고온건조 중 발생 할렬을 고려한 목재의 온도 및 함수율 분포 변화에 대한 수치해석

Abstract

Wood drying is essential for the use of wood. High temperature drying is a method for drying wood at 100°C or higher, which can dry the wood faster than kiln drying. However, during high temperature drying of wood with large cross section, there is a high possibility of occurrence of drying defects. Drying schedule improvement to reduce the occurrence of drying defects has mainly been performed through trial and error method. However, it is effective to improve the schedule by using the simulation of drying process. Heat transfer and moisture movement of wood during drying can be analyzed by numerical analysis using wood heat transfer factor and moisture movement factor. By measuring defects during drying and applying additional moisture deviations as well as predicting initial moisture content and temperature data to the prediction, it is possible to predict the time to reach the target moisture content to prevent excessive drying of the wood with defects. Therefore, in this study, the temperature and moisture profiles of the wood during high temperature drying were predicted by numerical analysis and the surface cracks affecting the moisture emission from the wood surface were reflected to the prediction. The wood to be subjected to prediction was larch(Larix kaempferi) wood. Three different width of larch timber were used, The width of each types was 120 mm, 210mm, and 250 mm, and the lengths were all 3,500 mm. The initial average moisture contents were 37.59% for the 120 mm square timber, 43.13% for the 210 mm square timber, and 41.85% for the 250 mm square timber. The initial temperature was about 16 ℃. Based on the experimental and theoretical equations, the specific heat, density, thermal conductivity, thermal diffusivity, and convective heat transfer coefficient of wood were determined. The moisture diffusion coefficient and surface emission coefficient of wood were determined by using geometric moisture diffusion model and convective mass transfer coefficient conversion. By applying the determined coefficients to the three-dimensional finite difference method, the temperature and moisture content profiles in the wood at the high temperature drying were predicted. In addition, the feasibility of the prediction system was evaluated by measuring the temperature, moisture content, length and depth of the cracks during actual high temperature drying. Compared with the prediction result and the measured result of temperature in the wood, there was an error occurrence interval between 48 hours and 168 hours. This is due to the error between the fiber saturation point set in the prediction and the actual saturation point at the actual high temperature. In the moisture content prediction, re-prediction was performed using a model considering the cracks when the cracks occurred more than 50% of the test length. The difference between the predicted and actual final average moisture contents of each width of square timbers was about 0.5%, 2% and 3.4%. When the crack considered model was applied to the prediction, more accurate results could be predicted. Even if a drying schedule to minimize drying defects is applied, there is always a probability that drying defects will occur due to differences in the physical properties of the drying objects. Therefore, it is possible to construct a system that can apply real - time drying defects of the wood to the prediction system based on this study. Also, it is expected that, even if drying defects were occurred during the drying process, it is possible to correct the prediction in real time to accurately predict the time to reach the target moisture content, thereby reducing energy consumption and suppressing the occurrence of additional drying defects due to excessive drying.

흡습성 재료인 목재는 수분 변화에 따라 수축, 팽윤하는 특성을 가지고 있다. 따라서 목재를 사용하는데 있어 건조는 필수적이다. 고온건조는 100 ℃ 이상의 건구 온도 조건에서 목재를 건조하는 방법으로 관행 열기건조보다 빠르게 목재를 건조할 수 있는 방법이다. 하지만 단면의 크기가 큰 대단면 정각재를 고온건조 시키는 경우, 목재 내부 수분이 빠르게 목재 표면에 도달하지 않기 때문에 더욱 건조 결함 발생 가능성이 높다. 건조 결함 발생을 줄이기 위한 건조 스케줄 개량은 주로 시행착오법을 통해 이루어져 왔다. 하지만, 실험 대상의 크기가 크고, 실험 조건이 위험한 대단면 목재의 고온건조 공정은 예측 시스템을 이용한 시뮬레이션을 이용하여 스케줄을 개량하는 것이 효율적이다. 건조 중 목재 내 열전달기작과 수분이동기작은 목재 열전달 영향인자와 수분이동 영향인자를 적용한 수치해석을 통해 분석할 수 있다. 초기 함수율과 온도 데이터를 이용한 예측과 함께 건조 중 결함을 측정하여 이를 통한 추가적인 수분 이탈을 예측에 적용할 수 있다면, 정확한 목표 함수율 도달시간을 예측하여 결함이 발생한 목재의 과도한 건조를 방지 할 수 있을 것이다. 따라서 본 연구에서는 고온 건조 공정 제어를 위해 고온 건조 중 단면크기별 목재 내부 온도 및 수분 분포를 수치해석을 통해 예측하고 목재 건조 결함 중 목재 표면 수분 이탈에 영향을 주는 표면 할렬을 예측 시스템에 적용하여 건조 중 할렬이 발생한 목재의 함수율 변화를 예측하고자 하였다. 본 연구에서는 낙엽송(Larix kaempferi) 대단면재를 사용하였다. 한 변의 길이가 각각 120 mm, 210 mm, 250 mm인 세 종류의 낙엽송 정각재가 사용되었고, 길이는 모두 3,500 mm이었다. 초기 평균 함수율은 120 mm 정각재는 37.59 %, 210 mm 정각재는 43.13 %, 250 mm 정각재는 41.85 %였으며, 초기 온도는 약 16 ℃로 측정되었다. 실험적, 이론적인 내용을 바탕으로 하여 목재내부의 열전달 영향 인자인 목재 비열, 밀도, 열전도계수, 열확산계수, 열대류계수를 결정하였으며, 기하학적 수분확산모델과 대류물질전달계수 전환식을 이용하여 목재 수분확산계수, 수분방사계수를 결정하였다. 이를 3차원 유한차분법에 적용하여 고온 건조에서의 목재 내부 온도 및 함수율 분포 변화를 예측하였다. 또한 실제 고온건조를 통해 온도, 함수율, 할렬의 길이와 깊이를 측정하여 예측 시스템의 적용가능성을 평가하였다. 온도 예측 결과와 실제 측정한 온도 데이터와 비교하였을 때, 48 시간에서 168 시간사이에서 오차가 발생하는 구간이 생겼다. 이는 예측 시스템에서 설정한 섬유포화점과 실제 고온에서의 목재 세포 섬유포화점간의 오차로 인해 목재 온도가 비등점 이상으로 상승하는 시점을 정확하게 분석하지 못한 것으로 추정된다. 함수율 예측 결과, 120 mm 정각재의 경우 할렬이 시험재 길이의 50 % 이상 발생한 시간이 짧았기 때문에 할렬을 고려하지 않은 모델을 통해 예측을 진행하였으며, 예측과 실측의 최종 평균함수율 차이는 약 0.5 %로 오차가 미미하였다. 건조 중 할렬 고려 모델을 사용한 210 mm 정각재와 250 mm 정각재의 경우, 최종 평균 함수율의 오차는 각각 약 2 %, 3.4 %로, 할렬 고려 모델을 예측에 적용할 때, 더욱 정확한 결과를 예측할 수 있었다. 건조 결함을 최소화하는 건조 스케줄을 적용하더라도 피건조물의 개체별 물성 차이로 인해 건조 중 결함이 발생할 확률은 항상 존재한다. 따라서 본 연구내용을 바탕으로 하여 실시간으로 목재 건조 결함을 예측 시스템에 적용할 수 있는 시스템이 구성할 수 있을 것이다. 또한 이를 이용하여 건조 중 할렬이 발생하더라도 실시간으로 예측을 보정하여 목표함수율 도달 시간을 정확히 예측해 과도한 건조를 통한 에너지 소비를 줄이고 과도한 건조로 인한 추가적인 건조 결함 발생을 억제할 수 있을 것이라 기대된다.