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木材太阳能干燥技术的实践与应用
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太阳能干燥是一种低温干燥技术,其通过吸收、利用太阳辐射能并转化为热能,将湿物料内部的水分排除。木材干燥是木材工业生产中耗能最大的工序之一,采用太阳能干燥设备来干燥实体木材,可以充分利用太阳辐射能,提高干燥介质温度,缩短干燥时间,同时减少对环境的污染。
1、木材太阳能干燥室的设计
木材的太阳能干燥室有三种基本类型:温室型、半温室型和具独立太阳能吸收器的不透明墙壁的干燥室。干燥室内部的热量损失分四部分:1> 通过墙壁、屋檐、地面传导的能量损失( 包括透明盖板表面);2>由于通风循环导致的热量损失( 排除干燥室内热、湿空气,引入外界冷、干空气);3>用于水分蒸发的热量损失;4>透过透明盖板以可见光、红外方式损失的热量。通常前三部分热损失是主要的部分。
在各类干燥室的设计中均应保证其具有较高的升温能力,而较高的干燥介质温度可保证水分快速移动,进而加快干燥进程。
1.1温室型太阳能干燥室
典型的温室型干燥室结构是室顶与三侧墙壁( 东、西、南)为透明、半透明玻璃材料的框架结构建筑。透明盖板一般为塑料。太阳能集热器为干燥室的组成部分之一。由于多数透明材料的热隔离性能较差,通过墙壁的热传导损失较大。同时,有相当部分的太阳能透过干燥室而未被接受器吸收或未投射到接受器而损失。为减少干燥室内壁传导的热损失,温室型干燥室通常安装双层透明盖板。在太阳照射条件好、太阳能供应较充足的地区,应通过改进设计,储存多余的太阳辐射能,这样在成本上较经济。温室型干燥室的干燥过程较其它干燥室要慢,干燥室内平均温度分布较低,干燥木材的终含水率高。
其主要技术指标为:干燥室容量7.1 m3;单位干燥材积集热器面积3.1 m2/ m3;外部尺寸为东西距离5.76m,南北距离3.66m,高3.33;干燥各种规格的印度木材,干燥2.5cm厚锯材约需7--16天,6.2cm厚的锯材需30天。
干燥室建筑结构为:水泥地面;框架型结构,木框规格50cm*150cm,波纹形金属板覆盖木材;后部( 北墙)为胶合板与检查门。
1.2半温室型太阳能干燥室
半温室型太阳能干燥室的设计通常为室顶或室顶与南墙为透明盖板,其它表面不透明、热隔绝。这种设计方案明显降低了传导热损失,可提高干燥室内温度,加快干燥过程( 有更多的能量用于水分蒸发)。此外,这种设计的太阳能传递损失的几率极小。如上述,采用双层透明盖板可减小太阳能接受器的传导热损失。半温室型太阳能干燥室是典型采用胶合板或锯材做外架的木框架结构。与温室型太阳能干燥室相比,这种设计方案干燥木材的终含水率较低。
主要技术指标为:干燥室容量1.9m3;单位干燥材积集热器面积2.2m2/ m3 ;木材人工装载,大门位于东墙;外部尺寸为东西距离 2.4m,南北距离2.5m,高2m。
加热系统为:太阳能热空气集热器;单层玻璃盖板;下部为涂黑金属太阳能吸收器,距玻璃盖板5cm。
气流循环系统:顶部安装2台风机,沿干燥室长度均匀布置,风量为0.6 m3/s。
进排气道系统:干燥室地面布置两个气道,端面尺寸为10cm*20cm;太阳能集热器底部布置两个气道,端面尺寸为8cm*20cm。
干燥室性能:干燥2.5cm厚黑樱木材,初含水率60%,终含水率6%,25cm)$厚白橡木,初含水率16%,终含水率7%,混合装载,干燥时间为52天( 夏季);5cm厚白杨,初含水率130%,终含水率10%,2.5cm厚黑胡桃木,初含水率85%,终含水率12%,混合装载,干燥时间为 47天( 夏季)。
1.3不透明墙壁型太阳能干燥室( 集热器分开布置)
在本设计中,木材置于类似常规木材干燥室的具不透明墙壁与室顶的热隔离建筑内,太阳能接受器与干燥室分离,热空气或热水由太阳能接受器经循环气道或管道传导到干燥室。干燥室采用完全隔热设计,以减少热量损失。由于太阳能接受器在夜间与阴天会损失热量,故这种设计应采用辅助加热源,使用这种干燥室干燥的木材终含水率较低。
典型的干燥室见黑龙江省林科院设计、建造的集热器分开布置的不透明墙壁型太阳能干燥室,地点为哈尔滨地区( 北纬45。46’42’’)。
气流循环系统:顶部安装4台风机,功率为170w。进排气道系统:在集热器南端下部设有排气通风口,在干燥室上部设有排气排潮口,便于新鲜、干燥空气进入与排除潮湿空气。在阴雨季节,可关闭相应的排气口。
主要技术指标为:干燥室容量10 m3,内部容积为660cm*318cm*225cm,设计年干燥材 120 m3( 按 8个月计);单位干燥材积集热器面积7 m2/m3;木材人工装载。
干燥室建筑结构:室体与集热器分离,土建结合一体式,这样室体和集热器强度高。集热器玻璃盖板下的贮热床由鹅卵石组成,覆盖涂黑瓦楞铁皮,以增大吸收太阳能效果,有利存贮热能。在人员工作室与干燥室间设有取样小门。在太阳能集热器与木料堆中预留温度与湿度计,在工作室内显示温度和湿度,便于掌握干燥室工作状态。集热器、大门、取样门及排气口设有橡胶密封件以防止热能泄露损耗。外墙与地面设有膨胀珍珠岩夹层,以提高保温性能。
贮热装置为显热贮存方式,采用固体物_鹅卵石作为贮热材料。
2.高温( 除湿)热泵与太阳能联合木材干燥
太阳能与除湿机结合是一种比较理想的联合木材干燥方式,美国等发达国家已经研制出这类干燥技术装置,并申请了专利。北京林业大学于1995年研制出高温型除湿( 热泵)机与太阳能联合干燥系统,下面简要介绍该项技术。
高温除湿( 热泵)机与太阳能联合干燥系统工作原理是:整个系统由高温双热源除湿机、太阳能集热器、木材干燥室及自动监控装置 % 部分组成,木材干燥的供热与湿空气的排放由太阳能供热系统和除湿机配合承担,二者既可单独运行又可联合运行。若天气晴好,气温高,可单独利用太阳能供热系统;在阴雨天和夜间可启动除湿机,该除湿机与普通除湿机的不同在于它包括热泵和除湿两个工作系统,以热泵方式从大气环境获得热量供给木材,同时以制冷除湿的方式,除去干燥室内湿空气中的水分。
高温除湿( 热泵)机与太阳能联合干燥系统具有节能效果显著、干燥质量好、无污染、无火灾隐患、自动化程度高、应用范围广等优点。与常规蒸汽加热干燥技术相比,干燥 1m3木材可以节约140kg标准煤,节能率为75%--80%,干燥成本降低约35%。
3. 木材太阳能干燥的工艺要点
3.1 温度和相对湿度
为将木材干燥到较低含水率,干燥室内环境必须比较干燥。由于干燥室是一个封闭结构,相对湿度可以达到较高水平,特别是干燥高含水率树种和快速干燥时,在这种条件下,干燥速度由于相对湿度升高而减缓,这可以通过调节进排气道开启来加速干燥过程( 假定外界空气湿度较低)。若干燥室内湿度不高,则较大的进排气道将导致热空气未蒸发水分之前即被排出,因而减低了干燥速率。
随着木材含水率的进一步下降,干燥速度自然降低。这时,温度越高,干燥速度越快。较高的温度也将导致干燥室内相对湿度下降( 加热空气会降低其相对湿度),通过完全关闭进排气道可以达到最大化加热。
3.2干燥应力
在干燥过程中由于木材的收缩,在木材内部产生干燥内应力是很自然的现象。如果干燥好的木材不需要较多的再加工过程,那么这种干燥应力不会产生过多问题。但当木材被劈裂成薄片,或锯解成薄板材时,干燥应力会导致夹锯,在机械加工后形状和尺寸立刻发生变化。在温室型与半温室型太阳能木材干燥室内干燥木材,相对湿度在夜间会达到100%,这样的高湿度会全部或大部分释放干燥应力。然而,对于其它设计,干燥室内相对湿度在夜间不能达到这个水平,需要在干燥木材结束时进行高湿处理。
3.3 干燥操作
干燥初期木材的含水率较高,此时必须严格控制干燥速率。可以通过保持太阳能辐射集热器面积在一定的限度范围内( 对于表面积较大的集热器可适度遮盖),或减小进排气道开启量或完全关闭,以提高相对湿度。对于一些易干材,干燥降等较少,不需严格控制干燥速率,可采用较高的允许干燥速率。
随着干燥过程延续,干燥速率逐步减缓。已经较干燥的木材能允许较大的集热器表面积,可采用较高的干燥介质循环速率和较低的相对湿度。高温除湿( 热泵)机与太阳能联合干燥系统具有在木材含水率很低时,应采用高温、低湿的干燥介质来加快干燥,以达到最终含水率。此时,可完全关闭进排气道,将太阳能辐射集热器面积调节至最大。
4. 木材太阳能干燥技术的应用前景
太阳能干燥技术与其它能源的木材干燥方法与工艺相比,有如下优点:1>太阳能取之不尽,用之不竭,不存在能源枯竭的问题;2>太阳能是一种洁净的绿色能源,无污染;3>与常规干燥相比,干燥过程中其它能源消耗少,操作费用低,干燥成本低;4>与大气干燥相比,明显缩短干燥周期,保证干燥质量。
同时,有效地利用太阳能进行干燥木材也存在一些不足:1>太阳辐射能分散性大,热值低,木材干燥能耗较高,需要大面积的集热器,设备投资较高;2>升温慢,干燥速度低,单纯利用太阳能,干燥介质温度只能升至40—70。C ,故只能用于低温干燥;3>太阳辐射受季节、天气、地区纬度、时间等因素影响,具有间歇性和不稳定性,为了保证有效地干燥木材,有时需要辅助热源,增加设备投资;4>干燥效率较低,太阳能集热器的热效率在60%--80%,之间,干燥装置系统效率为20%--40%
木材太阳能干燥技术的未来发展方向是:1>最适用于纬度低、太阳总辐射值大、日照时间长的地区;2>与常规干燥技术相结合,充分弥补大气干燥的不足,有效降低干燥的总能耗;3>研制太阳能干燥与除湿干燥相结合的联合干燥方式,充分利用两种干燥方法的优势,有效降低干燥成本;4>可主要用于阔叶树材的干燥
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