一種木材單板微波干燥方法
【技術領域】
[0001]本發明屬木材干燥領域，涉及一種木材單板微波干燥方法。
【背景技術】
[0002]微波(Micrcwave)，通常是指波長在0.1?1000mm范圍內的電磁波，微波的頻率范圍是300MHz?3000GMHz，用于工業加熱的微波頻率是915MHz和2450MHz。
[0003]微波對介質材料是瞬時加熱升溫，升溫速度快。另一方面，微波的輸出功率隨時可調，介質溫升可無惰性的隨之改變，不存在“余熱”現象，熱慣性小，極有利于實現自動控制和連續化生產的需要。
[0004]微波是一種能量(而不是熱量)形式，但在介質中可以轉化為熱量。材料對微波的反應可以分為三種情況:(1)穿透微波；(2)反射微波；(3)吸收微波。
[0005]—般在材料加工領域中，所處理的材料大多是介質材料，而介質材料通常都不同程度地吸收微波能量，介質材料與微波電磁場相互耦合，會形成各種功率耗散從而達到能量轉化的目的。
[0006]木材含水率指木材中水的重量占絕干木材重量的百分數。木材中的水分可分為兩部分，一部分存在于木材細胞胞壁內，稱為吸附水；另一部分存在于細胞腔和細胞間隙之間，稱為自由水(游離水)。當吸附水達到飽和而尚無自由水時，稱為木材纖維飽和點，木材的纖維飽和點因樹種而有差異，約在23?33%之間。當含水率大于纖維飽和點時，水分對木材性質的影響很小；當含水率自纖維飽和點降低時，木材的物理和力學性質隨之而變化。木材在大氣中能吸收或蒸發水分，在一定的濕度和溫度條件下，木材中的水分與空氣中的水分不再進行交換而達到穩定狀態時的含水率，稱為平衡含水率。木材平衡含水率隨地區、季節及氣候等因素而變化，約在10.0?18.0%之間。
[0007]木材干燥是木制品生產過程中能耗最大的工序，在我國約占企業總能耗的60.0%?70.0%。木材干燥的總目標是在保障木材干燥質量的前提下，不斷的探索如何加快干燥速度，減少能耗和干燥成本。國內、外木材干燥技術的基礎理論研究與應用理論的研究，都圍繞著木材干燥質量、速度和成本問題，尋求三者的協調和平衡點的優化組合。我國木材加工業普遍存在節能意識差，管理粗放，一次性能源利用率僅30.0%左右，為發達國家的4?6倍。
[0008]微波干燥是以濕木材作電介質，置以微波電磁場中，在每秒數十億次的交變電磁場的作用下，使木材中的極性水分子發生“極化”，以每秒幾十億次的頻率發生“取向轉動”，水分子之間發生摩擦而生熱，加熱木材中的水分并使之蒸發，從而實現干燥木材的目標。微波干燥木材，屬“體內”加熱，木材內部溫度梯度和含水率梯度“內高外低”，方向一致，這是和常規干燥最大的不同點。所以，干燥速度比常規干燥速度快，殘余應力小，能保持木材的天然色澤，干燥質量好。
[0009]但現有的木材微波干燥技術由于能耗較高，難以大規模推廣，特別是對于木材的微波加熱時間，無準確的定量方法，只能根據經驗判斷或反復多次推定，造成加熱時間遠大于所需加熱時間，和真實加熱時間有差別并且無法“量化”，導致生產成本進一步增加，且干燥質量不穩定。因此，提出一種有效地針對多種木材的微波最佳加熱時間定量方法，對于降低微波加熱能耗和成本，促進微波干燥工藝技術的普及有重要意義。
【發明內容】
[0010]微波木材干燥是利用高頻電磁波在一個密閉空間(容器)內，對木材進行直接輻射“體內”加熱。由于微波干燥成本較高，生產中希望提高微波處理效率以降低能耗，現有研究中一般通過微波烘干機理的研究或微波烘干條件的優化，獲得相應的最佳烘干條件，但由于木材的貯存條件、材質、樹齡等變化較大，上述的方法難以滿足大批量多種材質的木材工業化烘干要求。實際木材工業化處理過程中，干燥烘干工藝的選擇更多依靠經驗判斷，無法克服“虛擬含水率”現象，不僅效率低下，而且易因天氣或材質的突然變化導致烘干效率和質量大幅下降。為解決上述問題，本發明依據《工程熱力學》原理，以能量轉化為路徑，通過建立通風條件下，木材提水率和微波電能消耗值間的線性關系，實現了微波木材干燥工藝時間的“量化”控制，大幅度提高微波干燥效率，保證干燥質量和經濟效益。
[0011]為實現上述目的，本發明技術方案如下:
[0012]—種木材單板微波干燥方法，包括預處理和生產兩個階段；首先，預處理階段:取待測木材單板，裁成預定尺寸，測定其絕干重量和濕重，計算出初含水率，在預定的通風條件下微波干燥至目標重量，記錄該過程中電能的消耗值，求得單板木材提水率；生產階段:根據預處理階段獲得的提水率和木材原料的濕重，求得微波干燥木材所需的電量；再根據微波干燥設備的運行功率和上述的微波干燥木材所需的電量確定最佳輻射時間，采用上述最佳輻射時間處理該批次木材原料。
[0013]上述方法具體包括如下步驟:
[0014]1)在同一批次木材中進行隨機取樣，抽取多組待測樣品，測量第一組待測木材的濕重G s和絕干重量，計算初含水率X ；
[0015]2)測定第二組待測木材的濕重(?，依據初含水率X和工藝條件要求確定木材的目標重量Gg= (1+x)，計算目標樣品的水分蒸發量G7X，對第二組待測木材進行微波加熱，直至達到木材目標重量，記錄電能消耗值E，求得第二組待測木材的單板木材提水率值η7Χ =
G水 /Ε ;
[0016]3)測定該批次待測木材的濕重G’，根據下列公式計算微波最佳輻射時間t:
[0017]E耗=G水‘/ η 水;G水‘=G，-G目；
[0018]t = Ε耗/Pg; P運:微波爐運行功率；
[0019]4)采用上述最佳微波輻射時間處理該批次木材原料。
[0020]優選的是，所述木材的含水率小于35%。現有木材微波干燥過程中，進窯含水率一般為40%以下，以保證經濟效益。本發明通過實驗發現:木材的含水率小于35%進窯時，干燥能耗最低、效率最高。
[0021]在微波加熱的過程中，由于水蒸氣的大幅度蒸發，導致微波爐內空氣中的水蒸氣分壓接近或大于該溫度下的飽和蒸汽壓(部分微波能耗用于水蒸氣的二次蒸發)，進而導致測定微波木材單板干燥提水率值n 7X = G* /E,無法有效地反應微波輻射能量和木材水分蒸發間的對應關系，因此，必須提高微波處理時的氣體流通速率，保證蒸發氣體的有效排除，同時氣體流通量還必須與微波處理的時間和功率相適應，避免因為木材表面和氣體間的熱傳遞和輻射，影響微波的處理效率。本發明研究發現，當干燥過程中微波裝置內無冷凝水生成時，微波處理效率最高、木材提水率和微波電能消耗值間的線性關系良好，因此，所述預定的通風條件為控制微波干燥裝置側壁無冷凝水生成。
[0022]優選的，所述待測木材單板與木材原料保持厚度一致、初含水率一致。保證木材提水率不發生變化，實現微波干燥的精確控制。實際生產中，采用帆布覆蓋的方式，保證水分含量一致。
[0023]優選的，周期式微波木材單板干燥工藝技術干燥木材單板層數應和膠合板生產工藝技術對應，干燥層數范圍:1?21層，干燥工藝規程穩妥可行。需要說明的是，單板層數1?3層(5mm以內)，建議不采用微波干燥工藝。
[0024]烘干過程中，木材體積膨脹，相互之間存在一定間隙，在一定的通風條件下，可保證木材烘干效率不受板材層數的影響，單板厚度10mm(9層)?30mm(25層)范圍內，一次連續微波輻射加熱即可完成整個周期式干燥工藝過程，達到干燥終含水率指標要求；30_(25層)?50mm(42層)周期式微波木材單板干燥工藝技術要復雜的許多，需采用間歇微波輻射加熱方式。
[0025]就本發明的木材微波干燥方法而言，實驗階段，微波干燥功率為0.7?0.8KW。就本發明的多個實施例而言，微波功率低于0.7KW時，烘干脫水曲線較為平滑，烘干時間相對較長，不利于生產效率的提高。微波功率大于0.8KW時，木材內部水因微波效果下快速迀移，易造成因內外溫差變化太快而產生表裂現象。當微波爐內額定功率為0.7?0.8KW之間時，較為節能，微波功率達到木材烘干要求的速度最快，為最佳烘干流程；此時，木材內部水因微波效果下的快速迀移得到緩沖，不會因內外溫差變化太快而產生表裂現象。
[0026]實驗中，采用上述方法對水曲、馬尾松和柳樹進行了烘干，結果表明:實際烘干時間與計算的烘干時間基本一致，正負偏差不超過5s，大大提高了微波烘干效率。
[0027]本發明的有益效果:
[0028]1.本發明的周期式微波木材干燥技術，適用于初含水率35.0%以下木材單板干躁。
[0029]2.設計了“微波木材單板干燥提水率測定裝置”。可以測定并計算“微波干燥木材單板提水率”的數值，多年來制約微波木材干燥工藝技術的“難點”可以“數字化”，使微波木材干燥技術的工業應用有了實質性的突破。
[0030]3.周期式微波木材單板干躁工藝中一次“裝車”的單板重量即干燥“負荷”，應和中試或生產性設備裝機容量“接近”。從技術經濟性方面出發，可以避免“小馬拉大車”和“大馬拉小車”現象出現。
[0031]4.本項課題研究的關鍵技術成果是:周期式微波木材單板干燥工藝技術做到了“量化”。按照設定的木材單板干燥目標含水率技術指標，計算出微波加熱輻射時間，在實際生產中通過對微波干燥加熱的工藝時間“量化”控制，實現了微波木材干燥工藝過程的有效控制，保證了干燥質量。
[0032]5.首次提出以電能消耗和水分蒸發量的關系來確定微波最佳處理時間的方法，解決了現有的木材微波干燥技術由于能耗較高，對于木材的微波加熱時間，無法準確定量的問題，提出一種有效地針對多種木材的微波最佳加熱時間定量方法，降低微波加熱能耗和成本，促進微波干燥工藝的普及。
[0033]6.在木材微波處理中，增加排風量，避免氣體蒸汽壓過大降低蒸發效率的前提下，與微波處理時間和功率相配合，提高微波加熱的利用率。
[0034]7.實現了木材微波干燥時間的精確控制，實際烘干時間與計算的烘干時間基本一致，正負偏差不超過5s，大大提高了微波烘干效率。
[0035]8本方法操作步驟簡單，準確性高，有效提高微波效率，適宜產業化推廣。
【具體實施方式】
[0036]下面對本發明作進一步的說明。
[0037]本發明進行了 2450MHz周期式微波木材單板干燥生產工藝研究，設計了微波木材單板干燥提水率測定裝置，實現了微波木材干燥工藝時間“量化”控制，并按照設定的木材單板干燥目標含水率技術指標，研究了微波輻射加熱方式，計算了微波加熱輻射強度與時間、單板疊加層數與厚度相互關系。
[0038]實施例1
[0039]微波木材干燥是利用高頻電磁波在一個密閉空間(容器)內，對木材進行直接輻射“體內”加熱。木材干燥(wood d