结合对流的影响,微波加热干燥过程中木材的力学行为

答:Khouya¹,a Draoui²,b . Zeghmati³,美国住³谢诺斯x:³

助理教授,易爱易称,国家应用科学学院,摩洛哥丹吉尔
物理教授,部门,学院科技、摩洛哥丹吉尔
通过Domitia佩皮尼昂大学教授,灯具,法国

文摘

数值研究是为了分析执行的效果结合微波对流干燥的木材流变学行为。应力模型考虑了自由收缩、弹性变形、粘弹性和mechanosorptive蠕变。压力方程解决了托马斯使用隐式有限差分方案和算法。结果表明,对流和微波干燥减少木材的干燥时间,提高干燥效率。发现木材的含水率在纤维饱和点影响干燥应力和之间存在着显著的影响木材的干燥条件和力学性能。干燥过程中含水率的变化旨在产生一个mechano-sorptive蠕变压力能够减少干燥。应力模型用于优化干燥过程,有效地缓解干燥后的残余应力。

关键字

对流干燥、木材、微波、收缩,粘弹性,Mechanosorptive蠕变。

介绍

在干燥、应变和应力出现在木材由于自由收缩,导致水分运动和温度变化。它也观察到,木材的力学行为是根据其水分迁移,称为mechano-sorptive和粘弹性蠕变产生影响。许多调查木材流变几十年以来一直致力于[1]- [4]。这些调查使用有限元法或控制体积法,来解决传输方程来分析干燥过程中木材的力学行为。

Hanhijarvi和狩猎[5]进行蠕变测试机械性能的木材产量效果mechanosorptive和粘弹性变形之间的关系。他们表明,恒定的环境相对湿度,粘弹性蠕变期间根据mechanosorptive蠕变累积循环环境湿度的变化。之外,mechano-sorptive蠕变累积诱导减少粘弹性变形。

特纳et al。[6]进行了数值调查结合微波和对流加热干燥过程中木材。这些控制方程采用控制体积法离散为了分析微波传播的影响木材的干燥时间。他们表明,结合微波对流干燥过程减少干燥时间,提高木材的内部压力,提供高密度的硬木。

汉森和Antti[7]研究了温度对木材的效果在微波和常规干燥。结果表明,木材板之间有显著影响微波炉和传统干燥方法。Vongpradubchai和Rattanadecho[8]分析微波加热的影响力学性能的木材使用常规和微波加热方法。他们表明,微波加热减少了干燥时间,完善能源和提供更好的机械与高强度比传统礼节。

执行一个数值研究分析温度和含水率的影响在云杉的机械行为对流干燥[9]。指出post-kiln存储期间,自由收缩引起的水分运动有显著影响董事会的压力。云杉的干燥时间正比于董事会第一干燥期间厚度和厚度的平方在第二个干燥期间,由扩散过程控制吸湿的木头[10]。

使用微波干燥木材能源不是很常见,但可能是一个补充对流干燥为了减少干燥时间,消耗能源和保存质量属性的木材。如果很难研究实验干燥应力引起的水分含量在对流和微波干燥,然后可以使用数学建模来描述这一过程。本工作的目的是提出一个木材干燥模型基于经典流变学模型来分析一个方向的应力和应变。这个模型考虑thermo-physiques工业制品和木材板纵向、径向和切向方向。这种模型是计算干燥时间消费,应力和应变通过木材板厚度以优化木材干燥过程的过程。

数学公式

对流和微波干燥木材的分析模型是基于以下的假设(图1):

——在一维传热传质;

——空气流动为层流;

——热转移不考虑辐射传热是通过传导和对流。

——这一事件微波是假定为垂直于板表面;

——变形小;

——曲率半径只取决于董事会的压力。

答:湿度和温度传输模型

轻微的传热传湿木头的厚度2 e都写在(牛)参考:

质:

X = X (X, t)是水分含量;博士的质量扩散系数径向方向。

热传递:

在T = T (x, T)是温度;ρCλR分别的密度、比热和导热系数的木头。Q是微波源。

微波源(问):

由微波吸收的能量。体积的热量Q输入木材干燥过程取决于其介电性能,表面的距离,应用微波的频率和强度。介电常数和损耗因子是水分和温度的函数[6]。在这部作品中,入射微波是假定为垂直于板表面,降低指数根据朗伯定律[12]:

其中x是深度的表面沿轴方向,问(x)的微波功率耗散深度x, Q0是入射微波通量在木头的表面和α是衰减常数表示为[12]:

波长λ是在真空和tanδ损耗角正切来源于材料的复介电常数。复介电常数是由:

b .应力转移

干燥过程中,木材内部应力的差异引起的收缩系数,对纤维饱和点含水率低。压力引起的弹性应变εe,自由收缩εr,粘弹性应变εve和εms mechano-sorptive压力。一维应力模型的本构方程可以写成如下(图2):

数值程序:

转移和压力方程与边界条件求解使用隐式数值方案和托马斯·算法和高斯约旦热、湿迁移算法压力方程。离散应力本构方程是:

边界条件:

我们获得一个代数系统(N + 3线性方程。矩阵形式的离散方程可以改写。X = b .向量X表示未知的问题,它包含板的位移场和曲率半径。

验证为对流干燥的干燥模型

为了验证我们的数字代码,我们比较我们的结果与雷蒙德[9]。木板的厚度30毫米和初始含水率等于0.7公斤水。公斤干solid-1。空气干球温度应该是等于65°C和力学性能值在表1。

图3显示了平均含水率与时间的30毫米厚度在对流干燥的云杉。我们注意到,干燥速度下降期的存在。扩散过程是最可能的物理机制管理中的水分移动木板。我们的结果之间的差异和雷蒙德的5%。压力演化在时间,我们的结果有很好的一致性与雷蒙德的结果(图4)。事实上,表面应力的差异大约是3%,5%为核心(中心)的压力。注意到,表面拉应力随时间不断增加,达到一个最大值等于2.3 MPa然后减少直到值等于-2.5 MPa。关于核心干燥应力,压应力减小到最小值-1.1 MPa。发现云杉的核心是在紧张经过48小时的干燥和压力不断增加,直到一个常数值0.5 MPa。

结果和讨论

图5代表微波加热的影响对不同入射微波干燥时间和干燥应力变化。我们假设板的厚度是微波加热的维度方向平行传播。董事会有一个30毫米的厚度,长度为1000毫米和100毫米的大。初始水分含量1.2公斤水。公斤干solid-1,干球温度等于45°C。微波辐照面积木材尺寸0.1平方米供应上的入射微波板表面是10000 W。m - 2的功率1000 W产生的微波加热。操作频率为2.45 GHz。在对流和微波加热,干燥时间需要从原始含水量减少水所需的最终产品水分。在材料吸收微波能量注入水分子在木材细胞因为边材的介质损耗因素的价值优于干木(硬)。显示,随着微波功率的增加,干燥时间减少,因为干燥速度成正比的区别材料内的蒸汽压力和空气干燥。 The increases of the microwave power induce an increase of temperature within the board and consequently the steam pressure at surface decreases. For drying case with an incident microwave equal to 10 KW.m-2, the drying time reduce from 100 hours in the case drying without microwave to 20 hours. These results can be explained by the penetration depth and loss factor of material which depends of the injected microwave power, the variation of the moisture content and the drying air temperature. The drying is finished when the temperature and the moisture content of the board attain respectively the outside air temperature and the equilibrium moisture content. These results are in good agreement with results of Turner and al. [6].

微波加热的影响在干燥含水率变化引起的压力是图6所示。应力和收缩发生在板的含水率达到纤维饱和点。结果表明,压力的大小减少随着微波能量的增加。这种大小的减少导致了增加的最大和最小压力之间的差异。这是由于吸收微波能量均匀辐照董事会内部的热量导致温度中心是高于其他位置。增加温度水平产生压力和紧张的董事会由于木材热礼节如热膨胀系数和纤维饱和点。我们在表面显示mechano-sorptive应变增加随着注入微波功率的增加(图7),因为它是取决于干燥速率增加随着温度的增加。一箱10 KW.m-2事件微波功率,我们观察到8 h后干燥机械的表面压力是紧张和平衡,董事会的核心是在压缩。这是因为随着表面水分干纤维饱和点以下,董事会收缩和减少水的细胞壁。董事会的核心不收缩,因为它的含水率仍高于纤维饱和点。 This leads to a stress within the board. The board attains its final moisture content after 30 hours and the stress reversal due the mechano-sorptive effect is exhibited. Therefore, the surface stress is in compression and core stress in tension. The analyze of these results show that, for convective drying case, the maximum surface stress is equal to 3.2 MPa and the minimum core stress is equal to -2 MPa. These values are inferior to those obtained using an incident microwave of 10 KW.m-2. In fact the maximum surface stress is equal to 4.5 MPa and the minimum core stress is equal to -2.2 MPa. Residual stresses exist within the board at the end point of drying. This is due to the mechanicals properties of wood and moisture content gradient through the thickness. However, for high quality products, a treatment operation of the wood mechanical propriety can reduce these residual stresses to an accepted one [14].

董事会规模对压力的影响引起的微波干燥常数的事件通量10 KW / m2图8所示。表明,大小和压力增大的振幅随着板厚的增加,因为伟大的含水率概要文件陡厚度和干燥板所需的干燥时间较长,会导致更多的时间的粘弹性蠕变降低压力水平。特纳[6]建立微波的影响过程随板厚度大于微波的穿透深度。这由于体积加热生成高水和木材料之间的相互作用导致沸腾冒泡的样本。

mechanosorptive蠕变的影响(MS)对干燥应力在表面和核心板的结合常数的对流和微波加热10 KW / m2入射微波通量图9所示。我们观察到紧张的董事会,其核心是在压缩干燥过程的第一步。最大拉应力诱导的粘弹性蠕变mechanosorptive蠕变失效时达到10 MPa。有人指出两者的结合效应(mechano-sorptive +粘弹性蠕变)导致减少的压力。所以mechano-sorptive礼节让重要的蠕变的干燥过程,降低了核心不断增加直到最小值然后减少的压力达到一个常数值。我们注意到一个不同的进化的表面应力增加达到最大值并减少到最小值在干燥过程的终点。

结论

数值研究执行木板的thermo-hygro-mechanical行为预测含水率,应变和应力在对流和微波干燥相结合。应力逆转现象是观察到的拉伸和压缩应力之间的关系。残余应力在板存在干燥的终点。激活mechano-sorptive蠕变特性放松中扮演一个重要的角色的木材可以用来降低残余应力干燥的压力。然而,有干燥应力的差异,尤其是当压力比较中心与木材表面。结果表明:

——在干燥过程中水分诱导应力纤维饱和点以下;

——微波功率的增加降低了干燥时间;

——就像木头板的厚度增加了完整的云杉板干燥的时间增加;

——mechano-sorptive蠕变减少压力在干燥;

——结合对流和微波功率加热降低木木材的干燥时间,热应力的大小和持续时间。

引用

Salin, J。G”,检查数值预测在木材干燥和一个新的mechanosorptive蠕变模型”,Holz als Roh-und材料,《当代,195 - 200页,1992年。
弗格森W。特纳J,我。W,“控制体积有限元模型mechano-sorptive木材蠕变”,仍然热为我国部分,29卷,不。2、147 - 164年,1996页。
Perre P, Passard J,“物理力学模型能够预测应力场在范围广泛的木材干燥条件”,干燥技术卷。22日,没有。1 - 2,27-44,2004页。
Emmanuelle V。年代,Chassagne P,“正交的非线性粘弹性本构方程的行为使用广义麦克斯韦模型应用木材材料”,不少Time-Depend板牙,11卷,没有。2、127 - 142年,2007页。
Hanhijarvi,亨特D,“实验表明粘弹性之间的交互和mechano-sorptive蠕变”,木Sci抛光工艺,32卷,没有。1,57 - 70,1998页。
特纳我。W, Puigalli J。R, Jomma W”数值调查结合微波对流干燥和吸湿多孔材料:研究基于松木”,化学工程的研究和设计,卷76,没有。2、193 - 209年,1998页。
汉森L,管理。L“干燥方法的效果和温度水平木”的硬度,材料加工技术学报,171卷,没有。3、467 - 470年,2006页。
Vongpradubchai年代,Rattanadecho P,“微波处理的木材使用连续微波带式干燥机”,化学工程和加工、48卷,没有。5,997 - 1003年,2009页。
雷蒙德R Passard J, Perre P”的影响温度、含水率对木材的机械行为:一个全面的模型应用于干燥和弯曲”,欧洲a /固体力学学报,26卷,没有。3、558 - 572年,2007页。
雷蒙德R,“Approche Deterministe du Sechage des Avives de Resineux德福尔特斯人Epaisseurs倒申请人des管道产业政策专”,这些大,法国德农村精灵,des成立et des Forets中心de南希,2004。
阿夫查东华J穆罕默德•T M。马约G & H。B”建模的水分扩散和传热在软化木材致密化”,国际工程学报,42卷,没有。4、191 - 200年,2010页。
桑格牛。米,Mujumdar。年代,Raghavan 9V,“模拟convection-microwave干燥收缩材料”,化学工程和处理,第41卷。。6,487 - 499年,2002页。
Perre P, Passard J,“物理力学模型能够预测应力场在范围广泛的木材干燥条件”,干燥技术,问题1 - 2日,第22卷,27-44,2004页。
彭日成年代,“造型的压力发展过程中干燥和救援在热气腾腾的松果体辐射动物木材”,干燥技术,研究概述,没有。8,1677 - 1696年,2000页。