美洲黑杨(Populus deltoides)在我国长江中下游地区广泛种植, 生长迅速, 树干通直, 材色浅白, 已成为生产胶合板(特别是芯板)的主要原料。但该速生杨木幼龄材和胶质木纤维含量多, 生长应力大, 旋切成的单板干燥时, 翘曲变形严重; 又心材(红色)初含水率很高, 干燥能耗大, 且终含水率不均匀。

用传统的网带传送对流加热干燥的方法, 很难根本解决上述问题(许美琪, 1994)。因此, 国内外有不少单位用热压板接触干燥单板(毕克新, 1990; 陆肖宝, 1992; Sandoe, 1983)。80年代初, 美国又采用8台多层热压组装在同一旋转架上, 干燥单板(Baldwin, 1981)。这样干燥的单板比较平整, 且传热效率较高, 但设备太复杂, 且不能干燥连续单板, 单板需要2次裁剪, 影响单板利用率。80年代末期以来, 美国又试用一种转鼓式的单板连续热压干燥装置(Stephen, 1988; Peter, 1999), 能干燥出连续的整幅单板。但单板在转鼓上多次绕曲, 易破碎, 且接触面积不大, 热效率不高。

在文献检索、生产调研及实验室试验研究的基础上, 我们研制了生产型的连续单板热压干燥机并对美洲黑杨单板进行了生产型试验研究, 取得了较为满意的效果。

1 试验设备

自行研制的试验设备由单板滚压、柔化装置和连续单板热压干燥机两部分组成(图 1)。

1.1 滚压柔化装置

主要由一对驱动压辊组成, 压辊长1300 mm, 直径300 mm。上压辊表面布满楔形齿刃, 下压辊表面光滑, 两辊间距可调, 当单板从两辊间通过时, 可在单板紧面刻下许多不连续的刻痕, 以消除木材的生长应力使单板紧面放松和柔化(图 2)。

1.2 热压干燥机

由双层热压板及传送胶带组成。每层有两对1.3 m×2.6 m的压板, 可调速的耐高温传送胶带带动连续单板从热压板之间通过。压板由高温导热油加热, 靠液压系统驱动压板开闭和加压。主要技术参数:最大工作宽度1300 mm; 工作层数2层; 压板压力0.1~0.3 MPa; 干燥节长度5200 mm; 冷却测量段长度2400 mm; 载热体为高温导热油; 外形尺寸:长×宽×高=11000 mm×23000 mm×2090 mm; 干燥能力4000 m³ (单板) /a。

2 试材和方法

美洲黑杨生材木段8根取自苏北地区, 平均直径32 cm, 木段长1.3 m, 旋切成1.7 mm厚的连续单板共8卷备用。

(1) 单板初含水率测定  从4卷单板中, 任意选取20块试样, 用称重(烘干)法测其初含水率如表 1:

(2) 单板柔化  对于厚1.7 mm的单板, 将上下两压辊的间距调为0.5 mm, 然后使单板从两压辊之间通过, 在单板的紧面上留下不连续的刻痕如图 2。

(3) 热压干燥  先用1.3 m×2.5 m的单板段, 然后用整卷单板展放在传送胶带上, 送入热压平板之间, 进行热压接触干燥。热压板被导热油加热至192 ℃。压力:前压板0.09 MPa, 后压板0.18 MPa。压板定期开闭(俗称“呼吸”), 每隔1 min, 单板向前移动2.5 m。

3 结果与分析 3.1 单板接触加热的特点

湿单板在热压板之间的加热是一种导热的物理现象。当热压板温度固定不变时, 单位时间内单位面积上从热板传给单板的热流量(即热流密度) q可用下式表示(张正荣, 1989) :

(1)

式中:q为热流密度(W/m²); λ为单板的导热系数(W/m.℃); ∂t/∂s为温度梯度(℃/m); 负号表示热流密度和温度梯度方向相反。上式说明, 温度梯度∂t/∂s及单板导热系数越大, 从热压板传给单板的热量越多。因热压板被高温导热油加热, 温度高达192 ℃, 又单板与热压板紧密接触, 热量能迅速传给单板, 故高温热压干燥的速度及热效率都可明显高于常规对流干燥(见后面分析)。

接触传热时, 单板的导热系数λ与木材的含水率有关(Kollmann, 1968) :

当含水率W > 40%时

(2)

当W < 40%时,

(3)

整幅单板中, 各部分的初含水率是不尽相同的, 特别是杨木红心材的含水率远高于边材。因此, 高含水率的区域, 木材的传热系数λ值大, 则根据公式(1), 传给高含水率区域的热流量q也大, 使这区域的干燥速度加快。因此, 尽管单板的初含水率不尽相同, 但终含水率还是能基本一致的。

3.2 干燥速度和单板表面温度

(1) 干燥速度  热压干燥过程中, 每隔15 s将单板取向称重, 从而得出单板含水率随时间的变化(表 2)及单板干燥曲线(图 3)。

从表 2可见, 高温热压干燥单板, 可在2 min内, 使单板从生材(138%)降至6.6%的终含水率。而对流加热网带传送的干燥机内, 干燥同样的单板若热空气温度为140 ℃, 则需10 min。

热压干燥的前期阶段, 从木材中排除近似饱和的自由水, 单板的含水率下降很快。如第一个15 s内, 含水率下降49.6%, 平均每秒降3.3%;第2个15 s下降28.1%, 平均每秒下降1.9%。而干燥后期, 从木材中排除吸着水, 干燥速度大大降低。如在后1 min内, 单板含水率只从23.6%下降至6.6%, 平均每秒钟降低0.28%。干燥速度为最初15 s的1/12。因此, 单板热压干燥的过程, 是一种减速干燥过程。木材干燥理论上的等速干燥过程, 在实际生产中是几乎见不到的。

(2) 单板表面温度  将热电偶嵌在单板表面, 随单板一道加热干燥, 并测定单板在干燥过程中, 表面温度的变化如表 3。

由表 3可见, 湿单板刚开始干燥时, 其表面温度(101℃)略高于水的饱和温度(100℃), 干燥初期(0~30 s)单板表面温度升高较快(从101℃升高到150℃), 然后升高的速度减慢, 干燥结束时, 木材含水率较低(6.6%), 这时单板表面温度(191℃), 接近热压板的温度(192℃)。单板表面温度变化规律见图 3。这和木材对流干燥时, 其温度变化规律相同。

3.3 压板“呼吸”周期

热压干燥时, 压板是否需要间歇张开(呼吸), 需要多长的呼吸周期。我们进行了不同呼吸周期的单板干燥试验, 结果见表 4。

由表 4可见, 呼吸周期越短, 即热压板张开的次数越多, 单板开裂越少; 若呼吸周期长(如30 s和60 s)则单板开裂严重, 而且干燥时间加长(3 min)。原因是:干燥初期, 前30 s, 饱含自由水的湿单板与高温热压板紧密接触, 获取了大量热能, 使单板中的水分剧烈汽化, 这时热压板及时(每隔15 s)张开, 以排除单板中的水蒸汽; 若热压板张开太迟, 大量的水蒸汽积聚在单板两个表面附近, 一旦热压板张开, 会产生猛烈冲击, 同时会将单板爆裂。虽干燥中、后期产生的水蒸汽比初期少, 但这时单板的干缩量大, 中后期也应及时(每隔15 s, 最后隔30 s)张开压板, 以让单板及时自由干缩, 以免因单板的干缩受到抑制而撕裂。另外, 压板张开间隔时间太长(最后两次试验, 单板中生成的水蒸汽较难及时排出, 也会使干燥时间从2 min延长至3 min。综上所述, 厚1.7 mm的杨木生材单板热压干燥的最佳呼吸周期是:每隔15 s压板张开1次, 共6次, 最后再压30 s结束。干燥周期2 min (热压板温度192℃)。

3.4 单板干缩率平整度及终含水率均匀性

(1) 厚度干缩率  热压干燥及网带传送对流干燥的单板各取4块, 每块标定6个点, 分别测定初始厚度及干燥后的厚度, 然后计算各点的单板干缩率见表 5。

(2) 横纹(宽度)干缩率  热压干燥及网带传送对流干燥的单板各取8块, (心、边材各半), 每块标定两段宽度, 分别测量初始宽度及干燥后的宽度, 然后计算单板横纹干缩率见表 6。

由表 5和表 6可见, 热压干燥时单板的厚度干缩5.3 %略大于对流干燥的4.6 %, 但比通常的热压干燥厚度干缩8.46 % (陆肖宝, 1992)要小, 因为我们采用的压力较小, 前期0.09 MPa, 后期0.18 MPa, 而热压干燥时的横纹干缩比对流干燥时的小得多, 主要因为热压干燥时, 木材的横纹干缩受到了压板的抑制。

(3) 平整度  杨木单板热压干燥后, 是否平整是本研究的核心问题。1.3 m×2.5 m×1.7 mm的生材单板, 送入热压干燥机中, 热压温度192 ℃, 经2 min的干燥周期后, 测量其平整度和终含水率均匀性。平整度用平均波纹高度(纵横间隔0.5 m等距离测点的波纹高度的平均值)、最大波峰高度及每m长单板的波纹数表示。热压干燥及网带对流干燥的各取4块心材单板和4块边材单板, 测定其平整度的对比见表 7。

由表 7可见, 网带传送对流干燥的单板翘曲变形较大, 表现在波纹高度大, 波纹数多而且波峰陡峭, 曲率很大。在后续的热压胶合过程中, 很易引起叠层或离缝。单板变形大的主要原因是美洲黑杨生长迅速, 幼龄材含量大, 生长应力大, 干燥时易产生翘曲变形; 此外, 细胞壁薄, 胶质木纤维含量大, 干燥时易产生皱缩, 单板表面特别是两边产生许多陡峭的波纹。而热压干燥时, 单板先在柔化压辊的作用下, 使其紧面放松, 部分消除其生长应力。然后送入热压板间, 在热压板的夹持下, 进行接触干燥, 以抑制单板的翘曲; 特别是在190 ℃以上的干燥温度下, 达到了木材的玻璃态转变(软化)点, 使木材在平整的状态下干燥、固定, 即使压力消除后, 也很少产生变形。因此, 热压干燥的单板翘曲变形大大减小, 表现在波纹高度低, 且波纹数少, 呈平缓的大波纹状。在后续的胶合过程中, 不会形成叠层或离缝。

(4) 终含水率均匀性  美洲黑杨生材单板初含水率相差很大, 其红心部位初含水率可达190 %以上, 而边材的含水率可在100%以下。因此干燥后终含水率不均匀是对流干燥的又一主要问题。然而, 在热压干燥时, 这一问题可迎刃而解。取1.3 m×2.5 m×1.7 mm的单板8块, 其中心、边材各4块, 单板表面在纵、横方向上每隔0.5 m标一测点, 测定其干燥后的终含水率均匀性(平均终含水率, 最大值、均方差)如表 8。

表 8的数据表明, 尽管美洲黑杨单板初含水率相差很大, 但热压干燥后的终含水率还是比较均匀的, 且能符合胶合板生产的要求。这主要由于湿单板在热压板中, 与高温热压板紧密接触, 热压板的热量能迅速传给单板, 高含水率的红心区域导热系数λ值大, 从热压板传得的热量多, 使该区域水分蒸发加快。另外, 整个干燥过程中, 木材的温度都超过100 ℃, 木材中的水分迅速汽化, 含水率高的区域水蒸汽压力也高, 使木材中的水蒸汽迅速向外扩散。致使单板的终含水率相差不大。

3.5 胶合强度

1.7 mm厚的美洲黑杨单板经热压干燥(热压温度192℃, 时间2 min)后, 与1 mm厚的椴木表板用脲醛胶胶合成三合板。为进行强度对比, 经网带对流干燥的美洲黑杨单板也与表板胶压成三合板。各取样30个, 按国际GB9846.12-88的规定(曹忠荣, 1990), 测定其胶合强度如表 9。

由表 9可见, 杨木单板经热压干燥后, 其胶合强度与网带对流干燥的相比并没有下降。相反, 还略大于对流干燥的。此外, 两种方法干燥的单板, 其胶合强度指标, 都符合国家标准的要求(Ⅱ类胶合板强度≥0.70 MPa) (曹忠荣, 1990)。

3.6 热效率及实用性分析

(1) 热效率  已知:美洲黑杨基本密度0.35 g/cm³, 干木材比热1.591 kJ/kg·℃, 单板初含水率138%, 终含水率6.6%;热压干燥机内单板尺寸:厚×宽×总长×层数=1.7 mm×1.3 m×5.2 m×2。输入干燥机的平均油温218℃, 流出干燥机平均油温205.5℃, 单板干燥过程中, 木材平均温度146℃ (表 3), 室内温度25℃, 干燥周期2 min, 导热油牌号HD-320, 热油密度724 kg/m³, ,比热2.3 kJ/kg·℃, 循环油量80 m³/h。

(1) 供给热压干燥机的热量Q_λ   Q_λ=2.3×80×724× (218-205.5) =1665200 kJ/h

(2) 单板加热消耗热量Q_预   Q_预=1000×0.35× (1.591+4.186×138/100) × (146-25) × (0.0017×1.3×5.2×2) ×60/2=215145 kJ/h

(3) 单板蒸发水分消耗热量Q_蒸   Q_蒸=2742×1000×0.35× (138-6.6) /100× (0.0017×1.3×5.2×2) ×60/2=2742×317.1=869516 kJ/h; 当木材温度为146℃时, 水蒸汽的焓为2742 kJ/kg.

(4) 热压干燥机热效率η_压  

(5) 比能耗   q=1665200/317.1=5251 kJ/kg·H₂O

与此相对比的对流加热网带干燥机, 以国内目前最先进的BG183A为代表(须小宇, 1991), 求其热效率n_网如下:

已知:供给的蒸汽压力0.8 MPa (蒸汽2768 kJ/kg), 蒸汽耗量4800 kg/h; 单板初含水率90%, 终含水率8%, 单板密度500 kg/m³, 干燥能力4.2 m³/h, ,机内干燥介质温度160℃, 木材平均温度130℃, 室内温度25℃。

(1) 供给网带干燥机的热量Q_λ   Q=2768×4800=13286400 kJ/h

(2) 单板加热耗热量Q_预   Q_预=500×4.2× (1.591+4.186×90/100) × (130-25) =1181660 kJ/h

(3) 蒸发水分有效耗热Q_蒸    Q_蒸=500×4.2×2721× (90-8) /100=4685562 kJ/h

(4) 网带干燥机热效率n_网    n_网= (1181660+4685562) /13286400=44.2%

(5) 比能耗   10465 kJ/kg.H₂O (须小宇, 1991)

由以上对比分析可见, 单板热压干燥的热效率远高于对流加热网带干燥的热效率(高出47.3%)。其主要原因是:1)热压干燥时, 高温热板与湿单板直接接触传热, 无需进、排气, 热损失小; 而网带干燥时, 通过湿空气对单板对流加热, 进、排气的热损失大; 2)热压干燥的温度192℃远高于网带干燥的温度160℃, 也使前者的热效率提高。

(2) 实用性

① 干燥周期   1.7 mm厚的美洲黑杨单板生材干燥到6.6%的终含水率只要2 min, 而一般的蒸汽加热对流干燥机需10~12 min。此法提高生产率5~6倍。

② 产量  此样板设备每小时单板干燥量为0.0017×1.3×5.2×2×60/2=0.69 m³/h。

③ 占地面积  该干燥机因生产率高, 其干燥段的长度可大大缩短, 因此, 占地面积可比对流加热的网带干燥机减少一半以上。

④ 设备投资  该干燥机投资比蒸汽加热网带干燥机节省约35%, 包括热源(锅炉)在内的总投资可节省40%以上。

4 结论

(1) 用高温导热油加热的单板连续式热压干燥是一种新型、高效的单板干燥方法, 与网带传送对流干燥相比, 此法热效率高, 蒸发每kg水分的比能耗减少50%。1.7 mm厚的美洲黑杨生材单板在192℃的压板温度下干燥周期只需2 min, 为常规对流干燥的1/5~1/6。

(2) 单板热压干燥时, 热压板需定期张开(呼吸)以利排放木材中蒸发出来的水蒸汽, 同时便于单板干缩, 防止开裂。试验研究表明, 最佳的呼吸周期为15 s, 连续6次, 最后一次周期为30 s。以这样的节拍干燥的单板基本不开裂。

(3) 热压干燥时, 压板的压力要适当控制, 只要夹持木材, 防止其翘曲即可, 以减小单板的厚度干缩。对干燥前段的压力为0.09 MPa, 后段为0.18 MPa时, 可将单板的厚度干缩控制在5.3%, 略大于对流干燥的4.6%。

(4) 热压板的温度是保证杨木单板干燥后平整的重要因子。当热压温度在190℃以上时, 只要施加适当的压力, 就可保证干燥单板的平整性。

(5) 美洲黑杨单板经高温热压干燥后, 终含水率基本均匀, 8块单板共140个测点的平均终含水率为7.5%, 标准差为2.0, 符合胶合板生产对干单板含水率的要求。

(6) 热压干燥后单板的胶合强度0.812 MPa, 略高于网带传送对流干燥的0.779 MPa, 且都符合胶合板生产的国家标准要求。

(7) 连续式热压干燥美洲黑杨单板生产率高, 占地面积小, 设备投资比喷气对流干燥大幅度降低。

因此, 用此法干燥速生材单板, 无论在技术上或经济上都是可行的。此技术已开始在工业生产上推广应用。