1、理論分析循環風速對木材常規干燥速率的 影響作者：賈瀟然，鄭拓宇，潘宇峰，等 來源：林業科技2016年第2期賈瀟然1鄭拓宇1潘宇峰1趙立志2*（1.黑龍江省木材科學研究所，哈爾濱150081; 2.黑龍江省林業科學院，哈爾 濱 150081）*黑龍江省森林工業總局應用研究項目（sgzjY2013007）摘要：木材常規干燥過程中，除干燥室中介質的溫度和濕度外，循環風速也是一個影響 干燥速度的重要參數。本文根據傳熱傳質理論，主要建立常規干燥傳質數學模型、邊界條件以 及界面條件，分析了風速對木材表面蒸發速度的影響。結合木材內部水分傳輸速度與表面蒸發 速度，理論分析了循環風速對干燥速率的影響。關鍵詞：循

2、環風速；常規干燥；傳質模型中圖分類號：S 781. 71文獻標識碼：A*黑龍江省森林工業總局應用研究項目（sgzjY2013007）文章編號：1001 - 9499（2016）02 - 0028 - 04木材的干燥過程實質是木材表面及內部水分的排除過程，不論是采用傳統的對流干燥方法， 還是采用微波、高頻等先進的干燥方法以及聯合干燥方法，其干燥過程主要都分為以下兩個部 分：（1）木材內部發生的熱量、質量遷移；（2）木材表面與干燥介質（或環境）發生的熱量、 質量交換。因此要合理加快干燥速度，促進協調這兩方面的移動1 。除影響木材干燥速度的 兩個主要因素一一溫度和濕度外，氣流循環速度（循環風速）也是

3、影響木材干燥速度的一個重 要因子。在對流干燥過程中，高速氣流能破壞木材表面上的飽和蒸氣層，從而改善干燥介質與 木材之間傳熱傳質條件，加快干燥速度2 。但對于難干材，或者當木材含水率較低時，通過 提高氣流循環速度來加快木材表層水分的蒸發速度，不僅不能提高干燥速度，反而會增大木材 內部含水率梯度，增加木材干燥缺陷的概率3。因此，在干燥過程中，針對不同樹種，不同 含水率階段，根據氣流循環速度對木材表層含水率蒸發速率的影響，正確選用合理的循環風速， 不僅對提高干燥速度，提升干燥質量具有較大有現實意義，而且采用變頻風機將能大幅度降低 能耗。近年來，國內外專家在“變頻循環風速對干燥速度影響”方面進行了一系

4、列研究并取得 了一些成果4 - 9 。本研究在此基礎上，基于干燥數學模型，從理論上對木材內部水分移動 速度與表層蒸發速度的關系進行初步探討，研究在不同含水率階段循環風速對干燥速度的影響， 以期能為制定合理干燥工藝提供參考。1研究內容木材干燥過程實際上就是能量（熱量）和質量（水分）轉移的過程，理論分析方法即是采 用計算傳熱傳質學的研究方法，用數學問題的解法去模擬真實干燥的過程。數學建模是一種高 效、廉價、靈活的手段和方法，結合多孔材料（木材）本質屬性建立的數學模型，能反應干燥 過程中真實的物理過程；隨著計算機技術的飛速發展，借助計算機數值模擬技術，對基于多孔 介質傳熱傳質理論的干燥模型進行求解，

5、可以獲得更多在實驗室中難以獲得的信息。干燥數學 模型主要包括控制方程以及邊界條件等內容。1質量守恒控制方程本研究僅針對循環風速對干燥速率的影響開展討論，因此環境溫度、濕度假定為恒定值。干燥速率的快慢，由木材水分及水蒸氣遷移的速度來決定，在常規對流干燥板材時，由于木材 厚度遠小于木材長度與寬度，因此通常認為木材內絕大部分水分沿厚度方向進行遷移，且不同 含水率階段水分遷移方式不同。纖維飽和點之上，木材內部主要遷移的是自由水，根據質量守 恒定律，自由水控制方程可用菲克定律表示10 ，式（1）的含義是單位時間、單位體積內自 由水質量的變化量（等式左邊項）等于單位時間內以擴散形式遷入或者遷出該單位體積自

6、由水 的質量（等式右邊項）。（1）式中，Pd為木材絕干密度（kg/m3）； Dls為液相水質擴散率（m2/s）； M為含水率（%）； t為時間（h）； z為板材厚度方向距離（m）。纖維飽和點之下，木材內部只有吸著水，吸著水控制方程見式（2），其含義是單位時間、 單位體積內吸著水質量的變化量（等式左邊項）等于單位時間內通過擴散遷入或遷出該單位體 積吸著水的質量（等式右邊第1項）減去由于吸著水蒸發而減少的質量（等式右邊第2項）。纖維飽和點之上，木材內部水蒸氣為飽和蒸氣，并且不存在宏觀移動。在纖維飽和點之下， 木材內部水蒸氣為不飽和水蒸氣，水蒸氣控制方程見式（3），其含義是單位時間單位體積內水 蒸氣

7、質量變化量（等式左邊項）等于單位時間內以擴散形式遷入或遷出該單位體積水蒸氣的質 量（等式右邊第1項）加上由于吸著水蒸發而增加的質量（等式右邊第2項）。(3)式中，小為孔隙率；Pv為水蒸氣密度（kg/m3）； Dvs為水蒸氣質擴散率（m2/s）。2邊界條件循環風速對干燥速度的影響主要體現在木材表層水分蒸發速率上，因此干燥數學模型的邊 界條件非常重要。在板材中心處（z=0,見圖1），由于板材在干燥時上下表面同時加熱，根據 對稱性可以把z=0處看作是隔濕面。當木材表面含水率高于纖維飽和點，對應式（1），它的 邊界條件如下：(4)(4)iZ在木材表面（z=H/2處），取第三類邊界條件，即認為通過該邊界

8、可以和環境進行質量交 換，如圖2。對應式（1），它的邊界條件如式（5），其含義是從木材內部以擴散形式到達木材表層單 位表面積液相水的質量（等式左邊項）等于該單位表面積上蒸發水分的質量（等式右邊項）。 TOC o 1-5 h z -仇片，（$式中.職為木材端血的表而瓣發率kgrrP-s： 對流傳質的方程如式6）爪日攻八-卜）（8）將式5）與成合并，得到式7） HYPERLINK l bookmark9 o Current Document -hpdT =n,（p,- ptf）（ 7）dr式中，Pv為木材表層溫度所對應的飽和水蒸氣密度（kg/m3）；Pve為環境水蒸氣密度 （kg/m3）； hm為

9、對流傳質系數（m/s）。當木材表面含水率低于纖維飽和點時，形成一條分界線將木材內部分成干區與濕區兩部分， 隨著干燥繼續進行，該分界線（移動界面）逐漸向木材中心移動，即干區面積不斷增大，濕區 面積不斷減小，直到移動界面退至木材中心處，即整個板材含水率降至纖維飽和點之下，濕區 消失（圖3）。國3 1堿材櫥痂傳熱傳質示懿在含水率等于纖維飽和點的移動界面處控制方程見式（8），其含義是單位時間移動界面后 退空間所包含的液相水質量（等式左邊項）等于由于界面上液相水蒸發的水蒸氣從木材內部以 擴散形式遷移至木材表面后傳輸給環境的質量（等式右邊項）。粉*二場祉I q2循環風速對干燥速度的影響1表面傳質系數與循環

10、風速的關系從式（1）到式（8）可以看出，在介質溫度、濕度恒定的情況下，表面傳質系數、質擴散 率、材料厚度將影響水分傳輸速率，其中表面傳質系數影響最大。表面傳質系數hm被表示成無 量綱形式9 。無量綱表面傳質系數見式（9），命名此無量綱特征量為舍伍德數（Shewood number），記作 Sh。（9）式中，Dva為水蒸氣對空氣的質擴散率（m2/s）。表面傳質系數的實驗關聯式為式（10），式中Sc關聯式見式（11）。JI循環風處于流動狀態，它根據雷諾數Re（Reynold number，Re）的大小來判斷。Re數的定 義式為式（12），其物理意義可理解為氣流的慣性力與粘性力之比。1 2 徵土.

11、M流 世 Y 原材l ：-| Hl Sc暗站.氣京3上禰她也土 從層圭如的神濟過謎的Fte 覲翊沔臨那效一 i作月.平歸上Mi抒屋一恤砰E 帶敗則筆件七1=】，U甄tfi陀用汰IB 3* 1廿立網變化（花-個沒有0何的林伊SJL漁i I佐成云Hi史.或 1由一代中顧4T及遇、g、 W1力*&! a、硝在 空牲斷喪”中恨刷空氣溫虺 町立播者尚 QD Mz r-?2i_=o a&a| - | 22ai_ I a-.式，I，.y為諷珂氣編掉過木材善mi的.土膜 I nvsi J-地氣尚勺:+：村表1ilS夠的I-虺 m.式中，u為循環氣流掠過木材表面的速度（m/s）, L為氣流與木材表面接觸的長度（

12、m）。通過式（13）可以看出，在木材尺寸、溫度、濕度保持不變的情況，即質擴散率、動力粘 度為常數的情況下，表面傳質系數由風速來決定。2表面傳質系數與干燥速度的關系上述控制方程是非常復雜的非線性偏微分方程組，如果要計算水分傳輸速度，即干燥速度， 需要利用有限差分法將上述偏微分方程組進行差分處理得到相應的差分方程，然后利用計算機 編程進行求解。本文以含水率高于纖維飽和點之上的濕區邊界為例，將式（1）經過差分處理得 到差分方程如式（14）。羅賂醐翰W）成向）矛i1的將權檔過差分處理得到差分方程式15）時吼S抑J（低式（14）的含義是單位時間內單位體積自由水的由木材內部木材表面的傳輸速率，即內因； 式

13、（15）的含義是單位時間單位表面積木材表面水分蒸發速率，即外因。如前文提到，要合理 加快干燥速度，需要協調內外兩方面的因素，因此保持其他條件不變的情況下，可以通過調節 循環風速，即改變表面蒸發率使得木材表面蒸發速度與木材內部水分遷移速度保持平衡，從而 在保證干燥質量的前提下提高干燥速度，降低干燥能耗。3結論與討論1在保持溫度、濕度等條件不變的情況下，提高循環風速可以提高表面傳質系數，加 快木材表面水分蒸發速度，提高干燥速度。2當木材表面含水率低于纖維飽和點以下時，干濕區移動界面向木材內部移動，此時 以較高風速加快木材表面蒸發速度沒有實際意義；而木材內部水分的移動速度將決定木材干燥 速度，同時材

14、料厚度也決定移動界面向木材內部移動所需時間，即決定干燥速度。3. 3在干燥過程中的不同時段，合理調節循環風速不僅可以提高干燥速度和干燥質量， 還能大幅度降低風機的能耗。以上數學模型將作為理論基礎，今后的研究重點是通過計算機模 擬技術，實時掌握木材內部各位置含水率、水分移動速度、表面蒸發速度等參數，根據得到的 數據實時調節風速，使得木材內部水分移動與木材表面蒸發能夠協調進行，高質量高效率地完 成木材干燥生產，為木材干燥實現自動化奠定基礎。參考文獻1 賈瀟然.大學博士論文, 2015.含髓心方材高頻真空干燥傳熱傳質及數值分析D.哈爾濱:東北林業2 文, 2010.張曉峰，木材干燥質量對膠接界面的影

15、響D.哈爾濱：東北林業大學博士論3高建民.木材干燥學M.北京：科學出版社，2007.4刁秀明，王彥發，馬秀華等.循環風速對木材干燥速度的影響J. 木材工業， 1994, 8(4) : 32 - 34.Nijdam J J, Keey R B. Influence of local variations of air velocity and flow direction reversals on the drying of stacked timber boards in kilns J. Institution of Chemical ngineers, 1996(74): 882 - 892.周正，孫麗萍.木材干燥過程含水率和溫度變化的數學模型研究J.森林工 程， 2014, 30 (1): 49 - 51.褚俊，孟楊，趙庚，陳廣元.低循環風速下木材表層水分蒸發的試驗研究 J. 森林工程, 2014, 30(6): 33 - 37.盧濤.毛細多孔介質干燥過程中傳熱傳質模型研究及應用D.大連：大連理 工大學博士論文，2003.Pang S, Keey R B. Modeling the temperature profiles within board,during the high-temperatrue