杨木锯材周期式热压干燥工艺及其传热传质机理

摘要

揭示热压干燥过程中木材内部水分状态及水分压力的变化规律，以及对传热传质的影响机制，以毛白杨(Populus tomentosa)锯材为研究对象，采用温度一压力集成探针测试分析了周期式热压干燥过程中木材内部水分压力和温度的变化规律，分析了热压干燥过程中木材内部水分状态及迁移规律，进而优化了木材热压干燥工艺;构建了含水分压力项的木材热压干燥传热传质模型并进行了数值求解与验证，为实现木材热压干燥过程精准控制提供理论依据。在木材初含水率为50％～70％，热压板温度为120～180℃的试验条件下，得到的主要结论如下:　　(1)研究了热压干燥过程中木材内部水分状态及迁移规律。①热压板闭合期间，升温阶段，含水率高于纤维饱和点的木材内部水分压力高于大气压;木材表面到中心形成了过热蒸汽一饱和蒸汽一液态水的水分状态分布。当含水率低于纤维饱和点时，木材表面到中心形成了不同过热度的过热蒸汽分布。②热压板打开期间，内部水蒸气在木材与大气环境间的压力差驱动下从表面迁出，导致含水率降低，这是周期式热压干燥木材内部水分迁移的主要方式。　　(2)基于木材内部水分压力对干燥效率的影响，优化了木材热压干燥工艺。25mm厚杨木锯材热压干燥优化工艺为:预热阶段，热压板温度为140℃、闭合时间为14.O min、打开时间为1.5min;含水率高于30％阶段，热压板温度为140℃、闭合时间为11.5min、打开时间为2.0min;含水率在20％～30％阶段，热压板温度为150℃、闭合时间为7.5min、打开时间为2.O min;含水率在6％～20％阶段，热压板温度为160℃、闭合时间为8.5min、打开时间为2.O min。优化工艺较传统工艺干燥效率提高了104.90％。　　(3)分析了热压干燥对木材尺寸稳定性的影响。与气干材相比，热压干燥杨木的弦向和体积湿胀率分别减少了56.15％和28.87％，弦向和体积干缩率分别减少了55.45％和37.06％，而径向湿胀和干缩率分别增大了36.oO％和14.58％。与气干材弦径向湿胀比(2.60)和弦径向干缩比(2.29)相比，热压干燥木材弦径向湿胀比(O.84)和弦径向干缩比(0.89)分别降低了67.69％和61.14％。热压干燥降低了木材尺寸变杨木锯材周期式热压干燥工艺及其传热传质机理化的各向异性，提高了木材尺寸稳定性。　　(4)构建并验证了含水分压力项的热压干燥木材传热传质模型。检测分析了热压干燥木材内部水分压力场、温度场和含水率场的分布规律。构建了含水分压力项的传热与传质数学模型。利用有限差分法及MATLAB软件程序，对构建的木材热压干燥传热传质模型进行数值求解与验证。结果表明:①依模型预测的热压干燥木材含水率值和实测值较好地吻合。②与不含水分压力项的传统传热模型相比，含有水分压力项的传热模型预测的木材温度值更接近于实测值。

目录

声明

摘要

主要符号对照表

1绪论

1．1国内外研究进展与评述

1．1．1水分压力在木材干燥传热传质研究的应用进展

1．1．2人工林杨木干燥的研究进展

1．1．3木材热压干燥的研究进展

1．1．4研究现状评述及发展趋势

1．2研究目的与意义

1．3关键科学问题与主要研究内容

1．3．1关键科学问题

1．3．2主要研究内容

1．3．3技术路线图

1．4项目来源与经费支持

2热压干燥过程中杨木锯材内部水分状态及迁移规律

2．1材料与方法

2．1．1试验材料

2．1．2试验仪器与设备

2．1．3试验方法

2．1．4热压干燥过程中木材内部水分状态的判断

2．2结果与分析

2．2．1热压板温度对木材表层和心层温度的影响

2．2．2热压板温度对木材表层和心层水分压力的影响

2．2．3热压干燥过程中木材内部水分状态分析

2．2．4热压板打开期间木材内部水分状态及水分迁移规律分析

2．3本章小结

3杨木锯材周期式热压干燥工艺优化

3．1材料与方法

3．1．1试验材料

3．1．2试验仪器与设备

3．1．3不同工艺参数对木材热压干燥的影响规律

3．1．4木材热压干燥工艺优化

3．1．5热压干燥木材内部水分状态判断

3．2结果与讨论

3．2．1不同工艺参数对木材热压干燥的影响规律

3．2．2木材热压干燥工艺优化

3．3本章小结

4周期式热压干燥对杨木锯材尺寸稳定性的影响

4．1材料与方法

4．1．1试验材料

4．1．2试验仪器与设备

4．1．3试验方法

4．2结果与讨论

4．2．1热压干燥对木材平衡含水率和阻湿率的影响

4．2．2热压干燥对木材湿胀率和抗胀率的影响

4．2．3热压干燥对木材干缩率和抗干缩率的影响

4．3本章小结

5周期式热压干燥杨木锯材传热传质模型的构建与求解

5．1周期式热压干燥杨木锯材传热传质模型的假设条件

5．2周期式热压干燥杨木锯材传质控制方程的建立

5．2．1杨木锯材含水率高于纤维饱和点(FSP)

5．2．2杨木锯材含水率低于纤维饱和点(FSP)

5．3周期式热压干燥杨木锯材传热控制方程的建立

5．3．1杨木锯材含水率高于纤维饱和点(FSP)

5．3．2杨木锯材含水率低于纤维饱和点(FSP)

5．4周期式热压干燥杨木锯材传热传质模型的定解条件

5．4．1几何条件

5．4．2初始条件

5．4．3边界条件

5．4．4物理条件

5．5周期式热压干燥传热传质模型的主要物理参数

5．5．1木材的导热系数

5．5．2木材的比热

5．5．3木材的含水率

5．5．4木材的密度

5．5．5木材的空隙率

5．5．6木材的纤维饱和点(FSP)

5．5．7木材的流体渗透性

5．5．8水和水蒸气的粘度

5．5．9木材内部水分的汽化潜热

5．5．10水蒸气的密度

5．5．11木材内部饱和水蒸气压力

5．5．12木材的平衡含水率

5．5．13周期式热压干燥杨木锯材的水分扩散系数

5．6周期式热压干燥杨木锯材传热传质模型的数值解

5．6．1木材热压干燥传热传质计算区域的离散化处理

5．6．2木材热压干燥传质控制方程的差分方程

5．6．3木材热压干燥传热控制方程的差分方程

5．7本章小结

6周期式热压干燥杨木锯材传热传质数值模拟与验证

6．1试验材料

6．2试验仪器与设备

6．3试验方法

6．3．1木材热压干燥试验

6．3．2热压干燥过程中木材内部温度与水分压力测试

6．3．3热压干燥木材各层含水率测试

6．3．4木材热压干燥传热传质模型参数的确定

6．4结果与讨论

6．4．1热压干燥过程中木材含水率场随时间的变化规律

6．4．2热压干燥过程中木材内部水分压力场随时间的变化规律

6．4．3热压干燥过程中木材温度场随时间的变化规律

6．4．4热压干燥过程中木材水分状态随时间的变化规律

6．4．5热压干燥木材含水率实测值与理论值的验证

6．4．6热压干燥木材温度实测值与理论值的验证

6．5本章小结

7结论与建议

7．1结论

7．2创新点

7．3建议

参考文献

个人简介

导师简介

联合培养导师简介

获得成果目录

致谢