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摘 要：本文以日本柳杉和杉木小径圆柱材为研究对象，对常规干燥过程中木材内部的温度和含水率进行试验。结果表明：人工林日本柳杉和杉木小径圆柱材在干燥过程中木材内部温度形成了外高内低的整体性温度场，含水率在试件断面上形成了里高外低近抛物线分布。
关键词：日本柳杉；杉木；小径圆柱材；温度；含水率
中图分类号：S781 文献标识码：A
我国森林资源贫乏，相对于大径材的短缺，小径材和枝桠材的充分利用已成为木材加工学科中的主要研究课题[1]。但是小径材树龄小、材质差，在干燥过程中会产生弯曲、开裂现象，干燥质量较差，致使出材率较低[2]。本研究以人工林小径圆柱材日本柳杉和杉木为研究对象，通过对干燥过程中木材内部温度和含水率变化规律的研究，为小径材圆柱材的干燥提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
本试验用日本柳杉和杉木速生人工林木材作为研究对象，采自安徽省霍山县茅山林场。试验前将木材锯制成规格长80cm，直径为20cm左右的木段，并沿髓心至边皮开一槽口。
1.2 试验方法
本试验采用常规干燥方法。干燥过程中木材温度的测量采用热电偶式温度计。用热电偶测量木材内部温度的设备包括：自制的铜-康铜热电偶一套、WKR-122型油浸式多切点切换开关和FPZ-1导热系数电压表各1台。
通过多点切换开关与仪表相连接，按编号顺序将各个热电偶依次连接到一个油浸式多切点切换开关上。选择一个共同的参照点――热电偶的冷端（即切换开关的输出端），这样可以保证测量的温度不受周围环境的影响，使测量的温度具有可比性。将切换开关的输出端放入冰点槽中（冰点槽就是将保温瓶内装满冰水混合物，用来满足冷端的温度维持在0℃）。
测量前先要对自制的热电偶进行标定，测定出热电势与温度之间的关系式。将热电偶的测量端和标准温度计同时插入电热箱中，测量随着温度变化的热电势与温度的对应值，并绘成曲线，找出2者的相关性，如表1。为了比较其间的差异性，需对全部9个热电偶都进行测定。结果发现同一温度下，对应的热电势差值非常小。测试结果表明自制的热电偶材质均匀，变异性小，热电偶本身对温度测定产生的影响低。
1.2.1 小径圆柱材干燥过程中木材内部温度的测量
测试材料按试件要求开槽，两端用玻璃胶封好，测出初重（Wi）、长度（L）和直径（2r）。沿木段长度方向，在中心位置和距离两端1/4位置钻孔，孔间距大于5mm；木段端头沿直径方向上钻孔，孔的深度分别离表皮1cm深、1/2半径深、半径深。将直径小于1.5mm的铜-康铜热电偶依次插入圆柱材的表面（即1点或2、3、4、5、6、7、8、9点），确保热电偶埋置牢固（可用同一株日本柳杉和杉木木材的细木粉将孔填塞压实）。将试件放在低温湿热试验箱中，先从电压表上读出木材的初始热电势，再由热电偶温度-电压关系式求算出木材初始温度T0。按工艺要求对试件进行干燥，每隔一定的時间测量一下木材各部位的热电势，再按上述方法换算成对应的温度，各测量点的温度记为T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8和T9（由于干燥木段是圆柱形，所以理想的认为槽口2边同一深度的温度是一样的，在测定时只测圆柱材的一半即可）。
1.2.2 小径圆柱材干燥过程中木材内部含水率的测量
1.2.2.1 低含水率的测定
用电阻式含水率仪直接测定低含水率木材。测定木材温度的同时，在该木段的另一侧放置热电偶的相应位置处钻孔；同样沿木段长度方向上，孔间距大于5mm，沿木段圆头直径方向上钻孔深度分别距离表皮1cm深、1/2半径深、半径深，将直径小于2mm的绝缘铜导线的一端用锉磨尖，另一端用砂纸打掉绝缘层。将其固定在试材表面（测量点的位置在锯口另半段和温度测量点的位置对应。），使其末端与试件紧密接触，确保铜线埋置牢固、接触良好（可分别用同一株日本柳杉和杉木木材的细木粉将孔填塞压实）。用接线夹将埋置的铜导线和电阻式含水率仪2个插头分别连接起来，测量各点的木材含水率。要得出干燥过程中木材的实际含水率，对测得的含水率进行温度修正，再进行树种标定，计算出实际含水率。
干燥结束，立刻称出木段的干重，烘干称得绝干重，根据公式求出木材的初始含水率和终含水率等值。
1.2.2.2 高含水率测定
含水率测定仪有一定的测量范围，当木材含水率较高时，超出测量量程就无法用含水率仪来测定，这种情况下可用称重法来测定。
2 结果与分析
2.1 木材在干燥过程中内部的温度分布
预热初始阶段，试件表层温度随干燥温度增加上升迅速，里层温度上升速度相对表层升温速度稍滞后。当温度到达预设温度后，木材温度接近于介质温度。预热阶段结束，基准下调到干燥初始阶段温度时，试件表层温度迅速下降，里层温度下降则非常缓慢，试件出现表层温度低于内部中心层温度的一段时间。干燥中期，试件进入排除自由水的较稳定时期（含水率大于纤维饱和点以上），干燥介质的干、湿球温度差保持恒定，试件表层和内部温度差也保持相对恒定。当基准进入升温阶段骤然调温时，表层温度呈现缓慢曲线上升，而内部中心层温度也缓慢上升，相表层对较滞后。干燥后期，试件表层与内部中心层温度与基准温度接近[3]。
整个干燥过程中，人工林杉木和日本柳杉小径圆柱材木材内部的温度略低于表面温度，被测试件形成了外高内低的温度场[4]。这是因为在木材干燥的过程中，干燥介质与木材表面的对流换热实现热传递，并通过木材内部的导热机制实现对木材加热，进而实现干燥的目的。整个试件在干燥过程中温度表现出不均匀性，即试件内部温度呈现一定梯度。这是由传热的特点所决定的[5]。
2.2 小径圆柱材干燥过程中木材沿直径方向的水分迁移
人工林杉木和日本柳杉小径圆柱材初含水率在40%～60%，且开始时木材内部在直径方向上已经形成了一定的含水率落差。干燥开始后，木材表面水分继续蒸发，内部水分往表面的移动速度加快，径向上的水分也从含水率较高部位向含水率较低部位移动，随着干燥的进行，含水率在试件端头圆断面上形成内高外低的分布态势。
3 结 论
人工林日本柳杉和杉木小径圆柱材干燥过程中木材内部的温度呈现的特点是：干燥预热阶段，试件表层温度随干燥温度的升高而上升迅速，内部中心层温度上升速度相比表层稍滞后；当基准下调进入干燥阶段，内部中心层温度下降缓慢，而表层温度则下降迅速，试件内部出现中心层温度稍高于表层温度的一段时间。干燥后期，表层与中心层温度靠接近基准温度。在干燥过程中，试件呈现出外高内低的温度场，这与锯材在常规窑干时木材的温度变化接近。
人工林日本柳杉和杉木小径圆柱材干燥过程中的含水率在圆木段直径方向上分布情况：新伐材含水率内外一致，经过运输、加工后，在端头沿直径方向上呈现一定的落差。干燥开始后，由于含水率梯度的存在，表面继续蒸发水分，靠近表面的内层中水分向表面移动，内部含水率从较高向较低位置移动。随着干燥的进行，在圆端面上形成了内高外低近抛物线分布的形态，且呈对称分布的。内外层含水率经过平衡处理后趋于一致。
参考文献
[1] 高建民.小径原木干燥工艺初探[J].木材工业，1994（1）：26-29.
[2] 蔡英春.小径材的综合利用[J].内蒙古林业，1998（9）：28.
[3] 顾炼百，庄寿增，杜国兴，等.短周期工业材干燥机理的研究[J].南京：南京林业大学，1991.
[4] 李贤军，张璧光.微波真空干燥过程中木材内部的温度分布规律[C].第十次全国木材干燥学术讨论会论文集，2005（10）：89-95.
[5] 杨文斌，李大纲，刘金福.木材微波干燥过程中含水率与温度的变化规律[C].第10次全国木材干燥学术讨论会论文集，2005（10）：101-106.
关键词：日本柳杉；杉木；小径圆柱材；温度；含水率
中图分类号：S781 文献标识码：A
我国森林资源贫乏，相对于大径材的短缺，小径材和枝桠材的充分利用已成为木材加工学科中的主要研究课题[1]。但是小径材树龄小、材质差，在干燥过程中会产生弯曲、开裂现象，干燥质量较差，致使出材率较低[2]。本研究以人工林小径圆柱材日本柳杉和杉木为研究对象，通过对干燥过程中木材内部温度和含水率变化规律的研究，为小径材圆柱材的干燥提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
本试验用日本柳杉和杉木速生人工林木材作为研究对象，采自安徽省霍山县茅山林场。试验前将木材锯制成规格长80cm，直径为20cm左右的木段，并沿髓心至边皮开一槽口。
1.2 试验方法
本试验采用常规干燥方法。干燥过程中木材温度的测量采用热电偶式温度计。用热电偶测量木材内部温度的设备包括：自制的铜-康铜热电偶一套、WKR-122型油浸式多切点切换开关和FPZ-1导热系数电压表各1台。
通过多点切换开关与仪表相连接，按编号顺序将各个热电偶依次连接到一个油浸式多切点切换开关上。选择一个共同的参照点――热电偶的冷端（即切换开关的输出端），这样可以保证测量的温度不受周围环境的影响，使测量的温度具有可比性。将切换开关的输出端放入冰点槽中（冰点槽就是将保温瓶内装满冰水混合物，用来满足冷端的温度维持在0℃）。
测量前先要对自制的热电偶进行标定，测定出热电势与温度之间的关系式。将热电偶的测量端和标准温度计同时插入电热箱中，测量随着温度变化的热电势与温度的对应值，并绘成曲线，找出2者的相关性，如表1。为了比较其间的差异性，需对全部9个热电偶都进行测定。结果发现同一温度下，对应的热电势差值非常小。测试结果表明自制的热电偶材质均匀，变异性小，热电偶本身对温度测定产生的影响低。
1.2.1 小径圆柱材干燥过程中木材内部温度的测量
测试材料按试件要求开槽，两端用玻璃胶封好，测出初重（Wi）、长度（L）和直径（2r）。沿木段长度方向，在中心位置和距离两端1/4位置钻孔，孔间距大于5mm；木段端头沿直径方向上钻孔，孔的深度分别离表皮1cm深、1/2半径深、半径深。将直径小于1.5mm的铜-康铜热电偶依次插入圆柱材的表面（即1点或2、3、4、5、6、7、8、9点），确保热电偶埋置牢固（可用同一株日本柳杉和杉木木材的细木粉将孔填塞压实）。将试件放在低温湿热试验箱中，先从电压表上读出木材的初始热电势，再由热电偶温度-电压关系式求算出木材初始温度T0。按工艺要求对试件进行干燥，每隔一定的時间测量一下木材各部位的热电势，再按上述方法换算成对应的温度，各测量点的温度记为T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8和T9（由于干燥木段是圆柱形，所以理想的认为槽口2边同一深度的温度是一样的，在测定时只测圆柱材的一半即可）。
1.2.2 小径圆柱材干燥过程中木材内部含水率的测量
1.2.2.1 低含水率的测定
用电阻式含水率仪直接测定低含水率木材。测定木材温度的同时，在该木段的另一侧放置热电偶的相应位置处钻孔；同样沿木段长度方向上，孔间距大于5mm，沿木段圆头直径方向上钻孔深度分别距离表皮1cm深、1/2半径深、半径深，将直径小于2mm的绝缘铜导线的一端用锉磨尖，另一端用砂纸打掉绝缘层。将其固定在试材表面（测量点的位置在锯口另半段和温度测量点的位置对应。），使其末端与试件紧密接触，确保铜线埋置牢固、接触良好（可分别用同一株日本柳杉和杉木木材的细木粉将孔填塞压实）。用接线夹将埋置的铜导线和电阻式含水率仪2个插头分别连接起来，测量各点的木材含水率。要得出干燥过程中木材的实际含水率，对测得的含水率进行温度修正，再进行树种标定，计算出实际含水率。
干燥结束，立刻称出木段的干重，烘干称得绝干重，根据公式求出木材的初始含水率和终含水率等值。
1.2.2.2 高含水率测定
含水率测定仪有一定的测量范围，当木材含水率较高时，超出测量量程就无法用含水率仪来测定，这种情况下可用称重法来测定。
2 结果与分析
2.1 木材在干燥过程中内部的温度分布
预热初始阶段，试件表层温度随干燥温度增加上升迅速，里层温度上升速度相对表层升温速度稍滞后。当温度到达预设温度后，木材温度接近于介质温度。预热阶段结束，基准下调到干燥初始阶段温度时，试件表层温度迅速下降，里层温度下降则非常缓慢，试件出现表层温度低于内部中心层温度的一段时间。干燥中期，试件进入排除自由水的较稳定时期（含水率大于纤维饱和点以上），干燥介质的干、湿球温度差保持恒定，试件表层和内部温度差也保持相对恒定。当基准进入升温阶段骤然调温时，表层温度呈现缓慢曲线上升，而内部中心层温度也缓慢上升，相表层对较滞后。干燥后期，试件表层与内部中心层温度与基准温度接近[3]。
整个干燥过程中，人工林杉木和日本柳杉小径圆柱材木材内部的温度略低于表面温度，被测试件形成了外高内低的温度场[4]。这是因为在木材干燥的过程中，干燥介质与木材表面的对流换热实现热传递，并通过木材内部的导热机制实现对木材加热，进而实现干燥的目的。整个试件在干燥过程中温度表现出不均匀性，即试件内部温度呈现一定梯度。这是由传热的特点所决定的[5]。
2.2 小径圆柱材干燥过程中木材沿直径方向的水分迁移
人工林杉木和日本柳杉小径圆柱材初含水率在40%～60%，且开始时木材内部在直径方向上已经形成了一定的含水率落差。干燥开始后，木材表面水分继续蒸发，内部水分往表面的移动速度加快，径向上的水分也从含水率较高部位向含水率较低部位移动，随着干燥的进行，含水率在试件端头圆断面上形成内高外低的分布态势。
3 结 论
人工林日本柳杉和杉木小径圆柱材干燥过程中木材内部的温度呈现的特点是：干燥预热阶段，试件表层温度随干燥温度的升高而上升迅速，内部中心层温度上升速度相比表层稍滞后；当基准下调进入干燥阶段，内部中心层温度下降缓慢，而表层温度则下降迅速，试件内部出现中心层温度稍高于表层温度的一段时间。干燥后期，表层与中心层温度靠接近基准温度。在干燥过程中，试件呈现出外高内低的温度场，这与锯材在常规窑干时木材的温度变化接近。
人工林日本柳杉和杉木小径圆柱材干燥过程中的含水率在圆木段直径方向上分布情况：新伐材含水率内外一致，经过运输、加工后，在端头沿直径方向上呈现一定的落差。干燥开始后，由于含水率梯度的存在，表面继续蒸发水分，靠近表面的内层中水分向表面移动，内部含水率从较高向较低位置移动。随着干燥的进行，在圆端面上形成了内高外低近抛物线分布的形态，且呈对称分布的。内外层含水率经过平衡处理后趋于一致。
参考文献
[1] 高建民.小径原木干燥工艺初探[J].木材工业，1994（1）：26-29.
[2] 蔡英春.小径材的综合利用[J].内蒙古林业，1998（9）：28.
[3] 顾炼百，庄寿增，杜国兴，等.短周期工业材干燥机理的研究[J].南京：南京林业大学，1991.
[4] 李贤军，张璧光.微波真空干燥过程中木材内部的温度分布规律[C].第十次全国木材干燥学术讨论会论文集，2005（10）：89-95.
[5] 杨文斌，李大纲，刘金福.木材微波干燥过程中含水率与温度的变化规律[C].第10次全国木材干燥学术讨论会论文集，2005（10）：101-106.