木材真空干燥的初步研究
本文原载于 《木 材 工 业》
1989年1月/第3卷 第1期
作者:朱政贤 张益春 林新通
摘要 本文研究木材真空干燥。内容包括木材真空干燥机的研制和木材真空干燥工艺的研究。 试验结果表明，干燥机设计合理，技术性能良好，能够满足科学研究和小型生产的需要。通过实验提出榆木、水曲柳、桦木和锻木的干燥基准，证明用真空干燥法干燥厚阔叶树材，具有干燥时间短、 干燥质量好的优点。真空干燥具有研究价值，值得在一定范围内推广应用。
前 言
木材真空干燥法自发明以来已有九十多年的历史。实践证明它具有干燥质量较好，干燥周期较短等优点，特别适于干燥透气性好的硬阔叶树厚材。但由于设备比较复杂，长期以来没有得到很好的利用。
近年来，国外对木材真空干燥逐渐重视，如意大利、日本、苏联、法国、美国等均在研究， 并有成套设备出鲁。我国于八十年代左右开始研究，如长沙、西安、南京、哈尔滨、四平、牡丹江、本溪等地相继对工艺、设备进行试验， 并陆续在生产上试用，取得良好效果。
东北林业大学于1983年研制出DZ型木材真空干燥机，经过安装与调试，证明设备性能良好，符合设计要求。然后对榆木、水曲柳、桦木及椴木四种东北常用树种的板材进行了工艺试验，提出了该四种木材间歇式真空干燥基准，探讨了工艺因素间的关系。
干燥机设计
该机由主体干燥筒，以及冷凝器、汽水分离器、蒸汽发生器，真空泵及控制柜组成，为用电加热和喷射蒸汽调湿的间歇式木材真空干燥机。现将研究设计说明如下:
一、设计条件木材树种:水曲柳，木材规格:2000x150 X40毫米，最初含水率:60%；最终含水率:8%;介质最高温度:100°C；木材心部最高温度:80°C；极限真空度:740毫米汞柱；真空速度:在12分钟内压强达到60托，干燥时间:70小时；垫条尺寸:800x30×15毫米，木材基本密度(公定容重):0.54克/立方厘米。二、干燥机主体设计 (一)干燥筒壳体设计干燥筒是整套设备的主体，采用圆形筒体。筒体内径1,200张米，总长2,542毫米，有效长度2,000毫米，一端封闭，另一端为大门，均采用标准蝶形封头。根据文献[3]，压强为760⁻'托时，筒体材料可选用A₃钢板，厚10毫米。筒体的内部体积为2.774立方米，内表面积为10.9平方米，重量为870公斤。 (二)干燥筒结构设计
干燥筒的结构示意图见图1。
▲图1 真空干燥机筒体结构
沿筒体长度方向设置两台4号轴流通风机，位于筒内下部，用导风板使风速均匀分布。电加热器安装在筒底中央，靠近风机。筒的中部偏下，设置一水平槽钢架，上置铝板，使干燥筒分成干燥(上部)和加热、通风(下部)两个部分。
喷蒸管设在木堆两侧，靠近筒壁，由筒外用手控燕汽阀启闭与调节，筒体顶部设有称重装置。
(三)热力系统计算
木堆外形尺寸:长2,000x宽800x高495毫米；木材容积:0.52立方米；水分蒸发量:5.42公斤/小时；木材加热耗热量:7,102千卡/小时；设备加热耗热量:2,739千卡/小时；水分蒸发耗热量:3,415千卡/小时；筒体损失热量:366千卡/小时；总耗热量:13,622千卡/小时；计算电功率。15.8千瓦。
选用∅20x1,800毫米电热管9根，双列交错排列，总功率为16.2千瓦。
喷蒸管用1吋钢管做成，长2米，喷孔直径3奢米，孔距200毫米。每个喷孔每小时可喷射0.2MPa的饱和蒸汽7.9公斤，每根开9孔，每小时可啖出蒸汽71.1公斤，可放出汽化潜热36,758千卡。
(四)气体循环系统计算
木堆及两端不严的通气断面:0.60平方米；气体循环速度:2米/秒；筒内循环气体量:4,320立方米/小时；配暨2台轴流通风机，每台风量为2,160立方米/小时；计算总压头:3.25毫米水柱；风机规格压头:4.7毫米水柱。
根据文献[4]，选用30K₄-11No.4轴流通风机，风量2,810立方米/小时，风压7.4毫米水柱，电动机功率1.1千瓦。
三、减压系统设计
(一)真空泵的选择
根据设计要求，选用2X-15型油封机械真空泵。这种真空泵要求抽出气体的温度必须低于30°C，因此，在真空泵的前段需要设置冷凝器和汽水分离器。泵的主要性能参数如下:极限真空5×10⁻⁴托，抽气速率15升/秒，电机功率2.2瓩。
(二)冷凝器的设计
冷凝温度为30°C，此时水蒸汽压力为31.8毫米汞柱。
设由干燥筒排出的过热蒸汽温度为85°C，真空度为500毫米汞柱。将0.52立方米木材于35小时真空时间内由初含水率60%干燥到8%，每小时计算排水量为5.42公斤。干燥前期因排水量较大，取为3倍即16.26公斤/小时。
根据文献[6]，每小时由简内排出过热桊汽的体积为77.1立方米，冷却到30°C时变为饱和蒸汽的重量为2.34公斤、冷凝水的重量为13.92公斤，30°C时饱和蒸汽的含热量为609.2千卡/公斤，水的含热量为30千卡/公斤，因此算出冷却耗热量为8,464千卡/小时，求得冷凝器的散热面积为11.1立方米。
冷凝管由1/4"，2"无缝钢管及少数绕片管组成，5根一组，共九层，17组，总散热面积为14平方米。
(三)汽水分离器
干燥筒内的气体通过冷凝器之后，还有一小部分水汽未被析出，必须在真空泵之前加设汽水分离器。本设计的汽水分离器分为两级，一级汽水分离器的简体中设有七块孔板，开孔总而积等于真空泵的进气口面积。二级汽水分离器容量较小，原理与一级相同，但上端安有干湿球温度计和排空阀。干湿球温虔计用于检测进入真空泵的气体参数是否符合要求。
四、蒸汽发生器的设计
蒸汽发生器的作用是喷蒸调湿，辅助加热。本设计的蒸汽发生器的供汽管路有两个分支，分别通连两根喷蒸管，容积0.24立方米。
蒸汽发生器按喷射2个表压力的饱和蒸汽连续达15分钟，耗汽量17.8公斤，耗热量按9,190千卡设计。采用电热，计算需用功率12.8瓩。实际配用15瓩。最大工作压力0.6MPa,.水分蒸发量为20公斤/小时。
五、检测系统的设计
(一)介质温度自控装暨
选用普通镍铬-考铜热电偶作为温度传感器，配用XCT-121型动圈式指示调节仪。以达到温度自控的目的。
(二)介质湿度显示装置
在干燥筒的两侧中部，各安装两支带有不锈钢保护套的干湿球温度计。
(三)材心、材表温度显示装置
选用直径为3毫米的WRKK-101型铠装镍铬-考铜热电偶为温度传撼器，配用XCT-101动圈式指示调节仪。由于材心温度是控制干燥过程的重要工艺参数，因此配有上限报警装置。
(四)真空度及压力显示自控装置
筒顶装有一只压力表(0-0.6MPa)，一只普通真空表(0-760毫米汞柱)，一只电接点真空表(0.15MPa-0-760毫米汞柱)。其中电接点真空表与真空泵串接，表上的上、下限指针可控制真空泵的工作。当真空度上升到上限指示值时，真空表发出信号，切断真空泵的电源；当真空度下降到下限指示值时，真空表发出信号接通真空泵的电源，由此达到自动控制干燥简内的真空度。
设备技术性能测试
一、干燥机主体——干燥筒
(一)空载真空度特性
1.在气温为10°C及大气压为751毫米汞柱条件下测试结果为真空度在12分钟时达702毫米汞柱，24分钟时达742毫米汞柱，此后一直保持此值不变，符合设计要求。
2.在气温为23°C及大气压为742毫米汞柱条件下测试结果为真空度在16分钟时达700毫米汞柱，在24分钟时达715毫米汞柱，以后保持此值不变约10分钟，停止抽真空至165分钟时筒体恢复至常压。 3.在气温在150°C及大气压为715毫米汞柱条件下同时开动加热器，喷蒸管及通风机，当筒内介质温度上升到150°C时停止加热、喷蒸及通风，开动真空泵抽真空，真空度在3分钟时达706毫米汞柱，16分钟时达到极限真空742毫米汞柱，此后保持不变。 (二)空载升温特性 测定了只开加热器与风机时的升温特性和同时开加热器、喷蒸管与风机时的升温特性。结果表明，在同时开加热器与喷蒸管的惰况下，10分钟以内即可达到于燥工艺要求的温度。 (三)木堆气流速度特性 测定风速时所用木板厚度为30毫米，垫条厚25毫米。 从测试结果看，风速分布比较均匀，平均进口风速为2.43米/秒。平均出口风速为2.1米/秒，均在设计规定的2米/秒以上，符合要求。二、冷凝器与汽水分离器 试验时先将干燥简内的气体加热，同时喷蒸，使其温度上升到150°C，然后接通冷凝器的冷却水阀门，开动真空泵，使干燥筒内的湿热气体流过冷凝器和汽水分离器，观察汽水分离器上的干湿球温度计。结果干球温度为13°C，湿球温度为11.5°C，测得冷却自来水进口的温度为10°C，出口的温度为15°C，都在30°C以下，冷却效果良好。三、蒸汽发生器 结果表明，将5一8°C的冷水装入蒸汽发生器，水位450-700毫米，约36一50分钟即能沸腾，沸腾后，只须15分钟左右即可将汽压升至表压0.2MPa，满足工艺的要求。
工艺试验
一、试验材料试验材料。见表1
表1 试材一览表
图1 真空干燥机筒体结构
二、试验方法
1.试材初含水率、终含水率及应力的测定均按国家标准GB6491-86《锯材干燥质量》57规定进行。
分层含水率试片的锯解方法按B/5，B/4两种方法锯取。
2.可见干燥缺陷的检查，是对全部试材进行有关表裂、端裂、内裂、侧弯、顺弯、皱缩、变色等方面的仔细检查。先将试材逐一编号，并将干燥前存在的可见缺陷逐一做上记号并编号，干燥后再逐一观察和测量。
3.材心，材表温度的测定，是取一块试验板(含水率与检验板相近)，在距离端头200毫米或以上的部位，在厚度的中心处钻一小孔，孔径为3.2毫米，孔深为木材宽度的一半，插入热电偶(铠装镍铬一考铜热电偶)。另外在厚度方向上，在距离木材表面1-2毫米的部位，同样祥钻一小孔插入热电偶。热电偶插入后，孔的缝陈塞入石棉灰等物，包上棉纱，进行绝热，保证读数的准确度。
三、试验结果
1.干燥时间和干燥速度
榆木板材，厚30毫米，初含水率60.1-104.7%，终含水率5.2-10.86%，干燥时间为31.7-38小时，平均干燥速度1.44-2.25%/小时；水曲柳板材，厚60毫米，初含水率76.88-87.8%，终含水率6.07-6.64%，干燥时间67-68.4小时，平均干燥速度1.03-1.21%/小时；桦木板材，厚60毫米，初含水率43.11-49.98%，终含水率5.01-6.02%，干燥时间46.84-58.25小时，平均干燥速度0.73-0.79%/小时，椴木板材，厚60毫米,初含水率32.2-37.54%,终含水率5.08-9.13%，干燥时间29.17-32.08小时，平均干燥速度0.89--0.93%/小时。
水曲柳锯材进行真空干燥时在纤维饱和点前后的干燥速度差别较大，这一点与榆木不同。随着含水率的降低，水曲柳的干燥速度越来越小，特别是当含水率<10%时，干燥比较困难。木材中的水分排出量已很微小。
2.终含水率、厚度上含水率偏差与应力
榆木的平均终含水率7.17%，厚度上含水率偏差平均为1.63%；最大2.38%，最小0.51%，应力偏差平均为3.03%，最大4%，最小1.92%；水曲柳平均终含水率为6.14%，厚度上含水率偏差平均2.11%，最大3.21%，最小0.72%，应力偏差平均为2.30%，最大2.99%，最小1.90%；桦木终含水率7.2%,厚度上含水率偏差平均3.01%，最大6.28%，最小0.61%，应力偏差平均为0.90%，最大1.24%，最小0.11%；椴木终含水率为6.08%，厚度上含水率偏差平均为1.47%，最大7.29%，最小0.59%，应力偏差平均0.60%，最大1.44%，最小0.04%。
所以除榆木由于应力偏差较大只能达到GB6491-86《锯材干燥质量》三级的要求外，其它三个树种的干燥质量均能达到1一2级的标准。
3.可见干燥缺陷
榆木可见干燥缺陷较少。由于木材堆垛和压置较好;干燥后木材基本上没有产生新的弯曲，原有的弯曲也被消除。在试验1、2中有部分开裂现象，试验3几乎没有开裂缺陷。水曲柳开裂缺陷也较小。桦木和椴木可见缺陷极小；可以忽略不计。
四、干燥基准
通过试验初步提出的真空干燥基准见表2、3、4和5。
表2 榆木(30毫米厚)间歇真空干燥基准表
表3 水曲柳(60毫米厚)间歇真空干燥基准表
表4 厚60毫米桦木间歇真空干燥基准
表5 60毫米厚椴木的干燥基准
小 结
1.DZ型木材真空干燥机，结构新颖，技术性能良好，完全符合设计和工艺的要求。2.总结出的60毫米厚椴木、桦木、水曲柳及30亳米厚榆木的干燥基准尚属初次提出。这种干燥基准的形式特点，也有其独特性和创新。3.与常规干燥相比，上述四种木材的干燥质量明显提高，干燥速度明显加快，因而也就缩短了千燥周期。4.材心温度和真空度是控制真空干燥工艺过程的重要参数，这是常规干燥工艺所没有利忽略的，本研究突出了这一特点。
5.干燥质悬指标的测试方法，统一按国家标准GB6491-86《锯材干燥质量》所规定的方法进行。 6.摸索出热湿处理和平衡处理的初步规律。
问 题
1.真空干燥方法用于透气性不好木材的干燥，效果不明显。 2.真空泵的选用和筒体的防腐蚀，有待进一步研究。
参考文献
(1)东北林学院，1961，木材干燥学，农业出版社。(2)《真空设计手册》编写组，1979，其空设计手册(上册)，国防工业出版社。(3)罗思著，《真空技术》刚译组译，1980，真空技术，机械工业出版社。(4)采暖通风设计经黔交流会，1973，采暧遇风设计手册，中国建筑工业出版社。(5)第一机械工业部，1978，真空设备产品样本，机械工业出版社。(6)松本文三著，孟宪泰译，1949，木材干操法，青岛中纺公司编辑委员会。(7)中华人民共和国国家标准GB6491-86《锯材干燥质量》。
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