木材在氣體介質(zhì)中的對流干燥過程
木材干燥曲線
當(dāng)木材在一定的溫度和濕度的氣態(tài)介質(zhì)中干燥時，若每隔一定時間測定木材含水率的變化，并且以時間為橫座標(biāo)，以含水率為縱座標(biāo)畫出的曲線圖，叫做干燥曲線（圖1-2）。
在干燥曲線圖上可以分析干燥過程。木材干燥的全過程可以分為三個階段。
預(yù)熱階段 曲線圖上的AB階段是木材的預(yù)熱階段。在此階段內(nèi)一方面提高干燥窯內(nèi)介質(zhì)溫度，同時要把它的濕度提高到90-100%。目的是暫時不讓木材中的水分向空氣中蒸發(fā)，從表層到中心均勻地把溫度提高到干燥基準(zhǔn)上要求的值。預(yù)熱所需要的時間依樹種和鋸材的厚度而異。
經(jīng)過預(yù)熱以后，木材的溫度和含水率沿斷面分布均勻一致，此時就可以按照預(yù)定的干燥基準(zhǔn)降低介質(zhì)的溫度和濕度，開始進行干燥過程。
等速干燥階段 曲線圖中向下傾斜的直線BC表示等速干燥階段。此階段是自由水蒸發(fā)時期。只要介質(zhì)的溫度、濕度和循環(huán)速度保持不變，含水率的降低速度也保持不變。由于木材表層的自由水蒸發(fā)完畢后，內(nèi)部還有自由水，所以，曲線圖上向下傾斜直線線段的終了，并不等于說木材內(nèi)的自由水已經(jīng)完全排除干凈。
在等速干燥階段內(nèi)，空氣溫度越高，濕度越低，自由水蒸發(fā)越強烈，若氣流以較大的速度吹散并破壞木材表面上的飽和蒸汽邊界層，則蒸發(fā)速度將相應(yīng)得到提高。
減速干燥階段 自由水蒸發(fā)干凈以后，吸著水開始蒸發(fā)，隨著吸著水的蒸發(fā)，蒸發(fā)過程逐漸向微毛細管部分深入，微毛細管系統(tǒng)對吸著水吸附力越大，水分蒸發(fā)時所需吸收的熱量越多，干燥過程的時間越長，含水率降低的速度也越慢。因此，纖維飽和點以下的干燥階段叫減速干燥階段，曲線圖上的CD線段即表示該階段。
在減速干燥階段，要提高水分蒸發(fā)速度必須提高介質(zhì)溫度，降低濕度并保持較高的氣流循環(huán)速度。但是水分蒸發(fā)速度受木材內(nèi)部水分傳導(dǎo)速度的制約，而且內(nèi)部水分傳導(dǎo)速度決定了總的木材干燥速度。
木材干燥時內(nèi)部水分的移動
木材中的水分在一定條件下可在木材內(nèi)部移動，這稱為木材的水分傳導(dǎo)性。水分可以順纖維方向移動而從木材兩端排出，也可以橫跨纖維方向從木材側(cè)面排出，就大多數(shù)板材而言，長度遠大于厚度寬度。板材的側(cè)面積遠大于端面積。因此盡管水分順纖維傳導(dǎo)比橫跨纖維的傳導(dǎo)為易，但對木材干燥起決定作用的是橫跨纖維的傳導(dǎo)。
木材干燥過程中，木材內(nèi)部水分移動的動力主要是含水率梯度和溫度梯度。
木材表面水分的蒸發(fā)總是在一定的溫度、濕度和氣流速度下進行。在一般情況下，干燥窯內(nèi)空氣的濕度總是小于100%，而空氣的溫度則大大高于常溫。因此空氣的平衡含水率低于木材表面的含水率，木材表面的水分就會向空氣中蒸發(fā)。木材表面水分蒸發(fā)的快慢取決于空氣的溫度和濕度。當(dāng)空氣溫度升高或濕度降低時，木材表面水分蒸發(fā)速度就加快；反之，空氣溫度越低，濕度越大，表面水分蒸發(fā)的速度就慢。
木材表面的循環(huán)氣流速度對木材表面水分蒸發(fā)也有重要影響。如果木材表面空氣不是流動的，則隨著水分的蒸發(fā)，很快會在木材表面出現(xiàn)一個不流動的飽和水蒸汽薄膜，稱為界層，其相對濕度為100%。它把木材表面包圍著，木材表面水分要繼續(xù)蒸發(fā)只能靠緩慢的擴散作用穿過界層才能進入空氣中。同時界層也阻礙了熱的傳遞，從而使干燥速度減慢。為此需要加大木材表面的氣流循環(huán)速度，吹散木材表面的水蒸汽飽和層，使木材表面的水分蒸發(fā)速度能繼續(xù)保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。
木材表面水分蒸發(fā)還與木材的含水率有關(guān)，當(dāng)木材含水率在纖維飽和點以上時，即以蒸發(fā)自由水為主的期間，蒸發(fā)面位于木材表面及稍下的各層，在此期間若空氣的溫度、濕度不變，則水分蒸發(fā)強度不變。當(dāng)自由水蒸發(fā)完畢，吸著水已開始蒸發(fā)時，水分蒸發(fā)便逐漸由木材表面移入木材內(nèi)部，轉(zhuǎn)變?yōu)橐晕恼舭l(fā)為主，單位質(zhì)量水分蒸發(fā)所需要熱量越來越多，而蒸發(fā)強度則趨于減少。
影響木材干燥速度的因素
影響木材干燥速度的主要因素有介質(zhì)的溫度、濕度、氣流循環(huán)速度、木材含水率梯度、溫度梯度。
(1)介質(zhì)溫度
介質(zhì)溫度是決定木材干燥速度的主要外因。
當(dāng)木材被高溫空氣所包圍時，通過對流傳熱供應(yīng)提高木材及其內(nèi)部水分溫度和水分蒸發(fā)所需的熱量。
介質(zhì)溫度越高，木材及其內(nèi)部水分的溫度也越高，這就加快了水分子的熱運動，提高了水分蒸發(fā)的速度和強度。
因此介質(zhì)溫度的升高可以加快木材干燥的速度，但溫度太高會造成木材強度和性能的降低。
(2)介質(zhì)濕度
當(dāng)溫度不變時，介質(zhì)濕度的降低會使木材的水分更容易向空氣中蒸發(fā)，干燥速度也就加快；反之，介質(zhì)濕度增加，干燥速度減慢，如果介質(zhì)濕度達100%，水分停止蒸發(fā)，干燥速度為零。
(3)氣流循環(huán)速度
干燥介質(zhì)氣流速度的大小，直接影響木材表面水分的蒸發(fā)，氣流速度過小會降低干燥速度，過大則會消耗能源過多。經(jīng)驗表明：通過木材表面的氣流速度超過1m/s時，氣流呈紊流狀態(tài)，空氣對木材傳熱和從木材表面吸收水蒸汽的能力提高，但一般不超過3 m/s。
(4)含水率梯度
含水率梯度是木材內(nèi)部水分移動的驅(qū)動力。
木材內(nèi)的水分是含水率高的地方向含水率低的地方移動，含水率相差越多，即梯度越大，水分移動速度也越快，干燥速度也越快。
在干燥過程中，要形成一個內(nèi)高外低的含水率梯度，促使內(nèi)部水分向外移動，但是要注意不要造成過大的含水率梯度，不要在木材表面出現(xiàn)水分枯竭的硬化層，否則不僅水分不能繼續(xù)向外移動，還會造成干燥缺陷。
(5)溫度梯度
溫度梯度也是木材內(nèi)部水分移動的驅(qū)動力。
在正常干燥過程中，木材表面溫度高于內(nèi)部溫度，因溫度梯度是內(nèi)低外高，對水分向外移動是有阻礙的。為了造成外低內(nèi)高的溫度梯度，使之與內(nèi)高外低的含水率梯度相一致而共同推動木材內(nèi)部水分迅速向外移動。通常采用高溫介質(zhì)來處理木材，使木材在不蒸發(fā)水分的情況下熱透，提高木材內(nèi)部的溫度；然后降低介質(zhì)的溫度、濕度使木材表面溫度隨之降低，但這時木材內(nèi)部仍保持高溫，這就形成了內(nèi)高外低的溫度梯度，與內(nèi)高外低的含水率梯度相一致，加速木材內(nèi)部水分移動。