木材微波-真空干燥特性研究

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1、木材微波-真空干燥特性的研究（作者：李賢軍，導(dǎo)師：張璧光教授）摘要干燥是木材加工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它不僅能源消耗大，工序周期長，而且干燥質(zhì)量的好壞直接關(guān)系著木制品質(zhì)量的優(yōu)劣。鑒于傳統(tǒng)干燥技術(shù)在解決大尺寸、難干人工林闊葉材干燥問題方面遇到了難以逾越的困難，微波-真空干燥作為一種低溫快速干燥新技術(shù)，為木材的高效高質(zhì)干燥提供了可能。但至今，未見文獻對木材的微波-真空干燥規(guī)律和干燥機理進行系統(tǒng)報道。本文以馬尾松試材為研究對象，系統(tǒng)研究了木材的微波-真空干燥特性，揭示了木材微波-真空干燥的一般規(guī)律，闡述了木材內(nèi)部的熱、質(zhì)遷移機理，建立了數(shù)學(xué)模型對

2、木材的微波-真空干燥過程進行高精度的數(shù)學(xué)模擬，進而為木材微波-真空干燥工藝的優(yōu)化和過程控制提供理論依據(jù)。這一探索性研究，以全新的理念為木材干燥技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展開辟了一條新的道路。本研究的主要成果和創(chuàng)新點有：1.探明了馬尾松木材的微波-真空干燥規(guī)律。研究表明：①隨著微波輻射功率密度、木材初含水率和干燥室真空度的增加，木材的平均干燥速率增加；②木材的尺寸（厚度和長度）對木材的平均干燥速率沒有明顯規(guī)律性影響；③木材的紋理方向?qū)λ值倪w移速率有一定的影響，其大小關(guān)系為：未封閉試件＞縱向＞徑向＞弦向。④方差分析顯示只有微波輻射功率密度和木材初

3、含水率對平均干燥速率的影響顯著，而其它因素對平均干燥速率的影響不顯著；⑤木材的整個微波-真空干燥過程可以劃分為三個階段：快速升溫加速干燥段、恒溫恒速干燥段和后期升溫減速干燥段，其中恒溫恒速干燥段在整個干燥過程中占據(jù)相當(dāng)大的比例，這與常規(guī)蒸汽干燥形成了鮮明的對比；一般在含水率為15%到25%范圍內(nèi)，干燥過程從恒溫恒速干燥段向后期升溫減速干燥段過渡；在快速升溫加速干燥段，木材溫度快速升高，水分蒸發(fā)速率緩慢增加，此時，絕大部分的微波能用來提高木材的溫度；在恒溫恒速干燥段，木材內(nèi)的溫度基本維持恒定，木材的干燥速率也維持在某一定值附近，此時絕

4、大部分的微波能用來蒸發(fā)木材中的水分，干燥速率的大小主要取決于微波輸入功率密度；在干燥第三階段，木材的溫度繼續(xù)上升，但木材內(nèi)水分蒸發(fā)和干燥速率逐漸降低，此時輸入的微波能一部分用于升高木材的溫度，一部分用來蒸發(fā)木材內(nèi)剩余的吸著水。⑥在微波-真空干燥過程中，每千瓦的微波能可以排除0.7～1.2kg的水分，且隨著初含水率和真空度的增加，微波能的利用效率顯著增加；⑦木材微波-真空干燥具有很高的干燥速率。工藝試驗證明木材的微波-真空干燥速率比真空浮壓干燥速率還要大5倍以上。2.揭示了微波作用對木材內(nèi)水分遷移性能的影響規(guī)律，建立了纖維飽和點以下木

5、材水分擴散數(shù)學(xué)模型。研究表明：微波處理能有效破壞木材的紋孔膜結(jié)構(gòu)，提高木材的滲透系數(shù)，可以加快以滲透方式作為水分遷移機理的干燥方法的干燥速率；微波處理對馬尾松木材擴散系數(shù)的提高程度不超過3%，從而對以擴散方式作為水分遷移機理的干燥方法的干燥速率無明顯影響（如常規(guī)干燥）。3.闡明了微波-真空干燥中，熱擴散效應(yīng)對木材內(nèi)水分遷移的影響規(guī)律。研究表明：在較短時間溫度梯度作用下，木材內(nèi)的水分會由木材熱端向冷端遷移，形成與溫度梯度相反的含水率梯度場，含水率梯度與溫度梯度的比值（dM/dT）在0.9%/℃以下；隨著木材溫度、溫度梯度和初含水率的增

6、加，木材中的熱擴散效應(yīng)越明顯，其中溫度和含水率是影響熱擴散效應(yīng)的最主要因素；在微波-真空干燥過程中，就整個板材而言，熱擴散效應(yīng)對木材中水分遷移的影響不大，但在局部有限范圍內(nèi)，它對自動平衡木材內(nèi)含水率具有顯著作用。4.探明了微波-真空干燥過程中木材內(nèi)的熱、質(zhì)遷移機理，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型對木材的微波-真空干燥過程進行模擬。研究表明：①在一定的輻射強度（160kw/m3）和厚度（60mm）范圍內(nèi)，在干燥的絕大多數(shù)時間里，木材內(nèi)的溫度分布比較均勻，但在干燥后期，木材內(nèi)部溫度分布的不均勻性有加大的趨勢；微波-真空干燥中，木材內(nèi)部的溫差是由

7、于微波場分布的不均勻和木材內(nèi)不同部位介電特性的差異形成的局部材料對微波的吸收不一致導(dǎo)致的，這種溫度差具有局部性。②微波-真空干燥中，木材內(nèi)部的含水率分布比較均勻，在木材厚度方向沒有明顯的整體性含水率梯度，不存在明顯“干燥面”，隨著干燥過程的進行，木材內(nèi)的含水率分布更加均勻；在干燥初期，木材表面可能會發(fā)生水分“積聚”現(xiàn)象，水分“積聚”的程度與真空度、微波輻射功率及表面水分蒸發(fā)速率等因素有關(guān)。③當(dāng)木材含水率在FSP上時，木材中的自由水和水蒸汽在壓力梯度的作用下以滲透流的形式在木材內(nèi)部遷移，遷移的強度主要取決于微波輻射強度和木材初含水率；

8、當(dāng)木材含水率在FSP以下時，木材中的吸著水本身不產(chǎn)生移動，而是向鄰近的細胞腔蒸發(fā)，再在壓力梯度的作用下，以水蒸汽的形式向木材表面遷移；在微波-真空干燥過程中，因熱擴散、毛細張力、含水率梯度引起的水分遷移可以忽略不計。④基于微波-真空干