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间歇和连续微波干燥对木材内蒸汽压力

时间:2008-11-18 06:07:46  浏览:        

 对间歇和连续微波干燥过程中木材内部温度、蒸汽压力的变化以及二者相互关系进行探索。结果表明:
木材在连续微波干燥过程中,温度的变化大致分为快速升温段、恒温段和后期升温段; 微波辐射功率增加,升温速
度加快,恒温段温度提高,时间缩短; 内裂通常在高含水率木材高功率连续加热时出现;在木材温度上升到100 ℃
之后,适当减少微波功率输入,或采用间歇输入微波能的方法可有效避免内裂的发生;炭化通常出现在木材干燥后
期,适当控制木材中含水率,避免过低,减少微波能输入或采用间歇输入微波能的方法,可有效防止木材炭化。
Variety of Vapor Pressure and Temperature in Wood during Intermittent
and Continuous Microwave Drying
Liu Zhijun1 ,2  Zhang Biguang2  Liu Zhi1
(11 College of Forestry , Agricultural University of Hebei  Baoding 071000 ;
21 College of Material Science and Technology , Beijing Forestry University  Beijing 100083)
Abstract :  The study was conducted to investigate the variety of inner2temperature , vapor pressure and both relations during the
progress of intermittent and continuous microwave drying. Results obtained are summarized as follows : during continuous
microwave drying , there are three stages in the change of temperature( rapid temperature2increasing stage , constant temperature
stage and later temperature2increasing stage) . The higher the power is , the quicker the temperature increases. In the period of
constant temperature stage , the higher the temperature is , the shorter the time is. As the high power was continuously applied to
heat wood with high moisture content , inner cracking was found , which can be avoided by decreasing the power supply or using
intermittent power supply after the temperature increased to 100 ℃. Charring of wood was mainly found in final stage of drying ,
and the phenomenon of charring may be avoided by the methods of controlling and avoiding too low moisture contents of wood in
the last stage , decreasing the power supply or using intermittent power supply.
Key words :  drying defects ; energy ; evaporation ; drying rate
微波干燥是以电磁波的形式将能量直接渗透到木材内部,并通过微波电磁场与水分子及木材中极化分
子(羟基) 的相互作用而迅速产生大量的热(Zhang et al . , 2001 ; Anastasios et al . , 2001a ; 2001b) 。与常规干
燥中热量的缓慢传导过程相比,其能量的传递和木材温度的升高都是一个较快的过程( Kiranoudis et al . ,
1997 ; Carci et al . , 1998 ; Goyette et al . , 1990 ; Krokida et al . , 1999 ; Mousa et al . , 2002) 。在很短的时间内,
木材细胞腔内的温度快速升高,水分迅速蒸发,使得木材具有很快的干燥速率(Li et al . , 2005 ; Kobayashi
et al . , 2000 ; Kawai et al . , 2001 ; 2002 ; 2003 ; Liu et al . , 2005) 。但在微波干燥过程中也会出现各种干燥缺
陷,主要缺陷有内裂和炭化。本研究的目的就是想探究木材微波干燥过程中内部温度和压力的变化特性,分
析木材内裂和炭化的原因,找出避免缺陷产生的有效方法。
1  材料与方法
马尾松( Pinus massoniana) , 规格100 mm ×100 mm ×50 mm(长×宽×厚) ,初含水率139 %~141 %。 试验装置原理图如图1 所示。该装置主要由压力与
温度监测系统、微波加热系统和数据采集系统构成。所
用微波炉为家用松下变频微波炉,在试验前对微波炉进
行了改造,使之能满足试验要求。测量装置外形图如图
2 所示。此装置的特点是能够在微波场条件下同时测量
同一点的温度和内部蒸汽压力。用环氧树脂和铝箔将试
件端面和侧面封闭,使水分和能量只沿厚度方向传递。
待树脂固化后,在试件侧面几何中心位置钻一个直径为
8 mm 孔,孔的深度为试件宽度的一半,小孔内插入与压
力传感器相连的带有螺纹的聚四氟乙烯连接件。在带有
螺纹的聚四氟乙烯连接件外面裹一层铝箔纸屏蔽微波
场,避免微波场对温度传感器测量值产生影响。与螺纹
连接件相连的聚四氟乙烯管外面包有一层保温材料,避
免内部蒸汽冷凝,影响所测压力值。为保证压力测试系
统不漏气,在测定之前,将连接系统内通入压力为250
kPa 的氮气,并将连接系统浸入水中,确认不漏气后,再
进行测定。数据采集系统为智能仪表,以微处理机为核
心,具有对传感器的自动修正功能。压力传感器(J YB2
KB2H) ,准确度为A 级±0125 %F. S。温度传感器精度为
±015 ℃。
图3  不同微波功率木材温度随时间的变化
Fig. 3  Temperature changes in wood vs time with different microwave powers
试验分4 组,功率分别为1 000 (间歇辐射) 、800、500
和200 W,每组试验重复1 次。间歇辐射微波,在木材升
温到100 ℃之前,采用的是连续辐射微波能,升温到100
℃后,间歇1 min 辐射1 min。数据记录间隔设置为30 s。
当干燥过程中温度剧烈波动并明显升高时,干燥试验结
束。
2  结果与分析
211  微波辐射功率对木材温度变化的影响
图3 表明不同功率条件下木材温度随时间的变化,从图中可以看出,木材在微波干燥过程中,温度的变
化大致分为3 个阶段:快速升温段、恒温段和后期升温段。木材干燥过程中吸收的能量主要用于湿木材的升
温和蒸发木材中的水分。在干燥开始阶
段,微波能主要用于提高木材温度,木材
几乎不蒸发水分,所以升温速度较快; 恒
温阶段,当木材内部达到或超过水的沸点
温度,木材吸收的微波能主要用来蒸发水
分,所以温度基本不变; 后期升温阶段,
木材温度开始出现波动,并且开始较大幅
度的升温,除部分用于水分蒸发之外,大
部分能量被用来提高木材的温度(Lian et
al . , 1997) 。
从图3 中可以看出,功率越高,升温
速度越快,恒温段温度越高,时间越短。

当微波辐射功率分别为800、500 和200 W时,其升温段的升温速率分别为2018、716 和310 ℃·min- 1 ,恒温段
温度分别在120~130 ℃、106~122 ℃和100~114 ℃之间,保温时间分别为17 、20 和22 min。出现上述现象
的原因可能是由于微波功率越大,单位时间木材吸收的能量越多。根据能量守恒与转换定律,被介质吸收的
微波能量将全部转换为热能。热量将用于木材的升温和蒸发水分,功率高,单位时间内转换的热能就多,升
温速度自然就会越快,而达到水的沸点温度之后,水分蒸发的速率也会加快,使得恒温段时间相应缩短。
在干燥后期,温度快速升高,并有较大幅度的波动,木材炭化通常发生在这一阶段。原因是当木材含水
率很低时(15 %) ,木材的介电特性接近绝干材,其弛豫频率小于微波加热的频率,介电常数随温度的升高而
增加,温度越高的地方介电常数越大,升温越快,又会使得介电常数进一步增大,它反过来又促进温度的上
升,如此循环就会造成木材内温度的“失控效应”,严重时会烧焦木材。从图3 可以看出,功率为500 W连续
辐射微波能与额定输出功率为1 000 W间歇辐射微波能,在恒温段,木材平均温度分别为115 和112 ℃,在升
温段温度分别为126 和116 ℃。可见,无论是升温段还是恒温段,在微波辐射能量相同的条件下,间歇辐射
微波能比连续辐射微波能木材的温度都低,适当的间歇辐射微波能可以有效地避免干燥后期木材的炭化。
212  微波辐射功率对木材内蒸汽压力变化的影响
图4  不同功率条件下木材内部蒸汽压力随时间的变化
Fig. 4  Vapor pressure changes in wood vs time with different microwave powers
  图4 表明不同功率条件下木材
内部蒸汽压力随时间的变化。从图
中可以看出,在微波加热过程中,微
波辐射功率越高,木材内部蒸汽压
力峰值越大。微波辐射功率分别为
800、500 和200 W时,木材内部绝对
蒸汽压峰值分别为223、160 和111
kPa ; 而且微波辐射功率越高,木材
内部蒸汽压力达到峰值后,蒸汽压
力下降的越迅速,最大压力值保持
的时间越短,反之,辐射功率越小,
木材内部蒸汽压力峰值越小,蒸汽
压力下降的越缓慢,最大压力值保
持的时间越长。出现上述现象可能
有以下3 方面的原因:一方面是由于微波功率越大,单位时间内辐射到木材的功率密度越大,木材在单位时
间内吸收的能量就越多,就会导致升温速度快,水分汽化量加大,木材内部蒸汽压力升高; 另一方面可能是
由于木材内部蒸汽压力越高,木材内外压差相应会加大,蒸汽移动越快(Cai , 2001) ,压力下降越迅速; 还有
一方面的原因可能是压力越高,木材内纹孔膜破坏的数量越多和破坏的程度越严重,这有利于蒸汽向外部迁
移,使压力越高降低的速度就越快(Li et al . , 2005) 。
从图4 还可以看出,内裂是由于高含水率木材在干燥前期连续输入过量微波能造成的。干燥初期连续
输入过量的微波能,木材内部形成大量的蒸汽,过高的蒸汽压力会导致木材内部沿木射线方向开裂。间歇辐
射微波能可降低木材内部蒸汽压力。如图4 中,在间歇辐射微波能之前,采用的是连续辐射微波能,微波功
率为1 000 W,但其最大压力仅为178 kPa ,微波功率800 W连续辐射微波能最大压力为223 kPa 。而间歇辐射
微波能开始之后,间歇干燥时木材内部的平均蒸汽压力,也比功率500 W条件下连续辐射微波能时蒸汽压力
明显低。由此可见,间歇辐射微波能可以降低木材内的蒸汽压力,有助于防止木材内裂。
213  木材内蒸汽压力随温度的变化
图5A~C 显示了在不同功率条件下木材内部压力及温度随时间的变化。从图中曲线变化趋势可以看
出:木材在微波加热过程中,温度达到100 ℃之前,压力值比较小,压力上升比较缓慢,温度升到100 ℃之后,
内部蒸汽压力迅速上升。升温速度伴随着微波辐射功率的提高而加快,压力上升速度同时伴随着升温速度
的加快而加快。当温度升高到恒温段时,压力也同时达到最大值。微波辐射功率为800 W,加热9 min 时,木材温度达到最高值133 ℃,其相应的最大压力值为223
kPa ; 微波辐射功率为500 W,加热15 min 时,木材温度达
到最高值115 ℃,相应的最大压力值为160 kPa ; 微波辐
射功率为200 W,加热26 min 时,木材温度达到最高值106
℃,相应的最大压力值为110 kPa 。
在加热过程中,木材中心温度达到100 ℃之前,在木
材表面观察到泡状水分的流出,蒸汽压力达到峰值时,流
量最大,并且微波功率越高,泡状水分流出现象越剧烈。
压力减小时,水分流出量减小,并很快停止。在加热过程
中,木材内的蒸汽压力有一定幅度的波动,这可能是由于
木材内含水率分布不均匀和年轮及早晚组织结构不均一
性造成的。以上结果揭示了微波加热过程中自由水范围
内水分移动的机制,即在温度最高的中心附近蒸汽压也
达到最高,在中心附近和它周围间能形成蒸汽压力梯度,
结果包围在中心附近的水分在蒸汽压力的作用下,由内
向外移动,直至最后从材面流出。
3  结论
1) 木材在微波干燥过程中,温度的变化大致分为3
个阶段:快速升温段、恒温段和后期升温段。功率增加,
升温速度加快,恒温段温度提高,保温时间缩短。在干燥
后期,温度快速升高,并有较大幅度的波动。
2) 内裂通常是高含水率木材在干燥前期连续输入过
量微波能造成的。干燥初期连续输入过量的微波能,木
材内部形成大量的水蒸气,过高的蒸汽压力会导致木材内部沿木射线方向开裂。为减少开裂,在木材温度上
升到100 ℃之后,可减少微波功率输入,或采用间歇输入微波能的方法。
3) 炭化通常出现在木材干燥后期。适当控制木材中含水率,避免过低,减少微波能输入或采用间歇输
入微波能的方法,可有效的防止木材炭化。

  
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