高频加热对落叶松含髓心方材水分迁移的影响

摘要 以横截面120 mm落叶松含髓心方材为研究对象，检测并对比分析了高频-对流干燥与常规对流干燥过程中，试材含水率及其沿厚度方向分布的变化，探讨了高频-对流干燥过程中高频复合加热对木材内部水分迁移的影响。结果表明：①干燥过程中在对流加热的同时实施高频加热，干燥速率由单独对流干燥过程中的0.153%/h提高到0.398%/h。②高频加热对水分迁移的促进作用效果，木材纤维饱和点之上随着含水率的降低而增大，纤维饱和点时最强；纤维饱和点之下随着含水率的降低而减弱。③高频加热对含水率分布均匀性的作用效果显著，但随着干燥的进行作用效果减弱。

关键词 高频-对流干燥；含水率分布；干燥速率；水分迁移

中图分类号 S782.31 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）09-148-04

随着木结构建筑的兴起以及使用框锯加工实木复合地板表板工序的增加，大断面板方材的需求量逐年增加[1]，其高品质干燥是满足用户需求、保证建筑结构安全和延长使用寿命的关键。然而，由于该种木材热质迁移路径长，尤其是含髓心材异向性干缩严重，导致干燥品质低、周期长。另外，木材干燥作为木制品加工过程中耗能最大的一道工序，其干燥周期、能耗直接关系到企业的生产加工成本和间接影响环保负担。因此关于大断面板方材高品质、快速、节能干燥技术的研究具有重要意义，深受国内外相关行业学者及工程技术人员的关注。

Yayoi等对日本大断面含髓心柳杉进行高频-对流干燥与常规对流干燥的对比试验，结果表明前者的干燥速度是后者的4倍，且干燥质量也有所提升[2]；Norihiko等研究了高频和微波预处理对中空材干燥效果的影响，结果表明预处理使木材厚度方向上加热均匀，含水率梯度和应力梯度较小，能有效减少干燥缺陷[3]。

Jinji等探讨了含髓心柳杉方材高频-对流联合干燥工艺，结果表明高频加热的投入能够有效减少柳杉方材表裂的产生，在含水率降至20%后采取高频-对流加热干燥，能明显缩短干燥时间、降低能耗[4]；Poulin 探讨了高频-对流联合干燥过程中木材热质传递和水分迁移的规律。结果显示：①高频加热的投入引发蒸发速率的提高，促使木材的传热传质系数增大。②干燥过程中木材含水率的分布取决于初始含水率的分布和热量迁移的相对强度，总干燥时间也因初始含水率的非均匀分布而有所增加[5]。国内尚未见相关研究报道。

落叶松木材强度高，适于木结构建筑用材，但其较上述用材更难干燥。该研究以横截面120 mm落叶松含髓心方材为对象，检测分析高频-对流联合干燥及常规对流干燥过程中，其内部含水率及其分布随时间的变化，探讨双热源干燥过程中高频加热对木材内部水分迁移的作用，以期为开发大断面落叶松含髓心方材的适宜干燥技术提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1

试材。自黑龙江兴安落叶松（Larix gmelinii）小径原木锯制断面2 500 mm×120 mm×120 mm含髓心方材，选取无明显缺陷的16根，按图1所示截掉两端较干燥部分后制成长度900 mm试材，用硅胶进行端部涂封，以确保水分仅沿横向迁移。由同1根方材制备成2块材性相近试材，将1块置于“1.2”项所述1#材堆，另1块置于2#材堆。干燥前初含水率约为47%。

1.1.2

设备。主要设备是委托石家庄纪元电气有限公司制造的JYC型高频发生器：输入3相380 V、50 Hz、20 kW交流电源，输出频率6.78 MHz、功率2～10 kW高频振荡电源，试验选定输出功率4 kW[6]；配套的对流干燥设备（由东北林业大学设计，委托哈尔滨华意干燥设备公司生产）：总容量2 m3，内部可堆放4个0.05 m3单元材堆，每个可在需要时连接高频电源与对流热湿空气同时加热干燥。

1.2 试验方法

1.2.1

试材堆放及干燥工艺条件。 在干燥设备内按图2堆放2个单元材堆（1#、2#），每个材堆各堆放试材16块，分别在便于取放位置设置2块含水率分布和平均含水率检验材。

1#采用表1所示干燥基准进行对流加热干燥；2#（与1#处于相同对流加热干燥介质环境）在平均含水率达到约30%时，实施高频加热。高频加热及停歇按材堆中埋入温度传感器的试材的心表层温差之上、下限值（6 ℃、1 ℃）来控制，即升至上限值停歇、降至下限值加热。干燥终含水率约10%。

1.2.2

含水率分布的检测。初含水率分布试片按图1所示截取，检测干燥过程含水率分布变化，每隔12 h分别从1#、2#材堆中取出含水率分布检验材，在一端截取20 mm厚（纤维方向）分层含水率试片后端部涂封放回原处。含水率分布试片规格为20 mm×120 mm×120 mm，按图3所示划线、编号（中心25，中间层17～24，表层1～16），沿划线劈解成25块

试样，用称重法测算每块的含水率。试片总平均含水率及需要检测的层面上的平均含水率依据蔡英春等[7]提出的重量累加法计算，即：

Wjk=∑kjmi-∑kjm0i∑kjm0i×100%

（1）

式中：j、k分别为试件中需求含水率均值的试样的编号最小值和最大值。例如，计算表层含水率均值Ws，j=1、k=16；中间层Wm，j=17、k=24；上表层，j=1、k=5。

Wjk为试件中i至k试样的平均含水率（%）；

mi是试件中编号为i的试样检测时的即时质量（g）；

m0i是试件中编号为i的试样的绝干质量（g）。

中间层与表层间的含水率梯度：

dWm-sdx=100242417mi-2417m0i2417m0i-161mi-161m0i161m0i（%/mm）；

材心与中间层间的含水率梯度：

dWc-mdx=10024m25-mo25mo25-2417mi-2417m0i2417m0i（%/mm）。

1.2.3

试材绝干重和干燥过程含水率变化测算。每个材堆试材平均含水率的变化过程由设置在其中的平均含水率检验材的重量变化确定，其平均含水率由其两端的初含水率试片（50块试样）按（1）式计算，由其和初重计算推定绝干重，干燥过程中每隔一定时间（6、8、12、…、24 h）取出称重，由其和推定绝干重计算平均含水率，把握其变化，干燥结束后用实际绝干重置换推定值。

图5为干燥速率随含水率的变化曲线。在0～48 h之间（木材含水率30%以上），为材性相近的2个材堆（1#、2#）以表1所示干燥基准进行对

流加热干燥，干燥过程曲线近为重合、干燥速率接近；之后2#材堆同时实施高频加热（控制心表

层温差在1～6 ℃），含水率迅速降低，干燥速率最高达到

0.750%/h，为仅对流干燥条件下1#材堆的4.1倍。由初含水率47%干燥至10%，仅对流加热干燥的1#材堆用时240 h、平均干燥速率0.153%/h，而双热源干燥的2#材堆用时仅96 h、平均干燥速率达0398%/h。随着双热源干燥的继续进行，2个材堆干燥速率的差值在减小，高频加热对水分迁移的影响减弱。高频加热对木材干燥速度产生上述影响的原因为木材心表层温度梯度的作用，不同程度的高频加热会使木材产生不同的心表层温度梯度（该研究条件下为1～6 ℃）。具体作用分析如下：①纤维饱和点之上但未饱水木材的大毛细管系统中存在自由水以及某种状态的湿空气，温度

高会加快自由水蒸发、增大大毛细管系统中湿空气压力，使自由水黏度降低，因而使水分迁出速度增加。该研究中，高频施加始于试材平均含水率约30%，由于含水率分布不均，心层仍高于纤维饱和点，致使高频加热对水分迁移的影响显著；②纤维饱和点之下，木材大毛细管及微毛细管系统中皆存在某种状态湿空气，温度高，大毛细管中水蒸汽及微毛细管系统中液态水的扩散系数、2系统中湿空气压力均增大，使得水分向外扩散速度加快，但随着干燥的进行，高频加热使得木材含水率分布较单一对流湿空气热源干燥时均匀，水分扩散驱动力中含水率梯度的减小弱化了空气压力梯度的增大，且微毛细管系统中液态水的扩散系数随含水率的降低而减小，该种类扩散制约着当时总干燥速度，所以高频加热对水分迁移的影响减弱。由上述作用分析可知：①木材纤维饱和点之上，高含水率时，大毛细管系统中液柱间的空气很少，即使随着温度的升高会有液态水蒸发，但很快就会因空气饱和而停止，且温度升高引起的空气膨胀有限，所以高频复合加热对水分迁移的作用较小；随着含水率的降低，大毛细管系统中液柱间的空气增加，水分蒸发增多及空气膨胀增大，使高频加热对水分迁移的作用效果增强，至纤维饱和点增至最大。因而，含水率降至20%后采取高频-对流加热干燥明显缩短干燥时间、降低能耗[4]的观点有待进一步研究验证；②纤维饱和点之下，随着含水率的降低，高频复合加热对水分迁移的作用效果减弱，欲增大效果，应适当提高高频加热强度以增大木材心表层温差。适宜温差与含水率的关系有待进一步研究。

2.2 高频加热对试材含水率分布的影响

2种干燥条件下不同含水率阶段试材内部含水率分布如图6所示。图6a、6b、6c分别为平均含水率30%、20%和10%时2材堆含水率的分布情况。

图7进一步表示2种干燥条件下沿厚度方向、宽度方向含水率变化、中间层、表层（Wm-s）间含水率的梯度，心层、中间层（Wc-m）间含水率梯度的变化情况如图8，表明：①试材平均含水率为30%时，2材堆（相同对流加热条件下）的含水率分布几乎一致，心层含水率最高、中间层次之，表层最低（图6a），呈现常规对流干燥过程中木材含水率的典型分布状态；②随着干燥的进行，2材堆含水率分布都趋于均匀，但均匀程度或心表层含水率梯度不同，高频复合加热下较仅对流加热条件下含水率梯度明显小；后者与前者的差值逐渐减小，即随着干燥的进行，高频复合加热对含水率分布均匀性的作用减弱。产生上述结果的原因是高频复合加热对木材水分迁移速率的作用程度因含水率而异，纤维饱和点之下含水率高的部位作用程度大，且水的介电系数约为绝干木材的40倍，高含水率部位高频加热量大，因而促进了含水率分布的均匀变化。

3 结论

该研究以横截面120 mm落叶松含髓心方材为研究对象，检测了高频-对流干燥过程与常规对流干燥过程中，其

平均含水率以及含水率分布随时间的变化；分析了高频加热对含水率分布及干燥速度等的影响，结果表明：

（1）高频-对流双热源干燥过程中的平均干燥速率0.398%/h，显著高于单独对流干燥过程中的0.153%/h，这主要是由于高频加热使木材形成内高外低的温度和空气压力梯度，水分扩散系数增大、黏度降低等所致。

（2）木材纤维饱和点之上，随着含水率的降低，高频加热对水分迁移的促进作用效果增大，纤维饱和点时最强；纤维

饱和点之下，随着含水率的降低，高频加热对水分迁移的促

进效果减弱。

（3）纤维饱和点之下高含水率部位高频加热对水分迁移的促进作用程度大，且高频加热具有水分选择性特点，因而促进了含水率分布的均匀变化，但随着干燥的进行该促进作用减弱。

参考文献

[1]

郭伟，费本华，陈恩灵.我国木结构建筑行业发展现状分析[J].木材工业，2009，23（2）：19-22.

[2] YAYOI K. Artificial drying of the sugi columns by newly developed dryer combined with highfrequency heating and steam heating（1）.Characteristics of the process of artificial drying[J]. Wood Industry， 1999， 54（7）： 323-328.

[3] NORIHIKO Y， YOSHIAKI T. Highfrequency and microwave heating as a pretreatment to kiln drying of hollowedout timber[J]. Journal of the Japan Wood Research Society， 2011，47（6）：501-507.

[4] PIAO J J， FUJIMOTO N. Hybrid kiln drying system with radio frequency heating for the sugi heart timber[J]. Journal of the Faculty of Agriculture， Kyushu University， 2007，52（1）：117-121.

[5] POULIN A， DOSTIE M. Convective heat and mass transfer and evolution of the moisture distribution in combined convective and radio frequency drying[J]. Drying Technology，1997，15：6-8.

[6] 夏兴华，蔡英春.高频-对流木材干燥设备中高频发生器的选用[J].东北林业大学学报，2010，38（6）：125-128.

[7] 蔡英春，陈广元，艾沐野，等. 关于提高称重法木材含水率测算精度的探讨[J]. 北京林业大学学报， 2005（S1）： 64-67.

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