巨尾桉與青楊熱學(xué)參數(shù)影響因素的實(shí)驗(yàn)研究

劉 昊,高建民,張璧光

(北京林業(yè)大學(xué)木材科學(xué)與工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

0 引 言

木材的熱學(xué)性質(zhì)參數(shù)主要包括導(dǎo)熱系數(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[1,2]、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[3]。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)[4],文獻(xiàn)[5]對(duì)壓縮木材的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了研究,文獻(xiàn)[6]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)[7]研究了木材導(dǎo)熱系數(shù)在高溫范圍內(nèi)的變化[7]、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[8],文獻(xiàn)[9～14]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,不同樹種間差異較大,各理論計(jì)算公式針對(duì)具體樹種在不同含水率下的導(dǎo)熱系數(shù)的精確度有待提高。桉樹和楊樹是我國(guó)重要的人工林種[15,16],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 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)選用巨尾桉 (拉丁名:Eucalyptus grandis×E.urophylla)廣林9號(hào)和青楊 (拉丁名:Populus cathayana)為研究樹種。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

(1)恒溫恒濕箱:型號(hào)LHS-100CH

(2)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱性能測(cè)定儀: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 試驗(yàn)方法

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100 mm×100 mm×15 mm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,打開電源開關(guān),開始測(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 影響導(dǎo)熱系數(shù)的因素

2.1.1 含水率對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響

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[3],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 (437.11 g/m3)大于楊木的絕干密度 (387.33 g/m3)。在相同含水率下,絕干密度大的樹種內(nèi)部的實(shí)體物質(zhì)相對(duì)較多,孔隙相對(duì)較小?？紫吨锌諝獾膶?dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于木材實(shí)體物質(zhì)[3],因此在同含水率下絕干密度大的樹種導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較大。

圖1 a 不同含水率下桉木弦、徑向?qū)嵯禂?shù)曲線圖Fig.1 a The radial and tangential thermal conductivity of Eucalyptus as a function of moisture content

圖1 b 不同含水率下楊木弦、徑向?qū)嵯禂?shù)曲線圖Fig.1 b The radial and tangential thermal conductivity of Populus cathayana as a function of moisture content

Kollmann[17]認(rèn)為木材橫紋導(dǎo)熱系數(shù)和和含水率的關(guān)系為

Maclean[17]提出的方程為

當(dāng)W＜40%時(shí),λ=0.020 5+ρ0(0.172 4～0.003 47 W)(kcal/m?h?℃);當(dāng) W ＞40%時(shí),λ=0.020 5+ρ0(0.172 4～0.003 47 W)(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。

表1 含水率與導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系的回歸方程Tab.1 Empirical equation of thermal conductivity as a function of moisture content by regression analysis

2.1.2 紋理方向?qū)?dǎo)熱系數(shù)的影響

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?/p>

2.2 影響比熱的因素

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=1.473 75+0.048 08 W-6.130 6×10-4W2+3.490 85×10-6W3(kJ/kg?K)其中 R2=0.987 29。同Κ ИΡ ИЛО В[18]提出的在 M=10%～150%,t=20～100℃范圍內(nèi),比熱容經(jīng)驗(yàn)公式為CM=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。

圖2 含水率與比熱關(guān)系曲線圖Fig.2 The specific heat as a function of moisture content

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

圖3a 不同含水率下桉木弦、徑向?qū)叵禂?shù)曲線圖Fig.3 a The radial and tangential thermal diffusivity of Eucalyptus as a function of moisture content

圖3b 不同含水率下楊木弦、徑向?qū)叵禂?shù)曲線圖Fig.3 b The radial and tangential thermal diffusivity of Populus cathayana as a function of moisture content

表2 含水率與導(dǎo)溫系數(shù)關(guān)系的回歸公式Tab.2 Empirical equation of thermal diffusivity as a function of moisture content by regression analysis

3.3.2 紋理方向?qū)?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 結(jié)論與討論

(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)榫尬茶竦慕^干密度大于青楊。二者比熱沒有差別。

(3)現(xiàn)有公式的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值存在一定差異。本實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)熱系數(shù)、比熱回歸公式的相關(guān)度均達(dá)到0.98以上,可用于實(shí)際計(jì)算。

(4)本實(shí)驗(yàn)僅從含水率和紋理方向兩方面對(duì)熱學(xué)性質(zhì)的影響進(jìn)行了探討,溫度、密度、孔隙率等對(duì)其熱學(xué)性質(zhì)的影響尚需進(jìn)一步研究。另外,針對(duì)回歸公式的準(zhǔn)確度需要進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

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