张 尚，丁青峰，王德福

(苏州昆仑绿建木结构科技股份有限公司，江苏 苏州 215000)

1 引言

传质(Mass Transfer)是指由两种及两种以上的物质构成混合物的体系中，如果其中一种物质的浓度处处不同，则必发生由浓度大的地方向浓度小的地方迁移[1]。传质从机理上可分为分子传质(Molecular Mass Transfer)和对流传质(Convective Mass Transfer)，对流传质又分为自然和强制对流传质。分子传质的最基本的机理是分子扩散现象。对流传质是指运动流体与固体表面之间发生质量传递的一种方式。自然对流传质是指空气中各部分的相对运动是因为浓度差或温度差，所引起的变化所产生的变化。强制传质是指由于外力推动而产生的传质[2]。

对流传质是沿混合物的体系界面运动的流体与界面发生的质交换[3]。当木材置于空气中时，由于木材具有吸湿与解吸特征，故木材与空气发生自然对流传质。当木材与空气发生传质时表现为木材的含水率(Moisture content，MC)发生变化，因此木材的对流传质可用木材平衡含水率(Equilibrium moisture content, EMC)来量化[4,5]。研究气—固两相的对流传质[6]，必须要了解气体流速，木材表面的性质，因为这是木材表面对流传质中非常重要的因素。知道木材表面对流传质的机理，掌握木材吸湿解吸的基本原理[7]。气—固两相的强制对流传质不仅仅是对木材干燥情况具有研究意义，而且对木材的吸湿解吸出现的诸多问题的解释和解决提供了强有力理论依据，同时对木材对流传质进一步的研究打下坚实的理论基础[8]。

2 材料与方法

2.1 实验材料

冷杉(fir)产地美国。依据国家标准GB/T1929-2009《木材物理力学试材锯解及试样截取方法》加工后试件尺寸为(长×宽×厚)220 mm×20 mm×10 mm[9]，绝干密度441.2 kg/m3，绝干顺纹抗弯静曲强度和弹性模量分别为80 MPa和7900 MPa。

2.2 仪器设备

①数显鼓风式电加热干燥箱；②称量天平(精度0.0001 g)；③Binder恒温恒湿箱，湿度精度2.0%、温度精度0.1 ℃；④SRT-1(F)型表面粗糙度测量仪；⑤费斯托台式木工锯机一台，精度0.01 mm；⑥数显游标卡尺一把，精度0.01 mm；⑦日本产KANOMAX加哥麦克斯风速测定仪一台，精度±0.01 m/s。

2.3 实验方法

用费斯托木工锯机将冷杉试件加工为220 mm(长)×20 mm(宽)×10 mm(厚)的尺寸，将试件放置鼓风干燥箱至绝干状态。将部分试件依次用目数为50、100、200、400、1000、2000的砂纸打磨。打磨后的实验组试件与空白组试件根据国家标准GB/T12472-2003《产品几何量技术规范(GPS)表面结构 轮廓法 木制件表面粗糙度参数及其数值》木制件表面粗糙度参数从轮廓算术平均偏差(Ra)和轮廓最大高度(Rz)选取[10]。

2.4 实验设计

依据国家标准GB1931-2009《木材含水率测定方法》设计木材对流传质实验[11]。本实验采用单因素控制变量法分别设计三种环境温度(表1)、三种环境湿度(表2)、木材表面粗糙度则分为实验组和空白组进行实验(表3)。

表1 试验环境温度级别

表2 试验相对湿度级别

表3 试件实际轮廓算术平均偏差(Ra)和轮廓最大高度(Rz)

2.5 实验步骤

(1)启动恒温恒湿箱，调整恒温恒湿箱参数(温度、相对湿度和风速)至稳定。

(2)迅速测出试件的质量并记录数据，把试件放入恒温恒湿箱中。

(3)前2 h，每隔30 min测一次试件的质量并记录数据；然后10 h，每隔1 h测一次试件的质量并记录数据；之后每隔2 h测一次质量，连续测八次；最后每隔3 h测一次质量，直到试件的质量不在发生变化。

3 结果与分析

3.1 环境温度对冷杉对流传质的影响

由图1可知，在不同环境温度下试件的吸湿特性相似。木材的吸湿速率在刚开始段内迅速增加，而后增长缓慢，最后趋于相对平衡。在前30 h内尽管温度不同但吸湿曲线却趋于一致。但随着时间的延长，温度越高木材到平衡含水率的时间越短。在200 h，三组实验的木材含水率均达到平衡。在15～35 ℃之间温度越高平衡含水率越低，且达到平衡含水率的时间越短，其传质随温度的升高而逐渐降低。

由于木材是多孔材料，在多孔材料中的孔洞往往非常微小，气体的扩散与孔径(或毛细管直径)有关。不同的孔径将发生不同的扩散机理，不同扩散类型是由小孔的几何尺寸和平均自由程所决定的；扩散分为：①努森扩散；②分子扩散；③过渡扩散[3]。为了区别这三种扩散需要引入自由程，如公式(1)所示：

(1)

图1 环境温度对木材含水率的影响

式(1)中：λ表示分子自由程，P表示系统压力，R表示通过气体的常数，T表示系统温度，π表示无因次量，gc常数=980gm×cm/(gforce×s2)，M表示分子量，μ表示粘度。

努森扩散是指平均自由程大于毛细管直径多陪时的扩散，其计算式为:

(2)

分子扩散是指毛细管的直径比自由程大得非常多的扩散，其计算式为:

(3)

式(3)中：表示NAA组元相对于固定坐标的净摩尔通量，DAB表示二元扩散系数，α表示通量比因子等于(NA+NB)/NA。

过渡扩散是指自由程和毛细管直径之比界于上述的努森扩散和分子扩散之间的扩散，其计算式为:

(4)

由上述的三个式子可知不管是努森扩散，分子扩散，过渡扩散其温度都与净摩尔通量成反比，所以导致环境温度越高平衡含水率越低。

3.2 相对湿度对冷杉对流传质的影响

由图2可知，在不同相对湿度下试件的吸湿特性相似。木材的吸湿速率在刚开始段内迅速增加，而后吸湿速率增长缓慢，最后趋于相对平衡。产生上述现象的主要原因是试件表面水蒸气浓度与环境水蒸气浓度差异造成的，当试件表面水蒸气浓度低于环境中水蒸气浓度，环境中的水蒸气与试件发生质交换，同时木材表层细胞壁吸附空气中的水蒸气并转为吸着水，使木材含水率迅速的增加，直至与环境中的水蒸气浓度相平衡为止。

图2 相对湿度对木材含水率的影响

3.3 木材表面粗糙度对冷杉对流传质的影响

图3 木材表面粗糙度对木材含水率的影响

由图3可得，木材表面粗糙度对木材含水率没有较大的影响。其主要原因是木材平衡含水率跟环境温度、相对湿度和风速有关，但只有当风速到达紊流时才会影响木材平衡含水率[6]。通过公式(5)可计算实验是处于紊流状态或者层流状态。

(5)

式(5)中：Re为雷诺数，u为空气流速m/s，L为试件特征长度，η为空气的运动粘度，其值可从“空气性质表”中根据空气温度所求得。计算可得本实验处于层流状态，而当风速在层流时风速的大小只会影响木材达到平衡含水率的时间。但当风速突破雷诺数时变为紊流这是木材的表面粗糙度将会影响气—固界面从而影响木材的含水率。故在层流状态时木材表面粗糙度不会影响木材平衡含水率，因此也不会影响对流传质。

4 结论

(1)环境温度(15～35 ℃)越高木材的对流传质越小，且达到平衡含水率的时间越短，其对流传质随温度的升高而逐渐降低。

(2)相对湿度(32%～98%)越高木材的对流传质越大。

(3)在层流状态下，木材表面粗糙度对木材的对流传质没有影响。