木材干燥学课件.ppt
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- 木材 干燥 课件
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1、第一讲第一讲 绪论绪论v主要内容:主要内容:1.木材干燥的定义2.木材干燥的目的3.木材干燥的方法一、干燥现象一、干燥现象1 . 木 材 干 燥 (木 材 干 燥 ( W o o d D r y i n g o r W o o dSeasoning):在热力作用下,以蒸发或沸腾的汽化方式将木材内部水分排出去的过程。 热力干燥热力干燥:通过分子振动以破坏液体与物体之间的化学和静电结合,使物体干燥。2.木材干燥的研究对象木材干燥的研究对象:是实体木材(SolidWood),即锯材的干燥,研究木材的干燥特性及其在干燥过程中的热质转移规律和水分传导现象,研究实施木材干燥的设备和工艺及其技术经济指标。二
2、、干燥条件二、干燥条件木材内部的水分为什么能够被排除?其相关的条件条件是什么?(条件:介质的湿度、温度、流动速度)三、木材干燥的目的(意义)三、木材干燥的目的(意义)1.防止木材变形和开裂,保证产品的加工质量;2.提高木材的力学强度,改善木材的物理性能;3.预防木材腐朽变质,延长木材的使用寿命;4.减轻木材重量,降低运输费用。四、木材的四、木材的干燥方法干燥方法 (dryingmethods)总体分为:自然干燥(naturaldrying)人工干燥(artificialdrying)根据木材的加热方式可分为:对流干燥电介质干燥辐射干燥接触干燥1.对流干燥对流干燥对流干燥:通过介质的对流进行热质
3、交换达到干燥的目的。大气干燥(airdrying)室干(kilndrying):低温、常温、高温除湿干燥(dehumidificationdrying)太阳能干燥(solar-energydrying)真空干燥(vacuumdrying)n与称为常规干燥(conventionalorusualdrying)n特种干燥(specialdrying)2.电介质干燥电介质干燥电介质干燥:把湿木材作为电介质,置于微波或高频电磁场中,在频繁交变的电磁场作用下,木材中的极化水分子迅速旋转,相互磨擦,产生热量,加热和干燥木材。高频干燥(highfrequencydryingorradiofrequencyd
4、rying):高频指波长1000m至7.5m、频率0.3MHz至40MHz的电磁波微波干燥(microwavedrying):微波指波长1m至1mm、频率300MHz至300GHz的电磁波3.辐射干燥辐射干燥辐射干燥:利用辐射热加热木材内部水分,使之汽化。例如红外线干燥(infra-reddrying),即用红外辐射元件产生的红外线直接照射木材,使之加热、脱水的干燥方法。当物体温度低于500时发出的热辐射线几乎全部是红外线,红外线的波长介于可见光和微波之间,为0.761000m 4.接触干燥接触干燥接触干燥:利用导热体或比木材更强的吸湿体或能与水进行反应的物质与木材接触使之干燥的方法。例:加压
5、干燥(pressuredrying)5.化学干燥化学干燥化学干燥化学干燥(chemicaldrying):指利用高温有机或无机化合物作干燥介质加热和干燥木材从方法。(1)有机溶剂干燥溶剂干燥、共沸干燥、有机化合物蒸汽干燥(2)化学药品干燥五、木材干燥技术的基本内容五、木材干燥技术的基本内容 木材干燥的基本理论木材干燥的基本理论包括木材干燥介质、有关干燥的木材性质、木材加热和水分传导的基本规律、木材干燥内应力与木材变形等。 木材干燥的基本方法木材干燥的基本方法包括常规干燥和特种干燥的特点及其适用性。 干燥设备干燥设备包括各种常规室干设备和特种干燥设备的结构、性能、使用与维护方法。 干燥质量检验及
6、经济核算干燥质量检验及经济核算包括锯材质量检验指标与检验方法、锯材干燥质量分级标准、干燥成本的核算。六、木材干燥技术的发展六、木材干燥技术的发展 1.我国木材干燥技术的现状我国木材干燥技术的现状l1.1 我国木材干燥工业的我国木材干燥工业的特点特点企业的干燥意识增强。干燥方法呈现以常规干燥为主、特种干燥方法并存的多样化格局。经营模式逐渐与国际接轨,集中加工,集中干燥的局面初步形成。干燥能力持续增长。仅以绥芬河市为例,1998年有干燥室4间,总设计装材量为300立方米;2002年有干燥室126间,总设计装材量为9925立方米;到2004年,干燥室近400间,总设计装材量约32000立方米。干燥设
7、备科技含量不断增加,性能不断提高。木材干燥规范化管理标准基本齐备。1 GB/T6491-19991 GB/T6491-1999锯材干燥质量锯材干燥质量2 LY/T2 LY/T木材干燥室(机)型号编制方法木材干燥室(机)型号编制方法3 LY/T3 LY/T锯材气干工艺规程锯材气干工艺规程4 LY/T4 LY/T锯材室干工艺规程锯材室干工艺规程5 LY/T5 LY/T锯材干燥设备通用技术条件锯材干燥设备通用技术条件我国生产各类干燥设备的企业约20家,产品质量基本能满足生产要求,但与国外先进设备尚存在以下差距:检测与控制系统精度差、可靠性差;加工粗糙、造型不够精美;干燥设备的零部件质量差。(例:蒸汽
8、阀、疏水器、电磁阀、电控元件等) 1.2 设备的差距:设备的差距:能耗问题:能耗问题:供热设备热效率低:供热设备热效率低:我国的干燥设备中,蒸汽干燥占80%以上,而炉气和直火式烟气干燥在小型企业中较多。我国工业锅炉的平均热效率只有60%。干燥室密封性差、保温不良:干燥室密封性差、保温不良:干燥的进、排汽热损约占热能的40%,加上门、墙体的损失,其能量利用率一般低于30%。加热器配置不合理:加热器配置不合理:与国外同容量的干燥室相比,我国配置的加热器面积约大20%左右。环保问题:环保问题:以年产1万m3蒸汽干燥车间为例,需配置一台4吨/h的锅炉,其有害物质排放量为:CO21900m3/h,SO2
9、45m3/h,有害物40kg/h,还有少量NO2 1.3 能耗及环保问题:能耗及环保问题:我国多数中小型木材加工厂,干燥设备陈旧简陋,干燥技术管理与操作人员奇缺,干燥质量检验不够规范,干燥不当引起木材降等严重,一般大于20%,其中5%完全失去使用价值。据不完全统计,我国类似的年干燥量在100万立方米左右,以降等20%计,以每立方米因降等损失50元计算,直接经济损失在1000万元以上;以5%的木材失去使用价值计,则浪费森林资源5万立方米以上。 1.4 干燥质量的问题干燥质量的问题 2.木材干燥技术木材干燥技术2.1联合干燥技术的应用联合干燥技术的应用 除湿-蒸汽联合干燥 真空-除湿联合干燥 除湿
10、-微波联合干燥 气干-蒸汽联合干燥 太阳能-蒸汽联合干燥 太阳能-除湿联合干燥 真空-微波联合干燥2.2开发精确性干燥技术开发精确性干燥技术 2.2.1干燥设备干燥设备 设计设计的精确性:建立干燥室设计数据库,开发计算机辅助设计,实现干燥自动化。 加工加工的精确性:制定检验设备和加工精度的行业标准,与国际接轨,引入市场竞争机制。 2.2.2干燥工艺干燥工艺我国的干燥规程已涉及60余种木材,但我国的材种有2000多种。今后研究方向:集中制定人工速生材、小径材、难干阔叶材及进口材的干燥工艺;研究精确性干燥工艺。2.2.3干燥参数的检测与控制干燥参数的检测与控制例:含水率的检测目前干燥生产上普遍采用
11、电阻法测定木材的含水率。但这种方法在高含水率(高于30%)和低含水率(低于10%)阶段误差都很大。这样,为了保证干燥质量,干燥的终含水率往往比预定值低1-2%。从而造成干燥时间长、能耗大、成本高的结果。(含水率检测新技术:CT扫描、伦琴射线法、射线法测含水率分布)2.3干燥理论的突破干燥理论的突破干燥基础理论研究应侧重以下几个方面:干燥过程的数值模拟干燥过程的传热传质干燥过程中木材内部的应力分布及影响因素含水率分布的在线无损检测气体动力学与气流循环的优化干燥的环保问题2.42.4木材干燥技术发展的主题木材干燥技术发展的主题 提高干燥质量,减少木材降等, 降低能耗,提高设备生产率, 改善劳动环境
12、,减少环境污染, 降低干燥成本。作业:1.什么是木材干燥?2.木材干燥的目的是什么?3.木材干燥的方法有哪些?4.阅读中国木材干燥工业的现状与展望 (作者:顾炼百,杜国兴)南林大学学报自然科学版Vol.25.No.6,Nov.,2001第二讲第二讲 干燥介质的性质干燥介质的性质主要内容:主要内容:1.干燥介质的定义及常用干燥介质的性质2.过热蒸汽的焓3.相对湿度、湿容量、湿含量4.湿空气的焓v干燥介质干燥介质(dryingmedium):在干燥过程中能够把热量传递给木材、同时又能把木材排出的水汽带走的媒介物质(可为气体或液体)。v常用的木材干燥介质有:过热水蒸汽(superheatedstea
13、m)、湿空气(moistair)、炉气(furnaceair)一、过热水蒸汽的性质一、过热水蒸汽的性质v 1过热水蒸汽的产生过热水蒸汽的产生水蒸气的定压发生过程:水湿饱和蒸汽(湿蒸汽)干饱和蒸汽(干蒸汽)过热蒸汽湿饱和蒸汽:水在汽化过程中形成的汽、水两相混合物,白色、雾状。干饱和蒸汽:水在汽化过程中形成的与沸腾水相平衡的蒸汽,无色、透明。过热蒸汽:温度高于相同压力下饱和蒸汽的蒸汽。n湿饱和蒸汽是水与干饱和蒸汽的混合物。思考:蒸馒头时,正常情况下锅内的水蒸气为什么状态?如锅内的水被烧干,即“干锅”,这时锅内蒸气状态将发生什么变化?时间长了对馒头会产生什么影响?为什么?v 2干度干度:单位质量的湿
14、饱和蒸汽中含有干饱和蒸汽的量,用x表示。(描述湿饱和蒸汽的量) 水的干度为,干饱和蒸汽的干度为,湿饱和蒸汽的干度介于和之间。干饱和蒸汽质量饱和水质量干饱和蒸汽质量xv3饱和蒸汽的温度与其压力的关系饱和蒸汽的温度与其压力的关系:饱和蒸汽的压力称为饱和压力,相对应的温度称为饱和温度。二者存在对应关系,在90250范围内,可近似地用下式表示:Pbh=(tbh/100)4 注:蒸汽的饱和温度等于在该压力下水的注:蒸汽的饱和温度等于在该压力下水的 沸点。沸点。饱和压力随饱和温度变化曲线00.20.40.60.811.21.41.61.8100 120140 160180 200饱和温度( )饱和压力(
15、M P a )v4过热度过热度:过热蒸汽的温度与相同压力下饱和蒸汽温度的差。过热度越大,过热蒸汽的状态距离饱和蒸汽的状态越远,过热蒸汽越不饱和,干燥能力越强。(描述过热蒸汽的量) 饱和度饱和度:单位体积过热蒸汽的质量与同温度下达到饱和形成干饱和蒸汽的质量的比值。(描述过热蒸汽的量)过热蒸汽是未饱和蒸汽,其饱和度可表示为:=gr/bhPgr/Pbhgr、Pgr:表示过热蒸汽的密度和压力。bh、Pbh:表示同温度下饱和蒸汽的密度和压力。(特例:常压过热蒸汽)v5过热蒸汽的焓过热蒸汽的焓 在常压状态下,过热蒸汽的焓可由下式表示(从产生过程来计算):in=i1+i2+i3i1:表示单位质量的水由0到1
16、00所具有的焓。i2:表示100的水完全变成100的干饱和蒸汽所具有的焓,即水的汽化潜热。i3:表示100的干饱和蒸汽变成某一温度过热蒸汽所具有的焓。例:计算从木料中蒸发1kg水分需要过热蒸汽?设蒸发水分前1kg常压过热蒸汽所具有的焓为:in=i1+i2+i3=419+2257+2(t1-100)=2476+2t1(kJ/kg)蒸发水分后过热蒸汽的温度由流入材堆时的t1降到流出材堆时的t2,其焓减为:in=419+2257+2(t2-100)则蒸发水分前后过热蒸汽焓的减少量为:i1=in-in=2(t1t2)l木料中1kg水分变为温度为t2的过热蒸汽后,焓的增量为:i2=in419=2257+
17、2(t2-100)假设从木料中蒸发1kg水分所需之过热蒸汽量为Lkg,则有:Li11i2所以蒸发1kg水所需要的过热蒸汽为:L=i2/i1=(1029+t2)/(t1t2)1千克过热蒸汽蒸发水的量为L的倒数,即:D=1/L=(t1t2)/(1029+t2)(kg/kg)=1000(t1t2)/(1029+t2)(g/kg)u流过材堆的每1kg过热蒸汽的温度每降低1,则会从木料中蒸发出1g的水。精确计算时,在100150范围内,D值为0.850.89g/kg。二、湿空气的状态参数二、湿空气的状态参数v1湿空气的组成湿空气的组成:湿空气由干空气和水蒸汽组成。湿空气可以看作是理想气体,遵循理想气体的
18、状态方程。v2湿空气的压力湿空气的压力:湿空气的压力P等于干空气的压力Pgk与水蒸汽的压力Psz之和。即:P=Pgk+Psz(在一定温度条件下,Psz是衡量湿空气干燥与潮湿的基本指标)v3 湿空气的湿度:湿空气的湿度: 绝对湿度(absolutehumidity):单位体积的湿空气中所含水蒸汽的质量(决定于温度和相对湿度)。 湿容量:饱和湿空气的绝对湿度。 湿容量反映了湿空气的吸湿能力,它随温度的升高而明显增加。湿容量反映了湿空气的吸湿能力,它随温度的升高而明显增加。()201002040608010010000(g/m3)0.290.812.117.351.1130293598 相对湿度(r
19、elativehumidity):单位体积的湿空气中含有水蒸汽的重量与同温同压下可能含有最大水蒸汽的重量之比,即:绝对湿度与湿容量之比。 相对湿度也称为湿空气的饱和度,说明在一定温度条件下湿空气被水蒸汽所饱和的程度。为0时则为干空气,为100%时则为饱和空气。 相对湿度的测定:干湿球温度计法和湿敏试片法。.干湿球温度计法:干球温度计(dry-bulbthermometerorD.B.T)湿球温度计(wet-bulbthermometerorW.B.T)干球温度平衡含水率.湿敏试片法:EquilibriummoisturecontentorEMC在温度一定的情况下,湿度随气流流速的不同而变化。在
20、温度一定的情况下,湿度随气流流速的不同而变化。一种是用于气干过程,空气流速不大于0.5m/s的湿度表,见表31;另一种是用于常规室干过程,空气流速在1.52.0m/s的湿度表,见表32。例1:已知干燥室内循环空气的干球温度为80 ,湿球温度为72 ,查表求相对湿度。解:t =t-tM=80-72=8 ,则根据t =80 、t =8 ,查表得: =70%。例2:已知某干燥阶段循环空气的干球温度为56,相对湿度为53%,此时空气湿球温度为多少?解:根据t=56、=53%查表得t=11,因此湿球温度tM=tt=56-11=45。.卡锐尔卡喷特尔方程式计算法v4湿空气的湿含量湿空气的湿含量:含有1千克
21、干空气的湿空气中水蒸汽的克数,用d表示,单位:g/kg。(思考:为什么用干空气的质量作为标准?)湿含量d可用下式计算:d622psz/(p-psz)(g/kg) 当大气压力p为一定值时,df(psz)v5湿空气的热焓量湿空气的热焓量:指在以1kg干空气为基础的湿空气中,干空气与水蒸汽的热量总和,即(1+0.001d)kg湿空气所含有的热量,用I表示,单位:kJ/kg。v6湿空气的密度:湿空气的密度:1立方米湿空气中含干空气的质量和水蒸气的质量的总和。v7湿空气的比容湿空气的比容 v=f(T,d)例:已知湿空气干球温度为80,相对湿度为66%,试确定其湿球温度、湿含量、焓、水蒸气分压力。假设湿空
22、气中干空气的含量为1kg,其焓为igk,那么水蒸汽的含量为dg,其焓为0.001disz,其中isz为1kg水蒸汽的焓。则湿空气的质量为:(1+0.001d)kg,其焓I为:I=igk+0.001disz=Cgkt+0.001d(r+Cszt)=1.0t+0.001d(2500+1.9t)=1.0t+2.5d+0.0019td三、炉气的性质三、炉气的性质v1炉气炉气:煤、炭、木材等燃烧产生的湿热气体。其主要组成成分为氮、氧、二氧化碳、二氧化硫及水蒸汽等。v2炉气作为木材干燥介质的要求炉气作为木材干燥介质的要求:不要有烟,要完全燃烧,过剩空气系数大;炉气内不应夹杂火花和灰尘;炉气流量要稳定。作业
23、:P1451,2,3补充:1.什么是干燥介质?常用的干燥介质是什么?湿饱和蒸汽,干饱和蒸汽,过热蒸汽中,哪几种可作干燥介质?2.干度和过热度的区别是什么?湿球温度和干球温度的区别是什么?3.已知空气干燥介质的干球温度为80,如果要求介质的相对湿度为77,试查表确定湿球温度应为多少?4.已知湿空气干球温度为70,湿含量为180g/kg,试确定其焓、相对湿度、水蒸气分压力。第三讲第三讲 湿空气的湿空气的Id图图 主要内容主要内容 1.Id图的内容 2.Id图的绘制 3.Id图的应用一、一、 Id 图的内容图的内容 Id图主要是描述湿空气的状态,即通过确定湿空气的各个参数,来确定湿空气的状态。 Id
24、图的横坐标是表示湿空气的湿含量及湿空气中水蒸汽的分压。纵坐标表示湿空气的温度、焓、密度及比容。 Id图总体分成两个区域,即不饱和区和饱和区(雾区)。0I=constt=const=constI、td、p=constd=1Id图总体分成两个区域,即不饱和区和饱和区(雾区)。Id图主要是描述湿空气的状态,即通过确定湿空气的各个参数,来确定湿空气的状态。1.角度的确定角度的确定D为状态点,其焓为:I=1.0t+2.5d+0.0019td设t=0为水平线,则当t=0时,I=2.5d(A点);当t=0、d=0时,I=0(O点)。当d=0时,I=1.0t(E点);E点和D点的温度均为t。二、二、 Id 图
25、的绘制图的绘制OdIEDCAI=0B2.5d1.0t0.0019dtt=constdMi=0.419kJ/mmMd=1g/mm 2. t=const线线根据公式:I=t+2.5d+0.0019td当t=const时,公式可写成I=A+Bd形式,可见t=const线为一条直线。3. =const线线根据公式:pd/(622+d)pH当=const时,如果p=0.1MPa,根据pH=(t/100)4,这样对于给定的一组t值,可得出相应的一组d值。从而描绘出=const的等相对湿度线。 4. psz=const线线根据公式psz=pd/(622+d)当p=0.1MPa时,pszd 5. =const
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