CN105333695B - 一种木材单板微波干燥方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种木材单板微波干燥方法，首先，预处理阶段：取待测木材单板，裁成预定尺寸，测定其绝干重量和湿重，在预定的通风条件下微波干燥至目标重量，记录该过程中电能的消耗值，求得单板木材提水率；其次，生产阶段：根据预处理阶段获得的提水率和木材的湿重，求得微波干燥木材所需的电量；再根据微波干燥设备的运行功率和上述的微波干燥木材所需的电量确定最佳干燥时间，采用上述最佳干燥时间处理该批次木材原料。在一定通风条件下，建立了木材提水率和微波电能消耗值间的线性关系；实现了微波木材干燥工艺时间“量化”控制，大幅度提高了微波干燥的效率，保证了干燥质量和经济效益。

Description

一种木材单板微波干燥方法

技术领域

本发明属木材干燥领域，涉及一种木材单板微波干燥方法。

背景技术

微波(Microwave)，通常是指波长在0.1～1000mm范围内的电磁波，微波的频率范围是300MHz～3000GMHz，用于工业加热的微波频率是915MHz和2450MHz。

微波对介质材料是瞬时加热升温，升温速度快。另一方面，微波的输出功率随时可调，介质温升可无惰性的随之改变，不存在“余热”现象，热惯性小，极有利于实现自动控制和连续化生产的需要。

微波是一种能量(而不是热量)形式，但在介质中可以转化为热量。材料对微波的反应可以分为三种情况：(1)穿透微波；(2)反射微波；(3)吸收微波。

一般在材料加工领域中，所处理的材料大多是介质材料，而介质材料通常都不同程度地吸收微波能量，介质材料与微波电磁场相互耦合，会形成各种功率耗散从而达到能量转化的目的。

木材含水率指木材中水的重量占绝干木材重量的百分数。木材中的水分可分为两部分，一部分存在于木材细胞胞壁内，称为吸附水；另一部分存在于细胞腔和细胞间隙之间，称为自由水(游离水)。当吸附水达到饱和而尚无自由水时，称为木材纤维饱和点，木材的纤维饱和点因树种而有差异，约在23～33％之间。当含水率大于纤维饱和点时，水分对木材性质的影响很小；当含水率自纤维饱和点降低时，木材的物理和力学性质随之而变化。木材在大气中能吸收或蒸发水分，在一定的湿度和温度条件下，木材中的水分与空气中的水分不再进行交换而达到稳定状态时的含水率，称为平衡含水率。木材平衡含水率随地区、季节及气候等因素而变化，约在10.0～18.0％之间。

木材干燥是木制品生产过程中能耗最大的工序，在我国约占企业总能耗的60.0％～70.0％。木材干燥的总目标是在保障木材干燥质量的前提下，不断的探索如何加快干燥速度，减少能耗和干燥成本。国内、外木材干燥技术的基础理论研究与应用理论的研究，都围绕着木材干燥质量、速度和成本问题，寻求三者的协调和平衡点的优化组合。我国木材加工业普遍存在节能意识差，管理粗放，一次性能源利用率仅30.0％左右，为发达国家的4～6倍。

微波干燥是以湿木材作电介质，置以微波电磁场中，在每秒数十亿次的交变电磁场的作用下，使木材中的极性水分子发生“极化”，以每秒几十亿次的频率发生“取向转动”，水分子之间发生摩擦而生热，加热木材中的水分并使之蒸发，从而实现干燥木材的目标。微波干燥木材，属“体内”加热，木材内部温度梯度和含水率梯度“内高外低”，方向一致，这是和常规干燥最大的不同点。所以，干燥速度比常规干燥速度快，残余应力小，能保持木材的天然色泽，干燥质量好。

但现有的木材微波干燥技术由于能耗较高，难以大规模推广，特别是对于木材的微波加热时间，无准确的定量方法，只能根据经验判断或反复多次推定，造成加热时间远大于所需加热时间，和真实加热时间有差别并且无法“量化”，导致生产成本进一步增加，且干燥质量不稳定。因此，提出一种有效地针对多种木材的微波最佳加热时间定量方法，对于降低微波加热能耗和成本，促进微波干燥工艺技术的普及有重要意义。

发明内容

微波木材干燥是利用高频电磁波在一个密闭空间(容器)内，对木材进行直接辐射“体内”加热。由于微波干燥成本较高，生产中希望提高微波处理效率以降低能耗，现有研究中一般通过微波烘干机理的研究或微波烘干条件的优化，获得相应的最佳烘干条件，但由于木材的贮存条件、材质、树龄等变化较大，上述的方法难以满足大批量多种材质的木材工业化烘干要求。实际木材工业化处理过程中，干燥烘干工艺的选择更多依靠经验判断，无法克服“虚拟含水率”现象，不仅效率低下，而且易因天气或材质的突然变化导致烘干效率和质量大幅下降。为解决上述问题，本发明依据《工程热力学》原理，以能量转化为路径，通过建立通风条件下，木材提水率和微波电能消耗值间的线性关系，实现了微波木材干燥工艺时间的“量化”控制，大幅度提高微波干燥效率，保证干燥质量和经济效益。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种木材单板微波干燥方法，包括预处理和生产两个阶段；首先，预处理阶段：取待测木材单板，裁成预定尺寸，测定其绝干重量和湿重，计算出初含水率，在预定的通风条件下微波干燥至目标重量，记录该过程中电能的消耗值，求得单板木材提水率；生产阶段：根据预处理阶段获得的提水率和木材原料的湿重，求得微波干燥木材所需的电量；再根据微波干燥设备的运行功率和上述的微波干燥木材所需的电量确定最佳辐射时间，采用上述最佳辐射时间处理该批次木材原料。

优选的是，所述木材的含水率小于35％。现有木材微波干燥过程中，进窑含水率一般为40％以下，以保证经济效益。本发明通过实验发现：木材的含水率小于35％进窑时，干燥能耗最低、效率最高。

在微波加热的过程中，由于水蒸气的大幅度蒸发，导致微波炉内空气中的水蒸气分压接近或大于该温度下的饱和蒸汽压(部分微波能耗用于水蒸气的二次蒸发)，进而导致测定微波木材单板干燥提水率值η_水＝G_水/E，无法有效地反应微波辐射能量和木材水分蒸发间的对应关系，因此，必须提高微波处理时的气体流通速率，保证蒸发气体的有效排除，同时气体流通量还必须与微波处理的时间和功率相适应，避免因为木材表面和气体间的热传递和辐射，影响微波的处理效率。本发明研究发现，当干燥过程中微波装置内无冷凝水生成时，微波处理效率最高、木材提水率和微波电能消耗值间的线性关系良好，因此，所述预定的通风条件为控制微波干燥装置侧壁无冷凝水生成。

优选的，所述待测木材单板与木材原料保持厚度一致、初含水率一致。保证木材提水率不发生变化，实现微波干燥的精确控制。实际生产中，采用帆布覆盖的方式，保证水分含量一致。

优选的，周期式微波木材单板干燥工艺技术干燥木材单板层数应和胶合板生产工艺技术对应，干燥层数范围：1～21层，干燥工艺规程稳妥可行。需要说明的是，单板层数1～3层(5mm以内)，建议不采用微波干燥工艺。

烘干过程中，木材体积膨胀，相互之间存在一定间隙，在一定的通风条件下，可保证木材烘干效率不受板材层数的影响，单板厚度10mm(9层)～30mm(25层)范围内，一次连续微波辐射加热即可完成整个周期式干燥工艺过程，达到干燥终含水率指标要求；30mm(25层)～50mm(42层)周期式微波木材单板干燥工艺技术要复杂的许多，需采用间歇微波辐射加热方式。

就本发明的木材微波干燥方法而言，实验阶段，微波干燥功率为0.7～0.8KW。就本发明的多个实施例而言，微波功率低于0.7KW时，烘干脱水曲线较为平滑，烘干时间相对较长，不利于生产效率的提高。微波功率大于0.8KW时，木材内部水因微波效果下快速迁移，易造成因内外温差变化太快而产生表裂现象。当微波炉内额定功率为0.7～0.8KW之间时，较为节能，微波功率达到木材烘干要求的速度最快，为最佳烘干流程；此时，木材内部水因微波效果下的快速迁移得到缓冲，不会因内外温差变化太快而产生表裂现象。

实验中，采用上述方法对水曲、马尾松和柳树进行了烘干，结果表明：实际烘干时间与计算的烘干时间基本一致，正负偏差不超过5s，大大提高了微波烘干效率。

本发明的有益效果：

1.本发明的周期式微波木材干燥技术，适用于初含水率35.0％以下木材单板干躁。

2.设计了“微波木材单板干燥提水率测定装置”。可以测定并计算“微波干燥木材单板提水率”的数值，多年来制约微波木材干燥工艺技术的“难点”可以“数字化”，使微波木材干燥技术的工业应用有了实质性的突破。

3.周期式微波木材单板干躁工艺中一次“装车”的单板重量即干燥“负荷”，应和中试或生产性设备装机容量“接近”。从技术经济性方面出发，可以避免“小马拉大车”和“大马拉小车”现象出现。

4.本项课题研究的关键技术成果是：周期式微波木材单板干燥工艺技术做到了“量化”。按照设定的木材单板干燥目标含水率技术指标，计算出微波加热辐射时间，在实际生产中通过对微波干燥加热的工艺时间“量化”控制，实现了微波木材干燥工艺过程的有效控制，保证了干燥质量。

5.首次提出以电能消耗和水分蒸发量的关系来确定微波最佳处理时间的方法，解决了现有的木材微波干燥技术由于能耗较高，对于木材的微波加热时间，无法准确定量的问题，提出一种有效地针对多种木材的微波最佳加热时间定量方法，降低微波加热能耗和成本，促进微波干燥工艺的普及。

6.在木材微波处理中，增加排风量，避免气体蒸汽压过大降低蒸发效率的前提下，与微波处理时间和功率相配合，提高微波加热的利用率。

7.实现了木材微波干燥时间的精确控制，实际烘干时间与计算的烘干时间基本一致，正负偏差不超过5s，大大提高了微波烘干效率。

8本方法操作步骤简单，准确性高，有效提高微波效率，适宜产业化推广。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明进行了2450MHz周期式微波木材单板干燥生产工艺研究，设计了微波木材单板干燥提水率测定装置，实现了微波木材干燥工艺时间“量化”控制，并按照设定的木材单板干燥目标含水率技术指标，研究了微波辐射加热方式，计算了微波加热辐射强度与时间、单板叠加层数与厚度相互关系。

实施例1

微波木材干燥是利用高频电磁波在一个密闭空间(容器)内，对木材进行直接辐射“体内”加热。木材干燥(wood drying)指在热能作用下以蒸发或沸腾方式排除木材水分的处理过程。本项发明依据《工程热力学》原理，以能量转化为路径，提出了一种木材单板干燥工艺。工艺路线如下：

4立方的柳木板材，采用帆布覆盖12h后，随机抽取一块单板，作为待测单板样品。

木材单板绝对含水率(MC_绝)测定(参照国家标准GB/T 1931板，作为待测进行),采用烘干法。

计算单板试材绝干重量G_绝:

G_绝＝G_生/(1+MC_绝)

G_生：湿材或生材重量

按照工艺要求设定最终绝对含水率为10％，计算含水率10％时木材单板重量：

G₁₀＝G_绝(1+10％)

木材单板干燥至绝对含水率10％时，蒸发水分重量计算G_水：

G_水＝G_生-G₁₀

微波炉微波提水效率测定：

1).试验用经过改装后的民用微波炉，改装:增加外挂风机，加大排风量，利于排除湿木材受到微波辐射加热时大量蒸发的水分；增加“功率记录仪”，计量电能消耗E。

2).木材单板规格尺寸：200mm×100mm×1.5mm。试材称重：G_生

3).重复1.2.3.计算出G₁₀

4).开启“功率记录仪”，试材重量G_生放入微波炉中，设定：时间6分钟；火力强度100％；每次辐射间隔6分钟；每次辐射后5分钟称重，直至达到(或接近)G₁₀重量；同时，记录“功率记录仪”电能消耗数值E。

5).水分蒸发量计算(实际是微波干燥提水量)：G_水＝G_生-G₁₀。

6).微波干燥过程提水率η_水计算：η_水＝G_水/E6.微波辐射时间t计算:

1).单位电能消耗计算：E_耗＝G_水/η_水

2).微波炉额定功率：P_额

3).微波辐射时间t计算：t＝E_耗/P_额，此处是采用额定功率还是运行功率

4).工艺时间确定。

7.综述。

工艺路线如下：湿材(生材)单板(G_生)→湿材(生材)单板含水率测定(MC_绝)→绝干重量(G_绝)计算→干燥目标重量计算(G₁₀)→干燥水分蒸发量计算(G_水)→试验确定干燥辐射时间(t)和消耗功率值(E)→试验确定干燥微波提水率→由干燥能耗和试验设备功率计算辐射时间→确定工艺时间→按照确定工艺时间重复试验→综合辐射时间、干燥目标终了重量，修正工艺时间→最终确定木材单板干燥工艺。

采用上述方法确定的水曲的微波最佳辐射时间t与常规方法确定的水曲的微波最佳干燥时间t_真偏差为2s。

实施例2

1.微波木材单板干燥提水率值计算

①.实验室木材单板准备：试样尺寸(长×宽×厚)：200mm×100mm×1.2～1.4mm×n_层数→②.木材单板试样称重G_初→木材单板初含水率MC_初测定→③.计算目标含水率MC_目标(工艺设定值)→④.计算目标单板重量G_目标→⑤.计算微波木材单板干燥水分蒸发量：G_目标水＝G_初-G_目标→⑥.试验用单板称重(层数和中试、生产性试验层数对应，层数范围：1～21)→⑦.称重后单板放入“木材干燥微波提水率测定装置”→⑧.“微波辐射←→称重”→⑨.多次重复后，重量达到G_目标→⑩.依据试验数据：电能能耗E_kw·h、微波辐射时间T_min、干燥单板水分实际蒸发量G_实际水，计算微波木材单板干燥提水率值。

2.周期式微波木材单板干燥生产工艺

①生产准备，单板幅面尺寸(长×宽×厚)：1250mm×900mm×1.2～1.4mm；单板称重G_初(多层，层数范围：1～21)→②根据产品工艺要求，设定目标含水率MC_目标→③计算干燥目标单板重量G_目标→④计算微波木材单板干燥水分蒸发量：G_目标水＝G_初-G_目标→⑤依据：“微波木材单板干燥提水率值”、设备装机容量、干燥水分蒸发量：G_目标水、计算微波辐射工艺时间→⑥已准备好单板送入微波木材干燥设备中→⑦按已计算出的微波辐射时间，对微波干燥设备进行时间设定→⑧开机→⑨按设定工作时间进行微波木材单板干燥→⑩停机，冷却至室温，称重(达到G_目标)，结束。

采用上述方法确定的马尾松的微波最佳辐射时间t与常规方法确定的马尾松的微波最佳干燥时间t_真偏差为4s。

实施例3

本实施例与实施例1不同之处在于，进一步采用钳形功率计作为检测微波炉电能消耗量的计量装置。

采用上述方法确定的柳树的微波最佳辐射时间t与常规方法确定的柳树的微波最佳干燥时间t_真偏差为1s。

实施例4

本实施例与实施例1不同之处在于，进一步采用轴流风机控制微波炉排风量的风机。

采用上述方法确定的桉树的微波最佳辐射时间t与常规方法确定的桉树的微波最佳干燥时间t_真偏差为1s。

实施例5

本实施例与实施例1不同之处在于，进一步所述的木材单板微波干燥装置在下述条件下运行。微波加热过程中，所述微波炉内额定功率0.7-0.8KW，排风量以保证微波炉内无冷凝水为宜。

采用上述方法确定的桦树的微波最佳辐射时间t与常规方法确定的桦树的微波最佳干燥时间t_真偏差为1s。

实施例6

本项发明装置:

1.组成设备：①民用微波炉；②钳形功率计；③轴流风机；④工业用电子天平。

2.工作原理：民用微波炉、钳形功率计、轴流风机，遵照“电工电路原理”进行装配。工业用电子天平单独使用。

①通过控制微波炉工作时间(微波辐射时间)；②使用(UT240系列)钳形电能功率计(能够确保安全工作)，计量微波炉电能能耗数值；③使用电子天平，对试样进行干燥前、后称重，计算出微波木材干燥的水分蒸发量；④依据试验数据：微波辐射时间(分钟)、电能消耗量(千瓦·时)、水分蒸发量(千克)，计算出微波木材干燥提水率[千克/(千瓦·时)]；⑤依据微波木材干燥提水率[千克/(千瓦·时)]、微波率功率(千瓦)、木材干燥水分蒸发量(千克)，计算出已知重量(千克)或体积(立方米)微波木材干燥辐射时间。

3.微波木材干燥提水率测定装置工作结构示意图：

①电源——→钳形功率计——→微波炉(外挂轴流风机)

②工业用电子天平

4.微波木材干燥提水率测定装置原理示意图：

①试材初含水率测定

②工业电子天平，试材干燥前、后称重

③电源——→功率测量——→微波炉(负荷、外挂强制通风)

④试材终含水率测定

⑤微波木材干燥提水率计算。

采用上述方法确定的杨木的微波最佳辐射时间t与常规方法确定的杨木的微波最佳干燥时间t_真偏差为1s。

上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (3)

1.一种木材单板微波干燥方法，其特征在于，包括预处理和生产两个阶段；

预处理阶段——实验室阶段：取待测木材单板，裁成预定尺寸，测定其绝干重量和湿重，计算出初含水率，在预定的通风条件下微波干燥至目标重量，微波功率P＝0.7KW，记录该过程中电能的消耗值E，求得单板木材提水率η_水＝G_水/E；

生产阶段——中试或生产性试验：根据预处理阶段获得的提水率η_水＝G_水/E和木材原料的湿重，计算出干燥至最终目标含水率指标蒸发的水分重量值G_水＝G_湿—G_干，求得微波干燥木材所需的电量E_耗＝G_水/η_水；再根据微波干燥设备的运行功率P_运和上述的微波干燥木材所需的电量E_耗确定最佳辐射时间T＝E_耗/P_运，采用上述最佳辐射时间处理该批次木材原料；

所述微波干燥设备采用2450MHz周期式工作方式；

所述待测木材单板与木材原料保持厚度一致、初含水率一致；

所述木材单板的含水率小于35％；

所述预定的通风条件为控制微波干燥装置侧壁无冷凝水生成；

实验室阶段：待测木材单板规格尺寸为200mm×100mm×1.5mm×n_层数；

生产阶段：木材原料单板的规格尺寸为1250mm×900mm×1.2～1.4mm×n_层数，其中，层数范围：1～21。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，待测木材单板的规定尺寸为木材单板厚1.30mm。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述木材原料为杨树、水曲、马尾松或柳树。