木材高温过热蒸汽干燥的传热传质特征

邱晨　何正斌

摘 要：介绍高温过热蒸汽干燥的特点、发展过程及其对木材物理化学性质的影响，高温过热蒸汽干燥法的优缺点。着重探究木材在高温热蒸汽过程中热—质迁移特征，分析得出在“逆转点”以上，提高过热蒸汽温度，增大过热蒸汽的流速对提高木材高温过热蒸汽干燥速率具有重要意义；最后对高温过热蒸汽干燥提出一些新思考，为过热蒸汽干燥提供一定的理论基础。

关键词：过热蒸汽 传热传质 干燥速率

中图分类号：S781 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）005-053-02

过热蒸汽干燥是指用过热蒸汽直接与被干物料接触而去除水分的干燥方式。在木材科学领域开展过热蒸汽干燥的研究始于20世纪50年代，由于干燥介质是高温水蒸气，将大大缩短干燥时间，提高干燥效率和干燥质量，被国际干燥协会主席Mujumdar称为未来很有发展前景的干燥新技术。

1 高温过热蒸汽干燥对木材化学、物理性能的影响

1.1 高温过热蒸汽干燥对木材化学组成及结晶特征的影响

（1）在高温条件下，木材组分会发生热降解反应、缩聚反应等的化学反应。三大组分的降解速率表现为：半纤维素>纤维素>木素。半纤维素剧烈降解的温度范围为225～325℃，纤维素为325～375℃；木质素发生降解反应的温度范围为250～500℃，并且在310～420℃范围内最为剧烈。

（2）高温、高湿度处理后木材的相对结晶度会有一定程度的提高。处理后木材的相对结晶度受温度的影响非常显著，受相对湿度的影响不显著。

1.2 高温过热蒸汽干燥对木材物理及力学性能的影响

（1）过热蒸汽条件下，随着温度的增加，木材应力松弛急剧增大，收缩应力显著降低；残余应力得到有效抑制。（2）处理材的热稳定性随处理温度的升高而提高；相同温度条件下，相对湿度较低时处理材热稳定性较好。（3）木材的吸湿性可降低，处理后木材平衡含水率降低1%～2%，并且吸湿滞后现象更为明显。（4）处理后木材抗压强度变化不明显，抗拉强度有所下降，抗弯强度和弹性模量因树种而异。

1.3 高温过热蒸汽干燥的优缺点

过热蒸汽干燥缺点：过热蒸汽干燥设备对耐热、耐腐蚀性、气密性的要求较高，且装、卸料装置结构复杂，高温作业时管道易失效破裂。设备筹建和维修费用高。

2 木材高温过热蒸汽干燥过程中传热传质特征的探究

2.1 木材高温过热蒸汽干燥机理

高温过热蒸汽干燥过程中，过热蒸汽既是热的载体，又是质的载体。它作为干燥介质掠过木材表面，将热量以对流的方式传给湿材，提高木材表面及内部水分子的动能，以破坏水分与木材的结合力，使水分气化为蒸汽进入周围的过热蒸汽气流中，再利用风机强制循环将水分带走，从而达到干燥的目的。

2.2 木材高温过热蒸汽干燥过程中的传热特征

木材中的水分由自由水和结合水组成，自由水存在于细胞腔和细胞间隙组成的大毛细管系统中，与液态水的性质接近。吸着水（结合水）存在于细胞壁中，与细胞壁无定型区中的羟基形成氢键结合。

不难得出，木材单位时间内的传热量大小主要受对流换热系数和蒸汽与木材表面之间温差的影响。需要注意的是在加热阶段，当木材温度很低或蒸汽过热量不足时，蒸汽会凝结成小水滴附着在木材表面，释放大量潜热，不能应用以上公式。此时，过热蒸汽的热传递较热风干燥要弱。当干燥介质超过一定温度时，有些学者称其为“逆转点”，过热蒸汽的对流换热系数大于热空气，木材的干燥速率将超过常规干燥。在不产生木材缺陷的前提下，提高过热蒸汽的温度，尽可能地增大干燥介质与木材之间的温度梯度，可显著提高传热效率，进而提高干燥效率。这也是我们经常称过热蒸汽干燥为“高温过热蒸汽干燥”的原因，如果干燥的温度没有达到逆转点，此种干燥方法将失去实施的意义，目前逆转点的经验值在170℃～220℃之间。

2.3 木材过热蒸汽干燥过程中的传质特征

木材内外干燥析出的水分转移到过热蒸汽气流的过程，即传质过程。木材干燥水分的迁移分为两个阶段，当木材的含水率在纤维饱和点以上时，主要是自由水在毛细管张力差与水蒸气压力差的作用下，沿大毛细管路径迁移，流动至木材表面，其难易取决于木材的渗透性；当木材的含水率低于纤维饱和点，在含水率梯度、蒸汽压梯度、温度梯度的作用下，细胞壁不定型区的吸着水的氢键断裂，以水蒸气的形式沿着相邻的细胞腔、纹孔腔及纹孔膜上的微孔，向木材表面扩散。

3 对木材高温过热蒸汽干燥研究的思考与建议

（1）深入微观层面上的研究，分析如何用热分析动力学等理论解析干燥机理。

（2）木材高温过热蒸汽干燥与常规干燥具有许多相似之处，可借鉴常规干燥理论研究方法，建立干燥工艺与技术的理论模型，从而可以根据产品需求，设计准确的干燥工艺。

（3）研究联合干燥技术，由于密闭真空的条件可以提供理想的压力梯度，真空过热蒸汽联合将进一步加大干燥速率。

（4）通过正确有效的实验设计，可以建立不同树种高温过热蒸汽干燥的基础数据库，将极大便利木材干燥行业，推动其发展。

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