木材对流加热干燥热质迁移规律的研究

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掌握木材对流加热干燥过程中热量传递与水分迁移的规律有助于改善干燥工艺,节省能耗和提高木材干燥品质。本研究以东北常用木材兴安落叶松(Larix gmelinii Rupr.)为对象,研究了木材干燥过程中热质传递的基本规律。对木材干燥过程中三维温度分布及变化进行试验研究,探讨了木材在对流加热干燥过程中的三维传热规律。研究结果表明:由于木材长度远大于木材厚度,传热主要沿木材横纹方向,热阻受木材厚度和宽度共同制约。在厚度方向上,木材表面温度最易随环境温度而改变,在厚度断面上形成明显的外高内低的温度梯度,若环境温度保持稳定,厚度上的温差很快减小,温度梯度变得平缓。在干燥过程中,由于在大部分时间内木材内部温差很小,非等温热扩散效应很短暂。在宽度方向上,靠近侧面部位热质耦合效应较明显,宽度方向上温度梯度为内高外低,因此除非宽度远大于厚度或侧面有效封闭,一般情况下宽度的差异对总体传热造成的影响不能忽略。运用一维菲克非稳态扩散定律描述木材在干燥过程中厚度方向上的水分迁移,将自由水渗流在形式上等同于扩散。在获取含水率空间与时间分布基础上利用有限差分法逆求水分扩散系数。结果显示:水分扩散系数随木材整体含水率减小而减小,但每个空间位置上扩散系数随该部位含水率的变化不显著;木材温度对水分扩散系数的影响非常显著,随着温度升高,水分扩散系数增大,其影响比含水率的大:材性对水分扩散系数的影响很大。在不同温度下对水分扩散系数随平均含水率的变化作了拟合,相关系数非常高,在0.9936到0.9999之间。基于Whitaker体积平均理论并将相变传热传质考虑在内建立了木材对流加热干燥过程中热质迁移数学模型,模型中将自由水渗流在形式上等同于扩散,忽略纤维饱和点以上部位水蒸气的扩散,并假定木材内部自由水(纤维饱和点以上部位)和吸着水(纤维饱和点以下部位)与其微环境的水蒸气保持着不同的相平衡。将控制方程写成显式的差分格式,并在Matlab上编写相应的程序,利用计算机数值解法求解热质传递数学模型。最后对模型进行了初步试验验证,结果显示表层分层含水率试验值比模型预测值减小得要快,而接近心材部位的分层含水率试验值比模型预测值减小得要慢;内部温度分布模型预测值与试验值吻合性较好。
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