李贤军博士论文

木材微波-真空干燥特性的研究 （作者：李贤军，导师：张璧光教授） 摘要 干燥是木材加工中的关键环节，它不仅能源消耗大，工序周期长，而且干燥

质量的好坏直接关系着木制品质量的优劣。鉴于传统干燥技术在解决大尺寸、难干人工林阔叶材干燥问题方面遇到了难以逾越的困难，微波-真空干燥作为一种低温快速干燥新技术，为木材的高效高质干燥提供了可能。但至今，未见文献对木材的微波-真空干燥规律和干燥机理进行系统报道。本文以马尾松试材为研究对象，系统研究了木材的微波-真空干燥特性，揭示了木材微波-真空干燥的一般规律，阐述了木材内部的热、质迁移机理，建立了数学模型对木材的微波-真空干燥过程进行高精度的数学模拟，进而为木材微波-真空干燥工艺的优化和过程控制提供理论依据。这一探索性研究，以全新的理念为木材干燥技术的创新和发展开辟了一条新的道路。本研究的主要成果和创新点有： 1.探明了马尾松木材的微波-真空干燥规律。研究表明：① 随着微波辐射功率密度、木材初含水率和干燥室真空度的增加，木材的平均干燥速率增加；② 木材的尺寸（厚度和长度）对木材的平均干燥速率没有明显规律性影响；③ 木材的纹理方向对水分的迁移速率有一定的影响，其大小关系为：未封闭试件＞纵向＞径向＞弦向。④ 方差分析显示只有微波辐射功率密度和木材初含水率对平均干燥速率的影响显著，而其它因素对平均干燥速率的影响不显著；⑤ 木材的整个微波-真空干燥过程可以划分为三个阶段：快速升温加速干燥段、恒温恒速干燥段和后期升温减速干燥段，其中恒温恒速干燥段在整个干燥过程中占据相当大的比例，这与常规蒸汽干燥形成了鲜明的对比；一般在含水率为15%到25%范围内，干燥过程从恒温恒速干燥段向后期升温减速干燥段过渡；在快速升温加速干燥段，木材温度快速升高，水分蒸发速率缓慢增加，此时，绝大部分的微波能用来提高木材的温度；在恒温恒速干燥段，木材内的温度基本维持恒定，木材的干燥速率也维持在某一定值附近，此时绝大部分的微波能用来蒸发木材中的水分，干燥速率的大小主要取决于微波输入功率密度；在干燥第三阶段，木材的温度继续上升，但木材内水分蒸发和干燥速率逐渐降低，此时输入的微波能一部分用于升高木材的温度，一部分用来蒸发木材内剩余的吸着水。⑥ 在微波-真空干燥过程中，每千瓦的微波能可以排除0.7～1.2kg的水分，且随着初含水率和真空度的增加，微波能的利用效率显著增加；⑦ 木材微波-真空干燥具有很高的干燥速率。工艺试验证明木材的微波-真空干燥速率比真空浮压干燥速率还要大5倍以上。 2. 揭示了微波作用对木材内水分迁移性能的影响规律，建立了纤维饱和点以下木材水分扩散数学模型。研究表明：微波处理能有效破坏木材的纹孔膜结构，提高木材的渗透系数，可以加快以渗透方式作为水分迁移机理的干燥方法的干燥速率；微波处理对马尾松木材扩散系数的提高程度不超过3%，从而对以扩散方式作为水分迁移机理的干燥方法的干燥速率无明显影响（如常规干燥）。 3. 阐明了微波-真空干燥中，热扩散效应对木材内水分迁移的影响规律。研究表明：在较短时间温度梯度作用下，木材内的水分会由木材热端向冷端迁移，形成与温度梯度相反的含水率梯度场，含水率梯度与温度梯度的比值（dM/dT）在0.9%/℃以下；随着木材温度、温度梯度和初含水率的增加，木材中的热扩散效应越明显，其中温度和含水率是影响热扩散效应的最主要因素；在微波-真空干燥过程中，就整个板材而言，热扩散效应对木材中水分迁移的影响不大，但在局部有限范围内，它对自动平衡木材内含水率具有显著作用。 4. 探明了微波-真空干燥过程中木材内的热、质迁移机理，并建立了相应的数学模型对木材的微波-真空干燥过程进行模拟。研究表明：① 在一定的辐射强度（160kw/m3）和厚度（60mm）范围内，在干燥的绝大多数时间里，木材内的温度分布比较均匀，但在干燥后期，木材内部温度分布的不均匀性有加大的趋势；微波-真空干燥中，木材内部的温差是由于微波场分布的不均匀和木材内不同部位介电特性的差异形成的局部材料对微波的吸收不一致导致的，这种温度差具有局部性。② 微波-真空干燥中，木材内部的含水率分布比较均匀，在木材厚度方向没有明显的整体性含水率梯度，不存在明显“干燥面”，随着干燥过程的进行，木材内的含水率分布更加均匀；在干燥初期，木材表面可能会发生水分“积聚”现象，水分“积聚”的程度与真空度、微波辐射功率及表面水分蒸发速率等因素有关。③ 当木材含水率在FSP上时，木材中的自由水和水蒸汽在压力梯度的作用下以渗透流的形式在木材内部迁移，迁移的强度主要取决于微波辐射强度和木材初含水率；当木材含水率在FSP以下时，木材中的吸着水本身不产生移动，而是向邻近的细胞腔蒸发，再在压力梯度的作用下，以水蒸汽的形式向木材表面迁移；在微波-真空干燥过程中，因热扩散、毛细张力、含水率梯度引起的水分迁移可以忽略不计。④ 基于微波-真空干燥过程中木材内部的热、质迁移机理，以压力梯度为木材内水分迁移的驱动力，从能量和质量守恒方程出发，建立了微波-真空干燥过程中，木材内热、质迁移的一维数学模型。模拟结果亦证明木材的整个微波-真空干燥过程可以分为快速升温加速干燥段、恒温恒速干燥段和后期升温减速干燥段。实验证实用该模型对木材的微波-真空干燥过程进行模拟是可行的，且具有较高的模拟精度。其模拟含水率数据与验证实验数据的相关程度较高，相关系数的平方为0.99；模拟温度数据与实验测定温度的相关程度略低，但其相关系数的平方也在0.98以上。

关键词： 木材干燥 微波-真空 热、质迁移 数学模型 Research on the Characteristics of Wood Microwave-Vacuum Drying （Li Xianjun Directed by Prof. Zhang Biguang） Abstract Wood drying is not only the most energy intensive and time consuming

component of the lumber manufacturing process, and which is also a key factor to affect the quality of wood product. It is impossible for conventional hot air drying technology to solve the drying problem of plantation hard wood and wood with large dimension. Microwave-vacuum (MV) drying is a new potential drying technology with high drying rate even at low temperature. The paper related to the fundamental law and mechanism of wood drying under microwave-vacuum was seldom published. In this paper, under the condition of MV, the drying characters of wood using Masson pine as experimental material has been systematically researched and concluded, the mechanism of heat and mass transfer in wood has been described, and the mathematic model based on the theory of heat and mass transfer has been developed to model the drying process of wood during MV drying. The research will provide a theory basis for the further application of MV drying technology in wood industry. The main conclusion and originality can be showed as the following: 1. The drying characters of wood under MV has been systematically analyzed and concluded based on a lot of experiences. The results show :①.The average drying rate of wood increases with the increase of microwave input power, wood initial moisture content and vacuum level;②.The effects of thickness and length of wood on the average drying rate of wood is not significant;③.The rate of moisture transfer varies with the direction of moisture transfer or grain direction of wood, and ranks as the following sequence: unsealed sample ＞longitudinal ＞radial＞tangential;④.The result of variance analysis proved that the other factors except for microwave input power density and wood initial moisture content un-significantly affect on the average drying rate of wood;⑤. The whole drying process of wood can be divided into three distinct periods: Accelerating rate drying period, in which the temperature of wood improve rapidly and the drying rate of wood increased gradually and most of thermal energy converted from microwave energy is mainly utilized for raising the temperature of wood sample; Constant temperature and rate drying period, in which a drying process with constant drying rate and temperature of wood is established, and almost all of the thermal energy converted from microwave energy is used for vaporization of water. In contrast to convective drying, this period makes up the bulk of the whole drying process. For