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热压干燥过程中热压板温度对杨木水分状态的影响

侯俊峰 伊松林 周永东 潘斌 周凡

侯俊峰, 伊松林, 周永东, 潘斌, 周凡. 热压干燥过程中热压板温度对杨木水分状态的影响[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(6): 111-116. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180097
引用本文: 侯俊峰, 伊松林, 周永东, 潘斌, 周凡. 热压干燥过程中热压板温度对杨木水分状态的影响[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(6): 111-116. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180097
Hou Junfeng, Yi Songlin, Zhou Yongdong, Pan Bin, Zhou Fan. Effects of platen temperature on moisture state in poplar lumber during hot-press drying[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(6): 111-116. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180097
Citation: Hou Junfeng, Yi Songlin, Zhou Yongdong, Pan Bin, Zhou Fan. Effects of platen temperature on moisture state in poplar lumber during hot-press drying[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(6): 111-116. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180097

热压干燥过程中热压板温度对杨木水分状态的影响

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180097
基金项目: 

林业公益性行业科研专项项目 201404502

详细信息
    作者简介:

    侯俊峰,博士生。主要研究方向:木材干燥。Email:houjunfeng2015@163.com 地址:100091 北京市海淀区香山路东小府1号院中国林业科学研究院木材工业研究所

    通讯作者:

    周永东,研究员,博士生导师。主要研究方向:木材干燥。Email:zhouyd@caf.ac.cn 地址:同上

  • 中图分类号: S781.71

Effects of platen temperature on moisture state in poplar lumber during hot-press drying

  • 摘要: 目的对热压干燥过程中杨木锯材芯层温度和压力进行测试,探究热压板温度对热压干燥过程中杨木锯材芯层温度和压力等参数及水分状态的影响,为热压干燥机理研究提供依据。方法采用集成探针同步测量并记录热压干燥过程中杨木锯材芯层温度和压力,通过对杨木锯材芯层压力测量值与测量温度对应的饱和蒸汽压力值(压力理论值)进行对比分析,进而推测热压板温度对热压干燥过程中杨木锯材水分状态的影响。结果当热压板温度从120℃升高到140℃时,杨木锯材芯层压力峰值从146.4kPa增大到213.1kPa,相应温度峰值从102.8℃升高到123.7℃,温度和压力同时达到峰值,到达峰值时间从17.5min缩短到11.6min。当热压板温度为120和130℃时,含水率高于纤维饱和点的杨木锯材芯层水分为过压的未饱和水,热压干燥后杨木锯材芯层终含水率(48.55%和49.88%)高于纤维饱和点;当热压板温度升高到140℃时,杨木锯材芯层自由水受热汽化形成水蒸气,并随着蒸汽温度的升高由饱和状态转化为过热状态,热压干燥后杨木锯材芯层终含水率(27.70%)低于纤维饱和点。结论热压干燥过程中热压板温度越高,杨木锯材芯层温度和压力达到的峰值越高,峰值持续时间越短。热压干燥过程中含水率高于纤维饱和点的杨木锯材水分状态根据热压板温度不同,可为液态水(过压的未饱和水)、饱和水蒸气或过热蒸汽状态。
  • 图  1  杨木锯材热压干燥试验示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of poplar lumber in hot-press drying test

    图  2  集成探针位置

    Figure  2.  Location of the integrated probe

    图  3  不同热压板温度条件下杨木锯材芯层温度变化曲线

    Figure  3.  Curves of core layer temperature in poplar lumber under different platen temperatures

    图  4  不同热压板温度条件下杨木锯材芯层压力变化曲线

    Figure  4.  Curves of core layer pressure in poplar lumber under different platen temperatures

    图  5  不同热压板温度条件下杨木锯材芯层压力测量值(PM)与蒸汽压力理论值(PT)的对比

    Figure  5.  Comparison of the measured pressure (PM) and theoretical pressure (PT) in core layer of poplar lumber under different platen temperatures

    表  1  杨木锯材热压干燥前后的含水率分布

    Table  1.   Moisture content (MC) distribution in poplar lumber before and after hot-press drying

    热压板温度
    Platen temperature/℃
    初含水率
    Initial MC/%
    终含水率
    Final MC/%
    表层终含水率
    Final MC of surface layer/%
    芯层终含水率
    Final MC of core layer/%
    120 51.76 39.68 23.09 48.55
    130 47.42 35.33 28.66 49.88
    140 38.08 16.64 12.35 27.70
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-03-29
  • 修回日期:  2018-04-17
  • 刊出日期:  2018-06-01

热压干燥过程中热压板温度对杨木水分状态的影响

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180097
    基金项目:

    林业公益性行业科研专项项目 201404502

    作者简介:

    侯俊峰,博士生。主要研究方向:木材干燥。Email:houjunfeng2015@163.com 地址:100091 北京市海淀区香山路东小府1号院中国林业科学研究院木材工业研究所

    通讯作者: 周永东,研究员,博士生导师。主要研究方向:木材干燥。Email:zhouyd@caf.ac.cn 地址:同上
  • 中图分类号: S781.71

摘要: 目的对热压干燥过程中杨木锯材芯层温度和压力进行测试,探究热压板温度对热压干燥过程中杨木锯材芯层温度和压力等参数及水分状态的影响,为热压干燥机理研究提供依据。方法采用集成探针同步测量并记录热压干燥过程中杨木锯材芯层温度和压力,通过对杨木锯材芯层压力测量值与测量温度对应的饱和蒸汽压力值(压力理论值)进行对比分析,进而推测热压板温度对热压干燥过程中杨木锯材水分状态的影响。结果当热压板温度从120℃升高到140℃时,杨木锯材芯层压力峰值从146.4kPa增大到213.1kPa,相应温度峰值从102.8℃升高到123.7℃,温度和压力同时达到峰值,到达峰值时间从17.5min缩短到11.6min。当热压板温度为120和130℃时,含水率高于纤维饱和点的杨木锯材芯层水分为过压的未饱和水,热压干燥后杨木锯材芯层终含水率(48.55%和49.88%)高于纤维饱和点;当热压板温度升高到140℃时,杨木锯材芯层自由水受热汽化形成水蒸气,并随着蒸汽温度的升高由饱和状态转化为过热状态,热压干燥后杨木锯材芯层终含水率(27.70%)低于纤维饱和点。结论热压干燥过程中热压板温度越高,杨木锯材芯层温度和压力达到的峰值越高,峰值持续时间越短。热压干燥过程中含水率高于纤维饱和点的杨木锯材水分状态根据热压板温度不同,可为液态水(过压的未饱和水)、饱和水蒸气或过热蒸汽状态。

English Abstract

侯俊峰, 伊松林, 周永东, 潘斌, 周凡. 热压干燥过程中热压板温度对杨木水分状态的影响[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(6): 111-116. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180097
引用本文: 侯俊峰, 伊松林, 周永东, 潘斌, 周凡. 热压干燥过程中热压板温度对杨木水分状态的影响[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(6): 111-116. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180097
Hou Junfeng, Yi Songlin, Zhou Yongdong, Pan Bin, Zhou Fan. Effects of platen temperature on moisture state in poplar lumber during hot-press drying[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(6): 111-116. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180097
Citation: Hou Junfeng, Yi Songlin, Zhou Yongdong, Pan Bin, Zhou Fan. Effects of platen temperature on moisture state in poplar lumber during hot-press drying[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(6): 111-116. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180097
  • 采用热压法对木材进行干燥,不仅可以提高干燥速率和干燥质量[1-4],还可以提高木材的表层密度和表面硬度[5-6],可实现木材快速干燥与表面强化一体化效果,是潜力较大的木材干燥实用技术,具有较好的应用前景。

    压力是木材干燥过程中水分迁移的主要驱动力之一[7-9]。干燥过程中木材内水分吸热汽化产生蒸汽压力,蒸汽压力的增加使得木材内微观构造产生不同程度的裂隙,可以打通木材内部的水分移动通道,提高木材干燥过程中的水分迁移速率[10]。木材内外的压力梯度越大,水分在压力梯度作用下向木材表面迁移的速率越大,木材的干燥速度就越大,对木材干燥过程中的水分迁移的影响越显著[11]。热压干燥过程中木材内部压力的变化,不仅直接影响木材的干燥质量,而且与木材的传热传质密切相关。目前,热压干燥过程中的木材内水分迁移的研究主要是探究以毛细管张力和含水率梯度为驱动的水分迁移规律[12],进而建立木材热压干燥的传质数学模型[13-14]。关于热压干燥过程中木材内压力的变化规律,以及木材内压力变化对木材热压干燥水分迁移的影响机制方面的研究尚未涉及。

    杨树(Populus)是我国主要的人工林造林树种之一,杨树人工林总面积居世界之首,形成了大面积杨树速生丰产林,在保障国家木材安全战略储备中占据着重要地位。但杨树在其生长过程中会产生应力木,其木材中的胶质木纤维是杨木应拉木在实际使用中产生翘曲和变形的主要原因[15]。采用热板接触的热压干燥方法对杨木锯材进行干燥处理,有利于降低或消除杨木锯材在实际使用中产生的翘曲和变形,是一种能有效提高被干燥杨木锯材平整度的好方法。为此,对杨木锯材进行热压干燥研究,探究热压板温度对热压干燥过程中杨木锯材芯层温度与压力的影响,以及杨木锯材水分状态的变化规律,旨在为探究热压干燥过程中水分迁移机理,为提高干燥质量提供理论依据。

    • 毛白杨(Populus tomentosa)采自山东省冠县,径级25~40cm,原木采伐后锯解成规格为2200mm (轴向)×120mm (弦向)×25mm(径向)的锯材,放入冷藏库中保存(温度保持在-6℃),以保持其生材的高含水率状态。在热压干燥试验前将杨木锯材加工成规格为400mm (轴向)×120mm (弦向)×25mm(径向)的试件,初含水率范围为30%~60%。

    • 热压机的热压板幅面为500mm×500mm,热压机总压力为100t;集成探针直径为2mm,长为380mm,每套集成探针集成了1个压力变送器和1条K型热电偶,可以同时测量木材内某一点的温度和压力值,压力变送器的压力测试范围为0~500kPa,测试精度为1.0级;K型热电偶温度测试范围为-200~1300℃,测试精度为I级;SIN-R6000C系列彩色无纸记录仪为16通道万能信号输入,用于记录和显示热压干燥过程中杨木锯材芯层温度和压力变化情况,数据采集间隔为1s;电子天平用于测量杨木锯材含水率试片的质量,精度为0.01g;电子秤用于测量热压干燥前后杨木锯材试样的质量,精度为1g;电热鼓风干燥箱的温度范围为0~300℃,用于杨木锯材含水率试片的绝干处理。

    • 将规格为400mm (轴向)×120mm (弦向)×25mm(径向)的杨木锯材试样放入热压机,并分别在热压板温度为120、130和140℃的条件下进行热压干燥试验(图 1)。在热压干燥过程中通过厚度规控制杨木锯材的最终厚度,热压干燥结束后杨木锯材厚度为24mm,以保证热压干燥过程中杨木锯材与热压机的热压板紧密接触。热压干燥结束后按GB/T 6491—2012《锯材干燥质量》规定,从杨木锯材上截取含水率试片,用绝干法测量杨木锯材的终含水率和表芯层终含水率。

      图  1  杨木锯材热压干燥试验示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of poplar lumber in hot-press drying test

    • 试验前用双组份耐高温环氧树脂胶将杨木锯材端面密封,由于被干燥杨木锯材的表面积远大于侧面的面积,所以本研究中认为热量传递和水分迁移只沿杨木锯材厚度方向(径向)进行。待胶黏剂固化后,在杨木锯材的侧面几何中心位置钻1个直径为2mm的孔(图 2a),孔深为试件宽度的一半即60mm(图 2b),将集成探针埋入孔中,实现杨木锯材芯层温度和压力的同步测量,并通过SIN-R6000C系列彩色无纸记录仪实时记录热压干燥过程中杨木锯材芯层温度和压力。进而通过杨木锯材芯层温度和压力之间的关系判断杨木锯材中的水分状态(液态、饱和蒸汽或过热蒸汽状态)。

      图  2  集成探针位置

      Figure 2.  Location of the integrated probe

    • 图 3为不同热压板温度条件下杨木锯材芯层温度随时间的变化曲线,从中可以看出:在不同的热压板温度条件下,杨木锯材芯层温度均随着干燥时间的延续而逐渐增大,并达到一个峰值;热压板温度越高,杨木锯材芯层温度峰值越高。当热压板温度分别为120、130和140℃时,杨木锯材芯层达到的温度峰值依次为102.8、110.7和123.7℃。分析其原因:热压机的热压板与杨木锯材表面接触后,杨木锯材表面温度迅速升高到水的沸点,最表层杨木锯材内液态水汽化成水蒸气,所形成的水蒸气及杨木锯材蒸发面以内的液态水在蒸汽压力驱动作用下沿厚度方向向芯层迁移,同时热压板热量以热传导的形式向芯层传递,芯层杨木锯材及液态水吸收大量的热量后温度迅速上升,直到达到温度峰值。热压板温度越高,热压板与杨木锯材间温差越大,单位时间内从热压板传递到杨木锯材的热量越多;杨木锯材表层内水分在相同的时间内吸收的热量越多,水分汽化越充分,杨木锯材及蒸汽升温越快,芯层吸收的热量就越多,杨木锯材芯层达到的温度峰值越高。从图 3还可以看出:当杨木锯材芯层温度升高到最大值后,芯层温度随着热压干燥的延续而缓慢降低并逐渐达到稳定值。可能是部分蒸汽从杨木锯材侧面(未密封面)迁出引起热量散失,导致芯层温度逐渐降低,当热压板经热传导传递的热量与蒸汽迁出杨木锯材引起的热量散失接近时,杨木锯材内水分热量变化处于动态平衡状态,使得杨木锯材芯层温度达到稳定值。热压板温度越高,从侧面迁出的蒸汽量越大,杨木锯材芯层温度下降就越明显。

      图  3  不同热压板温度条件下杨木锯材芯层温度变化曲线

      Figure 3.  Curves of core layer temperature in poplar lumber under different platen temperatures

    • 不同热压板温度条件下杨木锯材芯层压力随时间的变化曲线见图 4,从中可以看出:热压板温度越高,杨木锯材芯层压力峰值越高,峰值时间(峰值时间指热压干燥过程中杨木锯材内部压力上升到压力峰值所用的时间)越短,相应杨木锯材芯层温度越高。当热压板温度分别为120、130和140℃时,杨木锯材芯层的压力峰值分别为146.4、190.8和213.1kPa,相应温度峰值分别为102.8、110.7和123.7℃,温度及压力达到峰值时间依次为17.5、13.9和11.6min。分析其原因:在杨木锯材含水率高于纤维饱和点时,最先达到水分沸点温度的杨木锯材表面水分汽化造成表层压力升高,随着试验继续,蒸发面向杨木锯材内部推进,杨木锯材表面至蒸发面间的水蒸气及蒸发面以内杨木锯材的液态水在表—芯层压力梯度驱动下沿厚度方向向杨木锯材内部迁移,将压力传递到杨木锯材芯层,使得杨木锯材芯层压力逐渐增大。热压板温度越高,热压板与杨木锯材间的温差越大,单位时间内热压板传递到杨木锯材表层的热量就越多,杨木锯材表层单位时间内吸收的热量越多,表层液态水汽化就越充分,产生的蒸汽的量也越多,杨木锯材芯层压力就越大,由此传递到杨木锯材芯层所引起压力达到峰值时间也就越短[16]。从图 4还可以看出:热压板温度越高,杨木锯材芯层压力达到的峰值越高,峰值压力保持时间越短,峰值出现后压力下降幅度越大。可能的原因是:在热压干燥过程中,从杨木锯材表面至蒸发面间迁移到杨木锯材芯层的蒸汽从杨木锯材侧面(未密封面)迁出,引起水分压力下降;热压板温度越高,杨木锯材芯层压力越大,则杨木锯材表—芯层压力梯度越大,蒸汽在压力梯度驱动下从侧面迁出的速率越大,杨木锯材内蒸汽向外界迁出的流量越大,芯层压力降低幅度越大。此外,杨木锯材内蒸汽压力越大,杨木锯材内纹孔膜破坏的数量和破坏程度越大,杨木锯材的渗透性越好,蒸汽迁出杨木锯材的速率越大,杨木锯材芯层压力的降低就越快[17-19]

      图  4  不同热压板温度条件下杨木锯材芯层压力变化曲线

      Figure 4.  Curves of core layer pressure in poplar lumber under different platen temperatures

    • 本研究将杨木锯材芯层压力变化分为两个阶段:(1)当杨木锯材芯层水分温度低于100℃时,杨木锯材内水分为饱和湿空气,杨木锯材内水蒸气分压值即为蒸汽压力理论值,杨木锯材内湿空气总压力值接近于大气压;(2)当杨木锯材芯层水分温度升高到100℃后,杨木锯材内液态水受热汽化形成水蒸气,产生蒸汽压力。随着干燥试验继续,杨木锯材芯层压力逐渐增大,蒸汽压力起主导作用,此时杨木锯材内水蒸气饱和蒸汽压力(PS)即蒸汽压力理论值(PT=PS)。在该阶段采用文献[20-21]给出的饱和蒸汽压力公式计算蒸汽压力理论值,其计算公式为:

      $$ P_{\mathrm{S}}=\frac{f\left(T_{\mathrm{S}}\right) P_{0}}{760} $$ (1)
      $$ \begin{array}{c}{f\left(T_{\mathrm{s}}\right)=16.3737-\frac{2818.6}{\left(T_{\mathrm{s}}+273.15\right)}-} \\ {1.6908 \log \left(T_{\mathrm{s}}+273.15\right)-5.7546 \times 10^{-3}\left(T_{\mathrm{s}}+\right.} \\ {273.15 )+4.0073 \times 10^{-6}\left(T_{\mathrm{S}}+273.15\right)^{2}}\end{array} $$ (2)

      式中:PS为饱和蒸汽压力,kPa;P0为标准大气压,其值为101.325kPa;TS为饱和温度,℃。

      根据式(1)和(2)计算不同温度条件下杨木锯材芯层饱和蒸汽压力理论值(PT),并与杨木锯材芯层压力测量值(PM)进行对比分析,探究热压干燥过程中杨木锯材内水分状态的变化规律。图 5是不同热压板温度条件下杨木锯材芯层压力测量值(PM)与实测温度理论计算的饱和蒸汽压力理论值(PT)对比。表 1是杨木锯材热压干燥前后的含水率分布。从图 5表 1可知:在第二阶段,杨木锯材表面至蒸发面间的水蒸气及蒸发面以内杨木锯材的液态水在表—芯层压力梯度驱动下沿厚度方向向杨木锯材芯层迁移,将热量和压力传递到杨木锯材内部,使得杨木锯材芯层温度和压力迅速增大;但杨木锯材芯层自由水的沸点随着芯层压力的增加而升高,即PM越大,自由水的沸点越高[22]。当热压板温度为120和130℃时,热压干燥过程中杨木锯材芯层由实测温度理论计算的饱和蒸气压力理论值(PT)一直低于芯层压力测量值(PM),说明杨木锯材芯层自由水的温度一直低于实测水分压力下水的沸点,因此可以推测出杨木锯材芯层水分为过压的未饱和水,表 1中杨木锯材干燥后的芯层含水率(48.55%和49.88%)高于纤维饱和点(FSP)也说明了这一点。当热压板温度升高到140℃时,杨木锯材芯层压力(PM)达到峰值后迅速下降,对应自由水的沸点迅速降低,杨木锯材芯层水分温度高于实测水分压力下水的沸点,自由水开始汽化形成水蒸气。当杨木锯材内PT大于PM时,水蒸汽由饱和蒸汽变为过热蒸汽。此时杨木锯材内自由水蒸发完毕,杨木锯材芯层含水率降低至FSP以下,表 1中的杨木锯材芯层终含水率为27.70%也说明了这一点。从图 5可得:当热压板温度升高到140℃时,杨木锯材芯层水蒸气由饱和状态转化为过热状态,对应的蒸汽温度、压力和时间分别为120.2℃、201.6kPa和9.3min。分析其原因:杨木锯材内水分吸热后温度升高,而自由水的沸点随着压力的增加而增大;当杨木锯材芯层内水分温度低于实测水分压力下水的沸点时,水分为过压的未饱和水,芯层终含水率高于FSP(表 1);反之,杨木锯材芯层内水分温度高于实测水分压力下水的沸点,自由水汽化产生水蒸气,随着蒸汽在压力作用下从杨木锯材侧面迁出,并且吸收更多的热压板热量,使水蒸气温度高于饱和蒸汽温度,杨木锯材内水蒸气状态由饱和状态转变为过热状态,使得杨木锯材芯层终含水率低于FSP[16]

      图  5  不同热压板温度条件下杨木锯材芯层压力测量值(PM)与蒸汽压力理论值(PT)的对比

      Figure 5.  Comparison of the measured pressure (PM) and theoretical pressure (PT) in core layer of poplar lumber under different platen temperatures

      表 1  杨木锯材热压干燥前后的含水率分布

      Table 1.  Moisture content (MC) distribution in poplar lumber before and after hot-press drying

      热压板温度
      Platen temperature/℃
      初含水率
      Initial MC/%
      终含水率
      Final MC/%
      表层终含水率
      Final MC of surface layer/%
      芯层终含水率
      Final MC of core layer/%
      120 51.76 39.68 23.09 48.55
      130 47.42 35.33 28.66 49.88
      140 38.08 16.64 12.35 27.70
    • (1) 热压干燥过程中热压板温度越高,杨木锯材内升温和压力上升越快,达到的温度峰值和压力峰值越大,达到温度和压力峰值所用的时间越短。当热压板温度从120℃升高到140℃时,杨木锯材芯层压力峰值从146.4kPa增大到213.1kPa,相应温度峰值从102.8℃升高到123.7℃,且温度和压力同时达到峰值,到达峰值时间也从17.5min缩短到11.6min。

      (2) 热压干燥过程中含水率高于纤维饱和点的杨木锯材水分状态按照热压板温度不同,可为液态水(过压的未饱和水)、饱和水蒸气或过热蒸汽状态。当热压板温度为120和130℃时,杨木锯材芯层的水分为过压的未饱和水,干燥后芯层终含水率高于纤维饱和点。当热压板温度升高到140℃时,随着干燥的持续,杨木锯材芯层水分温度高于实测水分压力下水的沸点,自由水受热汽化形成水蒸气,并在蒸汽温度和压力达到120.2℃和201.6kPa的条件下由饱和状态转化为过热状态,干燥后芯层终含水率低于纤维饱和点。

参考文献 (22)

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