ot h et r a n s v e r s ed i f l u s i o no f m o i s t u r ew a ss t i l 】f a s t k e yw o r d s ：m o i s t u r em o v e m e n t ；d i f f u s i o nc o e f f i c i e n t ；u n s t e a d y s t a t en o n i s o t h e r m a ld i f f u s i o n ； h i g h q e m p e r a t u r ed r y i n g ；m o i s t u r ec o n t e n tg r a d i e n t 致谢 y9 0 5 10 8 论文的顺利完戍首先要感谢我的导师顾炼百教授。在指导我研究生学习的三年时间里， 导师渊博的学识、严谨不苟的治学精神、敏锐的思维及洞察力、简单质朴的生活态度，言 传身教中，对我产生了深刻的影响，使学生终生难忘。特别是在本论文的完成过程中，导 师不仅给予了悉心的指导，并提供了各方面的条件助我更好地完成论文，使学生受益匪浅。 在生活上，导师也给予我无微不至的关怀。在此，谨以寥寥数语表达对导师由衷的谢意和 敬爱! 感谢我的前任导师牡国兴敞授。杜老师渊博的学识、高尚的品格指引我堂堂正正做人、 踏踏实实做事，学生将终生受益、感激不已。 感谢赵寿岳教授、庄寿增教授、徐永吉教授、许美琪教授、苗平副教授、蔡家斌副教 授在论文的开题和答辩过程中提出的宝贵意见和建议。 感谢试材加工和试验过程中木工院中心实验室葛迭璋老师静周兆兵老师的无私帮助。 感谢秸秆中心昊羽飞老师相识六年来在学习上给予我的帮助和精神上对我的关心和鼓 励。昊老师对我的情谊，我感激不尽。 感谢师兄涂登云在试验及论文完成的整个过程中对我的帮助。感谢师兄张振涛、董会 军、师姐郑洪连、于海霞、师弟李涛、陈振兴，与大家在学习、生活上的交流让我获益匪 浅。 感谢夏炎、林龙生、岳孔、孙崇咪、王志强、卢利明、郭继光、许俊、张双燕在试验 过程中对我的热心帮助。 感谢宰秀琴、张红娇、牟效萱、刘晓飞、关朋、王建成、王岩、蒋文、崔戊娟、李琳 娜、王莹莹、张硕等一路走来所有关心、支持我的朋友们， 特别感谢我的父母和亲人，他们的关怀、理解、支持和鼓励是我完成学业的保证。 最后，感谢所有关心、支持和帮助过我的亲人、老师、同学和朋友们! 惠存，祝健康、快乐、万事如意! ) 剀桷 2 0 0 6 年6 月于南京 1 绪论 1 1 选题的目的和意义 森林对人类的贡献，无论在经济效益，还是在生态效益和社会效益上都是无法估量的。 我国是一个少林的国家，森林资源不足。到2 0 0 0 年，森林覆盖率仪为1 3 9 ，远远低于世 界森林覆盖率2 2 的平均水平。森林面积仅占世界森林面积的4 ，森林蓄积量不足世界 总蓄积量的3 ：人均林地面积和蓄积量也分别仅为0 1 h a ( 公顷) 和9 m 3 ，只分别相当于 世界人均水平的18 和1 3 ( 徐永吉，2 0 0 0 ) 。 但是长期以来，我国森林资源的消耗量大于生产量，森林蓄积量持续减少，森林质量 下降，木材供需矛盾十分尖锐。据有关部门统计，到上世纪末，我国木材消耗量达1 亿 m 3 ，如果1 5 的木材经干燥处理，则每年干材量达1 5 0 0 万m 3 。木材干燥可以防止木材变 形和开裂，提高木材和木制品的使用稳定性；可以提高木材的力学强度，改善木材的物理 性能：可以预防木材的变质和腐朽：可以减轻木材的重量。由此可见，木材干燥是木材加 工中不可缺少的过程，经过干燥的木材，可以保证木材制品的质量，改善木材的使用性能， 延长使用年限，从而节约了木材( 朱政贤，1 9 9 2 ：顾炼百，2 0 0 3 ) 。如果干燥质量得以提 高，而使木材的利用率提高5 1 0 ，则每年可节约木材7 5 1 5 0 万m 3 ，相当于木材消耗 量的0 7 5 1 5 。因此，我们在扩大干材产量，又要保护有限的木材资源的同时，就要提 高木材的干燥质量。 另一方面，木材干燥是术材加工中的一道重要工序，也是能量消耗最多的一道工序， 约占木材加工总能耗的5 0 ( s l q u a r l e se la l ，1 9 8 9 ) 。而我国的天然能源资源，如煤、 石油、天然气等虽然总量很丰富，但按人口计算的人均占有量则并不富裕，低于世界平均 水平。因此，木材干燥应在保证干燥后木材品质符合国家锯材干燥质量标准，符合用户特 定要求的前提下，尽可能缩短干燥周期，减少干燥能耗，以降低干燥成本，保护有限的能 源资源( 杜国兴，1 9 9 7 ) 。 为缓解木材供需紧张的局面，近几年，我国在大力发展人工林的同时，进口木材量逐 年增加，其中从俄罗斯、新西兰等国进口的针叶材数量增长很快。在新西兰，辐射松几乎 占全部人工林面积的9 0 ，其生长速度快，2 5 - 3 5 年达到： 艺成熟，锯材的小头直径可达 4 0 5 0 c m 。与北半球的针叶树相比辐射松的生长速率至少高出2 - 3 倍以上，预计到2 0 1 5 年 收获量将达3 5 0 0 万m 3 。根据中国海关统计，2 0 0 2 年上半年，我国从新西兰进 1 的木材量 为6 7 3 万m 3 ，在未来一段时间里，新西兰将成为我国针叶材的主要进口国，新西兰辐射 松在我国的使用量也将进一步加大( 王豁然，1 9 9 0 ；涂登云等，2 0 0 4 ) 。 目前，在新西兰辐射松板材常采用1 2 0 。0 以上的高温干燥方法对其进行干燥，直至指 定的终了含水率。全程的高温干燥可以快速干燥辐射松板材，但干燥后板材残余应力较大， 含水率过低，脆性大，而且材色变深，影响产品质量。高温干燥后要对板材进行调湿处理， 板材温度在1 0 0 。c 以上，调湿处理效果不显著，正常采用先降温后喷蒸方法。实际生产中， 通常辐射松高温干燥后把温度降低到7 5 一9 0 后再进行终了调湿处理，而高温干燥后期 板材温度在1 2 0 左右，具有很大的降温空间。在适当的含水率阶段结束高温，开始降温。 在降温过程中，板材含水率将在温度梯度和含水率梯度的共同作用下进一步降低，而且利 用降温过程对木材进行进一步干燥，与整个过程采用高温干燥相比，会节约能源，降低干 燥的成本。而且可以防止木材过分二r 燥，有利于减小残余应力，减轻术材褐变色和脆性， 有利于提高木材干燥质量。 对于水分扩散，研究的学者有很多，由于其研究的出发点不同，所以对水分扩散的认 识也不同。在木材干燥中，木材内的水分扩散实际属于非稳态扩散，对于等温非稳态扩散 的研究已经相当成熟，并且得出了木材干燥中水分的等温非稳态扩散规律。至于不等温非 稳态扩散，虽然生产实际中有应用，但都没有从其理论上加以描述，而且也没有一定的规 律。辐射松板材高温干燥后的降温过程中的水分扩散属于不等温非稳态水分扩散，所以应 用不等温非稳态水分扩散理论对这一过程中的水分移动进行描述。 综上所述，本课题主要对辐射松板材降温过程中的水分移动特点进行研究，掌握木材 中水分的移动规律，对于制定合理的干燥工艺，加快干燥速度，提高干燥质量，降低木材 干燥及使用成本，节约有限的能源资源具有重要的社会经济效益；同时水分移动也是木材 干燥领域研究的热点与难点之一，研究木材在降温过程中的水分移动，为以后的相关研究 提供有价值的参考。 1 2 文献综述 1 2 1 辐射松高温干燥研究动态 晰l l i 枷s k i n i m n o n t h ( 1 9 8 4 ) 通过高温干燥辐射松扳材试验发现，如果高温干燥中 产生的残余应力得不到消除，则在板冷却贮存时就会产生内裂。 s c h n i e w i n d ( 1 9 8 9 ) 研究认为高温干燥，尤其是对厚板材来说，希望加快传热传质的 速度，但是却更容易产生干燥缺陷。 c h e n 等( 1 9 9 7 a ，1 9 9 7 b ) 建立了辐射松板材高温干燥过程中的应力发展模型，得出板 材在干燥结束后表层受压应力，心层受拉应力，如果板内应力得不到消除，就会在后面的 工序中产生一系列的问题。所以板材在干燥后进行喷蒸调湿处理以消除板材中的残余应力。 h a s l e t t & s i m p s o n ( 1 9 9 1 ) 通过实验发现，如果在喷蒸前板的芯层温度降到7 5 。c 至0 9 0 之间，则在接下来的喷蒸调湿处理中，板的应力会得到很好的消除。 p a n g & s i m p s o n ( 2 0 0 1 ) 对辐射松板材高温干燥后冷却、喷蒸消除高温干燥残余应力， 认为将板材于燥到适当的含水率、应用合适的冷却和喷蒸时闻，对最终的含水率分布一致 和有效的应力消除是必要的。 h a q u e ( 2 0 0 5 ) 实验表明辐射松在1 4 0 9 0 的条件下，干燥时间比9 0 6 0 节省5 0 ， 比1 2 0 7 0 。c 节省1 6 - - 2 5 ，但是在干燥结束厉厚度上的含水率变化更人。 k r e b e ra n dh a s l e t tf 19 9 7 ) 研究发现高温干燥辐射松会加速木材变色；并且发现相对较低 的干球温度和低相对湿度也会加速变色的发生。 m u r r a ym c c u r d y ( 2 0 0 5 ) 等的实验结果表明高温基准( 1 2 0 7 0 ) 更易使辐射松木材 颜色变深，木材性质在高温时对颜色变化的影响比在低温时的影响更大。 1 2 2 水分扩散研究动态 1 2 2 1 等温条件下的水分扩散 早在1 8 3 3 年，菲克通过测量盐从浓缩溶液到有覆盖层的纯净水中的移动速率来确定控 制扩散速度的因子。为了避免对流，他的实验条件必须是等温的。通过几种不同温度的实 验，菲克得出结论：水分扩散速度与浓度梯度成正比，扩散系数与绝对温度成正比。许多 年来，菲克定律用来描述纤维饱和点以下的木材干燥。菲克定律指出了在稳态扩散中，湿 流量与水分浓度梯度成正比，比例常数就是扩敫常数，即扩散系数。当浓度梯度被含水率 梯度替换时，所得的等式就是菲克定律。因为含水率梯度几乎与浓度梯度成正比。基于菲 克定律的干燥数学分析，能够绘制出的含水率变化为时问的函数的曲线的大致形式。所以 在很长的时间里，菲克定律被用来分析干燥中的扩散。 1 2 2 2 不等温水分扩散 s i a u ( 1 9 8 0 ) 、s k a a r & s i a u ( 】9 8 1 ) 认为水蒸汽压力梯度引起的化学势和引起热扩散 的潜能是不等温水分移动的驱动力，是它们其同作用的结果促使水分在不等温条件下的移 动。 s i a u ( 1 9 8 3 ) 应用7 。c c m 的热力梯度测量横纹通过白松的水蒸汽流量，这种现象不能 单独用含水率梯度或分压力梯度来解释，应同时考虑含水率梯度和热力梯度。 s i a u ( 1 9 8 3 ) 应用化学势梯度描述木材中不等温横纹水分移动，与基于活化水分子的 理论相比，认为在高含水率时，热力梯度对水分移动的影响增大，在低含水率时，热力梯 度的影响减小，在温度为4 0 、相对湿度5 3 所对应的平衡含水率时，应用化学势梯度和 应用活化水分子理论来解释不等温水分扩散现象，结果相同。 s i a u ( 1 9 8 5 ) 做了5 组稳念不等温扩散实验，其中木材的一面温度为7 0 。c ，相对湿度 1 1 - - - 6 5 ，另一面温度为3 5 ，相对湿度为6 5 ，当温度较高的一面的相对湿度下降到 温度较低的一面的相对湿度以下时，温度梯度的影响增强，结果水分扩散方向发生转向。 这种现象可以用基于活化水分子的扩散等式或基于化学势梯度的扩散等式来解释，不能用 基于含水率梯度或水蒸汽分压梯度的等温形式来说明。 s i a u ( 1 9 8 6 、1 9 8 7 ) 用白松做了几组实验，使木材试样的一个表面处于7 0 ，相对湿 度为1 0 5 0 之问，其中四组试样的另一表面温度为2 9 。c ，相列湿度3 4 4 2 ，另外五组 试样的另一表面温度为2 9 ，相对湿度5 2 5 3 ，两组实验均可得到这样的结果：随着温 度较高的一面的相对湿度升高，水分扩散发牛转向。结果说明在不等温条件下，木材中水 分可横向从低含水率处向高含水率处扩散，这种现象不能用菲克第一定律的等温形式来预 测，可以用不平衡热力学原理和温度梯度可引起质传递的“热扩散”现象的原理来解释。 s i a u ( 1 9 9 2 ) 建立了基于不可逆热力学的不等温扩散模型，模型中考虑了热扩散的相 对重要性，认为较大的热力梯度系数会增强温度梯度的作用，特别是在较高的相对湿度时， 会引起很大的热流量。 1 2 2 3 非稳态水分扩散 木材干燥过程中木材内的含水率梯度是变化的，所以木材干燥过程实际上届于非稳态 扩敞过程，可以用菲克第二定律来描述： r o s e n ( 1 9 7 6 ) 认为扩散系数d 与含水率m 呈指数关系d = d o e ”，叮以用该等式来推 测相对面相对湿度不同的木材的整体扩散系数和含水率分布，对于纵向扩散，扩散系数随 含水率增大而减小，说明1 3 为负；对于径向或弦向扩散系数，扩散系数随含水率增大而增 大，说明1 3 为f ；无论1 3 为正为负，其值越大，说明d 与m 关系越大。 s k m r ( 1 9 5 8 ) 认为对于山毛榉，径向扩散系数与含水率无关，d 为常数，说明b = o 。 b u i ( 1 9 8 0 ) 认为含水率和相对湿度都是等温干燥中非稳态扩散有效的驱动力，以含水 率计算的水分扩散系数值比以相对湿度计算所得值高，扩散系数与含水率动态相关，在含 水率为1 2 时值最大。 n e l s o n ( 1 9 8 6 ) 根据不可逆热力学研究了水分通过木材细胞壁的等温扩散模型；认为 水分子离开吸附点所需能量为扩散活化能的一部分，克服水分子自身吸引的能量为活化能 的另一部分。所建模型表明当扩散动力定义为单位湿流量传导系数时，基于流体力学和热 力学的吸着水移动方程是相等的。 b r a m h a l l ( 1 9 7 6 、1 9 7 9 、1 9 9 5 ) 应用蒸汽压力梯度作为水分运动的驱动力，认为所有 的扩散过程，包括。i 体扩散、蒸发、浓缩、干燥以及吸着水扩散，在等温条件下还是不等 温条件下，均可以用分压力梯度来表示，研究了整个含水率范围内非等温条件下的热湿传 导。 h u n t e r ( i 9 9 2 1 9 9 7 ) 假没水蒸汽压力是扩散的驱动力，研究了扩散与木材于燥的关系 利用菲克第二定律计算了鹅掌楸的干燥时间或平均含水率扩散系数高的区域有被扩散系数 低的区域平衡的趋势。 c l o u t i e r ( 1 9 9 3 ) 以水压梯度作为木材在等温干燥过程中水分移动的驱动力，把模型中 水分传递系数作为导水率，它是含水率、温度和流动方向的函数。 p a n g ( 1 9 9 6 ) 认为高温干燥时，应力缺陷为板材的主要缺陷，含水率梯度对应力发展 是很重要的，建立了预测干燥时含水率梯度的模型，就可以用来预测于燥应力发展；研究 了针叶材干燥扩散模型和传导模型的关系，认为传导系数是含水率梯度、木材密度、渗透 率和吸着水扩散率以及水分密度、粘度和蒸汽密度、粘度的函数。当忽略温度梯度的影响 时，扩散模型可以看作是简化的传导模型；并且建立了针叶材高温干燥中心边材水分传导 的数学模型和二维模型模拟干燥中的含水率梯度。 “u ( 1 9 8 9 ) 提出了用相同厚度试样求解平均扩敞系数和表面扩散系数的方法，町以 计究在任何特定的干燥环境中水分扩散系数与水分浓度的关系以及表面扩散系数与粘度和 气流的关系。 古山安之( 1 9 9 4 ) 讨论了不同干球温度下干燥过程中木材内的等温水分移动，认为以 含水率梯度为水分扩散动力，在2 0 的含水率范围，温度不同时表面水分扩散系数大致相 同；但在低含水率范围，各种温度下水分扩散系数差异很大，所以认为蒸汽压力梯度比含 水率梯度作为扩散驱动力更合理。 尚德库等( 1 9 9 23 采用了等厚试什系数分离法，研究了等温条件下木材干燥动态导冰 系数( 扩散系数) 和换水系数( 表面扩散系数) ，认为扩散系数随含水率的减小而减小，含 水率高于纤维饱和点时换水系数随含水率的减小而增大，含水率低于纤维饱和点时换水系 数随含水率的减小而减小。 蔡力平等( 1 9 9 3 ) 研究了刨花板内水分动态扩散系数，认为刨花板中水分迁移的动态 扩散系数是个变量，与板内的含水率成i 次或二次的函数关系，开始随含水率的增大而快 速增大，然后增加的速度逐渐减慢。 杜国兴( 1 9 9 1 ) 采用烘干法研究了木荷和栲木两种木材的水分非稳态扩散性及其影响 因子，探讨了木材水分非稳态扩散的基本规律：( 1 ) 随着干燥介质温度的上升，两种木材 的水分扩散系数均增大；( 2 ) 随着介质相对湿度的提高，两种木材的水分扩散系数均减小： ( 3 ) 当含水率在纤维饱和点以上时，随着木材含水率的下降，水分扩散系数增加，当含水 率在纤维饱和点以下时，随着木材含水率的下降，水分扩散系数下降。 苗平( 2 0 0 0 ) 在其博士课题中采用高温干燥马尾松板材，研究了马尾松板材的水分非 稳态扩散性，也得到了与上述结论相同的规律。 李大纲( 1 9 9 7 、1 9 9 8 ) 采用常规干燥马尾松木材、高温干燥杨术，研究其在干燥过程 中水分的非稳态扩散，结论是在纤维饱和点以下，木材的水分扩散系数随含水率的降低而 降低。 李梁等( 2 0 0 5 ) 用非稳态法测定马尾松木材扩散系数，除得到了与杜国兴( 1 9 9 1 ) 一 样的结论外，还得到了马尾松纵向的水分扩散系数远大于横向的水分扩散系数，其比值约 在5 7 之间：径向的水分扩散系数略大于弦向的水分扩散系数，两者之比约为1 5 。 王进武( 1 9 9 1 ) 分别以云南松和木荷代表针叶材和阔叶材研究了木材干燥过程中的温 度场和含水率场，干燥中，木材内部温度高于湿球温度而低于干球温度。沿厚度方向存在 着温度梯度，随着含水率下降，木材内部温度逐渐向干球温度趋近；含水率梯度大时，木 材内部温度梯度也较大，但温度梯度没有含水率梯度明显，温度梯度曲线近似是含水率梯 度曲线的映像。可以利用测量温度梯度了解含水率梯度。 1 2 2 4 不等温非稳态水分扩散 s i a u 在1 9 8 3 年根据不等温稳态水分移动提出了木材中不等温非稳态水分移动的理 论，并且在1 9 9 4 年建立了木材内不等温非稳态水分移动的不可逆热力学模型。他认为：不 等温非稳态水分移动的理论适用于存在显著温度梯度的木材或木制品的干燥中。 关于不等温非稳态水分扩散在生产实际中已有采用，但没有用理论加以描述。 包其田( 1 9 8 8 ) 运用“蒸汽脱油与连续升温窑干联合工艺”对马尾松板材进行改性及 干燥处理，在汽蒸脱油一定时间后，关闭喷蒸管阀门，停止风机运转，打开进排气阀，让 窑内板材缓慢冷却。随着窑温降低，板材温度内高外低，在温度梯度的作用f ，水分蒸发 较剧烈，板材的降温过程也是板材的干燥过程，在降温的过程中，一般可干去1 4 1 3 的 含水率，有利于缩短干燥时间。 马世春( 1 9 8 5 2 0 0 4 ) 对几种阔叶材采用蒸汽综合干燥法，在干燥前期采用常压过热 蒸汽干燥，到干燥中后期为避免木材在高温，低湿的双重作用下产生开裂，从常压过热蒸 汽干燥工艺过度到常温干燥工艺。由于常温干燥温度较低，木材内部温度高于常温干燥介 5 质的温度，所以木材的温度梯度是内高外低，温度梯度与含水率梯度的方向一致，在这样 的动力状态下，内部水分逐步向表层传导，表层的水分又逐步汽化，两者的速度趋于平衡， 表面的水分蒸发减慢，应力也就减弱，可避免产生干燥缺陷。或者在含水率接近终含水率 时，用焖窑的方法同样能使水分由内向外移动。焖窑时，窑内温度自然下降，木材表面的 温度随之开始下降，但木材内部温度还高于表层温度，这样在自然降温的过程中，由于温 度梯度和含水率梯度的综合作用，水分还会缓慢地由内向外移动，而且木材的内应力也会 随着逐渐减弱或消除。这样，既节省能量消耗，又使木材的水分排除和应力消除。 波动干燥、半波动干燥和连续升温干燥也是应用了不等温非稳态水分扩散原理，只是 没有数学理论的分析。 1 2 3 前人研究小结 对辐射松板材高温干燥的研究主要集中在温度对材性的影响及降温后调湿处理过程巾 的应力变化，利用高温干燥后的降温来进一步对辐射松干燥的研究很少见到。 关于水分扩散，研究的学者有很多，由于其研究的出发点不同，所以对水分扩散的认 识也不同。在木材干燥中，木材内的水分扩散实际属于非稳态扩散，对于等温非稳态扩散 的研究已经相当成熟，并且得出了木材干燥中水分的等温非稳态扩散规律。至于不等温非 稳态扩散，虽然生产实际中有应用，但都没有从其理论上加以描述，而且也没有一定的规 律。 因此，本课题将要通过研究辐射松板材高温干燥后在其降温过程中的水分移动，研究 木材水分的不等温非稳态扩散，希望能够得到最佳的丌始降温点和相应的降温速度，获得 一个科学的降温工艺，并且为不等温非稳态水分扩散做一定的理论探索。 1 3 论文研究设想 对于高温干燥，在1 0 0 以上调湿处理作用不明显，正常采用先降温后喷蒸方法进行 处理。而高温干燥后期温度在1 2 0 左右，具有很大的降温空间。在降温过程中，板材内 部存在着芯层温度高，表层温度低的现象，在这种内高外低的温度梯度和含水率梯度的共 同作用下，板材在降温过程中水分由芯层向表层移动，致使厚度上含水率分布趋于均匀。 另外，在板材与介质之间存在着扳材温度高，介质温度低的温度梯度，在这种温度梯度的 作用下，板材在降温过程中水分要继续蒸发，所以板材平均含水率进一步降低。因此，本 课题设想将板材高温干燥到某一含水率( 比如2 0 ) 时，进行降温，研究木材在降温过程 中的水分移动，以及降温速度对板材内水分移动速度的影响，阱达到提高降温过程中辐射 松干燥速度的目的，用不等温非稳态理论分析降温过程中的水分移动，掌握在降温过程中 木材水分的移动规律，制定出合理的降温工艺，使得木材在干燥后质量能够满足特定要求 的前提下，提高干燥速度，缩短干燥周期，节约干燥成本，为解决生产实际问题提供理论 依据，并且能够对木材干燥过程中水分的不等温非稳态扩散做初步的理论探索。 6 1 4 研究内容 ( 1 ) 用不等温非稳态水分扩散研究降温过程中辐射松板材内温度、含水率的分布规律及水 分移动规律。 ( 2 ) 研究高温干燥后期降温过程中不同的降温速度对板材内水分移动速度的影响。 ( 3 ) 比较恒温高温干燥与前期恒温高温后期降温干燥的降温干燥过程中的含水率变化。 ( 4 ) 比较恒温高温干燥与降温过程干燥后板材的干燥质量( 分层含水率和应力) 。 ( 5 ) 研究辐射松木材在恒温高温干燥过程中的水分非稳态扩散。 ( 6 ) 研究辐射松木材在前期恒温高温后期降温干燥过程中水分的不等温非稳态扩散。 1 5 技术路线 将木材在恒 温高温( 1 2 0 9 3 ) 条 件下干燥 嘉r 程中术材水分1 一 的移动规律 制定出合理 的降温工艺 得到木材芯层温 度与芯层含水率 及平均含水率的 关系曲线并罔门 研究木材在降温过 程中的水分移动 研究降温速度对水 分移动速度的影响 为解决生产实际问题提供 理论依据 对术材干燥中水分的不等 温非稳态扩散做初步的理 论探索 得到木材芯 层温度与芯 层含水率的 关系式 对本材进 行降温 制定辐射 松板村的 恒温高温 干燥工艺 根据芯层温度与j s 层含 水率的关系，将扳材恒 温高温十燥到某一含水 牢( 比如芯层含水牢为 2 5 ) 时 1 6 研究手段及方法 ( 1 ) 用自制的经过标定和验证的热电偶测量木材存干燥过程中内部各层的温度。 ( 2 ) 用经过温度和树种标定的含水率测量仪测量板材在干燥过程中的分层含水率，并与切 片法所测的分层含水率进行比较。 ( 3 ) 求得恒温高温干燥过程中板材的芯层温度与芯层含水率的关系，选择合适的开始降温 干燥时的芯层含水率。用芯层温度作为控制参数，选择干燥过程中的开始降温点，对板材 进行前期恒温高温后期降温干燥试验。 ! 7 研究所取得的进展 本文借鉴了前人的理论研究与实践经验，在前人研究的基础上结合本研究对象的特点 及实际试验条件，对辐射松板材在恒温高温干燥过程中及前期恒温高温后期降温干燥过程 中的温度和含水率的分布和变化规律及横向水分扩散系数进行了研究：并根据恒温高温干 燥过程中板材芯层温度与芯层含水率的关系及开始进行降温时的芯层含水率，实现了在高 温干燥过程中用芯层温度作为控制参数，选择干燥过程巾的开始降温点，对板材进行前期 恒温高温后期降温干燥试验。从所查参考文献来看，本文与前人研究的区别之处在于： f 1 ) 前人对木材高温干燥的研究多集中在干燥温度对木材材性的影响以及板材在干燥结束 降温后的调湿处理过程中的应力变化，利用高温干燥后的降温来进一步对木材进行干燥的 研究很少见到。本文在木材高温干燥到目标含水率之前对板材进行阶段性降温，使得板材 在降温过程中进一步被干燥，在降温结束时达到目标含水率并且在干燥段结束直接可以进 行调温调湿处理。 ( 2 ) 对于等温非稳态扩散的研究已经相当成熟，并且得出了木材干燥中水分的等温非稳态 扩散规律。至于不等温非稳态扩散，虽然生产实际中有应用，但都没有从其理论e 加以描 述，而且也没有一定的规律。本文通过研究辐射松板材高温干燥后的降温过程中的水分移 动，研究了木材水分的不等温非稳态扩散，在得到合适的玎始降温点和相应的降温速度的 同时为木材干燥中的不等温非稳态水分扩散做了初步的理论探索。 ( 3 ) 本文实现了将木材恒温高温干燥中的芯层温度作为控制参数，选择合适的开始降温点， 对木材进行前期恒温高温后期降温干燥工艺试验。 2 辐射松板材在高温干燥条件下的干燥规律 本章将辐射松板材在恒温高温条件下( 于球温度1 2 0 、湿球温度9 3 ) 干燥，分析 了干燥过程中板材的芯表层温度、含水率随干燥时间的变化及干燥不同时刻含水率在板材 厚度上的分布。在恒温高温干燥过程中，通过对木材芯层温度分别与芯层含水率及甲均含 水率之间的关系曲线进行回归，得到了芯层温度与芯层含水率及平均含水率之间存在着一 定的关系，特别是芯层温度与芯层含水率之问的关系。通过芯层温度与芯层含水率的关系 及所测量到的温度，求得所测温度对应的含水率，这样就可以知道温度达到何值时，含水 率达到干燥要求。 2 1 木材内部温度场的测量 木材干燥过程中内部温度场的测量，是用热电偶埋入木材内部各种不同深度，在干燥 过程中定期测量由于温度的不同在热电偶上产生的电压，再将此电压换算成温度，便可知 道该热电偶所在位置随时问变化的温度。 2 1 1 热电偶的测温线路 用热电偶测量木材内部的温度的设备是：一套自制的铜一康铜热电偶，一台w k r 一 1 2 2 型油浸式多点切换开关和一台f p z 一1 导热系数数字电压表。 将测量用的各个热电偶按编号顺序依次连接到一个油浸多点切换开关上二，通过多点切 换开关使其依次与仪表相连接( 如图2 1 所示) 。为使测量的温度有一个参照点，将输出 的一端放入冰点槽中。冰点槽就是将保温瓶内盛满冰水混合物，热电偶的冷端放在冰水混 合物中，以保证冷端的温度为o 。 i 一埋入术材内的热电偶：2 一多点臼j 换开关；3 一数字式电压表 4 一装冰水混合的容器；5 一冷端热电偶；6 一冰水混合物 图2 1 热电偶测量仪表的连接图 2 ! 2 热电偶的标定 由于热电偶是自制的，因此在测量前必须对其进行标定，测定出热电势与温度之问的 关系式。标定时将热电偶的测量端和标准温度计一道插入电热箱中，在不同的温度f 测量 热电势与温度的对应值，并绘成曲线(