木材太空能/空气能联合干燥的过程调控及能源转换阈值模型的建立

Wood drying is the most energy-consuming and a heavily polluting part in wood processing. With the implementation of a series of laws and regulations on air pollution control in China, people are trying to make a breakthrough in the wood drying industry and explore a new drying technique that is clean, low-carbon, efficient and sustainable. This project uses poplar wood as raw material and studies a combined drying technique based on solar drying and supplemented by air drying. The drying rate, drying quality and energy consumption under different moisture contents and different drying medium parameters are examined. By constructing mathematical models via a regression/derivative calculation method, the most optimal threshold for solar-air conversion can be calculated, determining the necessity of using supplementary air energy to reach the goal of drying process optimization. The research results will provide theoretical and technical support for the growth and transformation of the wood drying industry. The project is significant for enriching wood drying theories and driving the energy-saving, environmentally-friendly and sustainable development of the wood drying industry.

木材干燥是木材加工过程中能耗最多、污染严重的一个环节。随着国家关于大气污染防治一系列法规的实施，探索一种清洁低碳、高效安全的新型干燥方法和工艺技术，以期突破制约木材干燥工业发展的瓶颈势在必行且十分迫切。本项目以速生材杨木为对象，重点考察以太阳能干燥为主、空气能热泵干燥为辅的联合干燥过程中，木材不同含水率阶段、不同干燥介质参数条件下的干燥速度、干燥效果及其能耗；并通过回归、求导法建立各参数之间的数学模型，以确定太阳能和空气能的最佳转换阈值、判断空气能辅助加热的必要性和最佳时机，旨在优化和完善太阳能/空气能联合干燥的工艺过程，实现其干燥过程的工艺优化。研究结果将为木材干燥行业的转型升级提供理论依据和技术支撑，对于丰富木材干燥工艺理论、推动干燥行业的节能环保和可持续发展、乃至整个工业的能源利用具有重要意义。

本项目围绕木材太阳能/空气能联合干燥的过程调控及工艺优化开展了以下研究工作：①杨木干燥特性与干燥基准的研究、②杨木锯材间歇加热常规干燥过程中的含水率和应力变化、③木材太阳能干燥集热/储热介质的跨季候性选择、④太阳能集热/储热介质与杨木干燥工艺的匹配、⑤木材太阳能/空气能联合干燥设备的集热性能测试及能耗分析，重点考察了以太阳能干燥为主、空气能热泵干燥为辅的联合干燥过程中，木材不同含水率阶段、不同干燥介质参数条件下的干燥速度、干燥效果及其能耗，旨在优化和完善其联合干燥的工艺过程，为木材干燥行业的转型升级提供理论依据和技术支撑。结果表明：.①间歇加热干燥过程中含水率梯度随间歇率的增加而变小，木材内部水分下降趋于一致，干燥应力减小。间歇加热干燥方式可节约10.17%~13.56%的能耗，含水率在92.8%~60%选取间歇率33%，60%~30%含水率选取66%，含水率30%以下选取间歇率0进行干燥时效率最高。.②冬季选择W-EG为集热介质，环境温度为-10oC时，W-EG收集的热量比THO的集热量多109.3%，热效率比THO高91.1%。在早春，当环境温度小于0oC时，W-EG是热效率最高的介质，而W具有最佳的热效率，W的η值高于W-EG和THO，是春末至初秋使用的最佳介质。W和THO的散热能力较强，-10oC时THO的K0值是W-EG的106.1%；在极小值处，环境温度为20oC时，W的K0值最大、W-EG最小，W是W-EG的124%。在中国北方的冬季，W-EG是早春最好的集热/储热介质。春末至秋初，W是最好的集热介质，W-EG是最好的储热介质。.③杨木锯材各干燥阶段的含水率不同、干燥速率不同，所消耗热量亦不同，对介质所需要达到的温度也不同。在夏季以W为集热介质，集热温度最高为75.5oC即可满足太阳能干燥室内干球温度；若为冬季，W-EG最高集热温度为77.2oC。但不论选择三种介质中的哪一种，集热温度均可达到干燥要求。.④哈尔滨地区水和防冻液的平均集热效率分别为61.02%、22.04%，空气能平均供热系数为3.44。以水为集热介质采用太阳能/空气能联合干燥对25 mm厚杨木进行干燥实验，含水率由40.24%降至9.79%，单位材积能耗为39.25 kW·h/m3，与杨木常规干燥单位材积所需能耗472.36 kW·h/m3相比，太阳能/空气能联合干燥具有明显节能效果。