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(tái)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(duì)濕度、和空氣循環(huán)等物理因素對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)濕度與平衡含水率
所謂相對(duì)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(duì)濕度必會(huì)降低。例如：將600C相對(duì)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(duì)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(cè)定相對(duì)濕度。干濕球溫度讀數(shù)的差異謂之“濕球差”，與大氣的相對(duì)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(duì)濕度也就愈低。（詳請(qǐng)參閱2．7）。
窯內(nèi)之相對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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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