木材浮压干燥过程的传热传质

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1、木材浮压干燥过程的传热传质(作者：伊松林导师：张璧光教授、常建民教授)摘要木材干燥是木材加工与利用的基础环节，其能耗约占木制品生产总能耗的40%～70%。对木材进行正确合理的干燥处理，既是保证木制品质量的关键，又是木材合理利用和节约木材的重要手段，其重要性和经济效果也越来越被人们所认识、所实践。传统的干燥方法通常是以湿空气作为干燥介质，将空气温度、相对湿度和气流速率作为控制木材干燥过程的“三要素”。然而，在影响木材内部水分移动和表面蒸发强度的外部因素中，周围空气的压力也同样是一个决定性的因素。木材的浮压干燥就是在充

2、分考虑了外界压力影响的基础之上，出现的一种新型的干燥技术。它与传统的常规蒸汽干燥以及通常意义上的真空干燥相比，最主要的区别在于是以过热蒸汽作为干燥介质，且将压力因素从基本保持压力不变扩展到改变压力并使其浮动。这种环境压力的波动可大大加快木材内部水分的移动速率，而且在整个浮压干燥过程中，木材表面始终处于湿润状态，从而可以有效地防止因表面水分蒸发过程快而导致木材干燥应力的增加，进而防止开裂和变形的产生。木材的浮压干燥以其干燥速率快、质量好等一系列突出的优点，日益受到木材干燥界的广泛重视，被国际上认为是最具发展前景的木材

3、干燥新工艺。在目前我国木材供需矛盾日益突出的今天，研究开发这种干燥工艺和技术，对提高干燥质量和干燥效率，节约木材具有重要意义。浮压干燥技术尽管在德国、丹麦、法国、加拿大等国有小规模的工业应用，但诸多工艺问题并未从机理上得到根本的解决。目前，国内外对木材浮压干燥的理论研究还比较少见，关于浮压干燥的干燥特性和干燥规律等方面缺乏系统深入地研究，特别是对浮压干燥过程中木材内部热质传递规律的研究尚属空白。因此，开展浮压干燥的基础研究与实用性试验，将具有重要的理论意义和实用价值。本篇论文来源于国家自然基金课题（59876005

4、），其研究内容与实际生产需要密切相关，着眼于当前急需解决的进口硬阔叶材等难干材以及速生材和幼龄材的干燥问题。本论文以木材的浮压干燥为背景，在其实用价值最大的压力区段即负压区段进行试验研究。文中首先从浮压干燥的干燥介质特性入手，通过对木材浮压干燥的基本规律以及干燥过程中木材内部热质传递规律等方面的研究，建立了木材浮压干燥热质传递的数学模型，进而为浮压干燥工艺的优化设计和过程控制提供理论依据。这一探索性的研究，以全新的理念为木材干燥技术的创新和发展开辟了一条崭新的道路。本研究主要成果与创新点如下：1.从干燥介质的热力学

5、特性出发，对真空状态下过热蒸汽和空气干燥“逆转温度”的存在进行了深入的理论分析，求解了真空状态下过热蒸汽干燥“逆转温度”的理论模型，并首次通过空气与过热蒸汽干燥的对比试验发现了真空状态下过热蒸汽干燥“逆转温度”的存在。在仅有对流换热的条件下，当环境绝对压力为0.02MPa时，“逆转温度”的理论值为90℃左右，试验值在80℃～85℃之间。出现偏差的主要原因是由于理论分析时未考虑真空过热蒸汽的辐射特性。已有的研究表明，在（常压）过热蒸汽干燥时存在一个温度点，称为“逆转温度”，当过热蒸汽的温度高于“逆转温度”的温度时，过

6、热蒸汽干燥速率比空气要快，低于逆转温度时则正好相反。由于木材浮压干燥的工业化应用是在负压区实现的，因此对真空状态下过热蒸汽干燥是否也存在“逆转温度”问题的研究非常重要。如果真空状态下的“逆转温度”确实存在，那么在制定木材浮压干燥工艺时，就可使干燥介质温度始终高于“逆转温度”，这样即可实现在保持较快干燥速率的基础之上，充分发挥过热蒸汽干燥时木材表面对流换热系数大、传质阻力和干燥品质好等一系列的优势，这对于优化木材浮压干燥工艺具有重要的理论意义和实用价值。2.首次通过大量的试验和理论分析较为系统深入地研究了木材浮压干燥

7、的基本规律。①通过对浮压和常规干燥过程中预热阶段的对比试验研究表明：木材浮压干燥预热阶段进行的非常迅速。在绝对压力为0.02MPa，介质温度分别为60℃、80℃时，以蒸汽为干燥介质时的平均升温速率分别是以空气为干燥介质时的1.55、1.64倍。这说明随着干燥介质温度的提高，从预热阶段的升温速率来讲，以蒸汽为干燥介质要优于以空气为干燥介质；同时试验中还发现以蒸汽为干燥介质时，在预热阶段结束后的木材的含水率比预热之前的初含水率要大。这主要是因水分凝结所致，由于凝结的水分仅位于木材表面且预热时间很短，因此对整个干燥过程影

8、响很小。②通过试验及理论分析，探讨了试件尺寸（厚度和长度）对浮压干燥速率的影响规律。试验表明，在一定尺寸范围内，浮压干燥的干燥速率不受试件厚度的影响，但受试件长度的影响。然而，有一点应当特别关注，即纵向水分移动的速率随试件长度的增加衰减迅速，随着试件长度的增加木材内水分从侧面的移动对干燥速率的贡献率将逐渐占据主导地位。因此，在浮压干燥过程中，预见有一个“临界