木材高溫過(guò)熱蒸汽干燥的傳熱傳質(zhì)特征

邱晨　何正斌

摘 要：介紹高溫過(guò)熱蒸汽干燥的特點(diǎn)、發(fā)展過(guò)程及其對(duì)木材物理化學(xué)性質(zhì)的影響，高溫過(guò)熱蒸汽干燥法的優(yōu)缺點(diǎn)。著重探究木材在高溫?zé)嵴羝^(guò)程中熱—質(zhì)遷移特征，分析得出在“逆轉(zhuǎn)點(diǎn)”以上，提高過(guò)熱蒸汽溫度，增大過(guò)熱蒸汽的流速對(duì)提高木材高溫過(guò)熱蒸汽干燥速率具有重要意義；最后對(duì)高溫過(guò)熱蒸汽干燥提出一些新思考，為過(guò)熱蒸汽干燥提供一定的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：過(guò)熱蒸汽 傳熱傳質(zhì) 干燥速率

中圖分類號(hào)：S781 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）005-053-02

過(guò)熱蒸汽干燥是指用過(guò)熱蒸汽直接與被干物料接觸而去除水分的干燥方式。在木材科學(xué)領(lǐng)域開展過(guò)熱蒸汽干燥的研究始于20世紀(jì)50年代，由于干燥介質(zhì)是高溫水蒸氣，將大大縮短干燥時(shí)間，提高干燥效率和干燥質(zhì)量，被國(guó)際干燥協(xié)會(huì)主席Mujumdar稱為未來(lái)很有發(fā)展前景的干燥新技術(shù)。

1 高溫過(guò)熱蒸汽干燥對(duì)木材化學(xué)、物理性能的影響

1.1 高溫過(guò)熱蒸汽干燥對(duì)木材化學(xué)組成及結(jié)晶特征的影響

（1）在高溫條件下，木材組分會(huì)發(fā)生熱降解反應(yīng)、縮聚反應(yīng)等的化學(xué)反應(yīng)。三大組分的降解速率表現(xiàn)為：半纖維素>纖維素>木素。半纖維素劇烈降解的溫度范圍為225～325℃，纖維素為325～375℃；木質(zhì)素發(fā)生降解反應(yīng)的溫度范圍為250～500℃，并且在310～420℃范圍內(nèi)最為劇烈。

（2）高溫、高濕度處理后木材的相對(duì)結(jié)晶度會(huì)有一定程度的提高。處理后木材的相對(duì)結(jié)晶度受溫度的影響非常顯著，受相對(duì)濕度的影響不顯著。

1.2 高溫過(guò)熱蒸汽干燥對(duì)木材物理及力學(xué)性能的影響

（1）過(guò)熱蒸汽條件下，隨著溫度的增加，木材應(yīng)力松弛急劇增大，收縮應(yīng)力顯著降低；殘余應(yīng)力得到有效抑制。（2）處理材的熱穩(wěn)定性隨處理溫度的升高而提高；相同溫度條件下，相對(duì)濕度較低時(shí)處理材熱穩(wěn)定性較好。（3）木材的吸濕性可降低，處理后木材平衡含水率降低1%～2%，并且吸濕滯后現(xiàn)象更為明顯。（4）處理后木材抗壓強(qiáng)度變化不明顯，抗拉強(qiáng)度有所下降，抗彎強(qiáng)度和彈性模量因樹種而異。

1.3 高溫過(guò)熱蒸汽干燥的優(yōu)缺點(diǎn)

過(guò)熱蒸汽干燥缺點(diǎn)：過(guò)熱蒸汽干燥設(shè)備對(duì)耐熱、耐腐蝕性、氣密性的要求較高，且裝、卸料裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，高溫作業(yè)時(shí)管道易失效破裂。設(shè)備籌建和維修費(fèi)用高。

2 木材高溫過(guò)熱蒸汽干燥過(guò)程中傳熱傳質(zhì)特征的探究

2.1 木材高溫過(guò)熱蒸汽干燥機(jī)理

高溫過(guò)熱蒸汽干燥過(guò)程中，過(guò)熱蒸汽既是熱的載體，又是質(zhì)的載體。它作為干燥介質(zhì)掠過(guò)木材表面，將熱量以對(duì)流的方式傳給濕材，提高木材表面及內(nèi)部水分子的動(dòng)能，以破壞水分與木材的結(jié)合力，使水分氣化為蒸汽進(jìn)入周圍的過(guò)熱蒸汽氣流中，再利用風(fēng)機(jī)強(qiáng)制循環(huán)將水分帶走，從而達(dá)到干燥的目的。

2.2 木材高溫過(guò)熱蒸汽干燥過(guò)程中的傳熱特征

木材中的水分由自由水和結(jié)合水組成，自由水存在于細(xì)胞腔和細(xì)胞間隙組成的大毛細(xì)管系統(tǒng)中，與液態(tài)水的性質(zhì)接近。吸著水（結(jié)合水）存在于細(xì)胞壁中，與細(xì)胞壁無(wú)定型區(qū)中的羥基形成氫鍵結(jié)合。

不難得出，木材單位時(shí)間內(nèi)的傳熱量大小主要受對(duì)流換熱系數(shù)和蒸汽與木材表面之間溫差的影響。需要注意的是在加熱階段，當(dāng)木材溫度很低或蒸汽過(guò)熱量不足時(shí)，蒸汽會(huì)凝結(jié)成小水滴附著在木材表面，釋放大量潛熱，不能應(yīng)用以上公式。此時(shí)，過(guò)熱蒸汽的熱傳遞較熱風(fēng)干燥要弱。當(dāng)干燥介質(zhì)超過(guò)一定溫度時(shí)，有些學(xué)者稱其為“逆轉(zhuǎn)點(diǎn)”，過(guò)熱蒸汽的對(duì)流換熱系數(shù)大于熱空氣，木材的干燥速率將超過(guò)常規(guī)干燥。在不產(chǎn)生木材缺陷的前提下，提高過(guò)熱蒸汽的溫度，盡可能地增大干燥介質(zhì)與木材之間的溫度梯度，可顯著提高傳熱效率，進(jìn)而提高干燥效率。這也是我們經(jīng)常稱過(guò)熱蒸汽干燥為“高溫過(guò)熱蒸汽干燥”的原因，如果干燥的溫度沒(méi)有達(dá)到逆轉(zhuǎn)點(diǎn)，此種干燥方法將失去實(shí)施的意義，目前逆轉(zhuǎn)點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)值在170℃～220℃之間。

2.3 木材過(guò)熱蒸汽干燥過(guò)程中的傳質(zhì)特征

木材內(nèi)外干燥析出的水分轉(zhuǎn)移到過(guò)熱蒸汽氣流的過(guò)程，即傳質(zhì)過(guò)程。木材干燥水分的遷移分為兩個(gè)階段，當(dāng)木材的含水率在纖維飽和點(diǎn)以上時(shí)，主要是自由水在毛細(xì)管張力差與水蒸氣壓力差的作用下，沿大毛細(xì)管路徑遷移，流動(dòng)至木材表面，其難易取決于木材的滲透性；當(dāng)木材的含水率低于纖維飽和點(diǎn)，在含水率梯度、蒸汽壓梯度、溫度梯度的作用下，細(xì)胞壁不定型區(qū)的吸著水的氫鍵斷裂，以水蒸氣的形式沿著相鄰的細(xì)胞腔、紋孔腔及紋孔膜上的微孔，向木材表面擴(kuò)散。

3 對(duì)木材高溫過(guò)熱蒸汽干燥研究的思考與建議

（1）深入微觀層面上的研究，分析如何用熱分析動(dòng)力學(xué)等理論解析干燥機(jī)理。

（2）木材高溫過(guò)熱蒸汽干燥與常規(guī)干燥具有許多相似之處，可借鑒常規(guī)干燥理論研究方法，建立干燥工藝與技術(shù)的理論模型，從而可以根據(jù)產(chǎn)品需求，設(shè)計(jì)準(zhǔn)確的干燥工藝。

（3）研究聯(lián)合干燥技術(shù)，由于密閉真空的條件可以提供理想的壓力梯度，真空過(guò)熱蒸汽聯(lián)合將進(jìn)一步加大干燥速率。

（4）通過(guò)正確有效的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，可以建立不同樹種高溫過(guò)熱蒸汽干燥的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，將極大便利木材干燥行業(yè)，推動(dòng)其發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃榮鳳，呂建雄，曹永建，等.高溫?zé)崽幚韺?duì)毛白楊木材化學(xué)成分含量的影響[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（3）.

[2] 張士成，齊華春，劉一星，等.高溫過(guò)熱蒸汽處理對(duì)木材結(jié)晶性能的影響[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010（5）.

[3] 程萬(wàn)里，劉一星，師岡敏朗，等.高溫高壓蒸汽干燥過(guò)程中木材的收縮應(yīng)力特征[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（2）.

[4] 齊華春，劉一星，程萬(wàn)里.高溫高壓過(guò)熱蒸汽處理木材的熱穩(wěn)定性[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（9）.

[5] 曹崇文，連政國(guó).過(guò)熱蒸汽干燥的機(jī)理與特性[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科版），1997（S1）.

[6] 王維斌，傅憲輝，李選友，等.過(guò)熱蒸汽干燥傳熱傳質(zhì)特性的理論分析與試驗(yàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010（10）.