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摘要： 锯材干燥预热需要大量蒸汽，为节约能源，本研究开展了减少蒸汽用量的研究。以柞木为研究对象，用预热时间表示蒸汽用量作为考察指标，通过对干燥窑内介质温度、锯材厚度和锯材初始含水率开展研究，得出三者同预热时间之间的关系及规律，从而为实际生产中预热时间的合理设定提供参考。
关键词： 柞木； 介质温度； 初含水率； 厚度
中图分类号： S 782. 31， TS 612 + . 3 文献标识码： A
锯材预热过程中，热量来源于蒸汽和加热管的传导，而且蒸汽的用量取决于木材树种、初含水率、锯材规格、干燥介质温度、材积大小和窑体体积等多种因素，因此，在预热中以升温时间为蒸汽量化参数更易于实际操作，即以预热时间表示蒸汽用量。
根据木材的热学性能分析，木材升温主要受到介质温度、树种、含水率、厚度等因素影响[ 1 - 3 ]。本研究以升温时间为考察指标，通过单因素多水平试验，研究介质温度、初含水率和板材厚度对木材升温时间的影响规律，以期为实际生产中预热时间的合理设定提供参考，减少不必要的能源消耗。
1 试验材料与方法
1. 1 材 料
柞木（Quercus mongolica），采自黑龙江省尚志国有林场。选取平均胸径为22 cm的原木，加工成3种规格的整边锯材，试材要求表面平整，无节疤、裂纹等缺陷。试件的规格等情况见表1。
1. 2 仪器设备
本试验采用的加热设备为DS-408型恒温恒湿箱，温度范围在-40～100 ℃，湿度范围35%～98%RH；自组装多点温度监测仪；PB3002N型电子天平，精度0.01 g。
1. 3 方 法
本研究中采用单因素试验方法，研究了3种初含水率锯材的预热时间，以及3种厚度规格锯材和3种介质温度对预热时间的影响。
首先，选取含水率相近的锯材作为厚度、介质温度对预热时间影响研究的试件；另外选取15 mm厚试材9块，进行编号并记录初重，分3组放置于大气中进行气干处理，定期称重计算含水率，直至含水率分别接近60%、35%、25%时分组用塑料袋密封，进行平衡处理，用于测定含水率对锯材预热时间的影响。
试验时对试件长度两端进行封闭处理。之后，在试件侧面用钻头打孔，深度为试件宽度的一半，孔的中心距是锯材厚度的一半。对试件进行称重，埋入测温探针，再将试件放入恒温恒湿箱中，定时记录试材内部的温度；当试件温度达到设定的温度值时，试验过程结束。对试件进行称重，观测试验后试件含水率的变化情况。
2 结果及分析
2. 1 锯材厚度对预热时间的影响
在长期生产实践中，人们通常将厚度作为估算预热时间的决定因素，从干燥室温度升至预设温度时，锯材预热时间以1～2 h/cm计算。本次试验预设相同的温湿度环境，对3组不同厚度的试材进行升温监测，从结果（图1）可以看到，木材初始的升温速度较快，后期升温速度趋缓。在30 min时，15 mm厚的锯材中心温度达到52.1 ℃，25 mm厚的锯材为42.5 ℃；35 mm厚的锯材中心温度最低，只有33.4 ℃。锯材从室温20 ℃升至65 ℃，15 mm厚的试材用时80 min，平均升温速度为0.65 ℃/min；35 mm厚试材则耗时140 min，升温速度为0.43 ℃/min。15 mm厚试材升温速度约为35 mm厚试材的1.5倍。
数据显示，不同厚度试材中心点升温速度差异较大，锯材厚度与升温时间并非呈线性关系，以锯材预热时间1～2 h/cm的经验值确定预热时间并不准确。另一方面，也证实了锯材厚度对预热时间有显著影响，是影响预热时间的决定性因素。分析其原因，由于木材升温主要通过与外界介质的对流和内部导热来实现，热量由外界进入锯材表层，锯材表层与内部通过导热将热量向内部传导，锯材厚度越大，传导路径越长，锯材整体温度上升相对减缓，因此锯材越厚其中心位置升温越慢。
2. 2 锯材含水率对预热时间的影响
设定预热温度65 ℃，湿度97%，取初含水率分别为25%、35%、60%的3组试件，监测木材中心温度变化。结果（图2）显示，开始加热时，含水率为25%的试件升温最快，60%的试件升温最慢；但随着温度的上升，3组试件的升温速度都趋于减缓，在70 min时同时达到预设温度。这说明木材的初含水率对木材的升温时间没有显著影响，也与李贤军等[ 4 ]（2004）对杉木和落叶松含水率与预热时间相关性的试验结果相同。
可见，导温系数又取决于木材的密度、比热和热导率。水的比热远大于木材比热，当木材含水率增加时比热也相应增加，升温所需要的热量也就越多。同时，含水率的增加提高了木材的导热能力，根据公式（2）可知，木材含水率增加时，热导率、比热和密度同时增加，导温系数略有减小但变化不大，预热时间基本不受影响。由此得出，木材的初含水率对预热时间影响不显著。
2. 3 环境温度对预热时间的影响
在同等条件下，窑内介质温度设定不同，锯材升温速度也不同[ 5 ]。本试验中，窑内介质温度越高，锯材升温越快，当介质温度设定为90、 75、 65 ℃时，木材中心温度達到60 ℃分别用时约40、 50、 90 min。这是因为介质温度越高，单位时间内提供的热能越多，在锯材中传导的热量增加，内部温度相应加速上升。从理论公式也能证明这一点。根据傅里叶偏微分方程，当锯材的长度和宽度远大于厚度时，可将锯材视为平板，只考虑垂直于厚度方向截面热量的传导。方程（1）可简化为
式中，tC为介质温度（℃）；t0为锯材初始温度（℃）；t为锯材给定点的温度（℃）；R为锯材厚度的一半（m）；F0为傅里叶准数；Bi为毕渥准数。无因次温度θ与傅里叶准数F0呈反比例函数关系，由公式（6）可知，当锯材初始温度t0和给定点温度t一定时，介质温度tC越高，无因次温度越高；相应地，傅里叶准数越小，锯材升温时间就会越短。
3 小 结
3. 1 从试验结果可以得出，柞木锯材的厚度、初含水率、介质温度3个因素中，锯材厚度和窑内介质温度对木材升温影响为显著，木材的初含水率则对木材升温基本无影响。
3. 2 试样厚度对柞木预热升温速度有明显影响，厚度越大，升温所需时间越长，但二者呈非线性关系，实测升温时间要远短于依据经验估算的预热时间；初含水率对木材预热时间基本无影响；介质温度对柞木的干燥预热时间有显著影响。
3. 3 在介质温度65 ℃，试样含水率59%～70%时，15、25、35 mm厚柞木试样中心点从15 ℃升至65 ℃，分别用时80、110、140 min。
3. 4 今后还需进一步从木材微观结构和能量传导等方面，深入研究木材厚度与预热时间的关系，及预热处理温度和时间对木材干燥质量的影响。
参考文献
[1] 李贤军， 伊松林.微波预处理对三种人工林木材干燥特性的影响[J]. 林产工业， 2008， 35（4）： 32 - 34.
[2] 苗平， 薛伟， 徐柏森. 蒸汽爆破预处理对柞木微观结构的影响[J]. 林业科技开发， 2007， 21（4）： 51 - 53.
[3] 伊松林， 张璧光， 常建民. 木材真空-过热蒸汽干燥的预热特性[J]. 木材工业， 2002， 16（5）： 21 - 23.
[4] 李贤军， 张璧光， 杨涛， 王群喜. 木材干燥预热时间初探[J]. 北京林业大学学报， 2004， 26（2）： 90 - 93.
[5] 孟兆新， 于彪， 李尚， 等. 基于热流耦合的木材干燥窑风速温度分布[J]. 森林工程， 2015， 31（1）： 49 - 53.
第1作者简介： 崔晓磊（1982-）， 女， 助理研究员，研究方向： 木材科学。
通讯作者： 吕蕾（1978-）， 女， 副研究员， 研究方向： 木材科学。
收稿日期： 2017 - 12 - 10
（责任编辑： 潘启英）
关键词： 柞木； 介质温度； 初含水率； 厚度
中图分类号： S 782. 31， TS 612 + . 3 文献标识码： A
锯材预热过程中，热量来源于蒸汽和加热管的传导，而且蒸汽的用量取决于木材树种、初含水率、锯材规格、干燥介质温度、材积大小和窑体体积等多种因素，因此，在预热中以升温时间为蒸汽量化参数更易于实际操作，即以预热时间表示蒸汽用量。
根据木材的热学性能分析，木材升温主要受到介质温度、树种、含水率、厚度等因素影响[ 1 - 3 ]。本研究以升温时间为考察指标，通过单因素多水平试验，研究介质温度、初含水率和板材厚度对木材升温时间的影响规律，以期为实际生产中预热时间的合理设定提供参考，减少不必要的能源消耗。
1 试验材料与方法
1. 1 材 料
柞木（Quercus mongolica），采自黑龙江省尚志国有林场。选取平均胸径为22 cm的原木，加工成3种规格的整边锯材，试材要求表面平整，无节疤、裂纹等缺陷。试件的规格等情况见表1。
1. 2 仪器设备
本试验采用的加热设备为DS-408型恒温恒湿箱，温度范围在-40～100 ℃，湿度范围35%～98%RH；自组装多点温度监测仪；PB3002N型电子天平，精度0.01 g。
1. 3 方 法
本研究中采用单因素试验方法，研究了3种初含水率锯材的预热时间，以及3种厚度规格锯材和3种介质温度对预热时间的影响。
首先，选取含水率相近的锯材作为厚度、介质温度对预热时间影响研究的试件；另外选取15 mm厚试材9块，进行编号并记录初重，分3组放置于大气中进行气干处理，定期称重计算含水率，直至含水率分别接近60%、35%、25%时分组用塑料袋密封，进行平衡处理，用于测定含水率对锯材预热时间的影响。
试验时对试件长度两端进行封闭处理。之后，在试件侧面用钻头打孔，深度为试件宽度的一半，孔的中心距是锯材厚度的一半。对试件进行称重，埋入测温探针，再将试件放入恒温恒湿箱中，定时记录试材内部的温度；当试件温度达到设定的温度值时，试验过程结束。对试件进行称重，观测试验后试件含水率的变化情况。
2 结果及分析
2. 1 锯材厚度对预热时间的影响
在长期生产实践中，人们通常将厚度作为估算预热时间的决定因素，从干燥室温度升至预设温度时，锯材预热时间以1～2 h/cm计算。本次试验预设相同的温湿度环境，对3组不同厚度的试材进行升温监测，从结果（图1）可以看到，木材初始的升温速度较快，后期升温速度趋缓。在30 min时，15 mm厚的锯材中心温度达到52.1 ℃，25 mm厚的锯材为42.5 ℃；35 mm厚的锯材中心温度最低，只有33.4 ℃。锯材从室温20 ℃升至65 ℃，15 mm厚的试材用时80 min，平均升温速度为0.65 ℃/min；35 mm厚试材则耗时140 min，升温速度为0.43 ℃/min。15 mm厚试材升温速度约为35 mm厚试材的1.5倍。
数据显示，不同厚度试材中心点升温速度差异较大，锯材厚度与升温时间并非呈线性关系，以锯材预热时间1～2 h/cm的经验值确定预热时间并不准确。另一方面，也证实了锯材厚度对预热时间有显著影响，是影响预热时间的决定性因素。分析其原因，由于木材升温主要通过与外界介质的对流和内部导热来实现，热量由外界进入锯材表层，锯材表层与内部通过导热将热量向内部传导，锯材厚度越大，传导路径越长，锯材整体温度上升相对减缓，因此锯材越厚其中心位置升温越慢。
2. 2 锯材含水率对预热时间的影响
设定预热温度65 ℃，湿度97%，取初含水率分别为25%、35%、60%的3组试件，监测木材中心温度变化。结果（图2）显示，开始加热时，含水率为25%的试件升温最快，60%的试件升温最慢；但随着温度的上升，3组试件的升温速度都趋于减缓，在70 min时同时达到预设温度。这说明木材的初含水率对木材的升温时间没有显著影响，也与李贤军等[ 4 ]（2004）对杉木和落叶松含水率与预热时间相关性的试验结果相同。
可见，导温系数又取决于木材的密度、比热和热导率。水的比热远大于木材比热，当木材含水率增加时比热也相应增加，升温所需要的热量也就越多。同时，含水率的增加提高了木材的导热能力，根据公式（2）可知，木材含水率增加时，热导率、比热和密度同时增加，导温系数略有减小但变化不大，预热时间基本不受影响。由此得出，木材的初含水率对预热时间影响不显著。
2. 3 环境温度对预热时间的影响
在同等条件下，窑内介质温度设定不同，锯材升温速度也不同[ 5 ]。本试验中，窑内介质温度越高，锯材升温越快，当介质温度设定为90、 75、 65 ℃时，木材中心温度達到60 ℃分别用时约40、 50、 90 min。这是因为介质温度越高，单位时间内提供的热能越多，在锯材中传导的热量增加，内部温度相应加速上升。从理论公式也能证明这一点。根据傅里叶偏微分方程，当锯材的长度和宽度远大于厚度时，可将锯材视为平板，只考虑垂直于厚度方向截面热量的传导。方程（1）可简化为
式中，tC为介质温度（℃）；t0为锯材初始温度（℃）；t为锯材给定点的温度（℃）；R为锯材厚度的一半（m）；F0为傅里叶准数；Bi为毕渥准数。无因次温度θ与傅里叶准数F0呈反比例函数关系，由公式（6）可知，当锯材初始温度t0和给定点温度t一定时，介质温度tC越高，无因次温度越高；相应地，傅里叶准数越小，锯材升温时间就会越短。
3 小 结
3. 1 从试验结果可以得出，柞木锯材的厚度、初含水率、介质温度3个因素中，锯材厚度和窑内介质温度对木材升温影响为显著，木材的初含水率则对木材升温基本无影响。
3. 2 试样厚度对柞木预热升温速度有明显影响，厚度越大，升温所需时间越长，但二者呈非线性关系，实测升温时间要远短于依据经验估算的预热时间；初含水率对木材预热时间基本无影响；介质温度对柞木的干燥预热时间有显著影响。
3. 3 在介质温度65 ℃，试样含水率59%～70%时，15、25、35 mm厚柞木试样中心点从15 ℃升至65 ℃，分别用时80、110、140 min。
3. 4 今后还需进一步从木材微观结构和能量传导等方面，深入研究木材厚度与预热时间的关系，及预热处理温度和时间对木材干燥质量的影响。
参考文献
[1] 李贤军， 伊松林.微波预处理对三种人工林木材干燥特性的影响[J]. 林产工业， 2008， 35（4）： 32 - 34.
[2] 苗平， 薛伟， 徐柏森. 蒸汽爆破预处理对柞木微观结构的影响[J]. 林业科技开发， 2007， 21（4）： 51 - 53.
[3] 伊松林， 张璧光， 常建民. 木材真空-过热蒸汽干燥的预热特性[J]. 木材工业， 2002， 16（5）： 21 - 23.
[4] 李贤军， 张璧光， 杨涛， 王群喜. 木材干燥预热时间初探[J]. 北京林业大学学报， 2004， 26（2）： 90 - 93.
[5] 孟兆新， 于彪， 李尚， 等. 基于热流耦合的木材干燥窑风速温度分布[J]. 森林工程， 2015， 31（1）： 49 - 53.
第1作者简介： 崔晓磊（1982-）， 女， 助理研究员，研究方向： 木材科学。
通讯作者： 吕蕾（1978-）， 女， 副研究员， 研究方向： 木材科学。
收稿日期： 2017 - 12 - 10
（责任编辑： 潘启英）