含水率對木材熱學性質的影響

含水率對木材熱學性質的影響

0熱學特性分析木材的熱學性能主要包括參數(shù)：誘導系數(shù)、導溫系數(shù)、比熱等。這些參數(shù)在木材干燥中十分重要。例如預測木材所需的預熱時間、研究木材干燥中溫度場和濕度場的時空分布、建立干燥模型等。由于木材種類繁多、結構復雜,常用的就有幾百種,對木材熱學參數(shù)的測試工作量巨大,以及木材行業(yè)對木材熱物性測試不夠重視等多方面原因,導致絕大多數(shù)木材的熱學性質參數(shù)都是一片空白。中國林業(yè)科學研究院木材工業(yè)研究所和東北林業(yè)大學曾采用熱脈沖法對國產(chǎn)55種木材的氣干材在室溫時的導熱系數(shù)做了測定。Suleiman等人認為木材導熱系數(shù)是一個隨其物理性質變化的非線性函數(shù),文獻對壓縮木材的導熱系數(shù)進行了研究,文獻建立了木材導熱系數(shù)在不同燃燒階段的計算模型,文獻研究了木材導熱系數(shù)在高溫范圍內的變化、通過分型理論建立了木材橫紋導熱系數(shù)的理論模型,文獻[9,10,11,12,13,14]結合木材物理學、統(tǒng)計熱力學、物理力學等學科各自從理論上推導了多個關于木材熱學參數(shù)的理論表達式。但是由于木材的微觀機理和組成結構極為復雜,不同樹種間差異較大,各理論計算公式針對具體樹種在不同含水率下的導熱系數(shù)的精確度有待提高。桉樹和楊樹是我國重要的人工林種,其木材產(chǎn)品有極高的經(jīng)濟價值。桉木和楊木的干燥是目前木材干燥界的熱點之一,基于彌補其熱學參數(shù)空白、推導出適用經(jīng)驗公式以及對不同闊葉材樹種間進行比較的目的,本實驗選擇了尾巨桉和青楊作為實驗材料。1材料和方法1.1不同品種本實驗選用巨尾桉(拉丁名:Eucalyptusgrandis×E.urophylla)廣林9號和青楊(拉丁名:Populuscathayana)為研究樹種。1.2測試設備(1)恒恒濕箱型號LHS-100CH(2)變量源的導熱度測量哈爾濱工業(yè)大學功達實驗設備公司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。將試件放入準穩(wěn)態(tài)導熱性能測定儀中,打開電源開關,開始測試,進入準穩(wěn)態(tài)后通過自帶軟件可得出試件導熱系數(shù)和比熱。實驗均是在室溫下進行。測試結束后利用烘干法對試件進行絕干處理,計算出本組試件的初含水率。2結果與分析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、弦向導熱系數(shù)的曲線圖。從圖中可以看出,導熱系數(shù)與含水率成曲線關系,隨著含水率的增加,徑、弦向的導熱系數(shù)都明顯增大。其中含水率10%時的導熱系數(shù)只有60%時的一半左右。這是因為熱流在木材內部是通過其實體物質和孔隙來傳遞的,水的導熱系數(shù)遠大于空氣,隨著含水率增加,木材中部分空氣被水所取代,從而導致導熱系數(shù)的增大。而含水率在30%以上時,隨含水率的增加導熱系數(shù)增大幅度加快,這是因為纖維飽和點以上木材中增加的水分是以自由水的形式存在于細胞中。從圖1a和圖1b的對比中發(fā)現(xiàn)在相同含水率下,桉木導熱系數(shù)比楊木平均大10%左右,這是因為實驗中桉木的絕干密度(437.11g/m3)大于楊木的絕干密度(387.33g/m3)。在相同含水率下,絕干密度大的樹種內部的實體物質相對較多,孔隙相對較小?？紫吨锌諝獾膶嵯禂?shù)遠小于木材實體物質,因此在同含水率下絕干密度大的樹種導熱系數(shù)相對較大。Kollmann認為木材橫紋導熱系數(shù)和和含水率的關系為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時的導熱系數(shù)。Maclean提出的方程為當W<40%時,λ=0.0205+ρ0(0.1724～0.00347W)(kcal/m·h·℃);當W>40%時,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、弦向導熱系數(shù)的回歸方程。與現(xiàn)有公式對比后發(fā)現(xiàn),桉木在含水率8%～40%的區(qū)間內,數(shù)值與Maclean方程比較接近,在含水率40%～70%之間,實驗值介于Maclean方程和Kollmann方程值之間。楊木在含水率40%以下時數(shù)值略小于Maclean方程和Kollmann方程,40%以上時介于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徑向導熱系數(shù)從圖1(a)上看出,含水率在27%以下時,桉木徑向導熱系數(shù)與弦向非常接近。而在27%～70%的區(qū)間內,徑向導熱系數(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,楊木的徑向導熱系數(shù)比弦向大5%～10%左右。這是因為實驗中測得的含水率是試件的平均含水率,在干燥過程中通過木射線傳導的水分較多。由于木射線垂直于弦向而平行于徑向,干燥過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,導致徑向導熱系數(shù)大于弦向。另外,含水率較高時差異比較明顯,這是因為在高含水率下上述水分含量差異越大所致。2.2比熱與含水率的關系通過對比發(fā)現(xiàn),在相同含水率下,桉木和楊木,徑向和弦向間比熱沒有明顯差異。圖2是含水率與比熱之間關系的曲線圖。從圖上可知,比熱與含水率成曲線關系,隨含水率的增加顯著增大,其中含水率10%時的比熱約為60%時五分之三。這是因為水的比熱大于全干材比熱,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,比熱容經(jīng)驗公式為CΜ=1.17[Μ(1+t100)]0.2kJ/(kg?Κ)CM=1.17[M(1+t100)]0.2kJ/(kg?K)。進行對比的結果表明,含水率在25%以下時,回歸曲線值略小于經(jīng)驗公式值,二者最大差異約為5%左右。含水率在25%以上時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%時二者差異為10%左右。2.3影響導溫系數(shù)的因素2.3.1含水率對導溫系數(shù)的影響本文中的導溫系數(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、弦向導溫系數(shù)的曲線圖。從圖3中可以看出,導溫系數(shù)隨著含水率增加而減小,這是因為隨著含水率增加,導熱系數(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熱系數(shù)的增加,從而造成導溫系數(shù)隨含水率增加而降低。而含水率在30%以上時下降速度有放緩趨勢是因為在纖維飽和點以上含水率的增加對導熱系數(shù)影響較纖維飽和點下影響較大所致?；貧w公式見表2。3.3.2含水率對導溫系數(shù)的影響由圖3(a)、(b)可以看出,楊木在整個曲線以及桉木在含水率在17%以上時,徑向導溫系數(shù)大于弦向導溫系數(shù),二者最大差異在10%左右,這是因為徑向導熱系數(shù)大于弦向,比熱不受紋理方向的影響,因此求得的導溫系數(shù)徑向略大于弦向。3桉樹導熱系數(shù)和熱學性質的關系(1)巨尾桉和青楊的熱學性質參數(shù)受含水率、紋理方向的影響,其中含水率起關鍵作用。隨含水率增加,導熱系數(shù)、比熱增大,導溫系數(shù)減小。在纖維飽和點以上,含水率的增加使導熱系數(shù)的增加速度加快。紋理方向上,導熱系數(shù)和導溫系數(shù)均是徑向略大于弦向,但是比熱不受影響。(2)巨尾桉導熱系數(shù)在相同含水率下高于青楊10%左右,這是因為巨