木材高频真空干燥过程中基于内驱动平衡理论的含水率及应力在线检测机制

Although radio-frequency/vacuum drying is a fast and high quality drying technology, the drying mechanism study and industrialization of radio-frequency/vacuum drying are restricted since there has been no accurate measuring way for moisture content (MC) and drying stress so far. In this project, based on the accurate measuring for temperature and pressure under high frequency electric field using optical fiber sensors and the parameter of equilibrium mositure content at vacuum condition (VEMC), the internal driving equilibrium theory and the modeling of moisture content measuring is created. The real time measuring mechanism is revealed according to the theory and modeling. With the aid of previous modeling of moisture content measuring, rheological theory and differential theory, the modeling of drying stress measuring is created. The drying stress and strain is revealed according to this modeling after model validations under radio-frequency/vacuum drying. The modeling of moisture content and drying stress measuring provide not only theoretical basis for drying technology innovation, intelligent control and effective way for the study on heat and mass transfer during drying, but also a scientific guidance for practical lumber drying.

高频真空干燥是一种快速且高质量的木材干燥方法。然而，由于电磁场的影响，到目前为止还没有精确的含水率及干燥应力的在线检测手段，极大制约了其理论研究和产业应用。本项目利用光纤传感器在线检测高频真空干燥过程中木材内部温度和压力，引入负压下平衡含水率（VEMC）参数，构建基于温度、压力、VEMC的内驱动平衡理论及含水率检测模型来揭示木材内部含水率及其分布；在含水率检测模型的基础上，依据木材流变学理论及差分原理，对干燥时间进行离散，建立高频真空干燥过程中应力检测模型，通过实验进行模型验证进而揭示干燥过程中应变和应力的变化规律。含水率和干燥应力检测模型的建立不仅为高频真空干燥工艺创新及实施智能化控制提供理论依据、为干燥传热传质等理论研究提供有效手段，同时对生产中完善干燥工艺、缩短干燥时间、保证干燥质量等具有重要的现实指导意义。

高频真空干燥集高频快速加热与真空下水的沸点降低的双重优势，是一种快速且高品质干燥木材的方法。由于电磁场的影响，到目前为止还没有准确测量干燥过程木材含水率及干燥应力的有效手段，致使其理论研究和产业应用受到了极大制约。本项目测量了真空条件下木材的平衡含水率（VEMC）及木材流变学特性，开展了系列高频真空干燥实验，利用光纤传感器在线检测高频真空干燥过程木材内部的温度（t）和压力（p），对实验数据进行系统分析和理论研究，取得如下主要研究成果：木材在真空条件下具有与常压条件相似的解吸特征，环境压力对木材的解吸有影响，是影响木材平衡含水率的另外一个重要因素。利用Hailwood-Horrobin 模型构建了基于温度（t）、压力（p）、相对湿度（φ）的VEMC数据库。构建了基于温度（t）、压力（p）、相对湿度（φ）及VEMC的内驱动平衡理论和含水率在线检测模型。在含水率检测模型的基础上，依据木材流变学理论及差分原理，构建了干燥应力检测模型。开展高频真空干燥实验，研究了影响模型检测精度的主要因素，对含水率及干燥应力检测模型进行参数修正及模型验证。验证后的模型能够准确检测高频真空干燥过程木材内部的温度、压力、含水率、干燥应力及其分布。真空条件下木材解吸特征及VEMC数据库的构建丰富了木材学及木材干燥理论。含水率及干燥应力模型为干燥传热传质理论研究提供有效的检测手段，为高频真空干燥工艺创新及智能化控制提供理论支持，为提高木材高频真空干燥质量和效率提供可靠保障。