“不劈不裂，不叫實木”，實木家具有一定的自毀概率，這是鐵一般的事實，這也是廠家和業(yè)主共同的噩夢。實木家具在使用過程中經(jīng)常會出現(xiàn)開裂、翹曲、蟲蛀，結(jié)構(gòu)連接處松動等現(xiàn)象，這不但嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的質(zhì)量、美觀和使用壽命，更會遭到消費者的投訴，損害了企業(yè)信譽，造成經(jīng)濟(jì)損失。

眾所周知的常識是：木材里面是含有水分的，如將未干透的木材做成木制品，則該木制品會在使用過程中繼續(xù)緩慢變干而發(fā)生收縮、變形甚至開裂，并出現(xiàn)榫頭松動和拼板裂縫等缺陷。

家具開裂

家具翹曲

家具蟲蛀

造成這種現(xiàn)象的原因，木材干燥不夠！由此可知，干燥工藝的重要性。干燥的好壞，直接決定了家具的使用壽命。所以，選擇正確的干燥方法，是十分有必要的。

為了生活，振作起來

解決木材干燥問題，目前我國家具企業(yè)最常用的干燥方法是蒸汽干燥，即以常壓濕空氣作干燥介質(zhì)，加熱木材并吸收木材蒸發(fā)掉的水分，同時排出干燥室內(nèi)的濕空氣，吸入外界冷空氣的一種干燥方法。這種換熱方式屬于開放式，大部分熱量伴隨著熱交換而損失，熱能回收利用困難。且這種方法耗時長、操作繁瑣、干燥后的木材平整度差、內(nèi)應(yīng)力大，會導(dǎo)致實木家具的開裂和變形。

高頻真空干燥

近年來高頻真空干燥技術(shù)發(fā)生了革命性的改變，給木材加工企業(yè)帶來了期待已久的福音。高頻真空干燥具有干燥時間短、干燥質(zhì)量好、占地面積小、適用于多種制品、對環(huán)境友好等眾多優(yōu)勢，在我國未來木材干燥行業(yè)具有巨大的應(yīng)用前景。

綜合考慮干燥速度、成本及環(huán)保等因素，高頻真空干燥更加適合硬闊葉樹材、大斷面規(guī)格材及名貴木材的干燥 。

劉洪海及其課題組利用工業(yè)化高頻真空干燥設(shè)備對批量木材進(jìn)行干燥，介紹了干燥工藝參數(shù)的制定方法及依據(jù)，解析了干燥過程中的工藝特征，并研究探討了高頻真空干燥質(zhì)量、干燥速度及干燥成本等問題，以期為高頻真空干燥技術(shù)的產(chǎn)業(yè)推廣提供技術(shù)參考。

1　材料與方法

1.1　試驗材料

巴西產(chǎn)重齒鐵線子(Manilkara bidentata)，氣干密度1.08g/cm3，屬于高密度難干材。規(guī)格:1200mm×130mm×30mm(128塊)，3000mm×130mm×30mm(256塊)，材料為甲板用材。

1.2　試驗設(shè)備

生產(chǎn)用高頻真空干燥設(shè)備，型號HED-5，有效容積為5m3(株式會社Yasujima)）；高頻發(fā)生器為6.7MHz，直流最大輸出電壓(EI)有３ 擋(6kV、7kV、8kV），最大輸出電流(Ip)為1.2A；數(shù)碼電子秤，測量精度0.01kg；微波式含水率檢測儀器，型號HS-100，Micro Measure公司，測量精度0.1％。

1.3　試驗方法

1.3.1　含水率及木材質(zhì)量檢測

隨機(jī)挑選紋理通直的板材各8塊作為檢驗板，用于初含水率及木材初質(zhì)量的測量。1200mm長的板材在中間位置，3000mm長的板材在距兩端300mm及中間位置進(jìn)行含水率測量，檢測設(shè)備是微波式含水率檢測儀，精確至0.1％，含水率檢測儀經(jīng)過校正，滿足工業(yè)生產(chǎn)用含水率檢測。利用電子秤測量每塊檢驗板材的初質(zhì)量，精確至0.01kg。檢驗板的初含水率及初質(zhì)量見表1，其統(tǒng)計數(shù)據(jù)用于后續(xù)干燥工藝計算。

1.3.2　干燥工藝參數(shù)的選取

干燥工藝參數(shù)的制定根據(jù)設(shè)備的具體參數(shù)及材料的尺寸和材性。首先確定單位體積材料的高頻輸入功率Pu。

其中：P為高頻輸入功率，kW；Ip為高頻發(fā)生器輸入電流，A；E1為輸入電壓，kV；R為高頻發(fā)振率；η為高頻能量轉(zhuǎn)換率；V為干燥材體積，m3。

干燥生產(chǎn)中pu根據(jù)被干燥材料的厚度和干燥特性來確定，其標(biāo)準(zhǔn)值為1.0kW/m3。難干材通�？刂圃�0.8~1.0kW/m3，厚度超過250mm時控制在0.4~0.6kW/m3。厚材及難干材Ip值取值范圍為0.75~1.40A。EI通常有幾個擋位，可根據(jù)加熱功率需要選擇切換。本次材料屬較難干材，但因厚度不大、初含水率較低，因此Pu選擇在1kW/m3左右。由公式(1)和(2)計算得pu＝ 1.1kW/m3。其中，η ＝0.7(設(shè)備經(jīng)驗值)，R＝0.8(發(fā)振8min、停2min)。本次試驗工藝控制參數(shù)見表2。

1.3.3　脫水量及干燥時間理論計算

由表1檢驗板初質(zhì)量Ga1 及初含水率Mi1可以計算干燥工藝所需的脫水量等參數(shù)。由于板材是2種規(guī)格，因此針對不同規(guī)格材料按公式(3~10)分別計算，計算結(jié)果見表3。由計算結(jié)果可知，干燥至目標(biāo)含水率10％時從木材內(nèi)部脫除的水分是352kg，含水率平均每下降1％時脫去水的質(zhì)量32.7kg。因此，在干燥過程中，根據(jù)脫水量的大小就能掌握干燥罐內(nèi)木材含水率狀況。

式中：

Gi 為木材初質(zhì)量，kg；Ga1 為干燥前檢驗板平均質(zhì)量，kg；n為板材數(shù)量。

式中：

Go為絕干質(zhì)量，kg； Mi 為干燥前平均初含水率，％。

式中：

G10%為含水率10％時木材質(zhì)量，kg。

式中：

W10%為含水率10％時脫除水分質(zhì)量，kg。

式中：

W0%為絕干時脫除水分質(zhì)量，kg。

式中：

Q1%為含水率下降1％的脫水量，kg。

式中：

Th為升溫時間，h；Cu為含水率為u時木材的比熱，J/(g•℃），Cu＝(135.4＋4.18u)/(100＋u)；ΔT為木材和水升高的溫度，19℃；Ｐ 為高頻輸入功率，ｋＷ。

式中：

Td為干燥時間，h；r為蒸發(fā)潛熱，2404J/g。

1.3.4　干燥試驗步驟

干燥材料及檢驗板按圖1所示進(jìn)行裝載，材車推入真空罐后通過油壓系統(tǒng)加壓，確保在干燥過程中木材不發(fā)生彎曲變形。由表3中Q1%，再結(jié)合干燥過程儲水箱規(guī)定時間內(nèi)的排水量可以計算木材整個干燥過程由預(yù)熱升溫、干燥及冷卻3個階段構(gòu)成，每個階段操作都嚴(yán)格按照表2各項參數(shù)進(jìn)行。

2　結(jié)果與分析

2.1　干燥過程工藝參數(shù)變化

干燥過程升溫及干燥階段的參數(shù)變化見圖2和表4。由圖2可知，罐內(nèi)真空下降速度很快，之后整個干燥過程一直維持在控制參數(shù)附近。由表4可知，在147.8，162.8 及196.9h 時進(jìn)行了IP下調(diào)，從圖2曲線變化可以看出EL也隨之適度減小。

2.2　含水率及干燥缺陷

由表1可知，經(jīng)高頻真空干燥后兩種規(guī)格材料的終含水率皆為7.9％，且均方差幾乎一致，因此干燥后板材的終含水率分布均勻，符合國標(biāo)GB/T6491—2012一級(6％~8％)要求。干燥后對檢驗板(各8塊)及其他部位隨機(jī)抽取的板材(10塊)進(jìn)行干燥缺陷檢測，均未見端裂、表裂，板材表面平整、無翹曲變形。沿著板材中間鋸開4塊檢驗板(長短各兩塊)，未見內(nèi)裂，干燥缺陷達(dá)到國標(biāo)鋸材干燥質(zhì)量的二級要求。

2.3　干燥速度及脫水效率

由圖2和表4可知，木材升溫過程含水率幾乎沒有發(fā)生變化。進(jìn)入干燥階段，木材溫度逐步上升并且超過真空罐內(nèi)環(huán)境壓力對應(yīng)的沸點38~40℃。木材中的水分均處于沸騰狀態(tài)，隨著溫度的逐步升高，水蒸氣具有的飽和壓力越大，越容易從木材內(nèi)部遷移出來。參照圖2含水率變化趨勢曲線，將干燥速度劃分為3個階段(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)，每個階段及全程平均干燥速度見表5�？梢钥闯�，除升溫階段，干燥速度隨含水率的下降而下降，含水率低于11.7％時，平均干燥速度為0.03％/h，全體干燥速度為0.05％/h，即1.2％/d。因重齒鐵線子密度大、組織細(xì)密，且本次試驗初含水率較低，脫除的全部是細(xì)胞壁中的吸著水，即使是高頻加熱真空干燥，其干燥速度亦相對較低。

高頻真空干燥過程含水率、材溫及脫水效率的變化曲線見圖3。由圖3可見，木材升溫階段脫水效率為0。因此，在某一含水率范圍內(nèi)，當(dāng)材溫超過環(huán)境壓力對應(yīng)的沸點后，脫水效率與溫度呈正相關(guān)性。但由圖4同時也可以看出，脫水效率與木材含水率呈現(xiàn)拋物線二項式曲線的關(guān)系，脫水效率在含水率為14.5％左右時獲得最大值，其隨含水率的增減都呈下降趨勢。因此，圖3中195h后，雖然溫度幾乎沒有變化，但從此含水率階段起脫水效率已經(jīng)開始下降。

2.4　干燥能耗與成本

由圖2及表4可知，前22h的動力電能用于保持系統(tǒng)真空，而高頻電能則用于窯內(nèi)木材的升溫。本次試驗因初含水率較低，單位能耗約為以往研究的1/3，由此可知高頻真空干燥過程高含水率階段的能耗更大。與同等厚度水曲柳常規(guī)干燥成本相比，高頻真空干燥的成本較高，但本次干燥材料密度及規(guī)格較大，干燥時間短、干燥質(zhì)量優(yōu)異，因此，高頻真空干燥對于紅木等名貴硬木的干燥具有綜合優(yōu)勢。

2.5　能量轉(zhuǎn)換效率

表3中的理論計算升溫時間(Th )為9.8h，而實際升溫過程為22h左右，升溫期間能量轉(zhuǎn)換效率為9.8h/22h＝44.5％左右，干燥期間能量轉(zhuǎn)換效率為60h/216h＝27.7％左右。理論計算時，假設(shè)在升溫及干燥階段高頻輸出的能量全部由木材和水分吸收，而實際情況是高頻產(chǎn)生的能量還間接通過木材傳遞給罐體、壓板及罐體內(nèi)水蒸氣等，導(dǎo)致能耗損失。此外，木材在材車上的擺放位置是否對稱也影響加熱過程的能量轉(zhuǎn)換。因此，實際干燥過程升溫和干燥時間的計算應(yīng)該考慮能量轉(zhuǎn)換效率。（閱讀原文，查看更多內(nèi)容。）

結(jié)　論

對高頻真空干燥工業(yè)生產(chǎn)中工藝參數(shù)的計算方法和選用原則進(jìn)行探討分析，并進(jìn)行了生產(chǎn)性工藝試驗，對理論計算和試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明：

1) 高頻真空干燥批量生產(chǎn)工藝參數(shù)選擇時，單位體積輸入功率(Pu )及脫水量的確定是干燥工藝實施及干燥過程控制的前提。Pu可以通過調(diào)整高頻發(fā)振設(shè)備的電流(IP)、電壓(EI)及發(fā)振率(R)來設(shè)置。干燥后期通過下調(diào)IP降低極板間的電壓來避免干燥過程極板放電。

2) 高頻真空干燥后材料含水率及干燥缺陷滿足國標(biāo)二級要求。全程干燥速度為1.2％/d，干燥速度隨含水率的下降而減少。高頻真空干燥的脫水效率與材溫及含水率有關(guān)。在適當(dāng)含水率范圍內(nèi)，脫水效率與材溫呈正相關(guān)，溫度增加脫水效率增大。此外，脫水效率與含水率呈現(xiàn)二次拋物線曲線關(guān)系，含水率為14.5％時脫水效率最大。

3) 干燥過程升溫階段能耗占比為11.2％，全部過程高頻加熱能耗占比較大，為71.7％左右。木材升溫及干燥過程的能量轉(zhuǎn)換效率不同，升溫階段為44.5％，干燥階段為27.7％，因此在計算升溫及干燥時間時應(yīng)該充分考慮不同階段的能量轉(zhuǎn)換效率。

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