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중공재 열기건조 시 건조응력 및 소요에너지 분석
Analysis of Drying Stress and Energy Consumption during Kiln Drying of Center-bored Round Timber

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Authors
박준호
Advisor
여환명
Major
농업생명과학대학 산림과학부(환경재료과학전공)
Issue Date
2016-08
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
중공가공외표면 실링처리열수분전달건조응력건조 소요에너지
Description
학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 산림과학부 환경재료과학전공, 2016. 8. 여환명.
Abstract
목재의 효율적인 이용을 위해서는 건조공정이 필수적이다. 특히 대단면재는 건조 시 내부에 큰 수분경사가 발생하여 건조결함이 발생할 가능성이 높다. 따라서 건조결함을 최소화하면서 대단면재를 효과적으로 건조하기 위한 다양한 건조방법이 연구되고 있다. 천연건조 방법은 건조 시간이 길고 건조결함이 크게 발생한다. 열기건조는 건조시간을 단축할 수 있으나 건조결함을 제어하는데 한계를 지니고 있으며 고주파건조는 장치 제작에 비용이 많이 들고 건조 시 에너지를 많이 사용하는 단점을 지니고 있다.
대단면재를 건조하기 위한 방법으로 중공가공 후 건조방법이 적용되었다. 중공가공은 목재의 중앙 부분을 섬유방향으로 뚫는 공정으로 목재 중심부의 미성숙재의 제거를 통하여 중공가공에 따른 축방향 강도 감소가 적으며 부재 경량화 및 높은 방부처리효과를 지니는 등 다양한 장점을 지니고 있다. 이러한 중공가공을 건조에 적용하였을 때 목재 내부 수분이동거리를 줄여 건조시간을 단축하고 소요에너지를 저감할 수 있었다. 하지만 중공가공 후 건조하여도 건조결함 발생을 완전히 방지할 수 없었다.
본 연구에서는 대단면재를 건조결함 없이 신속하게 건조하기 위한 방법으로 중공가공과 외표면 실링처리하고 열기건조 시 열수분전달과 이에 따른 건조응력 발생 완화 효과를 구명하였으며 건조시간 및 소요에너지를 분석하였다.
원주재 천연건조에 비하여 중공재 천연건조는 중공가공을 통하여 목재 내 수분이동거리를 단축함으로써 건조속도를 높이고 건조시간을 줄였으며 건조결함을 저감시켰다. 천연건조 시 긴 건조시간을 단축하고 건조결함 발생을 줄이기 위하여 원주재와 중공재를 열기건조하였다. 원주재 및 중공재 열기건조는 천연건조에 비하여 건조시간을 크게 단축하였고 중공재 열기건조는 천연건조에 비하여 건조결함을 줄였지만 표면할렬의 발생을 완전히 막을 수 없었다. 중공재 열기건조 시 표면할렬 없이 건조하기 위하여 외표면 실링처리하고 실링 유무에 따른 열전달 및 수분이동을 분석하였다. 외표면을 실링한 중공재의 열기건조는 수분이동 방향을 외표면이 아닌 내표면으로 유도함으로써 함수율 경사를 줄였다. 이는 중공재의 형상학적인 특성과 더불어 건조응력의 감소를 통하여 건조결함을 억제한 것으로 사료된다.
건조결함은 건조응력에 의해서 발생하는 것으로 알려져 있다. 건조응력을 정확히 결정하는 것은 건조결함을 막기 위해서 필수적인 요소이나 목재의 건조 중 건조응력을 측정하는 데에는 어려움이 있다. 외표면 실링 유무에 따른 중공재 열기건조 시 건조응력의 변화를 유변학적인 모델을 이용하여 분석하였다. 중공재 열기건조 중 할렬이 없는 시험편을 절단하여 부위별 탄성 변형률을 측정하고 온도와 함수율에 변화에 따른 횡단방향 인장탄성계수를 통하여 부위별 건조응력을 산정하였다.
중공재 열기건조 시에는 중공 외표면에서 최대인장응력이 작용하는 반면 실링 중공재의 열기건조 시에는 중공 내표면에 최대인장응력이 작용하고 외표면에는 주로 압축응력이 작용하였다. 중공재 열기건조 시 중공 외표면의 건조응력은 실링처리를 통하여 감소하였으며 이는 건조결함의 발생을 막은 것으로 사료된다.
목재 건조는 목제품 제조공정에 있어 큰 비중을 차지하며 많은 에너지를 사용한다. 목재 건조 시 소요에너지를 분석하기 위하여 건조 시 에너지를 이론적으로 목재로부터 수분을 제거하기 위해 필요한 에너지와 건조 시 실제로 사용되는 에너지로 구분하고 단위수분 제거 당 소요에너지인 비에너지를 구하였다. 이론적으로 목재로부터 수분을 제거하기 위해 필요한 에너지는 목재가열, 잔존수분 가열, 흡습열 극복, 목재로부터 제거될 수분의 가열과 증발, 외부 유입공기의 가열과 조습에 필요한 에너지를 구하여 계산하였다. 또한 건조 시 실제 소요에너지를 송풍기 작동 에너지, 열선가동 에너지, 증습장치 가동 에너지로 구분하였다.
목재로부터 수분을 제거하기 위한 이론적 에너지 가운데 목재로부터 제거될 수분의 가열과 증발에 필요한 에너지가 가장 큰 비중을 차지하였다. 건조 시 실제로 사용되는 에너지 중 송풍기 작동 에너지는 시간에 비례하여 증가하였고 증습장치를 가동시키는데 필요한 에너지는 큰 값을 보였다. 원주재 열기건조는 긴 건조시간으로 인하여 중공재 열기건조에 비하여 많은 에너지를 사용하였다. 실링 중공재 열기건조 시 비에너지는 중공재 열기건조보다 높은 값을 보였으나 원주재 열기건조에 비하여 낮은 값을 보였다. 원주재와 중공재의 건조 소요에너지를 이용하여 목제품의 전과정평가를 위한 LCI DB 구축에 활용할 수 있으며 건조공정의 효율성을 높이는데 활용할 수 있을 것이다.
목재 건조 시 소요에너지를 예측하기 위해서는 건조 시간의 추정이 필요하다. 중공재 열기건조 시 열전달 및 수분이동을 유한차분법을 사용하여 예측하였으며 그 결과는 실제 건조 시 열수분전달 결과와 유사한 값을 보였다. 열전달 및 수분이동 시뮬레이션을 통하여 다양한 조건의 중공재 건조 시 건조시간 및 소요에너지를 예측할 수 있을 것이다.
중공재 건조에서 중공가공 크기는 건조성능에 영향을 미치는 주요한 요소이므로 중공가공 크기별 실링 중공재를 열기건조하였다. 중공가공크기가 작아질수록 수분이동거리가 증가하여 건조시간 및 결함, 소요에너지가 증가하였다.
추가적으로 실링 중공재 건조 시 건조속도를 높이기 위하여 고온건조를 적용하였다. 고온건조를 통하여 건조시간을 단축하고 소요에너지를 저감할 수 있었지만 건조스케줄에 따라 건조결함이 일부 발생하였다. 따라서 고온건조를 적용하기 위해서는 적정한 건조스케줄이 필요하다.
본 연구에서는 대단면재를 중공가공하고 외표면 실링처리하여 열기건조함으로써 건조결함 없이 건조할 수 있었다. 외표면 실링 유무에 따른 중공재 열기건조 시 열수분전달, 건조응력 및 소요에너지를 분석하여 중공재의 건조성능을 구명하였다.
Drying is required for efficient use of wood. Large cross-sectional timber is especially likely to incur drying defects due to its large internal moisture gradient. Therefore, various methods for drying large cross-sectional timber effectively while reducing drying defects have been studied. The air drying method has a long drying time and causes many drying defects. Kiln drying can shorten drying time, but it is limited in reducing drying defects. Equipment for high-frequency drying is expensive to manufacture and uses a lot of energy during drying.
To dry large cross-sectional timber, the center-bored timber drying method was applied. The center-boring process involves drilling a hole along the central longitudinal axis of the wood. It has many advantages, such as requiring less axial strength reduction for removing juvenile wood in the central part of the timber, lightening the weight of the wood, and being an outstanding preservative treatment. Using the center-boring process for large cross-sectional timber drying reduced drying time and energy by decreasing the internal moisture movement distance. However, the process could not prevent drying defects completely.
In this study, to dry large cross-sectional timber quickly without drying defects, the center-boring process and an outer surface sealing treatment were applied to large cross-sectional timber. Heat and moisture transfer during kiln drying and the mitigating effect of drying stress according to change of heat and moisture transfer were investigated, and drying time and drying energy consumption were evaluated.
Compared to air drying of round timber, air drying of center-bored timber increased the drying rate and reduced drying time and drying defects due to the decrease in moisture movement distance created by the center-boring process. Round timber and center-bored timber were kiln dried to shorten the long drying time and reduce the drying defects incurred during air drying. Kiln drying of round timber and center-bored timber reduced the drying time significantly. Kiln drying of center-bored timber reduced drying defects, but it could not prevent the occurrence of surface checks completely. To prevent surface checks during kiln drying of center-bored timber, an outer surface sealing treatment was applied. Transfer of heat and moisture with and without outer surface sealing treatment were also analyzed. Kiln drying of center-bored timber with the outer surface sealing treatment reduced the moisture gradient by inducing moisture movement direction in the inner surface rather than the outer surface. It is thought that drying defects were inhibited through the reduction of drying stress made possible with the characteristics of center-bored timber.
Drying defects are known to be caused by drying stress. It is necessary to determine the level of drying stress accurately in order to prevent drying defects. However, it is difficult to measure the drying stress during wood drying. The change of drying stress during kiln drying of center-bored timber with and without outer surface sealing treatment was analyzed using the rheological model. Partial drying stress was estimated for the transverse tensile modulus of elasticity according to changes of temperature and moisture content, and the elastic strain was measured by cutting the specimens during kiln drying of center-bored timber.
Maximum tensile stress occurred in the outer surface during kiln drying of center-bored timber, while during kiln drying of sealed center-bored timber, maximum tensile stress occurred in the inner surface, and compressive stress mainly occurred in the outer surface. Drying stress in the outer surface decreased via the outer surface sealing treatment during kiln drying of center-bored timber. These results demonstrate the prevention of the occurrence of drying defects.
Wood drying uses a lot of energy. Moreover, the energy consumption of wood drying occupies a large proportion of energy used in wood products manufacturing. In order to analyze wood drying energy consumption, consumed energy during drying was separated into the theoretical energy required to remove the water from the wood and the energy actually used during drying. Moreover, specific energy, or the energy required per unit weight of water removal, was also calculated. The theoretical energy required to remove water from the wood was calculated to obtain the energy required for heating the wood substance, heating the remaining water in the wood, recovering the moisture adsorption, heating the water removed from the wood, water evaporation heat, and the heating and humidity control of the influx of outside air. Also, the energy actually used during drying was separated into energy for fan operation, temperature maintenance, and steam boiler operation.
The energy required for heating the water removed from the wood and water evaporation heat accounted for the largest portion of the theoretical energy required to remove the water from the wood. Fan operation energy increased in proportion to the drying time. Moreover, steam boiler operation energy showed a large value in the energy actually used during drying. Kiln drying of round timber used a lot of energy compared to kiln drying of center-bored timber due to the long drying time. The specific energy used during kiln drying of sealed center-bored timber was higher than the specific energy used during kiln drying of center-bored timber. However, it was lower than the specific energy used during kiln drying of round timber. These results can be utilized by the LCI DB for the life cycle assessment of round timber and center-bored timber wood products. They can also be utilized to enhance the efficiency of the drying process for these products.
In order to predict the required energy for wood drying, it is necessary to estimate the drying time. During kiln drying of center-bored timber, the heat and moisture transfer was predicted using the finite difference method. The predicted result was similar to the actual result of heat and moisture transfer during drying. The simulation of heat and moisture transfer can be used to predict the drying time and energy consumption during center-bored timber drying in various conditions.
Since center-boring size is the main factor affecting the drying performance of center-bored timber, sealed center-bored timber was kiln dried according to center-boring size. The smaller the center-boring size, the shorter the drying times and the fewer the defects. The consumed energy was increased by increasing the moisture movement distance.
Additionally, high-temperature drying was applied to sealed center-bored timber in order to increase the drying rate. This method was able to shorten the drying time and reduce the energy consumption. However, certain drying defects occurred because of the drying schedule. Therefore, an appropriate drying schedule is necessary for applying high-temperature drying.
In this study, large cross-sectional timber was kiln dried without drying defects by application of the center-boring process and an outer surface sealing treatment. The drying performance of center-bored timber was investigated by analyzing heat and moisture transfer, drying stress, and energy consumption during kiln drying of center-bored timber with and without an outer sealing treatment.
Language
Korean
URI
https://hdl.handle.net/10371/121096
Files in This Item:
Appears in Collections:
College of Agriculture and Life Sciences (농업생명과학대학)Dept. of Forest Sciences (산림과학부)Theses (Ph.D. / Sc.D._산림과학부)
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