含髓心方材高頻真空干燥傳熱傳質(zhì)及數(shù)值分析.pdf

1、木材干燥是木材加工過程中極其重要的環(huán)節(jié)之一?？焖佟⒏咝?、高品質(zhì)干燥技術(shù)的開發(fā)及實(shí)施，對于改善木材性能、提高木質(zhì)品質(zhì)量、延長其使用壽命、高效利用木材、節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境等具有重要意義。木材高頻真空干燥就是一種干燥速度快、品質(zhì)高的先進(jìn)技術(shù)，但由于干燥過程中木材溫度和含水率等重要參數(shù)難于檢測，使得即使有適宜的干燥工藝也難以可靠實(shí)施，因而該技術(shù)難以在木材干燥生產(chǎn)過程中實(shí)際推廣。因此本文以多孔材料傳熱傳質(zhì)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合高頻真空干燥特點(diǎn)，從理論上

2、分析了高頻真空干燥過程中含髓心方材內(nèi)部水分及熱量的傳遞機(jī)理;通過質(zhì)量、能量守恒方程等建立了高頻真空干燥過程中木材內(nèi)部熱質(zhì)遷移一維數(shù)學(xué)模型;通過數(shù)值分析方法對控制方程進(jìn)行求解，系統(tǒng)研究了高頻真空干燥過程中木材內(nèi)部含水率、溫度、水蒸氣壓力、密度等參數(shù)的變化規(guī)律和分布規(guī)律。研究結(jié)果可為干燥過程的精準(zhǔn)自動(dòng)控制奠定基礎(chǔ)，為干燥工藝的改進(jìn)及可靠實(shí)施提供必要的信息。研究的主要內(nèi)容和結(jié)果概括如下：
　　詳細(xì)闡述了高頻真空干燥過程中木材內(nèi)部水分及熱

3、量的傳遞機(jī)理:對于長度短于2000mm、斷面大于120mm的方材，自由水和水蒸氣主要是在總壓力梯度作用下以滲流方式沿纖維方向向外遷移，大部分水分是先蒸發(fā)，然后以蒸氣形式向外遷移;熱量主要以熱傳導(dǎo)形式由內(nèi)向外傳遞。將菲克定律與達(dá)西定律統(tǒng)一起來，通過理論推導(dǎo)，利用擴(kuò)散方程表達(dá)滲流形式。
　　對物理模型進(jìn)行合理的簡化與假設(shè)，考慮木材內(nèi)部各相的動(dòng)量、質(zhì)量、能量守恒關(guān)系，建立了高頻真空干燥過程中含髓心方材的一維傳熱傳質(zhì)非線性耦合數(shù)學(xué)模型。該

4、模型以時(shí)間和空間為自變量，含水率、溫度、水蒸氣密度、水蒸氣壓力、體積蒸發(fā)率等參數(shù)為因變量。
　　根據(jù)Whitaker體積平均理論，利用控制容積法對數(shù)學(xué)模型和其邊界條件的控制方程進(jìn)行離散，采用顯示差分法獲得線性離散方程組，運(yùn)用MATLAB編程對模型進(jìn)行了數(shù)值模擬。該模型與傳統(tǒng)模型相比的優(yōu)勢在于:傳統(tǒng)模型將所有因變量整合到質(zhì)量守恒、能量守恒兩個(gè)方程中，各因變量相互耦合，難于求解甚至因?yàn)橐蜃兞總€(gè)數(shù)多于方程個(gè)數(shù)而無法求解。本文所建立模型中

5、每個(gè)因變量都有各自獨(dú)立的控制方程，原本相互耦合的因變量按步驟解耦，每個(gè)因變量均可以獨(dú)立求解;傳統(tǒng)模型求解時(shí)含水率及溫度隨時(shí)間變化曲線僅用平均值表示。本文將試材沿長度方向分成若干區(qū)域，計(jì)算結(jié)果可表示為不同區(qū)域各參數(shù)隨時(shí)間變化曲線，因此能把握整個(gè)干燥過程中木材內(nèi)部各參數(shù)的分布變化規(guī)律。
　　通過改變模型參數(shù)，研究了木材滲透率、長度、初始含水率、高頻功率密度和控制溫度等對木材含水率、溫度變化規(guī)律和分布規(guī)律的影響。結(jié)果表明:以上參數(shù)對木材

6、干燥時(shí)間、干燥速度、溫度都具有一定的影響，其中高頻功率密度、滲透率影響較大，相同環(huán)境壓力和木材控制溫度條件下，高頻功率密度越大，溫度上升速度越快、干燥時(shí)間越短、干燥速度快;滲透率越高，干燥時(shí)間越短、干燥速度快，溫度上升速度越慢。
　　以日本柳杉（Cryptomeria japonica）為試驗(yàn)材料，測量了不同時(shí)刻不同位置的含水率與溫度值，并且對比分析了相應(yīng)位置的試驗(yàn)測量值和模型計(jì)算模擬預(yù)測值的變化規(guī)律。結(jié)果顯示:試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果