木材浮壓干燥過程的傳熱傳質(zhì)

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1、木材浮壓干燥過程的傳熱傳質(zhì)(作者：伊松林導師：張璧光教授、常建民教授)摘要木材干燥是木材加工與利用的基礎環(huán)節(jié)，其能耗約占木制品生產(chǎn)總能耗的40%～70%。對木材進行正確合理的干燥處理，既是保證木制品質(zhì)量的關鍵，又是木材合理利用和節(jié)約木材的重要手段，其重要性和經(jīng)濟效果也越來越被人們所認識、所實踐。傳統(tǒng)的干燥方法通常是以濕空氣作為干燥介質(zhì)，將空氣溫度、相對濕度和氣流速率作為控制木材干燥過程的“三要素”。然而，在影響木材內(nèi)部水分移動和表面蒸發(fā)強度的外部因素中，周圍空氣的壓力也同樣是一個決定性的因素。木材的浮壓干燥就是在充

2、分考慮了外界壓力影響的基礎之上，出現(xiàn)的一種新型的干燥技術。它與傳統(tǒng)的常規(guī)蒸汽干燥以及通常意義上的真空干燥相比，最主要的區(qū)別在于是以過熱蒸汽作為干燥介質(zhì)，且將壓力因素從基本保持壓力不變擴展到改變壓力并使其浮動。這種環(huán)境壓力的波動可大大加快木材內(nèi)部水分的移動速率，而且在整個浮壓干燥過程中，木材表面始終處于濕潤狀態(tài)，從而可以有效地防止因表面水分蒸發(fā)過程快而導致木材干燥應力的增加，進而防止開裂和變形的產(chǎn)生。木材的浮壓干燥以其干燥速率快、質(zhì)量好等一系列突出的優(yōu)點，日益受到木材干燥界的廣泛重視，被國際上認為是最具發(fā)展前景的木材

3、干燥新工藝。在目前我國木材供需矛盾日益突出的今天，研究開發(fā)這種干燥工藝和技術，對提高干燥質(zhì)量和干燥效率，節(jié)約木材具有重要意義。浮壓干燥技術盡管在德國、丹麥、法國、加拿大等國有小規(guī)模的工業(yè)應用，但諸多工藝問題并未從機理上得到根本的解決。目前，國內(nèi)外對木材浮壓干燥的理論研究還比較少見，關于浮壓干燥的干燥特性和干燥規(guī)律等方面缺乏系統(tǒng)深入地研究，特別是對浮壓干燥過程中木材內(nèi)部熱質(zhì)傳遞規(guī)律的研究尚屬空白。因此，開展浮壓干燥的基礎研究與實用性試驗，將具有重要的理論意義和實用價值。本篇論文來源于國家自然基金課題（59876005

4、），其研究內(nèi)容與實際生產(chǎn)需要密切相關，著眼于當前急需解決的進口硬闊葉材等難干材以及速生材和幼齡材的干燥問題。本論文以木材的浮壓干燥為背景，在其實用價值最大的壓力區(qū)段即負壓區(qū)段進行試驗研究。文中首先從浮壓干燥的干燥介質(zhì)特性入手，通過對木材浮壓干燥的基本規(guī)律以及干燥過程中木材內(nèi)部熱質(zhì)傳遞規(guī)律等方面的研究，建立了木材浮壓干燥熱質(zhì)傳遞的數(shù)學模型，進而為浮壓干燥工藝的優(yōu)化設計和過程控制提供理論依據(jù)。這一探索性的研究，以全新的理念為木材干燥技術的創(chuàng)新和發(fā)展開辟了一條嶄新的道路。本研究主要成果與創(chuàng)新點如下：1.從干燥介質(zhì)的熱力學

5、特性出發(fā)，對真空狀態(tài)下過熱蒸汽和空氣干燥“逆轉(zhuǎn)溫度”的存在進行了深入的理論分析，求解了真空狀態(tài)下過熱蒸汽干燥“逆轉(zhuǎn)溫度”的理論模型，并首次通過空氣與過熱蒸汽干燥的對比試驗發(fā)現(xiàn)了真空狀態(tài)下過熱蒸汽干燥“逆轉(zhuǎn)溫度”的存在。在僅有對流換熱的條件下，當環(huán)境絕對壓力為0.02MPa時，“逆轉(zhuǎn)溫度”的理論值為90℃左右，試驗值在80℃～85℃之間。出現(xiàn)偏差的主要原因是由于理論分析時未考慮真空過熱蒸汽的輻射特性。已有的研究表明，在（常壓）過熱蒸汽干燥時存在一個溫度點，稱為“逆轉(zhuǎn)溫度”，當過熱蒸汽的溫度高于“逆轉(zhuǎn)溫度”的溫度時，過

6、熱蒸汽干燥速率比空氣要快，低于逆轉(zhuǎn)溫度時則正好相反。由于木材浮壓干燥的工業(yè)化應用是在負壓區(qū)實現(xiàn)的，因此對真空狀態(tài)下過熱蒸汽干燥是否也存在“逆轉(zhuǎn)溫度”問題的研究非常重要。如果真空狀態(tài)下的“逆轉(zhuǎn)溫度”確實存在，那么在制定木材浮壓干燥工藝時，就可使干燥介質(zhì)溫度始終高于“逆轉(zhuǎn)溫度”，這樣即可實現(xiàn)在保持較快干燥速率的基礎之上，充分發(fā)揮過熱蒸汽干燥時木材表面對流換熱系數(shù)大、傳質(zhì)阻力和干燥品質(zhì)好等一系列的優(yōu)勢，這對于優(yōu)化木材浮壓干燥工藝具有重要的理論意義和實用價值。2.首次通過大量的試驗和理論分析較為系統(tǒng)深入地研究了木材浮壓干燥

7、的基本規(guī)律。①通過對浮壓和常規(guī)干燥過程中預熱階段的對比試驗研究表明：木材浮壓干燥預熱階段進行的非常迅速。在絕對壓力為0.02MPa，介質(zhì)溫度分別為60℃、80℃時，以蒸汽為干燥介質(zhì)時的平均升溫速率分別是以空氣為干燥介質(zhì)時的1.55、1.64倍。這說明隨著干燥介質(zhì)溫度的提高，從預熱階段的升溫速率來講，以蒸汽為干燥介質(zhì)要優(yōu)于以空氣為干燥介質(zhì)；同時試驗中還發(fā)現(xiàn)以蒸汽為干燥介質(zhì)時，在預熱階段結束后的木材的含水率比預熱之前的初含水率要大。這主要是因水分凝結所致，由于凝結的水分僅位于木材表面且預熱時間很短，因此對整個干燥過程影

8、響很小。②通過試驗及理論分析，探討了試件尺寸（厚度和長度）對浮壓干燥速率的影響規(guī)律。試驗表明，在一定尺寸范圍內(nèi)，浮壓干燥的干燥速率不受試件厚度的影響，但受試件長度的影響。然而，有一點應當特別關注，即縱向水分移動的速率隨試件長度的增加衰減迅速，隨著試件長度的增加木材內(nèi)水分從側面的移動對干燥速率的貢獻率將逐漸占據(jù)主導地位。因此，在浮壓干燥過程中，預見有一個“臨界