木材超声波—真空协同干燥热质传递规律研究

【摘要】木材超声波干燥是一种创新的干燥方法,本研究将超声波技术引入到木材真空干燥过程,并就超声波-真空协同干燥条件下的边界层特性、超声波发热机理、协同干燥特性及协同干燥过程中热质传递规律进行了较系统的研究,丰富了木材干燥基础理论,为木材干燥技术的创新和发展开辟了一条新的道路。论文主要成果与创新点如下：(1)在温度为30-90℃,绝对压强为0.02-0.1MPa条件下,对木材平衡含水率和表面热质传递规律进行研究。结果表明,木材平衡含水率随温度的升高而减小,随绝对压强的增加而增加；液体表面对流传质系数随温度的升高而减小,随绝对压强的减小而升高；液体表面对流换热系数随绝对压强的减小而减小,随温度的升高而升高；基于试验数据,建立了真空干燥过程中的木材平衡含水率模型及液体表面对流传热传质系数模型。(2)在温度为35℃和50℃,绝对压强为0.03MPa、0.06MPa和0.1MPa,超声波功率为60W和100W,超声波频率为20kHz和28kHz条件下对木材干燥过程中的边界层特性进行研究。结果表明,超声波协同处理试件的边界层底层温度和木材外层温度均高于对照组,其差值可分别达10.7℃和5.6℃,且超声波功率和频率对边界层温度影响显著；相比对照组,超声波协同处理可提高木材表面水分蒸发能力,最大可提高110.1%；建立了超声波-真空协同干燥过程中边界层厚度及木材表面水分蒸发模型。(3)在温度为20℃、40℃和60℃,绝对压强为0.03MPa、0.06MPa和0.1MPa,超声波功率为60W和100W,超声波频率为20kHz、28kHz和40kHz的条件下对超声波-真空处理过程中,木材内部发热机理进行研究。结果表明,对照组的温度均小于或等于环境温度,而超声波处理材的温度均高于环境温度,最高温度可达85℃,且木材温度与超声波功率和频率正相关,与环境压强负相关。(4)基于超声波-真空处理过程中,木材内部温度场和超声波传播规律,得到了协同作用下,超声波衰减系数模型、超声波声强衰减模型、超声波发热模型和木材内部温度升高模型。结果表明,超声波衰减系数与超声波功率、频率正相关,与环境压强负相关,且该模型得到的理论值与实测值吻合良好。(5)在不同温度、绝对压力、超声波功率和频率条件下,分别采用超声波-真空干燥,超声波预处理-真空干燥及超声波、真空预处理-真空干燥三种联合方式对木材进行干燥处理。结果表明,与对照组相比,超声波-真空干燥使得木材水分扩散系数提高23.25-40.9%；超声波预处理-真空干燥使得干燥时间缩短29.7-48.1%,超声波、真空预处理-真空干燥使得干燥时间缩短8-11%。三种协同方式均能加快木材真空干燥速率,缩短干燥时间,提高水分扩散系数。(6)在温度为60℃,绝对压强为0.02MPa,超声波功率为100W,频率为20kHz的条件下对木材进行超声波-真空协同干燥,并基于菲克扩散定律、热质传递规律及数学分析方法得到了协同干燥过程中,木材内部不同位置的水分分布和热量分布规律模型、木材含水率变化值与水分扩散系数和时间的关系模型。结果表明,水分扩散系数随含水率的增加呈指数形式增长,且模型得到的理论值与实际值相吻合,可用于模拟协同干燥过程中木材内部温度和水分的变化情况。
【作者】何正斌；
【导师】伊松林；
【作者基本信息】北京林业大学，木材科学与技术，2014，博士
【关键词】超声波干燥；真空干燥；热质传递；发热机理；木材；

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