木材科学与工程专业毕业外文翻译.doc

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刨花板生产的基础：

木材水分的关系

卡姆克；沃尔科特，布莱克斯堡，弗吉尼亚州，美国

摘要：

对刨花板板坯在热压过程中相对蒸汽压，平衡含水率，刨花平均温度，刨花平均含水率进行估计。

这种方法是基于对板坯热压过程中温度和气压的测量，改编自一个预测个别刨花内的温度和含水率的传热传质模型的文献。

明显的水分梯度可预测内部刨花发展情况。

每个刨花内部的水分含量的变化通过对流换热控制。

在热压过程中热力学气相和板坯之间没有达到平衡。

简介

受到热压时，刨花板坯的气压，温度，湿度迅速改变（Kamke,Casey1988a,b）。

板坯的变化引起温度梯度和水分梯度的变化，影响板材形成机制。

极端的温度和水分含量影响胶液的固化和渗透（Brady,Kamke1988;Chow,Mukai1972），胶液的固化和渗透也反过来影响粘接质量。

温度，含水量，压实压力的相互作用下面板形成垂直密度梯度（Strickler1959;Wolcottetal.1989）。

局部密度通过影响相邻的木元素（Back1988）和刨花损害（Geimeretal.1985）形成的粘接面积，以及每单位体积板材所含细胞壁的量而影响板材物理性能。

刨花板热压过程中板坯内部温度和水分含量变化可用已开发的数学模型来预测（Humphrey1979;Kayi-han,Johnson1983;Harlessetal.1987）。

这些模型刨花板坯当作一个特殊的连续空隙体积。

假设局部热力学平衡，那么，任何气相和相邻木构件间的传热传质过程中的阻力可以忽略。

这就可以预测板坯内的刨花温度和水分含量的差异。

板坯木构件热压时水分变化的实验测量方法尚未开发。

但是，现场温度和气体总压力可以测量（Humphrey1979;Kamke,Casey1988a,b）。

这些参数可以被用来描述木构件周围的气体成分构成。

随着系统热力学平衡过程，木构件进行跨边界的热量和质量交换。

木材元素的表面存在着一些温度和湿度变化的阻力。

以前的实验对于这些阻力的影响通过结合连续板坯上实验得出的传热传质系数来解释。

对流过程的传热传质系数是通过对于粒状物料的固定流化层进行计算得出的（Frantz1961;Toeietal.1967;Treybal1980）。

这些系数是用来描述颗粒层中热量或质量从气相转移到固相的过程。

如果刨花周围的气体成分和阻力传送可以测量或预测，那么必要的边界条件将作为输入条件，提供好了个别片状刨花热量和质量的传输模式。

（Stanishetal.1985）。

因此，它可以使用广义方程和派生独立的刨花板坯热质变化模型来预测热压时个别木刨花的温度和湿度的改变。

然而，这种方法确实需要知道刨花板坯内的气相成分。

这项工作的目标是：

1.制定一个刨花板热压时的气相成分估算方法。

2.使用已经开发的木材传热传质模型来估计刨花在热压时的温度和含水率。

3.评估单个刨花表面的热压操作中传热传质阻力。

方法

高温EMC

吸附模型早已被用来预测的平衡含水（EMC）的木材作为相对湿度和温度的函数（小于100〜（辛普森1971年，1973年）。

辛普森（1973）评估了几种木材手册中以描述平衡含水率能力排列的各种类型的吸附方程（美国森林中的EMC数据产品实验室1987年）。

当一个非线性回归技术被用来进行曲线拟合，辛普森的判断是，HailwoodHorobin方程提供了最合适的二水合物的形成机理。

这个方程被用来描述EMC木材传热传质模型。

辛普森确定的方程和系数为（1973）：

（1）

其中:

H代表相对蒸汽压；

T代表温度。

而在低温度，木材平均吸附的关系是有据可查。

在高温下（高于100℃）的数据却是有限的，辛普森和罗斯（1981）通过回顾在1个大气压力和温度升高时木材水分含量的推算数据和实验数据。

他们的结论是高温下的数据使用单水合物形式的HailwoodHorobin方程可以充分说明，通过参数辛普森提出了低温吸附数据（1971年）。

然而，HailwoodHorobin理论的二水合物的形式没有评估。

此外，雷希等公布了黄杨树在高温和大于一个大气压的压力下的吸附特性数据（1988）。

辛普森和罗斯（1981）提出的高温及一个大气压下的数据同雷希等提出的高温及大于一个大气压时的数据一样都同时使用单水合物和二水合物的HailwoodHorobin方程。

雷希等在方程中使用的系数和辛普森提出的相同（1971年，1973年）。

使用root的经验公式的结果与EMC值均方误差（本杰明1970年，康奈尔大学）进行比较实验是测试可以预期的实验值范围内平均偏差的措施。

表1表示的均方误差方程和数据集的最大偏差。

一个大气压力下EMC预测数据和收集的实测数据之间的误差大于高于一个大气压下的误差。

预测数据是在最差的加压条件和140℃时的数据。

在此温度下的数据是不值得怀疑的，因为脱附等温线没有显示120℃和160℃的S形形式（雷希等。

1988年）。

通过分析协方差，确定个别回归线之间的EMC实验值与预测值是否存在差异（1967，Snedecor，科克伦）。

这一分析表明，在0.05α水平下比较这四组数据在回归线上没有显著差异。

已经证明预测的EMC和在一定条件下实验EMC相差不大。

但是，考虑到实验数据有限，我们选择使用辛普森1973年提出的二水合物Hailwood-Horobin方程。

表1通过协方差分析100℃以下单水合物、二水合物的Hailwood-Horobin模式的EMC数据。

该数据来自辛普森和罗森和雷希等。

气相成分估计

当压板初步压缩时，一些空气和水蒸汽被困于木材间隙中。

由于空隙小，木材成分控制的水蒸汽的含量。

随后在压板外表面迅速加热，产生水蒸汽，从而增加了其表面的气体总压力。

表面与板坯内部水蒸汽的压力差促使热蒸汽向板坯内部传递。

在内部，在内部，传入的水蒸汽与现有的环境混合，可能发生水蒸气内部缩合。

表面的水蒸气的加入导致了内部总压力的增加。

这就形成了从板坯的内部到边缘的横向压力差。

因此，水蒸汽和空气的混合物从板坯的边缘溢出。

热压时气相的空气将不能得到补充。

因此，空隙中的空气的摩尔分数会不断下降。

卡姆克和凯西（1988B）研究出在热压过程中，压板的温度和刨花板内部气体总压力的一系列关系。

总的气体压力会上升，直到通过板坯边缘的失水率超过水蒸汽产生的速度。

发生这种情况时，由于排气而导致结合水接近枯竭或板坯横向渗透率增加。

热压时板坯内部环境差异就体现在温度和总气压的变化。

然而，木材中结合水的含量影响温度和气压的变化。

描述木构件水分变化时，板坯中相对蒸汽压的计算基于局部温度和总体气压数据。

压力循环开始时，板坯内初始相对压力由初含水率和温度通过方程

（1）倒推回来。

初含水率计算如下：

（2）

其中：

H代表相对蒸汽压；

代表饱和蒸汽压；

是使用由Stanish等所得的经验公式计算：

（3）

其中：

R代表气体常数；

T代表温度。

水汽含量被定义式如下：

（4）

其中：

C代表水汽含量，水汽摩尔数/气体总摩尔数;

P代表总气压;

压力循环中其他时间的水汽含量估计基于以下假设：

1、板上任何位置的气压变化是由于板坯内部产生的水蒸气，板坯其他位置的流体动力影响，理想气体定律中的温度影响。

2、气体通过垫子的边缘继续泄漏。

泄漏率与气压差成正比。

泄漏系数是恒定的,不管时间的推移和在板上的位置变化。

3、板内空气得不到补充。

在热压时水汽含量不减少。

4、只有水蒸气和空气是呈气相的时候。

（5）

假设4中，总气压是由水和空气的部分压力构成，方程如下：

（6）

理想气体替代为局部压力条件产量:

其中：

代表水蒸气的摩尔浓度，

代表空气的摩尔浓度，

下面是方程6关于时间的导数方程式：

（7）

以时间求导时，水汽相对浓度是由于内部水蒸气的产生、流动以及泄漏。

这是分析板上某一点的得出的。

因此,水蒸气的摩尔浓度变化的机制是不能分开分析的，每个部分都作为独立的因变量处理。

空气摩尔浓度主要由于板内气体的生成和泄露。

气体的泄露使得板坯内压力持续下降。

假设3中气体不能得到补充，加上内部水汽产生，因此，水汽含量C将增加。

空气流动的影响机制就不能用这种方法分析。

为了说明水汽含量变化所导致的泄漏，定义了一个明显的板坯渗透性系数。

定义为板坯内部和周围环境之间空气和总压力的相对变化。

（8）

其中：

K代表板坯渗透系数，

代表周围环境总气压；

必须强调方程8中渗透系数的运用不是很严格。

渗透系数应与几何条件相结合。

板坯的渗透系数通常被当作一个常数，但是板坯物理性能和刨花将会影响它的值。

摩尔浓度的可以表示为采用理想气体定律时的局部压力，如方程5、方程6的应用。

水蒸气摩尔浓度的时间导数如下：

（9）

将方程8、方程9代入方程7，得出部分水蒸气压力的时间导数如下：

（10）

，

。

方程10中P和T的范围是和C都是t=0时的值,和R是常数。

PW值超过一定的时间时，K可以用实验数据计算。

卡姆克和Casey报告的数据显示，板坯芯层在15％的水分含量时温度和气体压力呈现饱和状态。

在这种情况下，水蒸汽压力的变化等于饱和水蒸汽压力，这仅是温度的函数的变化。

根据方程10，可以求得K的值为

这个值适用于所有含有相同的刨花几何形状，平均密度和大小的板坯。

方程10是部分蒸汽压对于时间的求导得出的方程。