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木材微波干燥热质转移及其数值模拟

于建芳  
【摘要】: 微波干燥是一种快速高效的现代干燥技术,已经广泛应用在各种行业,然而工业化的木材微波干燥却没有取得实质性进展。丰富和完善木材在微波作用下的热质转移理论,对于更加科学地控制木材微波干燥过程、提高干燥质量具有重要的理论意义和实用价值。本文根据微波作用下木材内部水分和热量的转移现象,研究了不同含水率阶段的热质转移机理,建立了微波作用下木材热质转移耦合的数值计算模型,系统研究了微波干燥过程中木材内部含水率、温度、水蒸气分压的变化规律和分布规律,分析了微波作用对木材热质转移规律的影响,为木材在微波作用下内部的含水率场和温度场的控制奠定理论基础,为木材微波干燥的合理应用提供理论依据。研究的主要内容和结果如下: 分析了在微波干燥过程中木材内部水分在不同含水率阶段的迁移过程,认为自由水和水蒸气是在压力梯度作用下迁移,结合水是在化学势作用下迁移,同时考虑相变过程。 基于体积平均理论,假设相变过程中各相处于局部热力学平衡,且视水蒸气为理想气体,考虑木材内部各相的质量和能量守恒关系,建立了微波干燥过程中不同含水率阶段的热质转移非线性耦合数学模型,模型的基本参数为木材的含水率和温度,模型系数是基本参数的函数。 采用全隐式有限差分法,对建立的热质转移控制方程、对流边界条件和初始条件进行离散,获得非线性离散方程组;在同一时间层采用迭代法逐步将非线性方程组线性化,由线性迭代方程组获得下一时层的基本参数预测值,把预测值代入离散方程系数中获得下一时层的校正值,如此循环运用预测——校正系统,最终获得整个微波干燥过程中热质转移的数值解。 以落叶松材的微波干燥为例,比较分析了试验值和模型预测值的变化规律。结果显示,试验结果和模拟结果拟合较好,数值计算结果能够预测微波干燥过程中状态参数的变化及其热质转移过程。 运用MATLAB编程对模型进行了数值模拟。详细分析了微波干燥过程中不同含水率阶段,木材内部的含水率、温度和蒸汽压力随时间的变化规律和沿厚度方向的分布规律。结果表明:在微波干燥过程中,可以根据参数的变化把干燥过程分为不同的阶段,但不论含水率大于FSP还是小于FSP,热质转移模型预测结果均显示,在整个干燥过程中沿木材厚度方向上的含水率、温度和蒸汽压力分布都比较均匀。 进一步研究了木材初含水率和厚度对基本参数变化规律和分布规律的影响以及木材在微波干燥过程中的热质耦合效率和干燥过程曲线。结果表明:干燥时间、干燥速度和各干燥段占总干燥时间的比例随木材初含水率和厚度的变化而变化;对不同初含水率和不同厚度时木材各参数与时间的关系进行拟合后得到一些方程,通过拟合方程可以计算在一定的微波加热条件下达到设定含水率值(温度值或蒸汽压力值)所需的时间,能为生产中合理执行干燥基准和控制温度提供理论参考;随着干燥过程的进行,木材各层的dM/dT值不是很大;微波干燥具有很高的干燥速率。


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