木材幹燥
正文
通過加熱並利用木材內、外水蒸氣的壓力差，使木材含水率降到適用值的過程。木材工業中不可缺少的生產環節。木材幹燥的作用在於：減輕重量，節約調運的勞力和費用；防蛀防腐，延長使用年限；防止變形翹曲，增大彈性，有利於提高木製品質量。木材幹燥涉及傳熱、傳濕和水分移動、蒸發過程中木材性質變化的機理。乾燥理論的套用，乾燥方法的選擇，以及乾燥設備的設計、建造和運轉等構成一門專業基礎技術學科。乾燥原理 在一般情況下，木材內部的含水率高於外部的含水率；木材加熱時，木材外部的溫度高於內部的溫度。含水率梯度迫使水分由內部向外部移動；而溫度梯度迫使水分由外部向內部移動。這兩個方向相反的水分移動互相對抗，致使離木材表層不遠的地方呈現一個水分移動緩慢區，從而對乾燥過程產生阻力。為了避免這種現象，使含水率梯度和溫度梯度都是內部高、外部低，往往先用高溫、高濕空氣（或其他介質）對木材進行預熱處理，使木材熱透；然後降低空氣的溫、濕度，開始乾燥。
影響乾燥速度的因素 有空氣（或其他介質）溫度、空氣濕度、空氣通過木材表面的速度、木材的溫度和木材含水率梯度等5個因素。 前三者是使木材溫度和含水率梯度起變化的外界條件。其中空氣溫度是主要的外因。木材溫度和木材中水分的溫度隨空氣溫度的增高而提升。水分的溫度升高后，木材中水蒸氣的壓力和液態水的流度都會加大，這就為加速木材幹燥創造了條件。空氣濕度和乾燥速度的關係是：溫度不變時，濕度越低，空氣內的水蒸氣分壓越小，木材表面上的水蒸氣越容易向空氣中擴散，乾燥速度越快；反之，則慢。氣流快速運動，使木材表面上方的凝滯空氣薄膜(邊界層)受到破壞，迅速帶走從木材表面吸取了水蒸氣的介質，從而改善濕熱傳遞條件，加快乾燥進程。木材溫度和木材含水率梯度是決定乾燥速度的內因。 這5個因素都可以在乾燥設備中加以控制。理想的乾燥條件是在單位時間內通過單位面積的木材內部水分向外移動的流量，能和木材表面水分向空中蒸發的流量相適應，這時木材表面各層的含水率和當時所趨向的木材平衡含水率之間的差額逐漸縮小，可保證不致因乾燥過快而發生木材表面開裂。此外，木材的密度、成材的鋸制方向和厚薄等對乾燥速度也有影響。但對乾燥工藝而言，後者是選擇乾燥工藝措施時考慮的前提，而不是在乾燥過程中要控制的對象。
乾燥的原則 在保證乾燥質量的前提下提高幹燥速度是乾燥的基本原則。乾燥的質量要求是：已乾木材的終含水率及乾燥均勻度能滿足加工工藝的要求；保持木材的完整性，不發生為工藝規範所不容許的缺陷，不改變木製品應有的性質。乾燥速度即單位時間內木材含水率降低的程度。乾燥速度越快（或乾燥周期越短），所需用的乾燥設備與投資越少，乾燥成本越低。各種木製品對已乾木材終含水率的要求因用途不同而異，如樂器、精密儀器盒為7％；家具、鑲木地板為8％；細木工板為8～9％；運動用具為10～12％；窗、門為12％；汽車、鐵路客車為10～15％;鐵路貨車、建築材料為18％;包裝箱為15～18％。實踐上還需按產品使用地區的氣候條件作適當變動。
在木材幹燥過程中，須按不同乾燥階段相應改變乾燥室內的相對濕度，據此制訂的相對濕度變化程式即乾燥基準。不同樹種、不同厚度的木材有不同乾燥基準，一般分為時間乾燥基準和含水率乾燥基準兩類。前者按時間階段操作,後者按含水率變化階段操作,屬於按含水率變化階段操作的還有波動式和半波動式乾燥基準。乾燥基準的選用是否適當，對木材幹燥的產量和質量有直接影響。
乾燥方法 工業上套用的主要有3類。
第1類 比較成熟,套用較廣。包括:①大氣乾燥,簡稱氣乾法。將木材堆垛成材堆,上置堆頂,下設堆基（圖 1）,按材種規劃材堆之間與木板之間的距離。以太陽能為熱源，利用空氣自然對流作用使木材幹燥。此法適用性廣，成本低。但乾燥周期長,占地面積大,只能幹到和當地氣候相應的平衡含水率。充分氣乾後適於製作在當地使用的木器。②強制氣乾，是氣乾法的發展。利用風機加快氣流通過材堆的速度，有利於熱、濕傳遞。和氣乾法相比，周期較短，質量較好，但成本較高。適用於板院小而電源較充裕的企業(圖 2)。③常規窯乾，又名室乾、爐乾。以濕空氣為傳熱、傳濕介質,溫度一般不超過100℃。窯內裝有加熱器及調濕裝置。通過材堆的氣流一般為強制循環，按照不同樹種、不同溫度和不同質量要求，分別選用適當基準進行乾燥作業（圖 3）。此法套用甚廣，若工藝恰當，而且窯的性能良好，可把木材幹燥到任何程度，且能保證質量。但投資大，周期雖短於氣乾法，但仍較長，能源利用率較低，乾燥成本較高。④高溫窯乾。分2類：一以濕空氣為介質， 一以常壓過熱蒸氣為介質。後者效果優於前者。窯體及設備與常規法的略同，但窯體對氣密性與保溫性要求較高。加熱器的散熱面積大。工藝與常規法類似,但使用的介質溫度在100℃以上。適於加工大批量松、杉、椴等木材，乾燥速度比常規窯乾法快兩倍以上，因此窯及設備的投資、建築用地、能源消耗、乾燥成本都相應減少。但透氣性差和木射線粗的木材（如栲、核桃楸等）在高溫乾燥過程中易產生缺陷，對難乾材操作時須嚴格掌握。 第2類 處於試驗階段,或已初步採用且有發展前途的。主要包括:①太陽能幹燥。置材堆於東、西、南3面有玻璃壁的乾燥窯內，以太陽能為主要熱源，或用集能器和貯熱器加強熱能利用率，以燃燒燃料的熱氣體為輔助熱源，用噴水器及通風孔調節濕度，用風機引起強制循環，達到乾燥目的（圖 4）。②真空乾燥。把木材置於真空罐內加熱，抽真空，造成由木材內部到表面和由表面到外界的水蒸氣壓力差；又由於木材內的水分在真空下沸點降低，易於氣化，就使水分易從木材中蒸發並從真空罐中抽出（圖 5）。③微波乾燥。在諧振腔加熱器或曲折波導加熱器中，由於受微波管發生的、 頻率為915或2450兆赫的電磁波作用，木材內部因分子間摩擦而產生熱量，形成內高外低的蒸氣壓力差，促使木材快乾（圖 6）。可用於珍貴木材的乾燥。④紅外線乾燥。將木材置於輻射板、管的照射範圍內，接受近紅外(波長0.76～4微米)或遠紅外(波長4～1000微米)熱射線的輻射，木材中的水分吸收輻射能後產生共振現象，可使溫度迅速提高，引起水分蒸發。遠紅外線輻射能的熱量轉換率優於近紅外。若採用材堆乾燥方式，則紅外線輻射元件主要起加熱器作用(圖 7)。⑤除濕乾燥。從窯內抽出的熱濕空氣在被強制流過除濕裝置的蒸發器時，所含熱能被蒸發器內氣態致冷劑吸取，所含水分凝結成水並被排走;冷乾空氣流過冷凝器時;從冷凝器內的液態致冷劑，吸取熱能，變成熱乾狀態，並在通過電阻絲加熱器時進一步提高溫度，再入窯作為介質（圖 8）。這此方法除太陽能幹燥外，大多存在所需投資費用大等問題，正進一步研究改進中。 第3類 是曾被採用,但適用範圍較窄，或已很少採用者，如嫌水性液體乾燥、離心力乾燥、溶劑乾燥等。
現在工業上乾燥大批量成材採用的主要方法是氣乾法和窯乾法，發展趨勢是用快速窯乾技術代替常規窯乾技術，用強制循環和太陽能加熱的氣乾技術代替常規的氣乾技術。
木材窯乾工藝 在類型眾多的木材幹燥窯中，以周期式強制循環型套用最廣泛，其操作工藝過程有典型性，分 4個階段：①準備階段。在材堆進窯之前，檢查乾燥窯內通風系統、加熱系統、儀表及控制器件等是否正常。材堆入窯後，開動風機和加熱系統使乾燥窯內氣體加熱，然後關閉窯門。②預熱階段。提高木材溫度，並使木材內部水分重新分布以達到均勻。此時為不使水分蒸發，進氣門、排氣門都需關閉。按木材初始含水率確定介質狀態參數，預熱時間因樹種、材種與季節不同而異，大致為木材每厚 1厘米預熱1～2小時。③乾燥階段。按基準要求調節窯內溫、濕度，適時啟閉進、排氣門。當木材含水率降至纖維飽和點以下時，即進行中期處理，停止水分蒸發。同時通過噴蒸，以調節木材中的水分分布狀態，縮減含水率梯度，消除乾燥應力。中期處理次數系根據樹種、厚度、已產生的應力狀況而定。④結束階段。木材幹燥到含水率、應力等達到要求時，即可結束乾燥過程。此時要進行終了處理,使含水率分布均勻,殘餘應力消除。處理方法是提高窯內溫度及濕度，處理時間大致按木材每厚 1厘米，噴蒸1小時，保持1小時為度。然後使室內介質狀態回到基準表最後階段所定參數，繼續乾燥到木材斷面含水率分布均勻，最後停止加熱，通風冷卻，卸出材堆。在上述過程中，最主要的問題是根據木材的樹種和厚度選擇和控制好基準。
乾燥缺陷 在生產上若採用了不正確的乾燥工藝，乾燥的木材會由於乾縮不均勻、塑化固定變形和內應力的作用等原因而產生各種缺陷：①開裂。按發生開裂部位不同可分端裂、面裂、內裂（蜂窩裂） 3種，均系乾燥不均，各部分水分蒸發速度不一，產生局部應力所造成。防止方法是調整乾燥基準，減緩水分蒸發速度。②彎曲。按形狀不同可分弓彎(順紋彎曲)和瓦彎（橫紋彎曲）。防止方法是正確使用隔條堆裝木材，並在材堆頂部放置重物。③翹曲。是一種複合性變形，瓦彎、弓彎及彎曲、扭轉常同時發生，使木材喪失使用價值。採用適當狀態的飽和蒸氣處理，可使翹曲程度有所減輕。④皺縮。是木材表面過分不均勻的收縮，皺縮往往伴生內裂。採用軟基準乾燥，適當降低乾燥溫度，在一定程度上可防止皺縮發生。
熱泵乾燥木柴的特點：
一、在木柴乾燥的前期，由於乾燥介質的相對濕度較高，使熱泵機組的性能係數COP較高。但隨著乾燥過程的進行．乾燥介質的相對濕度降低，熱泵機組的性能係數COP相應降低，從而影響了機組的性能發揮。二、如果供熱溫度水平不高，如低溫熱泵在54℃以下(國產機組一般不超過54℃)，則當木材的含水率低於15%時，就不能有效地從木材中排除水分。一般而言，乾燥溫度需要提高到71℃以上。
三、對乾燥室的保溫性能和氣密性有一定的要求。保濕性的要求是室體熱容量要小，以減少熱損失。熱損失要等於或小於壓縮機的功熱當量。氣密性要好，因為熱泵乾燥室一般不設增濕裝置，室內水蒸汽的溢出，必然使乾燥工況難以調節。
四、室內的氣流要保證均勻，風速1m/s左右為佳。
配圖
熱泵烘乾示意圖 