循环风速对桦木干燥速度影响的研究

材料

试验材料为含水率70%左右的40 mm厚桦木锯材。试验前将锯材四面刨光，将试材加工成规格为长700 mm（纵向）、宽150～200 mm（弦向）、厚40 mm（径向）的试件，为了让试材内部水分仅沿厚度方向迁移，将试材两端（纵向）用硅胶封闭。

1.2 设备

74-TA Ⅱ型实验用常规木材干燥试验机，装材容积为0.4 m3;在控制柜中接入SV015iG5-1型变频器，实现干燥室风机变频;希玛AR866手持式热敏式风速仪等。

1.3 试验方法

含水率70%左右的40 mm厚桦木试材在常规木材干燥试验机中进行4组试验，前3组试验风机变频器频率分别为50、40、30 Hz，各组试验频率保持不变直到干燥结束;第4组试验干燥初始风机变频器频率为50 Hz，当试件含水率降到纤维饱和点以下，变频器频率调为30 Hz，直到干燥结束。4组使用相同的基准对试件进行干燥，干燥基准见表1，干燥基准参照LY-T 1068-2012 鋸材窑干工艺规程。4组试验在干燥过程中定期测量试材表层风速，选取上下表层风速相近的试件，采用称重法计算该试件平均含水率，将试件端头截断，沿厚度方向等分成3层（通常情况下厚度<50 mm分3层，厚度>50 mm分5层），采用称重法计算各上表层、芯层和下表层含水率，即分层含水率，不同频率下风速见表2。

2 结果与分析

2.1 循环风速对试件干燥速度的影响

第1-3组试验，风机频率为50、40、30 Hz，每组试验选取初含水率、表层循环风速相近的3个试材，编号分别为1-1、1-2、1-3;2-1、2-2、2-3;3-1、3-2、3-3，试材初始含水率约为70%，终含水率约为10%，平均含水率、表层含水率变化曲线、表层含水率偏差分别如图1至图3所示，其中表层含水率为上、下表层含水率均值。

从图1至图3中可以看出，各组试验中，风速相近的3块试材的干燥速度（曲线斜率）无明显区别，变化趋势基本一致，含水率在纤维饱和点之上，干燥速度较快，含水率在纤维饱和点之下，干燥速度降低。不同风速下，3块试材平均含水率、平均表层含水率变化曲线如图4所示。

由图4（a）可以看出，当试材平均含水率在纤维饱和点之上，3组试验干燥速度存在明显区别，介质循环速度越大，干燥速度越快，即50 Hz下试材干燥速度最快，40 Hz下干燥速度次之，30 Hz下干燥速度最慢。从干燥时间可以看出，在50 Hz下试材平均含水率降至30%用时约为70 h，40 Hz下约为100 h，30 Hz下约为140 h;当含水率降至纤维饱和点之下， 3组试验干燥速度相近，50 Hz下试材平均含水率降至10%用时约为190 h，40 Hz下约为200 h，30 Hz下约为210 h。

由图4（b）可以看出，当含水率在纤维饱和点之上，3组试材表层含水率由70%降至30%用时分别约为38、50、74 h，平均干燥速度为含水率差/干燥时间，经计算3组试材表层干燥速度比为1.95∶1.48∶1，3组试验介质循环平均风速分别为4.30、3.33、2.37 m/s，风速比为1.81∶1.41∶1，两者趋势相近，由此可以得出，介质循环风速与试材表层干燥速度成正相关关系，即介质循环速度越大，试材表层干燥速度越快;当含水率由纤维饱和点将至10%，3组试材用时分别约为220 h、230 h和240 h，试材表层干燥速度比为1.10∶1.05∶1，由此可以得出，介质循环风速对试材表层干燥速度影响很小。

图5为3组试材平均表层含水率偏差，在不同循环风速下，3组试材表层含水率偏差均呈现先增大后减少的趋势，干燥前期，循环风速越大，表层含水率偏差越大，干燥后期，随着含水率逐渐降低，试材内部水分向表面移动的速度决定着木材干燥速度，即含水率梯度成为驱动力，此时通过提高介质循环速度来加快试材表面水分蒸发的速度没有实际意义。

2.2 变频循环风速对干燥周期及能耗的影响

第4组试验干燥初始风机变频器频率为50 Hz，当试件平均含水率降到纤维饱和点以下，变频器频率调为30 Hz，直到干燥结束。第4组使用与前3组相同的基准对试件进行干燥，试验选取初含水率、表面循环风速相近的3个试材， 50 Hz下平均风速为4.2 m/s， 30 Hz下平均风速为2.3 m/s，变频循环风速与50 Hz定频循环风速下试材平均含水率变化曲线对比如图6所示。

由图6可以看出，当含水率降至纤维饱和之下时，通过调整风机频率由50 Hz降至30 Hz，风速降低对整个干燥周期基本没有影响。通过变频器对风机设备进行调速控制，其节能量可根据GB12497《三相异步电动机经济运行》强制性国家标准实施监督指南中的计算公式算出[20]，如公式（1）所示。

PL=[0.45+0.55（Q/QN）2]PE。 （1）

式中：PL为变频器改造后风机所需输入功率，kW;PE为达到风机额定流量时所需输入功率，kW;Q为实际所需流量，m3/h ; QN为风机额定流量，m3/h。

由流体力学可知，流量等于风速乘以管道的截面积。对于同一个风循环系统的同一个测点，其管道截面积相同，因此流量比等于风速比。利用风速仪测量干燥窑侧面出风口风速，30 Hz与50 Hz的风速比为0.75，根据公式（1）可以得出PL=0.76PE，按照纤维饱和点之上干燥时间为64 h，纤维饱和点之下干燥时间为200 h，在变频模式下风机消耗的电能为216PE，定频模式下消耗的电能为264PE，在整个干燥周期内，变频相较于定频，风机节约的能耗约为18%。

3 结论

（1）当木材含水率较高时，介质循环速度快则木材干燥速度快，介质循环速度对干燥速度的影响显著，随着含水率降低，其影响逐渐减少。

（2）当木材含水率较高时，介质循环速度越快木材表层含水率偏差越大，介质循环速度对木材表层含水率偏差影响显著，随着含水率降低，木材表层含水率偏差逐渐减小。

（3）当木材含水率高于纤维饱和点时，风机工作频率为50、40、30 Hz时，介质循环风速比为1.79∶1.38∶1，试材表层干燥速度比为1.94∶1.32∶1，两者成正相关关系;当木材含水率低于纤维饱和点时，试材表层干燥速度比为1.1∶1.05∶1，此时木材的干燥速度由内部水分向表面移动的速度决定，而不是木材表面蒸发速度，介质循环风速对表层干燥速度没有影响。

（3）在木材干燥过程以纤维饱和点为节点将电机工作频率由50 Hz降至30 Hz，在保证干燥质量的前提下，不会延长干燥周期，风机能耗降低约18%。

【参 考 文 献】

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