Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Ảnh hưởng của chênh lệch độ ẩm trong gỗ xẻ keo tai tượng (Acacia mangium Willd.) đến khuyết tật khi sấy, ứng dụng cho lò sấy năng lượng mặt trời

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:157

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Ảnh hưởng của chênh lệch độ ẩm trong gỗ xẻ keo tai tượng (Acacia mangium Willd.) đến khuyết tật khi sấy, ứng dụng cho lò sấy năng lượng mặt trời" trình bày các nội dung chính sau: Xác định được mối quan hệ về bản chất giữa mức chênh lệch độ ẩm trong gỗ xẻ Keo tai tượng đến khuyết tật khi sấy; Đề xuất được quy trình sấy gỗ xẻ Keo tai tượng trong lò sấy năng lượng mặt trời.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Ảnh hưởng của chênh lệch độ ẩm trong gỗ xẻ keo tai tượng (Acacia mangium Willd.) đến khuyết tật khi sấy, ứng dụng cho lò sấy năng lượng mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC LÂM NGHIỆP VIỆT NAM ---------    --------- HÀ TIẾN MẠNH ẢNH HƯỞNG CỦA CHÊNH LỆCH ĐỘ ẨM TRONG GỖ XẺ KEO TAI TƯỢNG (Acacia mangium Willd.) ĐẾN KHUYẾT TẬT KHI SẤY, ỨNG DỤNG CHO LÒ SẤY NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI – 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC LÂM NGHIỆP VIỆT NAM ---------    --------- HÀ TIẾN MẠNH ẢNH HƯỞNG CỦA CHÊNH LỆCH ĐỘ ẨM TRONG GỖ XẺ KEO TAI TƯỢNG (Acacia mangium Willd.) ĐẾN KHUYẾT TẬT KHI SẤY, ỨNG DỤNG CHO LÒ SẤY NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ngành đào tạo: Kỹ thuật chế biến lâm sản Mã ngành: 9 54 90 01 Người hướng dẫn khoa 1. GS. TS. Phạm Văn học: Chương 2. TS. Bùi Duy Ngọc
HÀ NỘI – 2023 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của tôi. Nội dung của luận án có sử dụng một phần kết quả của đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ….., nghiên cứu sinh là cộng tác viên chính thực hiện nội dung nghiên cứu sấy gỗ Keo tai tượng bằng năng lượng mặt trời. Các thông tin, số liệu và kết quả nghiên cứu này đã được đơn vị chủ trì, chủ nhiệm đề tài và các thành viên chính tham gia thực hiện đề tài đồng ý cho phép sử dụng trong luận án. Các số liệu và kết quả nghiên cứu trình bày trong luận án là trung thực và chưa được tác giả khác công bố trong bất kỳ công trình nào, ngoại trừ báo cáo tổng kết đề tài và các bài tạp chí chuyên ngành do nghiên cứu sinh là tác giả chính. Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Nghiên cứu sinh Hà Tiến Mạnh
LỜI CẢM ƠN Luận án này được hoàn thành theo chương trình đào tạo tiến sĩ khóa 29 năm 2017 của Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam. Trong quá trình thực hiện, tác giả đã nhận được rất nhiều sự tạo điều kiện, hướng dẫn và giúp đỡ của quý cơ quan, quý thầy cô, đồng nghiệp cũng như gia đình và bạn bè. Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và sự kính trọng đến GS. TS. Phạm Văn Chương và TS. Bùi Duy Ngọc là những người hướng dẫn khoa học đã dành nhiều thời gian, công sức và tận tâm giúp đỡ để luận án được hoàn thành; TS. Adam Lloyd Redman là người trực tiếp hướng dẫn thực hiện các thí nghiệm tại DAF - Queensland, Úc để thu thập số liệu và công bố các bài báo. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các chuyên gia, các đồng nghiệp, các cán bộ, nguyên cán bộ của Viện Nghiên cứu Công nghiệp rừng đã luôn đồng hành, giúp đỡ suốt quá trình thực hiện các nghiên cứu và sẵn sàng chia sẻ, góp ý chuyên môn để luận án có được hàm lượng khoa học cao. Trong đó, TS. Nguyễn Đức Thành là người trực tiếp thực hiện các thí nghiệm chụp ảnh cấu tạo hiển vi gỗ Keo tai tượng tại Đại học Kyoto, Nhật Bản. Tác giả cũng đã nhận được sự hỗ trợ và quan tâm kịp thời trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án từ Ban Giám đốc Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam, Ban Lãnh đạo và chuyên viên của Viện Nghiên cứu Công nghiệp rừng, lãnh đạo và chuyên viên của Ban Khoa học, Đào tạo và Hợp tác quốc tế, lãnh đạo và các cán bộ nhân viên của Trung tâm Chuyển giao công nghệ Công nghiệp rừng. Tác giả cũng được hỗ trợ về kinh phí của Quỹ học bổng Crawford Fund cho các hoạt động tập huấn, đào tạo và thí nghiệm tại DAF - Queensland, Úc. Nhân dịp này, tác giả xin được trân trọng gửi lời cảm ơn đến các cơ quan, tổ chức và đơn vị. Cuối cùng là sự tri ân tình cảm đến tất cả những người thân trong gia đình và bạn bè đã chia sẻ khó khăn, động viên tinh thần để tác giả hoàn thành luận án.
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT Viết Giải thích tắt/ký hiệu ALU- Hệ thống thiết bị đo hệ số thấm CHA ANOV Phân tích phương sai A IAWA Hội Giải phẫu gỗ quốc tế MC Mức chênh lệch độ ẩm/dốc ẩm gradient NLMT Năng lượng mặt trời OM Optical microscope - Kính hiển vi quang học PVC- Một hệ thống đo hệ số khuếch tán CHA SEM Scanning electron microscope - Kính hiển vi điện tử quét W Khoảng trễ giữa hai đồ thị hút và nhả ẩm X Chênh lệch độ ẩm giữa 2 bề mặt của mẫu khuếch tán A Diện tích mặt cắt ngang mẫu khuếch tán Ai Diện tích ảnh tế bào sợi gỗ hoặc mạch gỗ thứ i Aj Diện tích lỗ rỗng ruột tế bào sợi gỗ hoặc mạch gỗ thứ j C Mức độ cong vênh Db Hệ số khuếch tán Dfl Đường kính ruột tế bào sợi gỗ Di Kích thước ban đầu theo hướng xuyên tâm/tiếp tuyến mẫu co rút Dt Kích thước lúc đo theo hướng xuyên tâm/tiếp tuyến mẫu co rút Edt Sai số thời gian sấy giữa dự đoán của mô hình và thực nghiệm EMC Độ ẩm thăng bằng FSP Điểm bão hòa thớ gỗ G Tỷ trọng ở độ ẩm cuối cùng mẫu khuếch tán K Hệ số thấm L Chiều dọc thớ/Kích thước theo chiều dọc thớ/chiều dài m Khối lượng của hơi ẩm khuếch tán qua mẫu mb Khối lượng kẹp giữ mẫu co rút MC Độ ẩm gỗ
Viết Giải thích tắt/ký hiệu MCa Độ ẩm trung bình đống gỗ sấy MCai Độ ẩm trung bình ban đầu của thanh mẫu MCat Độ ẩm trung bình tại các thời điểm đo của thanh mẫu MCg Độ ẩm các vị trí theo chiều dày thanh mẫu MCt Độ ẩm của mẫu tại các thời điểm đo md Khối lượng mẫu khô kiệt mg Khối lượng kẹp giữ mẫu còn tươi mi Khối lượng ban đầu thanh mẫu sấy MOE Modulus of elasticity - Mô đun đàn hồi uốn tĩnh MOR Modulus of rupture - Độ bền uốn tĩnh mt Khối lượng thanh mẫu sấy tại các thời điểm đo n Số điểm dữ liệu rời rạc NDi Mức độ nứt đầu của thanh gỗ thứ i Ni Tổng mức độ nứt vỡ của thanh gỗ thứ i NMi Mức độ nứt mặt của thanh gỗ thứ i P Giá trị xác suất (giá trị p) R Chiều xuyên tâm/Kích thước theo chiều xuyên tâm R2 Hệ số tương quan của hai kết quả đo RH Relative humidity - Độ ẩm môi trường sấy RMS Root Mean Square Error - Sai số toàn phương trung bình E gốc SD Standard deviation - Độ lệch chuẩn St Độ co rút của mẫu tại các thời điểm đo T Nhiệt độ môi trường sấy/Chiều tiếp tuyến/Kích thước theo chiều tiếp tuyến/chiều dày mẫu t Thời gian te Thời gian sấy thực nghiệm Tfw Độ dày vách tế bào sợi gỗ Tk Nhiệt độ khô môi trường sấy ts Thời gian sấy dự đoán của mô hình
Viết Giải thích tắt/ký hiệu Tư Nhiệt độ ướt môi trường sấy U Dốc sấy Vg Thể tích mẫu khi đạt độ ẩm bão hòa W Chiều rộng mẫu X Độ ẩm cuối cùng của mẫu khuếch tán Xb Độ ẩm mặt dưới của mẫu khuếch tán Xt Độ ẩm mặt trên của mẫu khuếch tán yt Giá trị MC và nhiệt độ sấy của mẻ sấy thực nghiệm ở thời điểm t ŷt Giá trị đầu ra (MC và nhiệt độ sấy) của mô hình ở thời điểm t α Mức ý nghĩa giả thuyết thống kê ΔT Chênh lệch nhiệt độ khô - ướt môi trường sấy ρb Khối lượng riêng cơ bản ρw Khối lượng riêng của nước φ Độ rỗng ruột tế bào sợi gỗ hoặc mạch gỗ ϕ Đường kính φf Độ rỗng ruột tế bào sợi gỗ φt Tổng độ rỗng φv Độ rỗng ruột tế bào mạch gỗ
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Ở Việt Nam, diện tích rừng trồng đang tăng nhanh chóng trong hơn 30 năm qua và cây Keo tai tượng (Acacia mangium Willd.) đã trở thành cây trồng chủ lực để cung cấp gỗ cho ngành chế biến hiện nay. Sấy gỗ là khâu bắt buộc trong quy trình sản xuất và quyết định chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên, sấy gỗ cũng cản trở đến năng suất và lợi nhuận do nhân công, nhiên liệu và gỗ sấy bị khuyết tật, đặc biệt là những loài cây rừng trồng mọc nhanh như Keo tai tượng là vấn đề cần được giải quyết khắc phục. Sấy gỗ là tổng hợp các quá trình vận chuyển xảy ra bên trong và bề mặt gỗ, bao gồm vận chuyển ẩm, bay hơi bề mặt, vận chuyển nhiệt và trao đổi nhiệt. Vận chuyển ẩm chịu tác động bởi 3 quá trình còn lại, ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian và chất lượng gỗ sấy nên được luận án tập trung nghiên cứu. Động lực để vận chuyển ẩm (nước và hơi nước) từ trong gỗ ra bề mặt là mức chênh lệch độ ẩm, đặc trưng bằng dốc ẩm (moisture content gradient). Mức chênh lệch độ ẩm cũng dẫn đến sự co rút không đều, sản sinh nội ứng suất, gây nứt vỡ và biến dạng gỗ sấy. Điều tiết mức chênh lệch độ ẩm giúp quá trình sấy đạt hiệu quả cao, gỗ khô nhanh và ít khuyết tật. Xác định mức chênh lệch độ ẩm từ tâm ra bề mặt gỗ trong suốt quá trình sấy và ảnh hưởng tới sự phát triển khuyết tật có ý nghĩa khoa học và thực tiễn giúp lựa chọn các chế độ sấy phù hợp. Sự di chuyển ẩm trong gỗ rất phức tạp thông qua các kênh mao quản chính được kết nối bằng các lỗ nhỏ hơn được gọi là quá trình chuyển khối (mass transfer). Chuyển khối đặc trưng bởi khả năng thấm và khuếch tán phụ thuộc vào cấu tạo gỗ. Môi trường sấy tác động đến tốc độ bay hơi bề mặt và quá trình chuyển khối bên trong gỗ cần được xác định. Các đặc tính khác bao gồm khối lượng riêng, co rút, điểm bão hòa thớ gỗ (FSP) và độ rỗng trong gỗ
cũng được đo đếm để hiểu rõ các hiện tượng xảy ra với gỗ sấy và cung cấp dữ liệu đầu vào cho mô hình toán học mô phỏng quá trình sấy. Mô hình toán học là công cụ mạnh mẽ, sử dụng ngôn ngữ toán học để hiểu cơ chế của quá trình sấy gỗ và tối ưu hóa chế độ sấy sao cho thời gian sấy và khuyết tật là tối thiểu. Đây là phương pháp tiến bộ, hiệu quả hơn phương pháp truyền thống thường được thực hiện bởi nhiều mẻ sấy thí nghiệm lặp lại với thời gian và chi phí lớn. Mô hình của luận án được xây dựng trên cơ sở kế thừa các thuật toán đã được lập trình trên phần mềm Matlab bởi Redman. Các thuật toán trong mô hình của tác giả này phù hợp với thông số trong lò sấy thông thường (sấy quy chuẩn) hoặc lò sấy chân không nên mô hình toán học trong luận án được thực hiện ở lò sấy quy chuẩn. Mặc dù chưa ứng dụng được cho lò sấy năng lượng mặt trời (NLMT) nhưng việc sử dụng mô hình toán học để tối ưu hoá chế độ sấy đã đưa ra cách tiếp cận mới trong nghiên cứu về sấy. Xác định mức chênh lệch độ ẩm và sự tương quan tới khuyết tật đã được thực hiện trong lò sấy quy chuẩn và ứng dụng để đối chiếu với lò sấy NLMT. Sấy gỗ sử dụng NLMT là hình thức sấy gián đoạn. Nhiệt được cung cấp nhiều cho lò sấy vào ban ngày, trời có đủ nắng. Vào ban đêm hoặc những ngày không có nắng, nhiệt sẽ dần mất đi, giúp sự chênh lệch ẩm trong gỗ cân bằng lại. Sấy gỗ bằng NLMT đang là hướng đi mới và ngày càng có tính ứng dụng cao trong sản xuất công nghiệp. Mong muốn tìm ra luận cứ khoa học về mối tương quan giữa mức chênh lệch độ ẩm và khuyết tật xảy ra trong gỗ suốt quá trình sấy và ứng dụng cho trường hợp sấy gỗ cụ thể là lý do mà luận án “Ảnh hưởng của chênh lệch độ ẩm trong gỗ xẻ Keo tai tượng (Acacia mangium Willd.) đến khuyết tật khi sấy, ứng dụng cho lò sấy năng lượng mặt trời” cần thiết được thực hiện nhằm bổ sung cơ sở khoa học để tiếp tục phát triển nghiên cứu về sấy gỗ nói chung và sấy gỗ Keo tai tượng nói riêng. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu lý luận: Xác định được mối quan hệ về bản chất giữa mức chênh lệch độ ẩm trong gỗ xẻ Keo tai tượng đến khuyết tật khi sấy.
Mục tiêu thực tiễn: Đề xuất được quy trình sấy gỗ xẻ Keo tai tượng trong lò sấy năng lượng mặt trời. 3. Đối tượng nghiên cứu Gỗ Keo tai tượng 9 năm tuổi được khai thác tại thôn Thanh Cao, xã Ngọc Thanh, thành phố Phúc Yên, tỉnh Vĩnh Phúc. 4. Phạm vi nghiên cứu Tập trung nghiên cứu quá trình vận chuyển ẩm khi sấy gỗ, không nghiên cứu các quá trình bay hơi bề mặt, vận chuyển nhiệt và trao đổi nhiệt. Xác định ảnh hưởng trực tiếp của mức chênh lệch độ ẩm đến khuyết tật suốt quá trình sấy, không xác định tương quan của mức chênh lệch độ ẩm và nội ứng suất. Mức chênh lệch độ ẩm được giới hạn là giữa các vị trí theo chiều dày tấm gỗ. Sử dụng phương pháp cắt lát mẫu theo chiều dày tấm gỗ để xác định mức chênh lệch độ ẩm trong gỗ sấy vì cho độ chính xác cao từ khi gỗ còn tươi. Nghiên cứu thăm dò cho thấy hệ số tương quan về kết quả đo của phương pháp cắt lát so với phương pháp điện trở là rất cao (R2 = 0,8795) khi xác định mức chênh lệch độ ẩm. Theo bảng phân nhóm gỗ sấy của Hồ Xuân Các (1999) [3], gỗ Keo tai tượng thuộc nhóm gỗ III, là nhóm gồm các loại gỗ có khối lượng riêng trung bình nhưng dễ xuất hiện khuyết tật sấy. Chế độ sấy hai cấp cho nhóm này là dốc sấy 2,0 ở giai đoạn sấy đầu và dốc sấy 2,4 ở giai đoạn sấy cuối. Tuy nhiên, để thấy rõ sự ảnh hưởng của mức chênh lệch độ ẩm đến khuyết tật khi sấy, mẻ sấy cứng có dốc sấy U = 4,4 - 5,0 đã được thực hiện để so sánh với mẻ sấy mềm có dốc sấy U = 2,0 - 2,5. Các thông số nhiệt độ, độ ẩm môi trường sấy được tra bảng EMC. Các yếu tố cố định là yếu tố thuộc về nguyên liệu như loài, tuổi, kích thước gỗ sấy; yếu tố thuộc về công nghệ như thiết bị sấy và thiết bị kiểm tra; cách xếp đống gỗ; gỗ Keo tai tượng được lấy tại cùng một địa điểm và có cùng một độ tuổi.
Kế thừa nền tảng lập trình của Redman cho mô hình TransPore hai chiều trên phần mềm Matlab [78] để sửa đổi dữ liệu và chạy mô hình toán học mô phỏng quá trình sấy quy chuẩn gỗ Keo tai tượng. Nghiên cứu thực nghiệm lựa chọn chế độ sấy NLMT phù hợp cho gỗ Keo tai tượng và ứng dụng tại quy mô sản xuất để đánh giá, hiệu chỉnh và xây dựng quy trình.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Góp phần tìm hiểu bản chất của quá trình vận chuyển ẩm và mức chênh lệch độ ẩm ảnh hưởng đến khuyết tật suốt quá trình sấy gỗ Keo tai tượng. Ý nghĩa thực tiễn: Sự ảnh hưởng của mức chênh lệch độ ẩm đến khuyết tật là cơ sở để lựa chọn các chế độ sấy và xây dựng quy trình sấy cho gỗ Keo tai tượng trong lò sấy quy chuẩn, ứng dụng cho lò sấy năng lượng mặt trời. 6. Những đóng góp mới - Xác định được các đặc tính chuyển khối (thấm và khuếch tán) và các đặc tính khác của gỗ Keo tai tượng (cấu tạo hiển vi và siêu hiển vi, khối lượng riêng cơ bản, độ rỗng, độ co rút tế bào, FSP) giải thích cho mối quan hệ giữa mức chênh lệch độ ẩm và khuyết tật khi sấy và xây dựng mô hình toán học mô phỏng quá trình sấy. - Xác định được mức chênh lệch độ ẩm trong gỗ suốt quá trình sấy bằng phương pháp cắt lát và tìm ra mối quan hệ giữa mức chênh lệch độ ẩm này và khuyết tật là hướng nghiên cứu mới và cơ bản về sấy gỗ. - Đề xuất được quy trình sấy hợp lý cho gỗ Keo tai tượng bằng lò sấy NLMT và được ứng dụng vào thực tiễn sản xuất. 7. Cấu trúc của luận án Luận án có 142 trang, gồm 30 bảng và 78 hình, với kết cấu chính như sau: Phần mở đầu (4 trang) Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu (28 trang) Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu (27 trang) Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận (72 trang) Kết luận, tồn tại và kiến nghị (3 trang) Luận án có 109 tài liệu tham khảo, trong đó có 19 tài liệu tiếng Việt và 90 tài liệu tiếng Anh.
Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Mức chênh lệch độ ẩm trong gỗ khi sấy 1.1.1. Chênh lệch độ ẩm và mối tương quan tới nội ứng suất trong gỗ sấy Công ty Frank Controls Ltd. [42] định nghĩa dốc ẩm (moisture gradient) là sự chênh lệch giữa độ ẩm bên trong và độ ẩm bề mặt tấm gỗ. Ở ví dụ Hình 1.1, mức chênh lệch độ ẩm ở tâm và bề mặt tấm gỗ ngay sau sấy là rất lớn (16 %). Hình 1.. Mô tả mối liên quan giữa chênh lệch ẩm đến chênh lệch ứng suất (McMillen, 1958) [54] McMillen (1958) [54] cho rằng mức chênh lệch độ ẩm và nội ứng suất trong gỗ có mối quan hệ chặt chẽ với nhau trong suốt quá trình sấy. Ông đã đưa ra phương pháp đo và xây dựng biểu đồ ứng suất cũng như đường cong dốc ẩm của gỗ Sồi đỏ trong các thời điểm sấy. Hình 1.2 cho thấy ở thời điểm 5 ngày, bề mặt gỗ nhanh chóng xuống dưới FSP (17 %) và bắt đầu co rút, phía trong độ ẩm vẫn gần 90 % và chưa co rút. Kết quả là lớp bên ngoài
chịu ứng suất kéo lớn nhất, bên trong chịu ứng suất nén. Sau đó, từng lớp kế tiếp khô dần và chuyển sang ứng suất kéo trong khi lớp trung tâm dần đạt ứng suất nén lớn nhất. Khi các lớp bên trong đạt FSP (khoảng 30 %), ứng suất đảo chiều, bên ngoài chịu nén và bên trong chịu kéo. Khi sự chênh lệch ứng suất vượt quá giới hạn cường độ chịu kéo, nén ngang thớ, gỗ sẽ nứt vỡ và biến dạng. Nội ứng suất được coi như hình dạng của mẫu ngay sau khi cắt lát. Mẫu được đánh dấu và đo chiều dài (chiều rộng thanh gỗ sấy) trước khi cắt lát. Sau khi cắt, mỗi lát được đo lại lập tức để nhận biết đang chịu ứng suất kéo hay nén (Hình 1.3). Hình 1.. Đo nội ứng suất ở các vị trí khác nhau theo chiều dày (McMillen, 1958) [54] Ở Việt nam, việc xác định chênh lệch ẩm trong gỗ sấy đã được thực hiện trong các nghiên cứu cơ bản. Nguyễn Xuân Hiên (2006) [7] khi nghiên cứu giải pháp xử lý trước khi sấy gỗ Bạch đàn trắng đã xác định được chênh lệch ẩm giữa bề mặt và tâm mẫu gỗ ở 12 chế độ sấy mẫu thớt bằng ẩm kế điện trở để đo độ ẩm bề mặt và tâm mẫu gỗ. Đỗ Văn Bản (2012) [1] khi nghiên cứu giảm nứt vỡ gỗ Bạch đàn trắng đã xác định chênh lệch ẩm giữa bề mặt và tâm tấm gỗ sấy bằng ẩm kế đo điện trở. Trong các nghiên cứu này, nội ứng suất trong suốt quá trình sấy chưa được xác định. Những nghiên cứu gần đây trên thế giới đã sử dụng các thiết bị hiện đại để xác định nội ứng suất thay đổi trong quá trình sấy. Haque (2002) [44] sử dụng cảm biến để đo sự thay đổi kích thước mẫu theo vị trí để xác định nội ứng suất. Allegretti và Ferrari (2008) [21] đã sử dụng cảm biến đưa vào 2 lỗ khoan ở bề mặt và trong lõi để xác định nội ứng suất. Redman (2017) [77] đã phát triển mô hình sấy phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để dự đoán
nội ứng suất ba chiều của gỗ sấy thông qua phần mềm Strand7. Ngoài ra, một số nghiên cứu của Yuniarti (2015) [107], Phonetip (2018) [73] đã xác định ứng suất dư của tấm gỗ sau khi sấy theo tiêu chuẩn AS/NZS 4787:2001 [25] để phân loại chất lượng gỗ sấy phục vụ cho việc tối ưu hoá chế độ sấy. 1.1.2. Phương pháp xác định mức chênh lệch độ ẩm Các nghiên cứu đo mức chênh lệch độ ẩm đều được ứng dụng và phát triển trên nền tảng của các phương pháp đo độ ẩm. Phương pháp lâu đời để xác định dốc ẩm là sử dụng kỹ thuật xẻ các lớp theo chiều dày và cân sấy có độ chính xác không cao vì bị thoát ẩm khi cưa xẻ (McMillen, 1958) [54]. Kỹ thuật này được cải tiến bằng cắt lát trên mẫu được khoan ra từ thanh gỗ [40] và sử dụng dao vi phẫu để cắt [105]. Phương pháp điện trở là phương pháp không phá huỷ mẫu, phù hợp và tương đối chính xác ở dưới FSP. Forrer (1984) [41] đã phát triển hệ thống ẩm kế điện trở với các điện cực được ghim trong gỗ và kết nối với bộ vi xử lý bên ngoài để đo điện trở và tính độ ẩm. Hai năm sau, phương pháp này được phát triển để kết nối với máy tính [80]. Nhược điểm lớn của phương pháp này là chỉ đo được độ ẩm dưới FSP. Melin và đồng tác giả (2016) [56] đã so sánh 2 phương pháp điện trở và trao đổi ẩm để xác định MC gradient. Phương pháp điện trở được thực hiện tương tự như các nghiên cứu trước. Phương pháp trao đổi ẩm sử dụng các sensor đo RH đưa vào các lỗ khoan sẵn trên tấm gỗ ở độ sâu khác nhau để tính toán độ ẩm gỗ. Nghiên cứu cho thấy kết quả đo MC gradient thông qua 2 phương pháp tương đối đồng nhất. Nghiên cứu ứng dụng phương pháp phóng xạ để xác định dốc ẩm được Cai (2007) [31] thực hiện. Tác giả sử dụng chùm tia X để quét toàn bộ mẫu theo hướng chiều dày. Qua mối tương quan của cường độ chùm tia với khối lượng riêng, MC gradient đã được tính toán. So sánh với phương pháp cắt lát bằng dao vi phẫu, kết quả cho thấy 2 đường cong MC gradient rất giống nhau. Phương pháp này hiện đại nhưng chi phí tốn kém là những hạn chế khó có thể ứng dụng. Phương pháp quang phổ điện trở kháng được xem như một phương pháp mới để đo MC gradient không phá huỷ mẫu. Tiitta và đồng tác giả (2010) [100] đã phân tích quang
phổ dùng sóng điện từ tần số thấp để đánh giá các đặc tính gỗ và MC gradient. So sánh với phương pháp điện trở, nghiên cứu cho số liệu đo tương tự. Nghiên cứu đã kết hợp việc đo nứt mặt bằng cường độ phát tán âm thanh và xây dựng mối tương quan với diễn biến ẩm. Tuy nhiên, nhóm tác giả khuyến cáo cả hai phương pháp đo MC gradient trong nghiên cứu này chỉ nên áp dụng cho độ ẩm dưới FSP. Như vậy, mức chênh lệch độ ẩm có mối quan hệ chặt chẽ với nội ứng suất và là nguyên nhân gây khuyết tật khi sấy gỗ. Xác định nội ứng suất trong gỗ sấy trên thế giới đã sử dụng thiết bị hiện đại nhưng số lượng các công trình không nhiều, phần lớn thường sử dụng mối tương quan giữa nội ứng suất và chênh lệch độ ẩm để giải thích các hiện tượng khuyết tật. Hạn chế về thiết bị đo nội ứng suất dẫn đến mối tương quan này chưa được thực hiện ở Việt Nam. Trên cơ sở đó, luận án lựa chọn vấn đề nghiên cứu thứ nhất là xác định mức chênh lệch độ ẩm tại các vị trí theo chiều dày tấm gỗ và mối tương quan tới khuyết tật suốt quá trình sấy. Do hạn chế về thiết bị, luận án lựa chọn cách tiếp cận nghiên cứu là sử dụng lý thuyết về mối tương quan giữa nội ứng suất và mức chênh lệch độ ẩm để giải thích các hiện tượng khuyết tật khi sấy. Các đặc điểm cấu tạo và đặc tính gỗ ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ vận chuyển ẩm và sự chênh lệch vận chuyển ẩm giữa các chiều, từ đó ảnh hưởng đến mức độ khuyết tật gỗ sấy cũng cần xác định. Các phương pháp xác định độ ẩm cũng như mức chênh lệch độ ẩm nêu trên đều có những ưu và nhược điểm riêng. Tuỳ vào mục tiêu cần đạt và điều kiện thí nghiệm, có thể lựa chọn phương pháp phù hợp. Việc xác định chênh lệch ẩm gỗ sấy đã được thực hiện ở Việt Nam trong một số luận án nhưng dùng máy đo điện trở có độ chính xác không cao ở khoảng độ ẩm trên FSP. Để xác định chính xác nhất MC gradient từ khi gỗ còn tươi đến khi đạt độ ẩm cuối cùng, Pang (1996) [62], Northway (2001) [60], McCurdy (2006) [53], Yuniarti (2015) [107] và Phonetip (2018) [73] đã sử dụng phương pháp cắt lát mẫu để cân sấy bằng các thiết bị cắt lát. Phương pháp này cũng phù hợp với điều kiện thí nghiệm tại Việt Nam nên được lựa chọn để xác định mức chênh lệch độ ẩm của gỗ Keo tai tượng khi sấy trong luận án.
1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến khuyết tật gỗ sấy Yếu tố về nguyên liệu: - Đặc điểm cấu tạo và đặc tính gỗ có tác động trực tiếp đến quá trình vận chuyển ẩm và tạo sự chênh lệch chuyển khối giữa các chiều nên là yếu tố ảnh hưởng khuyết tật khi sấy. Vấn đề này được đề cập đến ở phần 1.3 và 1.4 dưới đây. - Đặc tính vật lý, cơ học: khối lượng riêng của gỗ biến động theo lập địa, tuổi cây và tại các vị trí trên cây; các tính chất cơ học như độ bền tách, nén ngang thớ nói lên khả năng gỗ chống chịu ứng suất kéo, nén thay đổi suốt quá trình sấy. - Loại ván xẻ (xuyên tâm, tiếp tuyến, bán xuyên tâm) có tác động rất lớn đến tốc độ vận chuyển ẩm và chất lượng gỗ sấy. Ngoài ra, thời điểm khai thác, thời điểm xẻ và thời gian hong phơi trước sấy cũng là yếu tố ảnh hưởng. Yếu tố về công nghệ và thiết bị: - Theo Nolan và đồng tác giả (2003) [59], nhiều khuyết tật làm giảm cấp chất lượng gỗ sấy dưới đây có nguyên nhân do quá trình điều khiển các mẻ sấy. + Nứt là kết quả của ứng suất quá lớn do tốc độ sấy quá nhanh. Giải pháp là giảm tốc độ sấy, đặc biệt ở giai đoạn sấy đầu thường xảy ra nứt mặt, nứt đầu; sơn bịt đầu ngay sau khi cắt, ghim đầu và xếp thanh kê gần đầu; giảm nhiệt độ, tốc độ gió và tăng độ ẩm môi trường bằng các thiết bị hiển thị và điều khiển. Các vết nứt có thể đóng lại khi độ ẩm gỗ cân bằng nhưng có thể xuất hiện trở lại khi sử dụng. + Mo móp xuất hiện là do vách tế bào gỗ bị móp khi nước thoát khỏi ruột tế bào, dễ xuất hiện khi sấy nhiệt độ cao và tốc độ nhanh ở giai đoạn đầu. Mo móp cũng là một nguyên nhân của nứt ngầm ở giai đoạn sấy tiếp theo. Giảm tốc độ sấy và duy trì nhiệt độ sấy thấp là giải pháp chủ yếu cho các hiện tượng này, ngoài ra có thể tăng cường bằng việc phun hơi nước bão hòa khi gỗ đạt điểm FSP. + Ngoài việc là nguyên nhân của các vết nứt và mo móp, sấy quá nhanh ở giai đoạn đầu cũng là lý do của hiện tượng chai cứng bề mặt. Giải pháp tương tự là giảm tốc độ sấy, bắt đầu sấy với nhiệt độ sấy thấp, độ ẩm môi trường cao.
Ngoài ra, khuyết tật tự nhiên hoặc khuyết tật có trước khi sấy cũng là những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng gỗ sấy. Tất cả các yếu tố liệt kê ở đây được giới hạn là cố định trong nghiên cứu ảnh hưởng của mức chênh lệch độ ẩm đến khuyết tật và được sử dụng để giải thích cho các hiện tượng xảy ra khi sấy. 1.3. Quá trình vận chuyển ẩm trong gỗ khi sấy 1.3.1. Lý thuyết về quá trình vận chuyển ẩm trong gỗ Quá trình vận chuyển ẩm trong gỗ luôn được các nhà khoa học quan tâm để hiểu rõ hơn quá trình sấy. Stamm (1967) [94], Siau (1984) [91], Skaar (1988) [93], Walker (2006) [104], Perré (2007) [68] đã tổng hợp và thống nhất về sự vận chuyển ẩm (nước và hơi nước) trong gỗ. Theo Skaar (1988) [93], ẩm trong gỗ tồn tại ở ba dạng: nước tự do mao dẫn chủ yếu trong ruột tế bào và có thể có lượng nhỏ trong vách tế bào; hơi nước trong ruột tế bào; và nước liên kết trong vách tế bào. Siau (1984) [91] và Walker (2006) [104] đã rút gọn hơn: ẩm tồn tại ở hai dạng là ẩm/nước tự do trong ruột tế bào và khoảng trống giữa các tế bào; và ẩm/nước liên kết trong vách tế bào. Ẩm di chuyển rất phức tạp, thông qua hệ thống mao quản được nối thông bằng các lỗ nhỏ hơn là lỗ thông ngang (Hình 1.4) và lỗ xuyên mạch. Đường ưu tiên để ẩm di chuyển tuỳ