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高频—对流木材干燥工艺的优化与热质迁移的数值模拟

作　者: 李志伟
导　师: 曹军
学　校: 东北林业大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 高频-对流木材干燥流场数值模拟木隔条厚度传热传质数值模拟
分类号: S782.31
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

木材干燥是确保木质产品质量的重要前提。对木材进行合理的干燥,能够增强木材的尺寸稳定性,延长制品的使用寿命；改善木材的加工性能,提高利用价值,降低木材的运输费用。目前国产木材对流干燥设备,总体性能指标基本可以满足生产要求,但由于价格、成本等因素的制约,设备普遍存在热效率偏低,干燥介质循环速度不足,介质湿度、含水率等参数检控不准确的问题。顺应国际干燥技术的发展趋势,对把不同干燥方法的适用范围和特点进行有效整合的联合干燥方法的研究,已经成为木材干燥领域主要的研究方向之一。论文结合林业科技支撑计划专题“干燥在线检测数控调控技术”(2006BAD18B0801)以及国家林业局948项目“高频-对流联合加热木材干燥技术引进”(2006-4-105),把高频-对流木材干燥过程作为研究对象,以加快干燥速度、提高干燥质量、节省干燥能耗为优化目标,讨论了高频-对流双热源的匹配、干燥室内部流场、高频发生器的运行时间、隔条厚度等因素。在此基础上,分析了木材内部的传热、传质机理,建立了高频-对流干燥过程的数学模型,为这种双热源木材干燥方法的应用提供了理论依据。本文的主要工作内容包括：通过分别在对流干燥的前期、中期、后期进行高频加热,对联合干燥过程中高频热源的运行时机进行试验研究。结果表明：在高频发生器的功率和频率恒定条件下,材内水分越多,高频电磁波的穿透深度越浅,在干燥后期进行高频加热更容易形成温度梯度。在木材含水率低于20%时加入高频,整个干燥过程中存在与对流干燥相同的含水率梯度分布。结合表面开裂数据的统计结果,发现在干燥后期加入高频对于干燥应力的控制比较理想。针对对流干燥室中介质流速较低且分布不均的问题,使用计算流体动力学(CFD)方法,对轴流风机和干燥间内部流场进行数值模拟。分析了风机流场不同区域,总压、动压、静压的变化趋势；通过建立Reliable k-E两方程湍流模型,探讨了随着安装角度改变对风机出口截面总压和静压的影响,发现随着安装角度增大,叶片要部的低静压区向叶片顶部扩大,总压压升增加,叶片尾迹损失的范围逐渐扩大。通过建立RNG k-ε两方程湍流模型,模拟了带有导流装置的干燥间内部流场分布情况。结果表明：导流板对材堆上部入口气流的速度和分布均匀性有明显影响；底部控制板改善了材堆内部介质的流动；随着垂直气道宽度的增加,材堆入口气流的流量、流速先增大后减小,各层材堆入口速度变化趋于稳定。不同试验条件下,进行联合干燥,比较分析了干燥曲线、分层含水量分布、残余应力、干燥能耗、开裂情况,温度变化曲线。结果表明：高频-对流联合加热的效率随着含水率的降低而增加。随着隔条厚度的减小,材堆降温所需时间有所延长。采用15mm厚度隔条的材堆拥有较高的平均干燥速度、较低的十燥能耗和较小的残余应力。高频加热持续1.5mmin以上至5min,木材各层温度与环境温度差随加热时间变化的比值基本固定,不同含水率阶段升温速度差别很小。基于质量守恒、能量守恒定律,建立了高频-对流联合加热过程中的沿木材厚度方向的热质迁移模型。根据Whitaker体积平均理论,通过有限差分法(FDM)和有限体积法(FVM)把模型和边界条件的控制方程转化离散方程。试验验证表明,模型能够有效反应试材含水率和温度的变化趋势。试验值和模拟值之间的相关系数不低于0.9,对于材内温度的拟合精度低于含水率的拟合精度。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
1 绪论  14-24
  1.1 高频加热  14
  1.2 木材工业中高频加热的应用  14-15
  1.3 木材高频干燥  15-17
    1.3.1 温度传感器  15-16
    1.3.2 电极板的配置方式  16
    1.3.3 高频干燥的特点  16-17
    1.3.4 高频干燥的局限性  17
  1.4 木材高频-对流联合干燥  17-19
    1.4.1 联合干燥的原理  18
    1.4.2 联合干燥的特点  18-19
  1.5 国内外研究概况  19-22
    1.5.1 国外研究现状  19-21
    1.5.2 国内研究现状  21-22
  1.6 研究的背景  22
  1.7 研究的内容  22-24
2 高频加热在木材对流干燥过程中的影响  24-39
  2.1 引言  24
  2.2 高频发生器的功率  24-26
    2.2.1 含水率高于纤维饱和点  25
    2.2.2 含水率低于纤维饱和点  25-26
  2.3 试验材料与设备  26-27
    2.3.1 试验材料  26
    2.3.2 试验设备  26-27
  2.4 试验方法  27-28
  2.5 结果分析  28-37
    2.5.1 材芯的温度变化  28-30
    2.5.2 干燥曲线  30-32
    2.5.3 含水率分布  32-33
    2.5.4 干燥收缩  33-34
    2.5.5 干燥应力  34-36
    2.5.6 表裂情况  36-37
  2.6 本章小结  37-39
3 对流干燥室内部流场的数值模拟和优化  39-60
  3.1 引言  39
  3.2 轴流风机流场数值模拟方法  39-44
    3.2.1 对称型轴流风机的几何模型参数  40-41
    3.2.2 流动控制方程  41
    3.2.3 湍流模型  41-43
    3.2.4 边界条件和网格划分  43-44
    3.2.5 数值模拟验证  44
  3.3 轴流风机流场数值模拟结果分析  44-47
    3.3.1 风机内部流场的轴向特征  44-45
    3.3.2 叶片安装角对风机性能的影响  45-47
  3.4 干燥间内流场的数值模拟  47-52
    3.4.1 木材干燥室的介质循环特性  47-48
    3.4.2 干燥间的几何参数  48-49
    3.4.3 湍流模型  49
    3.4.4 干燥室内部介质流动的阻力  49-51
    3.4.5 边界条件和网格划分  51-52
  3.5 结果分析  52-58
    3.5.1 干燥间内流场的分布  52-53
    3.5.2 导流板安装角度的影响  53-54
    3.5.3 导流板安装高度的影响  54-55
    3.5.4 底部控制板的影响  55-57
    3.5.5 垂直气道宽度的影响  57-58
  3.6 本章小结  58-60
4 木材高频-对流干燥双热源匹配的研究  60-75
  4.1 引言  60
  4.2 Pt100温度传感器  60-63
    4.2.1 Pt100的测温特性  60-61
    4.2.2 Pt100的标定  61-62
    4.2.3 验证与分析  62-63
  4.3 联合干燥中Pt100的安放位置  63-65
    4.3.1 试验设备  63-64
    4.3.2 试验材料与方法  64
    4.3.3 结果分析  64-65
  4.4 隔条厚度的影响  65-70
    4.4.1 试验材料与设备  65-66
    4.4.2 试验方法  66-67
    4.4.3 结果分析  67-70
  4.5 高频加热时间的影响  70-74
    4.5.1 试验材料  70
    4.5.2 试验方法  70-71
    4.5.3 结果分析  71-74
  4.6 本章小结  74-75
5 高频-对流干燥过程的传热传质模型  75-86
  5.1 引言  75
  5.2 水分迁移模型  75-76
    5.2.1 含水率高于纤维饱和点  75-76
    5.2.2 含水率低于纤维饱和点  76
  5.3 热量迁移模型  76-77
    5.3.1 含水率高于纤维饱和点  76-77
    5.3.2 含水率低于纤维饱和点  77
  5.4 定解条件  77-79
    5.4.1 含水率MC的边界条件  77-78
    5.4.2 温度T的边界条件  78-79
  5.5 模型的差分型式  79-83
    5.5.1 含水率  80-81
    5.5.2 温度  81-82
    5.5.3 蒸发率  82-83
  5.6 模型验证  83-85
    5.6.1 试验材料和设备  83
    5.6.2 试验方法  83-84
    5.6.3 结果分析  84-85
  5.7 本章小结  85-86
结论  86-88
参考文献  88-92
攻读学位期间发表的学术论文  92-93
致谢  93-94

高频—对流木材干燥工艺的优化与热质迁移的数值模拟

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