賈瀟然 劉珊杉 周雅菲 王宏棣

摘?要：木材干燥過程中，除介質(zhì)溫度、濕度外，介質(zhì)循環(huán)速度也是一個(gè)影響木材干燥的重要工藝參數(shù)。通過改變干燥設(shè)備中風(fēng)機(jī)的工作頻率（50、40、30 Hz），分析研究在不同含水率階段，不同介質(zhì)循環(huán)速度對(duì)木材干燥速度、干燥周期的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)試材含水率（MC）在纖維飽和點(diǎn)之上，介質(zhì)循環(huán)速度對(duì)干燥速度的影響顯著，木材干燥速度和木材含水率偏差（△MC）隨介質(zhì)循環(huán)速度的增加而增加，呈顯著正相關(guān)關(guān)系;當(dāng)試材含水率在纖維飽和點(diǎn)之下，介質(zhì)循環(huán)速度的大小不影響木材的干燥速度和木材含水率偏差。在干燥過程中以纖維飽和點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)，將風(fēng)機(jī)工作頻率由50 Hz降至30 Hz不會(huì)延長(zhǎng)干燥周期，風(fēng)機(jī)總能耗降低約18%。因此在干燥過程中適當(dāng)改變介質(zhì)循環(huán)速度，在保證干燥速度和質(zhì)量的前提下，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

關(guān)鍵詞：介質(zhì)循環(huán)速度; 干燥速度; 干燥周期; 風(fēng)機(jī)能耗

中圖分類號(hào)：S782.31文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8023（2019）06-0042-06

Study on the Effect of Circulation Velocity on Drying Rate of Birch

JIA Xiaoran*， LIU Shanshan， ZHOU Yafei，WANG Hongdi

（Heilongjiang Provincial Institute of Wood Science， Harbin 150040）

Abstract：In addition to temperature and humidity， medium circulation velocity is one of the very important process parameters that can affect wood drying during drying process. In this paper， it is to analyze the influence of medium circulation velocity on wood drying rate and drying cycle at different wood moisture content stages by changing the operating frequency （50， 40， 30Hz） of the fan of the drying equipment. The experimental results showed that， when the moisture content was above fiber saturation point （30%）， the influence of medium circulation velocity on wood drying rate was significant， the wood drying rate and the moisture content error in the sample surface increased when the medium circulation velocity became higher， and showed a significant positive correlation; when the moisture content was under fiber saturation point， the medium circulation velocity had no impacts on the wood drying rate and the moisture content error in the sample surface， at this time， the drying cycle was not prolonged by reducing the operating frequency from 50Hz to 30Hz of the fan， compared with the constant frequency operation of the fan， the total energy consumption of the fan was reduced by about 18%. Therefore， the purpose of energy saving and emission reduction can be achieved by appropriately changing the medium circulation speed during the drying process under the premise of ensuring drying rate and quality.

Keywords：Medium circulation velocity; wood drying rate; wood drying cycle; fan energy consumption

0?引言

木材干燥是木材加工過程中一個(gè)重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，盡管目前木材干燥的方式有很多種，但常規(guī)干燥仍占主導(dǎo)地位[1]。在常規(guī)干燥過程中，介質(zhì)的溫度、濕度和循環(huán)風(fēng)速是影響木材干燥速度、質(zhì)量的重要參數(shù)[2]。溫度和濕度隨干燥過程的變化構(gòu)成了木材的干燥基準(zhǔn)，是木材干燥工藝的重要內(nèi)容之一[3-4]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)介質(zhì)的溫度和濕度的研究已經(jīng)比較完善[5-9]。循環(huán)風(fēng)速也是影響木材干燥的一個(gè)重要因子，現(xiàn)有研究表明[10-17]，在纖維飽和點(diǎn)之上，提高循環(huán)風(fēng)速可提高干燥速度，因?yàn)轱L(fēng)速越高，對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)越大，木材表面自由水蒸發(fā)越快，同時(shí)木材芯層與表層含水率差越大，對(duì)于部分樹種而言會(huì)產(chǎn)生干燥缺陷;纖維飽和點(diǎn)之下，循環(huán)風(fēng)速對(duì)干燥速度影響較小，干燥速度取決于木材內(nèi)部水分向木材表面擴(kuò)散的速度。因此合理選擇循環(huán)風(fēng)速，可提高干燥速度、質(zhì)量，在保證干燥周期不變的情況下，降低干燥能耗。

目前木材干燥企業(yè)為了保證木材的干燥質(zhì)量，一般都采取比較保守的干燥基準(zhǔn)，從而造成了能源浪費(fèi)的問題，未來常規(guī)干燥工藝也要向節(jié)能減排的方向發(fā)展[18-19]。在現(xiàn)有的干燥基準(zhǔn)上，研究木材在不同含水率階段不同介質(zhì)循環(huán)速度對(duì)木材干燥的影響，將循環(huán)風(fēng)速、介質(zhì)的溫、濕度3個(gè)參數(shù)同時(shí)納入控制系統(tǒng)中，使木材干燥工藝過程精細(xì)化，達(dá)到節(jié)能減排、提高企業(yè)生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)利益的效果。

本研究探討不同循環(huán)風(fēng)速對(duì)樺木鋸材不同含水率階段表層及芯層干燥速度的影響、不同循環(huán)風(fēng)速對(duì)干燥周期的影響，通過對(duì)比分析，制定出不同含水率階段合理的介質(zhì)循環(huán)速度，與恒定風(fēng)速的干燥工藝相比，計(jì)算整個(gè)干燥周期風(fēng)機(jī)節(jié)約的能耗。

1?研究方法

1.1?材料

試驗(yàn)材料為含水率70%左右的40 mm厚樺木鋸材。試驗(yàn)前將鋸材四面刨光，將試材加工成規(guī)格為長(zhǎng)700 mm（縱向）、寬150～200 mm（弦向）、厚40 mm（徑向）的試件，為了讓試材內(nèi)部水分僅沿厚度方向遷移，將試材兩端（縱向）用硅膠封閉。

1.2?設(shè)備

74-TA Ⅱ型實(shí)驗(yàn)用常規(guī)木材干燥試驗(yàn)機(jī)，裝材容積為0.4 m3;在控制柜中接入SV015iG5-1型變頻器，實(shí)現(xiàn)干燥室風(fēng)機(jī)變頻;?，擜R866手持式熱敏式風(fēng)速儀等。

1.3?試驗(yàn)方法

含水率70%左右的40 mm厚樺木試材在常規(guī)木材干燥試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行4組試驗(yàn)，前3組試驗(yàn)風(fēng)機(jī)變頻器頻率分別為50、40、30 Hz，各組試驗(yàn)頻率保持不變直到干燥結(jié)束;第4組試驗(yàn)干燥初始風(fēng)機(jī)變頻器頻率為50 Hz，當(dāng)試件含水率降到纖維飽和點(diǎn)以下，變頻器頻率調(diào)為30 Hz，直到干燥結(jié)束。4組使用相同的基準(zhǔn)對(duì)試件進(jìn)行干燥，干燥基準(zhǔn)見表1，干燥基準(zhǔn)參照LY-T 1068-2012 鋸材窯干工藝規(guī)程。4組試驗(yàn)在干燥過程中定期測(cè)量試材表層風(fēng)速，選取上下表層風(fēng)速相近的試件，采用稱重法計(jì)算該試件平均含水率，將試件端頭截?cái)?，沿厚度方向等分?層（通常情況下厚度<50 mm分3層，厚度>50 mm分5層），采用稱重法計(jì)算各上表層、芯層和下表層含水率，即分層含水率，不同頻率下風(fēng)速見表2。

2?結(jié)果與分析

2.1?循環(huán)風(fēng)速對(duì)試件干燥速度的影響

第1-3組試驗(yàn)，風(fēng)機(jī)頻率為50、40、30 Hz，每組試驗(yàn)選取初含水率、表層循環(huán)風(fēng)速相近的3個(gè)試材，編號(hào)分別為1-1、1-2、1-3;2-1、2-2、2-3;3-1、3-2、3-3，試材初始含水率約為70%，終含水率約為10%，平均含水率、表層含水率變化曲線、表層含水率偏差分別如圖1至圖3所示，其中表層含水率為上、下表層含水率均值。

從圖1至圖3中可以看出，各組試驗(yàn)中，風(fēng)速相近的3塊試材的干燥速度（曲線斜率）無明顯區(qū)別，變化趨勢(shì)基本一致，含水率在纖維飽和點(diǎn)之上，干燥速度較快，含水率在纖維飽和點(diǎn)之下，干燥速度降低。不同風(fēng)速下，3塊試材平均含水率、平均表層含水率變化曲線如圖4所示。

由圖4（a）可以看出，當(dāng)試材平均含水率在纖維飽和點(diǎn)之上，3組試驗(yàn)干燥速度存在明顯區(qū)別，介質(zhì)循環(huán)速度越大，干燥速度越快，即50 Hz下試材干燥速度最快，40 Hz下干燥速度次之，30 Hz下干燥速度最慢。從干燥時(shí)間可以看出，在50 Hz下試材平均含水率降至30%用時(shí)約為70 h，40 Hz下約為100 h，30 Hz下約為140 h;當(dāng)含水率降至纖維飽和點(diǎn)之下， 3組試驗(yàn)干燥速度相近，50 Hz下試材平均含水率降至10%用時(shí)約為190 h，40 Hz下約為200 h，30 Hz下約為210 h。

由圖4（b）可以看出，當(dāng)含水率在纖維飽和點(diǎn)之上，3組試材表層含水率由70%降至30%用時(shí)分別約為38、50、74 h，平均干燥速度為含水率差/干燥時(shí)間，經(jīng)計(jì)算3組試材表層干燥速度比為1.95∶1.48∶1，3組試驗(yàn)介質(zhì)循環(huán)平均風(fēng)速分別為4.30、3.33、2.37 m/s，風(fēng)速比為1.81∶1.41∶1，兩者趨勢(shì)相近，由此可以得出，介質(zhì)循環(huán)風(fēng)速與試材表層干燥速度成正相關(guān)關(guān)系，即介質(zhì)循環(huán)速度越大，試材表層干燥速度越快;當(dāng)含水率由纖維飽和點(diǎn)將至10%，3組試材用時(shí)分別約為220 h、230 h和240 h，試材表層干燥速度比為1.10∶1.05∶1，由此可以得出，介質(zhì)循環(huán)風(fēng)速對(duì)試材表層干燥速度影響很小。

圖5為3組試材平均表層含水率偏差，在不同循環(huán)風(fēng)速下，3組試材表層含水率偏差均呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢(shì)，干燥前期，循環(huán)風(fēng)速越大，表層含水率偏差越大，干燥后期，隨著含水率逐漸降低，試材內(nèi)部水分向表面移動(dòng)的速度決定著木材干燥速度，即含水率梯度成為驅(qū)動(dòng)力，此時(shí)通過提高介質(zhì)循環(huán)速度來加快試材表面水分蒸發(fā)的速度沒有實(shí)際意義。

2.2?變頻循環(huán)風(fēng)速對(duì)干燥周期及能耗的影響

第4組試驗(yàn)干燥初始風(fēng)機(jī)變頻器頻率為50 Hz，當(dāng)試件平均含水率降到纖維飽和點(diǎn)以下，變頻器頻率調(diào)為30 Hz，直到干燥結(jié)束。第4組使用與前3組相同的基準(zhǔn)對(duì)試件進(jìn)行干燥，試驗(yàn)選取初含水率、表面循環(huán)風(fēng)速相近的3個(gè)試材， 50 Hz下平均風(fēng)速為4.2 m/s， 30 Hz下平均風(fēng)速為2.3 m/s，變頻循環(huán)風(fēng)速與50 Hz定頻循環(huán)風(fēng)速下試材平均含水率變化曲線對(duì)比如圖6所示。

由圖6可以看出，當(dāng)含水率降至纖維飽和之下時(shí)，通過調(diào)整風(fēng)機(jī)頻率由50 Hz降至30 Hz，風(fēng)速降低對(duì)整個(gè)干燥周期基本沒有影響。通過變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行調(diào)速控制，其節(jié)能量可根據(jù)GB12497《三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施監(jiān)督指南中的計(jì)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為變頻器改造后風(fēng)機(jī)所需輸入功率，kW;PE為達(dá)到風(fēng)機(jī)額定流量時(shí)所需輸入功率，kW;Q為實(shí)際所需流量，m3/h ; QN為風(fēng)機(jī)額定流量，m3/h。

由流體力學(xué)可知，流量等于風(fēng)速乘以管道的截面積。對(duì)于同一個(gè)風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)的同一個(gè)測(cè)點(diǎn)，其管道截面積相同，因此流量比等于風(fēng)速比。利用風(fēng)速儀測(cè)量干燥窯側(cè)面出風(fēng)口風(fēng)速，30 Hz與50 Hz的風(fēng)速比為0.75，根據(jù)公式（1）可以得出PL=0.76PE，按照纖維飽和點(diǎn)之上干燥時(shí)間為64 h，纖維飽和點(diǎn)之下干燥時(shí)間為200 h，在變頻模式下風(fēng)機(jī)消耗的電能為216PE，定頻模式下消耗的電能為264PE，在整個(gè)干燥周期內(nèi)，變頻相較于定頻，風(fēng)機(jī)節(jié)約的能耗約為18%。

3?結(jié)論

（1）當(dāng)木材含水率較高時(shí)，介質(zhì)循環(huán)速度快則木材干燥速度快，介質(zhì)循環(huán)速度對(duì)干燥速度的影響顯著，隨著含水率降低，其影響逐漸減少。

（2）當(dāng)木材含水率較高時(shí)，介質(zhì)循環(huán)速度越快木材表層含水率偏差越大，介質(zhì)循環(huán)速度對(duì)木材表層含水率偏差影響顯著，隨著含水率降低，木材表層含水率偏差逐漸減小。

（3）當(dāng)木材含水率高于纖維飽和點(diǎn)時(shí)，風(fēng)機(jī)工作頻率為50、40、30 Hz時(shí)，介質(zhì)循環(huán)風(fēng)速比為1.79∶1.38∶1，試材表層干燥速度比為1.94∶1.32∶1，兩者成正相關(guān)關(guān)系;當(dāng)木材含水率低于纖維飽和點(diǎn)時(shí)，試材表層干燥速度比為1.1∶1.05∶1，此時(shí)木材的干燥速度由內(nèi)部水分向表面移動(dòng)的速度決定，而不是木材表面蒸發(fā)速度，介質(zhì)循環(huán)風(fēng)速對(duì)表層干燥速度沒有影響。

（3）在木材干燥過程以纖維飽和點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)將電機(jī)工作頻率由50 Hz降至30 Hz，在保證干燥質(zhì)量的前提下，不會(huì)延長(zhǎng)干燥周期，風(fēng)機(jī)能耗降低約18%。

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