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1、CH3 木材对流加热与 干燥中的规律性 干燥的愿望 达到目标含水率 获得良好的干燥质量 能量的效能高 对环境的影响最低 然而，干燥并不是一 直是我们所期待的！ Approaches 了解干燥过程的基础规律 优化干燥条件和干燥过程 采用新的干燥技术 干燥中的热量传递 干燥中的质量传递 木材内部的水分移动 木材表面的水分蒸发 局部层次 材料内部的传热传质 材料与干燥介质之间 的传热传质 系统内介质状态变化 与干燥速率 干燥系统的质量与能 量平衡 木材对流干燥过程 木材对流干燥过程 中的应力应变 本章重点（难点） 干燥过程的本质：热量的传递(Heat transfer)引 起水分的由内至外的迁移(M
2、ass transfer)，随之 发生的是木材的干缩及其带来的干燥应力问题。 木材在饱和介质中对流加热的计算 木材水分迁移途径与规律 木材干燥中的应力应变发展规律 3.1 木材干燥 中的热量传递 传热的基本形式 导热：热压干燥；木材内部的传热 对流：太阳能干燥；大气干燥；常规窑干（湿空气、热炉气、 过热蒸汽） 辐射：微波干燥；高频干燥 导热的形式 稳态导热：温度场不随时间的变化而变化 非稳态导热：温度场随时间的变化而变化 对流干燥中 的热量传递 介质与木材的对流换热 木材内部的导热 介质与换热器的间壁对流换热 窑体与系统的对流换热 导热傅立叶定律 （Fouriers Law） 热流密度与温度梯
3、度成正比。 x TT k x T k A Q = = 21 n t q = 负号表示热流密度方向与温度梯度方向相反。 导热系数，表征物体导热能量的物理量。 对流换热 牛顿冷却定律 表示对流换热强度的参数，受对流换热过 程中的许多因素影响，难以量化。 F tt ttFQ wf wf 1 )( = 透过窑壳的散热稳定对流换热 窑壳常为复合结构 2 2121 21 /),()( 11 1 mWttktt b q= + = )/(, 11 1 2 21 CmW b k o i i + = 式中参数：窑壳内、外表面的放热系数；窑 壳的厚度；窑壳材料的导热系数。 窑壳的传热系数 介质与木材的对流换热 木材
4、内任一点的温度变化（导热微分方程） 实际简化 )( 2 2 2 2 2 2 z t y t x t a t + + = )( 2 2 2 2 y t x t a t + = 2 2 2 2 y t a x t a t tr + = 木材的导温系数 =ca/ 加热时木材表面的温度，近似认为 等同于加热介质的温度。 饱和介质或热水中的加热（特定边界条件下的解） 非饱和介质中的加热 求解是经验方法，过程复杂，结果也不太精确 由于换热表面存在边界层，换热热阻远大于饱和介质换热， 因此在不饱和介质中加热的时间远比在饱和蒸汽中长得多。 += + h y b x etttt h a b a tr sinsi
5、n 16 )( )( 101 22 2 2 3.2 干燥中的质量传递 流体穿过木材的迁移分为两种 主要类型： 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（大毛细管系统）的 流动；可用达西定律表述。 取决于木材的渗透性（其 与木材的密度无关，最主要 的影响因素为有效纹孔膜微 孔半径和数量） 孔隙率？（抽提物堵塞或 纹孔闭塞） 扩散，即水蒸气穿过细胞腔中空气的扩散及结合水在细 胞壁中的扩散；可用菲克定律表述。 3.2 干燥中的质量传递 压强梯度的存在使气体或液体在 多孔性物质中产生流动，形成质量传 递，称之为渗流或渗透，可用达西 （Darcy）定律予以描述。 dy dP
6、kJv= 比例系数，同介质的孔隙状 况有关（如木材的渗透性）， 又同流体的粘流性质有关。 3.2 干燥中的质量传递 浓度梯度存在，分子无规则的运动促使各处浓 度处于均匀一致，此为分子扩散，可用菲克（Fick） 定律描述。 3.2 干燥中的质量传递（定性描述） 途径一：沿着连续不断的细胞壁移 动，由水分浓度差引起的结合水的 分子运动 途径二：通过细胞腔到纹孔，再到 细胞腔：在FSP以上由毛细管力驱 使，以液态形式的自由水为主；在 FSP以下由水蒸气分压差驱使，以 气态形式的水蒸气为主 途径三：为途径一与途径二的混合 针叶材内水分流动途径Various flow paths through sof
7、twoods (Stamm, 1967). 纤维饱和点以上时 木材中水分移动 以自由水移动为主，移动动力为毛细管压力差，其由毛细管内气 水交界面上水分的表面张力引起。 以针叶材管胞为例，管胞锥形端部相互交搭，且纹孔多在锥形端 部的径面壁上。当自由水沿管胞腔移动时，由于木材表层水分蒸 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 部毛细管半径较小，因此，毛细管张力增大，而木材内部含水率 较高，毛细管半径较大，张力较小，因此，木材中存在从内到外 的毛细管张力梯度。其迫使自由水沿管胞及管胞壁上的纹孔由内 向外移动，且流动方向多沿管胞的弦向。 纤维饱和点以上时木材中水分移动 自由水的流动强
8、度 式中：El为液体流动的有效渗透性，与木材的液体渗透 性有关；p为毛细管张力；x为木材中自由水流动的距离， 即板厚的一半。 由于水分移动容易，木材体积不发生变化，一般来讲在 理论研究与实际生产实践中的意义均不大。 纤维饱和点以下时木材中水分 扩散 一）：结合水间歇穿过纹孔膜 和细胞壁（横穿壁）以及连续 穿过细胞壁（沿着壁）的扩散。 二）：水蒸气通过细胞腔及细 胞壁上的纹孔由内向外扩散。 纤维饱和点以下时木材中水分扩散 结合水的扩散（稳态扩散） 菲克第一定律 等温状态下 非等温状态下 )( dx dT dx dM D dx dc DJ+= tM =/ 热力梯度系数，即木材内1温 差造成的含水率
9、差，查图获得。 dx dM D dx dc DJ= 水分扩散系数 水分浓度梯度 水分扩散方向上 的含水率梯度 纤维饱和点以下时木材中水分扩散 结合水的扩散（非稳态扩散） 非稳态扩散：当水分扩散强度与梯度随空间和时间而异， 适用于菲克第二定律 对实际问题的简化：水分扩散只沿板材厚度方向进行， 即为一维的问题： )( x M D xt M = 结合水穿过细胞壁的水分扩散 系数的影响因子 树 种：密度大，内含物多的水分移动困难 心边材：边材比心材容易 纹 理：纵向（导管）径向（木射线）弦向 含水率：含水率高，水分的活化能大，易于移动；含水 率高，微纤丝表面的水分子层数多，与细胞壁物质接触 松，移动方
10、便 温 度：水蒸气分压大，水分扩散强度大；水的粘性下 降，流动性增加；水的活化能增加，易于扩散 纤维饱和点以下时木材中 水分扩散水蒸气的扩散 水蒸气通过细胞腔及细胞壁上的纹孔 由内向外扩散。 横向通过时，大部分扩散阻力来自纹 孔口和纹孔膜上的小孔； 纵向扩散时大部分阻力来自细胞腔。 无论在纤维饱和点之上还是之下，均 可以用菲克第一定律表示： 温度梯度对水分扩散的影响 水分扩散的传统观点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。后者带来的水分传 递现象被称为热湿传导性。 但Bramhall认为温度差和水分浓度差（含水率差）本身 使水分移动的观念难以置信，其认为温度差只能传递
11、热 量，只有水蒸气压力差才能促使物质水分移动，而温 度或含水率的提高均可以使水蒸气分压提高。据此，其 提出的水分扩散方程为： dx dP DF P = )( dx dT C dx dc TR dx dP += 木材表面的水分蒸发 自由水面或表层含水率高于FSP时的木材表面的水分蒸 发强度： )( 0v ppBi= 蒸发温度下 的饱和蒸汽压 周围空气的水 蒸气分压力 若相对湿度等于100%，则表面蒸发系 数为0，蒸发强度为0。 （水平与垂直蒸发面气流） 木材表面的水分蒸发 表层含水率低于FSP时木材表面的水分蒸发。若木材表 面的水蒸气分压力大于周围介质的水蒸气分压力，则 木材表面的水分蒸发；否则
12、，反之。 此时，水分蒸发强度 表面水分蒸发系数全干密度（木材表层的含水 率介质平衡含水率） )( 0 EMCMCai surf = 表面水分蒸发系数表明水蒸气分子逸过木材表面边界 层，扩散到周围空气中去的能力，与空气的温度、相 对湿度及气流速度有关，可用图确定。 木材表面的水分蒸发 影响因子（人为可控因子，干燥的外 因） 介质温度 气流速度 介质湿度 干燥介质 三要素 例题 将一块生材状态的松木板材置于相对湿度为 100的密闭室温环境中，请问其含水率的变 化情况是？ A ）上升 B ）不变 C）下降 为何？ 3.3 木材对流干燥过程 干燥曲线：含水 率随干燥时间的 变化曲线。 预热阶段： 等速
13、干燥阶段： 减速干燥阶段： 临界含水率（Critical Moisture Content） 含水率高的单板、刨花或纤维干燥可以明显观察到上述 干燥三阶段，但对锯材窑干来讲并不如此。 含水率高于纤维饱和点时的干燥过程 含水率低于纤维饱和点时的干燥过程 木材干燥中水分迁移的理想状态 在保证干燥质量的前提下，根据木材干燥特性 做到内部水分迁移速度与表面水分蒸发速度的 平衡。 易干针叶材薄板 难干阔叶材厚板 控制干燥介质三要素表面水分蒸发速度 预处理措施调节木材干燥特性内部迁移速度 影响木材干燥速度的因子分析 外因：干燥三要素（温度、湿度、气流速度） 内因：树种、板材厚度、含水率、心边材、纹 理方向
14、（弦切板径切板） 干燥时间（10040mm 辐射松板材从生材 至12%的水分） 低温干燥（60/50）：120-144h 常规干燥（70/60 ）：84-108h 加速干燥（90/60 ）：42-54h 高温干燥1（120/70 ）：15-19h 高温干燥（140/90 ）：12-14h 超高温干燥1 （180/100 ）：5-6h 超高温干燥2 （200/100 ）：3-4h 3.4 木材对流干燥过程 中的应力应变 产生原因：物体产生原因：物体各部分变形不一致各部分变形不一致， 即产生内应力。即产生内应力。 对于木材干燥而言，有两个原因：对于木材干燥而言，有两个原因： 含水率梯度含水率梯度
15、干缩系数差异干缩系数差异 3.4 木材对流干燥 过程中的应力应变 干燥应力产生的基本要点： 木材任何部分的含水率降低到FSP以下，即产生干缩； 木材正常干缩受到抑制，就会产生拉应力，其它部分则相 应地产生压缩应力，以使应力平衡。 当木材受应力，就会产生变形或应变 应力无法直接测量，通常是通过对变形的测量来间接反映， 具体方法有叉齿法、应变片法、瓦弯法等。 叉齿法 瓦弯法 应变片法 应力应变种类（传统观点） 干燥全应力含水率应力残余应力： 含水率应变（弹性应变）含水率应变（弹性应变）：受短时间的应力作用，且 在比例极限范围之内，由含水率梯度产生，随着含水 率梯度的变大而增大，含水率梯度消失则消失，为可 恢复变形，只在干燥过程中影响干燥质量。 残余应力应变（塑性应变）残余应力应变（塑性应变）：应力超过了比例极限或 虽在比例极限范围之内，但作用时间很长，因木材是 弹塑性体引起，不可恢复，产生的应变在力除去之后 并不消失，干燥过程中和干燥结束后均影响干燥质量。 木材干燥应力与缺 陷发生过程 1 木材含水率高于FSP，无干缩，无应力，无缺 陷； 2 早期干燥阶
