影響木材干燥速度之因子分析 前言
木材干燥時(shí)，其中所含水分（自由水，約束水，水蒸氣）是利用不同的機(jī)構(gòu)（me－chanism），經(jīng)由不同的流通管道，自中心移至表面而蒸發(fā)。在移動(dòng)過程中，水分可能隨木材中的實(shí)際狀況自某一形式轉(zhuǎn)換為另一形式（圖2．8．）。一般生材在常溫下其約束水約占其全干重的30％，余者除極微量的水蒸氣外，均為自由水。以大葉桃花心木（Swietenia macrophylla）為例，其原始含水率約60％左右：故可粗估一半為約束水，一半為自由水。若為臺灣杉（Talwanla cryptomerioides），因其原始含水率高達(dá)150％以上，故其自由水亦增為約束水的4倍以上。約束水的含量永遠(yuǎn)是一常數(shù)（30％左右）。水分移動(dòng)的速率完全受制于下列因素。
物理因素
溫度、相對濕度、和空氣循環(huán)等物理因素對木材水分移動(dòng)的影響乃一深?yuàn)W而復(fù)雜的學(xué)科，本文僅簡要敘述其基本原理。
(1)溫度
熱(heat)是木材水分蒸發(fā)時(shí)必須獲得運(yùn)動(dòng)能量（kinetic energy）的根源，同時(shí)水分蒸發(fā)的快慢全賴單位時(shí)間內(nèi)熱能的供應(yīng)情形以及加熱媒體（空氣）吸收水分的能力而定。干燥是由木材表面逐漸向內(nèi)層進(jìn)行，假如溫度一定，則蒸發(fā)率會(huì)隨木材水分的減少以及空氣中蒸氣壓力的增加而逐漸降低。所以，欲保持穩(wěn)定的蒸發(fā)率，必須能使木材水分獲得附加熱能(additional energy)，或者降低干燥窯內(nèi)的蒸氣壓力。此可藉提高溫度（更多的熱能）或降低相對濕度（較低的蒸氣壓力）以達(dá)成。故欲使溫度在50℃（122下）時(shí)之蒸發(fā)率等于70℃（158oF）之蒸發(fā)率，則必須盡量降低相對濕度；藉增加干燥空氣的水分親和力（moisture affinity）來補(bǔ)償熱能的減少。但如此處理可能會(huì)形成劇烈的水分梯度，使木材發(fā)生干裂而招致“貶質(zhì)”（degrade）。另一方面，提高溫度可加速水分的移動(dòng)，雖需維持較高的濕度以防干裂，但不致過份影響干燥速率。
談到溫度，有一事應(yīng)牢記于心，即在干燥過程中窯內(nèi)之干球溫度必高于木材溫度。當(dāng)木材含有自由水時(shí)，其溫度約等于濕球溫度，而且只要有充足的水分移至木材表面，必會(huì)一直保持此一溫度。一俟自由水的供應(yīng)量減低，而木材之含水率接近纖維飽和點(diǎn)時(shí)，木材溫度會(huì)開始上升向干球溫度靠近。倘若木材之含水率達(dá)于零點(diǎn)（0％），其溫度也可能達(dá)到干球溫度。
含有大量自由水之生材，每蒸發(fā)一克（gram）水需要580卡 （calorie）的熱量。含水率低于30％時(shí)，則需要較多的熱量（詳如圖3．1．）。
(2)相對濕度與平衡含水率
所謂相對濕度（RH），是指在某一特定溫度與壓力下，單位體積空氣中所含水蒸氣的總量與在同一條件（溫度、壓力、體積不變）下空氣呈飽和狀態(tài)時(shí)所含水蒸氣總量之比率而言。例如：在常壓與60℃時(shí)每立方公尺（m）空氣所含飽和水蒸氣之總重量應(yīng)為131克，而今僅含有72克，則其RH為72/131：或55％。提高空氣溫度即可提高其含蓄（保持）水分的能力：是故溫度提高后必須在單位體積內(nèi)增加水分，方能使其飽和或維持原有濕度，否則相對濕度必會(huì)降低。例如：將600C相對濕度100％之溫度升高為70℃，由于空氣含蓄水分之能力（moistureholding capacity）增加,其相對濕度則降為 64％。
木材干燥時(shí)，是以干濕球濕度計(jì)（dryand wet－bulb psychrometer）來測定相對濕度。干濕球溫度讀數(shù)的差異謂之“濕球差”，與大氣的相對濕度直接有關(guān)。濕布袋蒸發(fā)愈怏，濕球之溫度愈低，濕球差亦愈大，相對濕度也就愈低。（詳請參閱2．7）。
窯內(nèi)之相對濕度并不能直接顯示其干燥能力（aryins capacity），所以干燥基準(zhǔn)表（drying schedule）均以干球溫度和濕球溫度（或平衡含水率）二者，或干球溫度、濕球溫度、以及平衡含水率（EMC）三者來表示（組合）之。例如，干燥某種木材，開始時(shí)，所用之干球溫度為60℃（140下）濕球差度為50C（90F），則其平衡含水率為 13％。溫度愈高，平衡含水率愈低則干燥愈快。根據(jù)此一觀念，即可巧妙操縱窯內(nèi)條件，以控制干燥速度。在干燥過程中由干球溫度與相對濕度所形成之平衡含水率僅與被干木材的直接表面有關(guān)；但其也可作為窯內(nèi)干燥條件以及木材水分梯度激烈程度的指針。
(3)空氣循環(huán)
窯干時(shí)，需要持續(xù)不斷的空氣循環(huán)以便將熱量傳送到被干木材，同時(shí)將木材所蒸發(fā)的水分帶離村面。為提高干燥效率，此循環(huán)氣流在通過材堆之前必須不斷地予以“調(diào)整”，使其溫度與濕度有利于水分移動(dòng)。再者，此循環(huán)氣流的運(yùn)動(dòng)速度亦必須夠快，傅使木材表面水分能有效地蒸發(fā)。當(dāng)干而熱的氣流通過材堆之后，自會(huì)變得較涼而潮濕。如果風(fēng)速不夠強(qiáng)，則材堆（pile，load，lumber stack）中間的干燥條件必會(huì)偏離控制室（儀表）內(nèi)所設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，降低了干燥速度，高風(fēng)速同時(shí)也可以減少窯內(nèi)的循環(huán)死角（dead spots）促進(jìn)均勻干燥。
木材干燥時(shí)，其表面之水分并未直接進(jìn)入主要的人工氣流（air stream）。在此人工氣流（即循環(huán)氣流）與木材之間尚存有一層運(yùn)動(dòng)緩慢并呈飽和狀態(tài)的薄膜稱作“境界層” （boundar layer）。此境界層之蒸氣壓力比人工氣流高出甚多甚多，對木材水分蒸發(fā)具有極大影響。所以，為維持所期望的干燥速度，盡快將境界層內(nèi)的水分移走至為重要；此可籍控制人工氣流的循環(huán)速度以達(dá)成。
急速的循環(huán)氣流可減少境界層之影響，因此在干燥初期當(dāng)材面甚濕需要蒸發(fā)和移除時(shí)，采用高速循環(huán)氣流比較有利。當(dāng)木材含水率接近纖維飽和點(diǎn)時(shí)，水分的擴(kuò)散作用成為干燥速率的限制因子（limiting factor）。由于水分?jǐn)U散至材面速度較慢，境界層之蒸氣壓力變低，故無需藉高速循環(huán)氣流來移除較少量的蒸發(fā)水分。換言之，當(dāng)木材含水率降低接近纖維飽和點(diǎn)時(shí)，風(fēng)速對蒸發(fā)率之影響亦減弱；最好降低風(fēng)速（循環(huán)氣流）以節(jié)省能源。為達(dá)此一目的，循環(huán)系統(tǒng)可使用變速馬達(dá)，干燥初期采用高速，中期以后采用低速。
近年來一般干燥工廠多偏愛高速循環(huán)氣流，故而增加風(fēng)扇直徑和馬達(dá)轉(zhuǎn)速，以及加寬材堆與窯壁間的信道。但應(yīng)了解，電力消耗與風(fēng)速之立方成正比。
風(fēng)速對熱移轉(zhuǎn)（heat transfer）的速率亦稍具影響，唯當(dāng)木材之含水率低于FSP時(shí)其影響力更為減弱。熱移轉(zhuǎn)速率主要是受溫差（人工氣流與木材表面問）影響，而蒸發(fā)率又對溫差具某種程度的影響。假如風(fēng)速不變，則自人工氣流到木材表面的熱移轉(zhuǎn)速率大概與溫差成正比。在初期，木材很濕（含水率甚高），木材表面與人工氣流之溫差與濕球差相等。此時(shí)大量熱傳至木材表面用以蒸發(fā)自由水，熱移轉(zhuǎn)速率達(dá)到最高峰。稍后，每塊木材的內(nèi)層亦逐漸到達(dá)FSP，木材溫度漸與人工氣流相等，而熱移轉(zhuǎn)速率亦隨之降低。繼續(xù)干燥，當(dāng)含水率低于FSP時(shí)，熱移轉(zhuǎn)速率更進(jìn)一步降低以致影響到干燥速度，此時(shí)必須提高溫度才能保持適當(dāng)?shù)母稍锼俣龋伙L(fēng)速對干燥速度極少作用。此即在干燥末期需要提高溫度降低風(fēng)速的原因。
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