分蒸发速率模型及应用初探.doc
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真空条件下木材表面水分蒸发速率模型及应用初探中文题目：
小二黑体，不超过20个字
纸张版式：
一律采用A4纸，通栏排列，上、下、左、右页边距2cm，单倍行距
何正斌（木材干燥）作者：
四号楷体，括号里注明论文研究方向
摘要：
本文以截面为20mm×20mm，长度分别为100、150、200、250、300mm数字、字母：
文中任意地方出现，都为TimesNewRoman
五种尺寸规格的桦木为试材，在干燥温度分别为60℃、75℃、90℃，绝对压力分别为0.02、0.04、0.06、0.07和0.08MPa的真空条件下进行干燥处理，根据试验结果计算出不同条件下，各种规格尺寸木材内部水分的移动速率，然后将其进行数学回归，进而得出各种规格试件干燥速率与温度、绝对压力的关系式。
之后，再将通过理论推导得出的关系式与上述回归方程进行比较，得出了木材表面水分蒸发速率与内部水分移动速率之比。
最后根据不产生木材干燥缺陷的最大（极限）速比N，得出木材真空干燥过程中，不产生缺陷时的温度和绝对压力的关系式。
摘要：
小五号宋体
关键词：
水分移动；干燥速率；理论推导；干燥缺陷关键词：
小五号宋体，以“；”间隔；关键词个数为3～8个
HeZhengbin.Thepreliminarystudyofwoodsurfacedryingratemodelandapplicationundervacuumcondition.英文题目：
TimesNewRoman五号、加粗，首字母大写，其余均小写（专用名词除外）
Inthisarticlebirchistakenasspecimen,itssectionalareais20mm*20mmandlengthis100,150,200,250,300mmrespectively,undertheconditionthatthetemperatureis60℃、75℃、90℃respectivelyandtheabsolutepressureis0.02,0.04,0.06,0.07,0.08MParespectively,atlast,calculatetheinnerdryingrateofallthespecimenandregresstheequationbetweenthetemperature,pressureandthedryingrate.Thentheoreticaldeducethesurfacedryingrateofwoodundervacuumcondition,andgettheratioofthesurfacedryingrateandtheinnerdryingrate,assumptionthatthereisthebiggestratioNwhichcancausedryingdefects,asaresult,theoptimumrelationshipformulabetweentemperature,pressurewasgot.英文摘要：
TimesNewRoman五号，开头空两个格
Keywordswatermovement;dryingrate;heoreticaldeduction;dryingdefectsKeywords：
TimesNewRoman五号，以“；”间隔，均小写（专用名词除外）
木材真空过热蒸汽干燥以其干燥速率快、质量好，适用材种多和占地面积小等一系列突出优点，日益受到木材干燥界的广泛重视。
被国际上认为是具有发展前景的木材干燥新工艺。
国际干燥咨询委员会主席A.SMujumdar教授指出：
真空过热蒸汽干燥是一种创新的干燥技术，具有潜在的高效率[1]参考文献：
在文中用上标标示出来
。
已有研究表明[2~4]，真空干燥过程中干燥介质条件和条件的变化都会对木材内部水分移动速度产生很大的影响。
在木材干燥过程中，木材内部总是不可避免地产生内应力，当应力超过一定限度，木材就会产生表裂或者变形等干燥缺陷而使得木材将等[5~6]。
很多研究表明，产生应力的主要原因是由于木材各个部分水分蒸发不同步，而产生了含水率梯度[7]，使得相邻两部分产生拉应力或者压应力，当这个应力超过了木材所能承受的最大应力强度的时候，木材就产生了裂纹。
为了进一步研究木材内部水分移动速率与表面水分蒸发速率对木材干燥缺陷的影响，防止干燥过程中产生开裂等缺陷，对真空干燥过程中木材内外水分移动速率的研究是很有必要的。
本文通过理论推导得出在木材真空干燥过程中木材表面水分蒸发速率理论模型，然后与实验中得到的木材内部水分移动速率进行比较，根据木材干燥过程中产生缺陷主要是由于木材内外水分蒸发不同步而产生应力的原理，得出了木材在干燥过程中外界温度和绝对压力的最佳配比。
1真空条件下木材表面自由水蒸发速率理论计算正文一级标题：
四号宋体,以1，2，…排序；前言部分无标题
在材干燥过程中，内部传热，传质的模型综合起来，比较典型的模型有：
菲克扩散型模型，蒸汽压力梯度型模型，luikov型模型，siau型模型和watiker型模型等[9]，在这里用斯蒂芬定律来计算木材表面水分蒸发速率[10]。
定律如下：
正文文字：
五号宋体
（1）
式中：
m’：
水分蒸发速率；D:
扩散系数；pA1-pA2：
绝对压力差；RA：
气体常数；T：
热力学温度；
h：
蒸发面的高度；pBm：
环境空气的分压; p：
总绝对压力
（2）
式中：
T：
热力学温度,K;p：
总绝对压力,Pa;μA、μB：
气体A、B的分子量;
VA、VB：
气体A、B在正常沸点时液态克摩尔容积,cm3/（g*mol）。
在很多情况下，为了方便起见，用下面经验表达式来代替上面的扩散系数计算式：
（3）
式中：
D0=0.22cm2/s;P0=1.01*105pa;T0=273K;P：
实际绝对压力；T：
实际温度
在实际真空干燥中，由于干燥介质主要是水蒸气或者过热蒸汽，绝对压力比普通大气压低很多，而且由于有风速的存在，使得木材表面蒸发的水分可以被迅速带走，空气的净质扩散通量对静坐标系不为零，所以真空状态下介质的很多特性都与湿空气不一样。
所以在真空干燥中，认为在很短的时间里，木材表面水分的蒸发对系统中各组分分压影响很小，而且由于真空泵保持着干燥箱里面的真空度，当干燥箱里面有多余的水蒸气的时候，真空泵会自动将其抽走，所以认为木材周围的环境至始至终容纳水蒸气的能力变化很小。
基于上述假设，可以把真空状态下木材表面水分的蒸发速率用以下式子表示：
（4）（5）
（6）（7）
式中：
D0=0.22;P0=1.01*105pa;T0=273K;h=0.5cm;R=1.987；P：
绝对压Pa；
T：
温度k；PS：
该温度下的饱和蒸汽压[11]；RA：
气体常数
根据上面得到的理论关系式，得到真空干燥过程中不同条件下，木材表面水分蒸发速率表，如表1.1。
表1.1真空状态下木材表面水分理论蒸发速率表
Table1.1Woodsurfacevaporevaporativerateinvacuumdrying表：
采用三线表，表名放在表的正上方，要有中英文两部分
图：
图名和图例放在图的正下方，图名要有中英文两部分
图、表标题和内容必须在同一页面内
温度（℃）
绝对压力（Mpa）
长度尺寸（mm）
100
150
200
250
300
60℃
0.08
0.678
1.018
1.357
1.696
2.035
0.07
0.775
1.163
1.551
1.938
2.326
0.06
0.905
1.357
1.809
2.262
2.714
0.04
1.357
2.035
2.714
3.392
4.071
0.02
2.714
4.071
5.428
6.785
8.142
75℃
0.08
1.367
2.050
2.733
3.417
4.100
0.07
1.562
2.343
3.124
3.905
4.686
0.06
1.822
2.733
3.644
4.556
5.467
0.04
2.733
4.100
5.467
6.833
8.200
0.02
5.467
8.200
10.933
13.667
16.400
80℃
0.08
2.595
3.892
5.189
6.486
7.784
0.07
2.965
4.448
5.930
7.413
8.896
0.06
3.459
5.189
6.919
8.648
10.378
0.04
5.189
7.784
10.378
12.973
15.567
0.02
10.378
15.567
20.756
25.945
31.134
2真空条件下木材内部水分移动研究
2.1材料及设备二级标题：
五号黑体，以1.1，1.2,…排序
2.1.1试验材料三级标题：
五号楷体，以1.1.1，1.1.2,…排序
白桦，产于东北林区，初含水率都在60%以上。
试件从桦木的生材锯材中进行截取。
绝大部分的桦木试件都没有节子也没有缺陷。
试件采用横截面为20×20（mm×mm），长度分别为100、150、200、250和300mm的规格尺寸。
2.2试验装置
本试验采用真空干燥试验台作为试验装置。
同时还用到上海天平仪器厂生产的JA31002型电子秤，最大称重：
3100g，精度0.01g。
真空干燥试验台原理图见文献[8]。
2.3试验方法
本研究的试验条件为绝对压力分别取0.02MPa、0.04MPa、0.06MPa、0.07MPa、0.08MPa，干燥介质温度分别取60℃，75℃，90℃。
在试验过程中，把试件分为两组，其中一组试件用环氧树脂和铝箔封闭四个侧面，以保证在干燥过程中木材中的水分仅从端面蒸发。
在真空干燥过程中，每隔2小时将试验台恢复常压，把试件取出称重。
当试件的含水率降至含水率10％以下时，干燥结束。
之后把试件放入烘箱内烘至绝干，得到绝干重量，以此来准确测定木材干燥过程中各个时间段的含水率，进而得出各阶段的干燥速率。
每组试验重复三次，取三组试验数据的平均值为干燥速率的测量值。
由于在实际干燥中，木材的长度比端部尺寸大很多，水分主要从侧面蒸发，所以在本实验中最后将同等长度、同等干燥条件下干燥的一组未包试件的干燥速率与封闭四个侧面试件的干燥速率相减近似为木材横向干燥的速率。
2.4实验结果
将所得数据归纳整理，并将一组中的未包试件平均干燥速率与封闭四个侧面试件的平均干燥速率相减得到不同尺寸和不同干燥条件下木材横向干燥速率如表2.2。
表2.1不同条件下木材的横向干燥速率
Table2.1Woodcrossdryingrateunderdifferentcondition
长度尺寸（mm）
温度（℃）
绝对压力（MPa）
100
150
200
250
300
0.08
0.060
0.054
0.069
0.068
0.065
0.07
0.061
0.065
0.075
0.075
0.072
60
0.06
0.074
0.075
0.096
0.077
0.078
0.04
0.076
0.088
0.103
0.080
0.095
0.02
0.121
0.127
0.124
0.123
0.108
0.08
0.065
0.065
0.076
0.076
0.088
0.07
0.072
0.076
0.085
0.086
0.095
75
0.06
0.093
0.111
0.117
0.097
0.104
0.04
0.133
0.124
0.124
0.124
0.113
0.02
0.137
0.133
0.130
0.130
0.133
0.08
0.065
0.086
0.134
0.085
0.092
0.07
0.073
0.099
0.136
0.085
0.109
80
0.06
0.081
0.107
0.177
0.143
0.114
0.04
0.106
0.129
0.202
0.160
0.123
0.02
0.150
0.203
0.210
0.236
0.201
从表中可以看出，在相同温度条件下，随着绝对压力的减小，木材的干燥速率升高；在相同的绝对压力下，随着温度的升高，木材的干燥速率增大。
但是为了进一步了解外界条件（温度，绝对压力）对干燥速率的影响，下面对不同尺寸的试件的干燥速率进行回归，得出不同尺寸的木材的干燥速率与温度、绝对压力的关系：
m5,m7.5,m10,m12.5,m15:
分别表示长度尺寸为100,150,200,250,300的试件在不同条件下的干燥速率。
3真空条件下木材干燥最佳外界条件的探讨
为了比较真空干燥过程中，木材表面水分蒸发速率和内部水分移动速率，现将木材表面水分理论蒸发速率与木材内部实际水分蒸发速率相比，得到如下表3.1。
表3.1真空干燥过程中木材表面水分蒸发与内部水分蒸发速率之比
Table3.1Theratiobetweensurfacedryingrateandinnerdryingrateinvacuumdrying
温度（℃）
绝对压力（Mpa）
长度尺寸（mm）
100
150
200
250
300
60℃
0.08
11.308
18.846
19.666
24.944
31.314
0.07
12.711
17.894
20.677
25.847
32.308
0.06
12.225
18.093
18.846
29.371
34.793
0.04
17.855
23.130
26.348
42.404
42.851
0.02
22.429
32.054
43.772
55.160
75.386
75℃
0.08
21.026
31.538
35.965
44.956
46.591
0.07
21.693
30.827
36.751
45.404
49.323
0.06
19.594
24.625
31.149
46.964
52.564
0.04
20.551
33.064
44.086
55.107
72.566
0.02
39.903
61.654
84.102
105.128
123.308
80℃
0.08
39.916
45.253
38.724
76.310
84.604
0.07
40.619
44.927
43.605
87.211
81.610
0.06
42.708
48.496
39.089
60.478
91.036
0.04
48.953
60.338
51.377
81.079
126.562
0.02
69.187
76.685
98.839
109.937
154.897
从上表可以看出，随着温度的增加，二者的差异增大，随着绝对压力的降低，差异也增大。
对于木材干燥来说，在干燥过程中的很多缺陷都是由于应力的产生，而且大多数应力的产生都是由于表面水分蒸发和内部蒸发不同步，二者差异愈大，干燥应力越大，干燥缺陷也就越大，所以为了指导实际生产，了解外界条件对木材干燥的影响，下面对不同长厚比的木材进行探讨。
假设在木材干燥过程中存在一个临界比值N，当在某段时间内，木材表面水分蒸发速率与内部水分移动速率之比n大于N的时候，木材由于内外水分蒸发速率差异太大而产生的内应力大于木材所能承受的最大应力，此时木材就会产生干燥缺陷。
所以只需要二者的比值n小于这个临界值就行了。
对于长厚比分别为5、7.5、10、12.5、15的五种规格的木材，将相应的数据带入理论式子，得到各长厚比木材的表面蒸发速率，如下：
（13）（14）
（15）（16）（17）
为了使其在干燥过程中不产生缺陷，必须满足m’/m≤Ｎ。
所以在实际干燥中，对于这五种规格的木材只需要满足下式即可：
（18）（19）（20）（21）（22）
4结论与讨论
1）真空干燥中，木材横向水分移动速率与温度成正比，与绝对压力成反比。
2）根据真空干燥的一些特点结合斯蒂芬定律得到了真空干燥条件下，木材表面水分蒸发速率公式
3）真空干燥过程中，木材表面水分移动速率大于内部水分移动速率，而且这个数值在10～150之间变化,并且随着温度的升高而增大，随着绝对压力的减小而增大。
4）相比常规干燥，真空干燥过程中由于木材表面水分蒸发速率大于内部水分移动速率，这样导致内部应力增大，产生缺陷的可能性更大，在本实验中通过产生缺陷的临界速率比，求出了不同长厚比的条件下，不产生干燥缺陷的外界条件（温度、绝对压力），如式18～22所示。
5）文中的极速比N还需要进一步实验进行探索，以真正确定木材干燥过程中，内外水分移动速度差异对干燥缺陷的影响。
参考文献参考文献：
小五号宋体
[1]Mujumdar著，史永春译.干燥过程原理与设备及新进展[J].济南出版社,2002,114-137.
Mujumdar，TranslatebySHIYC.Thetheoryofdryingprocessandmachineandnewdevelopment[J].JinanPress2002,114-137.
[2]伊松林，张壁光，常建民.木材真空-浮压干燥过程中自由水迁移特征[J].北京林业大学学报,2003,25（4）:
59-63.
YISL,ZHANGBG,CHANGJM.Characteristicsoffreewatermovementinwooddryingprocessundervacuum-floatingpressure[J].JournalofBeijingForestryUniversity.2003，25（4）：
59-63.
具体参考文献写法：
参照本文写法，中文参考文献可以不写英文翻译
[3]伊松林，张壁光，常建民.木材真空-浮压干燥过程中吸着水迁移特征分析[J].北京林业大学学报,2003,25（6）:
59-63.
YISL,ZHANGBG,CHANGJM.Characteristicsofabsorbedwatermovementinwooddryingprocessundervacuum-floatingpressure[J].JournalofBeijingForestryUniversity.2003,，25（6）:
59-63.
[4]伊松林，张壁光，常建民.木材真空-浮压干燥特性的试验研究[J].林业科学,2004,40（4）:
68-71.
YISL,ZHANGBG,CHANGJM.Studyondryingpropertiesofwoodundervacuum-floatingpressure[J].ScientiaSilvaeSinicae.2004,40（4）:
68-71.
[5]MohssineMouteeAEYvesFortinAEMarioFafard.Aglobalrheologicalmodelofwoodcantileverasappliedtowooddrying[J].WoodSciTechnol,2007,41:
209-234.
[6]HukkaA.DeformationpropertiesoffinnishSpruceandPinewoodintangentialandradialdirectionsinassociationtohightemperaturedrying.PartⅢ.Experimentalresultsunderdryingconditions（mechano-sorptivecreep）[J].HolzalsRoh-undWerkstoff,2000,58:
63-71.
[7]FortinY,DefoM,NabhaniM,etal..Asimulationtoolfortheoptimizationoflumberdryingschedules[J].DryingTechnology,2004，22（5）:
963-983.
[8]伊松林，张壁光，常建民.马尾松木材浮压干燥过程中的传质传热特征[J].北京林业大学学报,2002,24（3）:
7-9.
YISL,ZHANGBG,CHANGJM.CharacteristicsofheatandmasstransferindryingprocessofMassonPinelumberunderfloatingpressure[J].JournalofBeijingForestryUniversity.2002,24（3）:
7-9.
[9]伊松林，张璧光，常建民.木材浮压干燥的基本特性[J].中国环境科学出版社,2005,13.
YISL,ZHANGBG,CHANGJM.Thecharacterofwoodfloating-pressdrying[J].ChinaEnvironmentSciencePress,2005,13.
[10]连之伟.热质交换原理与设备[M].中国建筑工业出版社,2001,18-24.
LIANZW.Thetheoryofheatandmasstransferandequipment[M].ChinaArchitectureIndustryPress.2001,18-24.
[11]Siau,J.F.1984.Transportprocessinwood.Sp
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