含水率對(duì)木材熱學(xué)性質(zhì)的影響

含水率對(duì)木材熱學(xué)性質(zhì)的影響

0熱學(xué)特性分析木材的熱學(xué)性能主要包括參數(shù)：誘導(dǎo)系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)、比熱等。這些參數(shù)在木材干燥中十分重要。例如預(yù)測(cè)木材所需的預(yù)熱時(shí)間、研究木材干燥中溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)的時(shí)空分布、建立干燥模型等。由于木材種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,常用的就有幾百種,對(duì)木材熱學(xué)參數(shù)的測(cè)試工作量巨大,以及木材行業(yè)對(duì)木材熱物性測(cè)試不夠重視等多方面原因,導(dǎo)致絕大多數(shù)木材的熱學(xué)性質(zhì)參數(shù)都是一片空白。中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所和東北林業(yè)大學(xué)曾采用熱脈沖法對(duì)國(guó)產(chǎn)55種木材的氣干材在室溫時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)做了測(cè)定。Suleiman等人認(rèn)為木材導(dǎo)熱系數(shù)是一個(gè)隨其物理性質(zhì)變化的非線性函數(shù),文獻(xiàn)對(duì)壓縮木材的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了研究,文獻(xiàn)建立了木材導(dǎo)熱系數(shù)在不同燃燒階段的計(jì)算模型,文獻(xiàn)研究了木材導(dǎo)熱系數(shù)在高溫范圍內(nèi)的變化、通過(guò)分型理論建立了木材橫紋導(dǎo)熱系數(shù)的理論模型,文獻(xiàn)[9,10,11,12,13,14]結(jié)合木材物理學(xué)、統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)、物理力學(xué)等學(xué)科各自從理論上推導(dǎo)了多個(gè)關(guān)于木材熱學(xué)參數(shù)的理論表達(dá)式。但是由于木材的微觀機(jī)理和組成結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜,不同樹(shù)種間差異較大,各理論計(jì)算公式針對(duì)具體樹(shù)種在不同含水率下的導(dǎo)熱系數(shù)的精確度有待提高。桉樹(shù)和楊樹(shù)是我國(guó)重要的人工林種,其木材產(chǎn)品有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。桉木和楊木的干燥是目前木材干燥界的熱點(diǎn)之一,基于彌補(bǔ)其熱學(xué)參數(shù)空白、推導(dǎo)出適用經(jīng)驗(yàn)公式以及對(duì)不同闊葉材樹(shù)種間進(jìn)行比較的目的,本實(shí)驗(yàn)選擇了尾巨桉和青楊作為實(shí)驗(yàn)材料。1材料和方法1.1不同品種本實(shí)驗(yàn)選用巨尾桉(拉丁名:Eucalyptusgrandis×E.urophylla)廣林9號(hào)和青楊(拉丁名:Populuscathayana)為研究樹(shù)種。1.2測(cè)試設(shè)備(1)恒恒濕箱型號(hào)LHS-100CH(2)變量源的導(dǎo)熱度測(cè)量哈爾濱工業(yè)大學(xué)功達(dá)實(shí)驗(yàn)設(shè)備公司B型1.3表面精密試件的分類將原木去皮后鋸截為板材,經(jīng)過(guò)恒溫恒濕箱干燥后將每塊板材制成4塊100mm×100mm×15mm上下表面光滑的試件,為一組,試件分為徑向試件和弦向試件。將試件放入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱性能測(cè)定儀中,打開(kāi)電源開(kāi)關(guān),開(kāi)始測(cè)試,進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)后通過(guò)自帶軟件可得出試件導(dǎo)熱系數(shù)和比熱。實(shí)驗(yàn)均是在室溫下進(jìn)行。測(cè)試結(jié)束后利用烘干法對(duì)試件進(jìn)行絕干處理,計(jì)算出本組試件的初含水率。2結(jié)果與分析2.1影響熱系數(shù)的因素2.1.1纖維飽和水溶液中木材導(dǎo)熱系數(shù)圖1(a)、(b)分別為桉木和楊木在不同含水率下徑、弦向?qū)嵯禂?shù)的曲線圖。從圖中可以看出,導(dǎo)熱系數(shù)與含水率成曲線關(guān)系,隨著含水率的增加,徑、弦向的導(dǎo)熱系數(shù)都明顯增大。其中含水率10%時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)只有60%時(shí)的一半左右。這是因?yàn)闊崃髟谀静膬?nèi)部是通過(guò)其實(shí)體物質(zhì)和孔隙來(lái)傳遞的,水的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于空氣,隨著含水率增加,木材中部分空氣被水所取代,從而導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)的增大。而含水率在30%以上時(shí),隨含水率的增加導(dǎo)熱系數(shù)增大幅度加快,這是因?yàn)槔w維飽和點(diǎn)以上木材中增加的水分是以自由水的形式存在于細(xì)胞中。從圖1a和圖1b的對(duì)比中發(fā)現(xiàn)在相同含水率下,桉木導(dǎo)熱系數(shù)比楊木平均大10%左右,這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中桉木的絕干密度(437.11g/m3)大于楊木的絕干密度(387.33g/m3)。在相同含水率下,絕干密度大的樹(shù)種內(nèi)部的實(shí)體物質(zhì)相對(duì)較多,孔隙相對(duì)較小。孔隙中空氣的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于木材實(shí)體物質(zhì),因此在同含水率下絕干密度大的樹(shù)種導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較大。Kollmann認(rèn)為木材橫紋導(dǎo)熱系數(shù)和和含水率的關(guān)系為λ2=λ1(1+W1-W2100)(kcal/m?h?℃)λ2=λ1(1+W1?W2100)(kcal/m?h?℃)。其中λ1、λ2分別為含水率W1、W2時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)。Maclean提出的方程為當(dāng)W<40%時(shí),λ=0.0205+ρ0(0.1724～0.00347W)(kcal/m·h·℃);當(dāng)W>40%時(shí),λ=0.0205+ρ0(0.1724～0.00347W)(kcal/m·h·℃)。式中ρ0為木材絕干密度。表1是桉木和楊木在不同含水率下徑、弦向?qū)嵯禂?shù)的回歸方程。與現(xiàn)有公式對(duì)比后發(fā)現(xiàn),桉木在含水率8%～40%的區(qū)間內(nèi),數(shù)值與Maclean方程比較接近,在含水率40%～70%之間,實(shí)驗(yàn)值介于Maclean方程和Kollmann方程值之間。楊木在含水率40%以下時(shí)數(shù)值略小于Maclean方程和Kollmann方程,40%以上時(shí)介于Maclean方程和Kollmann方程值之間,其中徑向值與Maclean方程值接近。2.1.2徑向?qū)嵯禂?shù)從圖1(a)上看出,含水率在27%以下時(shí),桉木徑向?qū)嵯禂?shù)與弦向非常接近。而在27%～70%的區(qū)間內(nèi),徑向?qū)嵯禂?shù)明顯大于弦向,二者最大差異在10%左右。從圖1(b)中可以看出,楊木的徑向?qū)嵯禂?shù)比弦向大5%～10%左右。這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中測(cè)得的含水率是試件的平均含水率,在干燥過(guò)程中通過(guò)木射線傳導(dǎo)的水分較多。由于木射線垂直于弦向而平行于徑向,干燥過(guò)程中厚度方向上弦向干燥速度大于徑向,因此干燥后在試件的厚度方向上徑向所含水分略大于弦向,導(dǎo)致徑向?qū)嵯禂?shù)大于弦向。另外,含水率較高時(shí)差異比較明顯,這是因?yàn)樵诟吆氏律鲜鏊趾坎町愒酱笏隆?.2比熱與含水率的關(guān)系通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),在相同含水率下,桉木和楊木,徑向和弦向間比熱沒(méi)有明顯差異。圖2是含水率與比熱之間關(guān)系的曲線圖。從圖上可知,比熱與含水率成曲線關(guān)系,隨含水率的增加顯著增大,其中含水率10%時(shí)的比熱約為60%時(shí)五分之三。這是因?yàn)樗谋葻岽笥谌刹谋葻?因此隨著含水率的增大,木材比熱也隨之增大。比熱與含水率之間關(guān)系的回歸公式為С=1.47375+0.04808W-6.1306×10-4W2+3.49085×10-6W3(kJ/kg·K)其中R2=0.98729。同ΚИΡИЛОВ提出的在M=10%～150%,t=20～100℃范圍內(nèi),比熱容經(jīng)驗(yàn)公式為CΜ=1.17[Μ(1+t100)]0.2kJ/(kg?Κ)CM=1.17[M(1+t100)]0.2kJ/(kg?K)。進(jìn)行對(duì)比的結(jié)果表明,含水率在25%以下時(shí),回歸曲線值略小于經(jīng)驗(yàn)公式值,二者最大差異約為5%左右。含水率在25%以上時(shí)回歸曲線值大于公式值,且隨含水率增加二者差異增大,在含水率60%時(shí)二者差異為10%左右。2.3影響導(dǎo)溫系數(shù)的因素2.3.1含水率對(duì)導(dǎo)溫系數(shù)的影響本文中的導(dǎo)溫系數(shù)由公式α=λcρ求出。圖3(a)、(b)分別為桉木和楊木在不同含水率下徑、弦向?qū)叵禂?shù)的曲線圖。從圖3中可以看出,導(dǎo)溫系數(shù)隨著含水率增加而減小,這是因?yàn)殡S著含水率增加,導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、密度均增大,其中密度增加最大,因此比熱和密度乘積增加大于導(dǎo)熱系數(shù)的增加,從而造成導(dǎo)溫系數(shù)隨含水率增加而降低。而含水率在30%以上時(shí)下降速度有放緩趨勢(shì)是因?yàn)樵诶w維飽和點(diǎn)以上含水率的增加對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)影響較纖維飽和點(diǎn)下影響較大所致?；貧w公式見(jiàn)表2。3.3.2含水率對(duì)導(dǎo)溫系數(shù)的影響由圖3(a)、(b)可以看出,楊木在整個(gè)曲線以及桉木在含水率在17%以上時(shí),徑向?qū)叵禂?shù)大于弦向?qū)叵禂?shù),二者最大差異在10%左右,這是因?yàn)閺较驅(qū)嵯禂?shù)大于弦向,比熱不受紋理方向的影響,因此求得的導(dǎo)溫系數(shù)徑向略大于弦向。3桉樹(shù)導(dǎo)熱系數(shù)和熱學(xué)性質(zhì)的關(guān)系(1)巨尾桉和青楊的熱學(xué)性質(zhì)參數(shù)受含水率、紋理方向的影響,其中含水率起關(guān)鍵作用。隨含水率增加,導(dǎo)熱系數(shù)、比熱增大,導(dǎo)溫系數(shù)減小。在纖維飽和點(diǎn)以上,含水率的增加使導(dǎo)熱系數(shù)的增加速度加快。紋理方向上,導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)均是徑向略大于弦向,但是比熱不受影響。(2)巨尾桉導(dǎo)熱系數(shù)在相同含水率下高于青楊10%左右,這是因?yàn)榫?/p>