分蒸发速率模型及应用初探

Comment p x1 中文题目 中文题目 小二黑 体 不超过 20 个字 纸张版式 纸张版式 一律采用 A4 纸 通 栏排列 上 下 左 右页边距 2cm 单倍行距 Comment p x2 作者 作者 四号楷体 括号里注明论文研究方向 Comment p x3 数字 字母 数字 字母 文中 任意地方出现 都为 Times New Roman Comment p x4 摘要 摘要 小五号宋体 Comment p x5 关键词 关键词 小五号宋 体 以 间隔 关键词个数为 3 8 个 Comment p x6 英文题目 英文题目 Times New Roman 五号 加粗 首字母大写 其余均小写 专用名词除外 Comment p x7 英文摘要 英文摘要 T imes New Roman 五号 开头空两个格 Comment p x8 Key words Times New Roman 五号 以 间隔 均小 写 专用名词除外 Comment p x9 参考文献 参考文献 在文中 用上标标示出来 Comment p x10 正文一级标题 正文一级标题 四 号宋体 以 1 2 排序 前言部分 无标题 Comment p x11 正文文字 正文文字 五号宋 体 真空条件下木材表面水分蒸发速率模型及应用初探真空条件下木材表面水分蒸发速率模型及应用初探 何正斌 木材干燥 摘要 摘要 本文以截面为 20mm 20mm 长度分别为 100 150 200 250 300mm 五种尺寸规格的桦木为试材 在干燥温度分 别为 60 75 90 绝对压力分别为 0 02 0 04 0 06 0 07 和 0 08MPa 的真空条件下进行干燥处理 根据试验结果 计算出不同条件下 各种规格尺寸木材内部水分的移动速率 然后将其进行数学回归 进而得出各种规格试件干燥速率与 温度 绝对压力的关系式 之后 再将通过理论推导得出的关系式与上述回归方程进行比较 得出了木材表面水分蒸发速 率与内部水分移动速率之比 最后根据不产生木材干燥缺陷的最大 极限 速比 N 得出木材真空干燥过程中 不产生缺 陷时的温度和绝对压力的关系式 关键词 关键词 水分移动 干燥速率 理论推导 干燥缺陷 He Zhengbin The preliminary study of wood surface drying rate model and application under vacuum condition In this article birch is taken as specimen its sectional area is 20mm 20mm and length is 100 150 200 250 300mm respectively under the condition that the temperature is 60 75 90 respectively and the absolute pressure is 0 02 0 04 0 06 0 07 0 08MPa respectively at last calculate the inner drying rate of all the specimen and regress the equation between the temperature pressure and the drying rate Then theoretical deduce the surface drying rate of wood under vacuum condition and get the ratio of the surface drying rate and the inner drying rate assumption that there is the biggest ratio N which can cause drying defects as a result the optimum relationship formula between temperature pressure was got Key words water movement drying rate heoretical deduction drying defects 木材真空过热蒸汽干燥以其干燥速率快 质量好 适用材种多和占地面积小等一系列突出优点 日 益受到木材干燥界的广泛重视 被国际上认为是具有发展前景的木材干燥新工艺 国际干燥咨询委员会 主席 A S Mujumdar 教授指出 真空过热蒸汽干燥是一种创新的干燥技术 具有潜在的高效率 1 已有研究表明 2 4 真空干燥过程中干燥介质条件和条件的变化都会对木材内部水分移动速度产生很 大的影响 在木材干燥过程中 木材内部总是不可避免地产生内应力 当应力超过一定限度 木材就会 产生表裂或者变形等干燥缺陷而使得木材将等 5 6 很多研究表明 产生应力的主要原因是由于木材各个 部分水分蒸发不同步 而产生了含水率梯度 7 使得相邻两部分产生拉应力或者压应力 当这个应力超过 了木材所能承受的最大应力强度的时候 木材就产生了裂纹 为了进一步研究木材内部水分移动速率与 表面水分蒸发速率对木材干燥缺陷的影响 防止干燥过程中产生开裂等缺陷 对真空干燥过程中木材内 外水分移动速率的研究是很有必要的 本文通过理论推导得出在木材真空干燥过程中木材表面水分蒸发 速率理论模型 然后与实验中得到的木材内部水分移动速率进行比较 根据木材干燥过程中产生缺陷主 要是由于木材内外水分蒸发不同步而产生应力的原理 得出了木材在干燥过程中外界温度和绝对压力的 最佳配比 1 真空条件下木材表面自由水蒸发速率理论计算 在材干燥过程中 内部传热 传质的模型综合起来 比较典型的模型有 菲克扩散型模型 蒸汽压 力梯度型模型 luikov 型模型 siau 型模型和 watiker 型模型等 9 在这里用斯蒂芬定律来计算木材表面 水分蒸发速率 10 定律如下 1 BmA AA phTR pppD m 21 式中 m 水分蒸发速率 D 扩散系数 pA1 pA2 绝对压力差 RA 气体常数 T 热力学温度 h 蒸发面的高度 pBm 环境空气的分压 p 总绝对压力 2 BA BA VVp T D 11 7 435 2 3 13 1 5 1 式中 T 热力学温度 K p 总绝对压力 Pa A B 气体 A B 的分子量 Comment p x12 表 表 采用三线表 表名放在表的正上方 要有中英文两 部分 图 图 图名和图例放在图的正下方 图 名要有中英文两部分 图 表标题和内容必须在同一页面内图 表标题和内容必须在同一页面内 Comment p x13 二级标题 二级标题 五号黑 体 以 1 1 1 2 排序 Comment p x14 三级标题 三级标题 五号楷 体 以 1 1 1 1 1 2 排序 VA VB 气体 A B 在正常沸点时液态克摩尔容积 cm3 g mol 在很多情况下 为了方便起见 用下面经验表达式来代替上面的扩散系数计算式 3 5 1 0 00 T T P PD D 式中 D0 0 22cm2 s P0 1 01 105pa T0 273K P 实际绝对压力 T 实际温度 在实际真空干燥中 由于干燥介质主要是水蒸气或者过热蒸汽 绝对压力比普通大气压低很多 而 且由于有风速的存在 使得木材表面蒸发的水分可以被迅速带走 空气的净质扩散通量对静坐标系不为 零 所以真空状态下介质的很多特性都与湿空气不一样 所以在真空干燥中 认为在很短的时间里 木 材表面水分的蒸发对系统中各组分分压影响很小 而且由于真空泵保持着干燥箱里面的真空度 当干燥 箱里面有多余的水蒸气的时候 真空泵会自动将其抽走 所以认为木材周围的环境至始至终容纳水蒸气 的能力变化很小 基于上述假设 可以把真空状态下木材表面水分的蒸发速率用以下式子表示 4 5 hTR PD m A S RT S eP 10400 7 1075 8 6 7 5 1 0 00 T T P PD D A S RP TP hT PD m 5 0 5 1 0 00 式中 D0 0 22 P0 1 01 105pa T0 273K h 0 5cm R 1 987 P 绝对压 Pa T 温度 k PS 该温度下的饱和蒸汽压 11 RA 气体常数 根据上面得到的理论关系式 得到真空干燥过程中不同条件下 木材表面水分蒸发速率表 如表 1 1 表表 1 1 真空状态下木材表面水分理论蒸发速率表真空状态下木材表面水分理论蒸发速率表 Table 1 1 Wood surface vapor evaporative rate in vacuum drying 长度尺寸 mm 温度 绝对压力 Mpa 100150200250300 0 080 6781 0181 3571 6962 035 0 070 7751 1631 5511 9382 326 0 060 9051 3571 8092 2622 714 0 041 3572 0352 7143 3924 071 60 0 022 7144 0715 4286 7858 142 0 081 3672 0502 7333 4174 100 0 071 5622 3433 1243 9054 686 0 061 8222 7333 6444 5565 467 0 042 7334 1005 4676 8338 200 75 0 025 4678 20010 93313 66716 400 0 082 5953 8925 1896 4867 784 0 072 9654 4485 9307 4138 896 0 063 4595 1896 9198 64810 378 0 045 1897 78410 37812 97315 567 80 0 0210 37815 56720 75625 94531 134 2 真空条件下木材内部水分移动研究 2 1 材料及设备材料及设备 2 1 1 试验材料 白桦 产于东北林区 初含水率都在 60 以上 试件从桦木的生材锯材中进行截取 绝大部分的桦 木试件都没有节子也没有缺陷 试件采用横截面为 20 20 mm mm 长度分别为 100 150 200 250 和 300mm 的规格尺寸 2 2 试验装置试验装置 本试验采用真空干燥试验台作为试验装置 同时还用到上海天平仪器厂生产的 JA31002 型电子秤 最大称重 3100g 精度 0 01g 真空干燥试验台原理图见文献 8 2 3 试验方法试验方法 本研究的试验条件为绝对压力分别取 0 02MPa 0 04MPa 0 06MPa 0 07MPa 0 08MPa 干燥介质 温度分别取 60 75 90 在试验过程中 把试件分为两组 其中一组试件用环氧树脂和铝箔封闭 四个侧面 以保证在干燥过程中木材中的水分仅从端面蒸发 在真空干燥过程中 每隔 2 小时将试验台 恢复常压 把试件取出称重 当试件的含水率降至含水率 10 以下时 干燥结束 之后把试件放入烘箱 内烘至绝干 得到绝干重量 以此来准确测定木材干燥过程中各个时间段的含水率 进而得出各阶段的 干燥速率 每组试验重复三次 取三组试验数据的平均值为干燥速率的测量值 由于在实际干燥中 木 材的长度比端部尺寸大很多 水分主要从侧面蒸发 所以在本实验中最后将同等长度 同等干燥条件下 干燥的一组未包试件的干燥速率与封闭四个侧面试件的干燥速率相减近似为木材横向干燥的速率 2 4 实验结果实验结果 将所得数据归纳整理 并将一组中的未包试件平均干燥速率与封闭四个侧面试件的平均干燥速率相 减得到不同尺寸和不同干燥条件下木材横向干燥速率如表 2 2 表表 2 1 不同条件下木材的横向干燥速率不同条件下木材的横向干燥速率 Table 2 1 Wood cross drying rate under different condition 长度尺寸 mm 温度 绝对压力 MPa 100150200250300 0 080 0600 0540 0690 0680 065 0 070 0610 0650 0750 0750 072 600 060 0740 0750 0960 0770 078 0 040 0760 0880 1030 0800 095 0 020 1210 1270 1240 1230 108 0 080 0650 0650 0760 0760 088 0 070 0720 0760 0850 0860 095 750 060 0930 1110 1170 0970 104 0 040 1330 1240 1240 1240 113 0 020 1370 1330 1300 1300 133 0 080 0650 0860 1340 0850 092 0 070 0730 0990 1360 0850 109 800 060 0810 1070 1770 1430 114 0 040 1060 1290 2020 1600 123 0 020 1500 2030 2100 2360 201 从表中可以看出 在相同温度条件下 随着绝对压力的减小 木材的干燥速率升高 在相同的绝对 压力下 随着温度的升高 木材的干燥速率增大 但是为了进一步了解外界条件 温度 绝对压力 对 干燥速率的影响 下面对不同尺寸的试件的干燥速率进行回归 得出不同尺寸的木材的干燥速率与温度 绝对压力的关系 p t10 3 5430646 p t104 1969871 p 101 9705029 8 0 952 r p 182t0 00019791 t102 7281895 p 106 9403182 967t0 00079179 p 220 00568451 5t0 06741021 1 7825334m 26 2 6 3 6 236 2 5 2 5 p t 610 00684464 pt0 32270906541 70423p 9 0 941 rt104 8578365pt0 8919995765 708611p 577t0 00051275 34 0555p 69t0 004514200 72334342m 223 236 2 2 5 7 p51t0 00484704 pt0 88176051 95 665185p 100 979 rt102 3663398p0 7408826t34 259083p 63t0 00421300 26 825203p t0 24316215 4 4094964m 223 235 2 2 10 pt0 01492752 p4t 0 7170571349 77108p 110 958 rt101 2227964p2 0763301t112 90014p 68t0 00149091 75 738453p 6t0 033753020 89384219m 223 235 2 2 5 12 2 2 3 2 3 2 2 15 t lnp 12206 822 t lnp 10 910213 8 lnp 0 05157842 120 980 r 1683088 7lnp 295 85443 lnp 0 33437527 t 103949 79 np3 2686283l 1860 6528 11 770487m tt t m5 m7 5 m10 m12 5 m15 分别表示长度尺寸为 100 150 200 250 300 的试件在不同条件下的干燥速率 3 真空条件下木材干燥最佳外界条件的探讨 为了比较真空干燥过程中 木材表面水分蒸发速率和内部水分移动速率 现将木材表面水分理论蒸 发速率与木材内部实际水分蒸发速率相比 得到如下表 3 1 表表 3 1 真空干燥过程中木材表面水分蒸发与内部水分蒸发速率之比真空干燥过程中木材表面水分蒸发与内部水分蒸发速率之比 Table 3 1 The ratio between surface drying rate and inner drying rate in vacuum drying 长度尺寸 mm 温度 绝对压力 Mpa 100150200250300 0 0811 30818 84619 66624 94431 314 0 0712 71117 89420 67725 84732 308 0 0612 22518 09318 84629 37134 793 0 0417 85523 13026 34842 40442 851 60 0 0222 42932 05443 77255 16075 386 0 0821 02631 53835 96544 95646 591 0 0721 69330 82736 75145 40449 323 0 0619 59424 62531 14946 96452 564 0 0420 55133 06444 08655 10772 566 75 0 0239 90361 65484 102105 128123 308 0 0839 91645 25338 72476 31084 604 0 0740 61944 92743 60587 21181 610 0 0642 70848 49639 08960 47891 036 0 0448 95360 33851 37781 079126 562 80 0 0269 18776 68598 839109 937154 897 从上表可以看出 随着温度的增加 二者的差异增大 随着绝对压力的降低 差异也增大 对于木 材干燥来说 在干燥过程中的很多缺陷都是由于应力的产生 而且大多数应力的产生都是由于表面水分 蒸发和内部蒸发不同步 二者差异愈大 干燥应力越大 干燥缺陷也就越大 所以为了指导实际生产 了解外界条件对木材干燥的影响 下面对不同长厚比的木材进行探讨 Comment p x15 参考文献 参考文献 小五号 宋体 Comment p x16 具体参考文献写法具体参考文献写法 参照本文写法 中文参考文献可以不 写英文翻译 假设在木材干燥过程中存在一个临界比值 N 当在某段时间内 木材表面水分蒸发速率与内部水分移动 速率之比 n 大于 N 的时候 木材由于内外水分蒸发速率差异太大而产生的内应力大于木材所能承受的最 大应力 此时木材就会产生干燥缺陷 所以只需要二者的比值 n 小于这个临界值就行了 对于长厚比分别为 5 7 5 10 12 5 15 的五种规格的木材 将相应的数据带入理论式子 得到各 长厚比木材的表面蒸发速率 如下 13 14 P 273tP 171 0 m s 5 P 273tP 257 0m s 7 5 15 16 P 273tP 343 0 m s 10 P 273tP 429 0 m s 12 5 17 P 273tP 514 0m s 15 为了使其在干燥过程中不产生缺陷 必须满足 m m 所以在实际干燥中 对于这五种规格的木材只需要满足下式即可 18 19 20 0m 55 mN0m 5 77 5 mN0m 1010 mN 21 22 0m 5 1212 5 mN0m 1515 mN 4 结论与讨论 1 真空干燥中 木材横向水分移动速率与温度成正比 与绝对压力成反比 2 根据真空干燥的一些特点结合斯蒂芬定律得到了真空干燥条件下 木材表面水分蒸发速率公式 A S RP TP hT PD m 5 0 5 1 0 00 3 真空干燥过程中 木材表面水分移动速率大于内部水分移动速率 而且这个数值在 10 150 之间变化 并且随着温度的升高而增大 随着绝对压力的减小而增大 4 相比常规干燥 真空干燥过程中由于木材表面水分蒸发速率大于内部水分移动速率 这样导致内部应 力增大 产生缺陷的可能性更大 在本实验中通过产生缺陷的临界速率比 求出了不同长厚比的条件下 不产生干燥缺陷的外界条件 温度 绝对压力 如式 18 22 所示 5 文中的极速比 N 还需要进一步实验进行探索 以真正确定木材干燥过程中 内外水分移动速度差异对 干燥缺陷的影响 参考文献参考文献 1 Mujumdar 著 史永春译 干燥过程原理与设备及新进展 J 济南出版社 2002 114 137 Mujumdar Translate by SHI Y C The theory of drying process and machine and new development J Jinan Press 2002 114 137 2 伊松林 张壁光 常建民 木材真空 浮压干燥过程中自由水迁移特征 J 北京林业大学学报 2003 25 4 59 63 YI S L ZHANG B G CHANG J M Characteristics of free water movement in wood drying process under vacuum floating pressure J Journal of Beijing Forestry University 2003 25 4 59 63 3 伊松林 张壁光 常建民 木材真空 浮压干燥过程中吸着水迁移特征分析 J 北京林业大学学报 2003 25 6 59 63 YI S L ZHANG B G CHANG J M Characteristics of absorbed water movement in wood drying process under vacuum floating pressure J Journal of Beijing Forestry University 2003 25 6 59 63 4 伊松林 张壁光 常建民 木材真空 浮压干燥特性的试验研究 J 林业科学 2004 40 4 68 71 YI S L ZHANG B G CHANG J M Study on drying properties of wood under vacuum floating pressure J Scientia Silvae Sinicae 2004 40 4 68 71 5 Mohssine Moutee AE Yves Fortin AE Mario Fafard A global rheological model of wood cantilever as applied to wood drying J Wood Sci Technol