邱晨　何正斌

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

關(guān)鍵詞：過熱蒸汽 傳熱傳質(zhì) 干燥速率

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

過熱蒸汽干燥是指用過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，將大大縮短干燥時間，提高干燥效率和干燥質(zhì)量，被國際干燥協(xié)會主席Mujumdar稱為未來很有發(fā)展前景的干燥新技術(shù)。

1 高溫過熱蒸汽干燥對木材化學(xué)、物理性能的影響

1.1 高溫過熱蒸汽干燥對木材化學(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結(jié)晶度會有一定程度的提高。處理后木材的相對結(jié)晶度受溫度的影響非常顯著，受相對濕度的影響不顯著。

1.2 高溫過熱蒸汽干燥對木材物理及力學(xué)性能的影響

（1）過熱蒸汽條件下，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，相對濕度較低時處理材熱穩(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）處理后木材抗壓強度變化不明顯，抗拉強度有所下降，抗彎強度和彈性模量因樹種而異。

1.3 高溫過熱蒸汽干燥的優(yōu)缺點

過熱蒸汽干燥缺點：過熱蒸汽干燥設(shè)備對耐熱、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)時管道易失效破裂。設(shè)備籌建和維修費用高。

2 木材高溫過熱蒸汽干燥過程中傳熱傳質(zhì)特征的探究

2.1 木材高溫過熱蒸汽干燥機理

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

2.2 木材高溫過熱蒸汽干燥過程中的傳熱特征

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)胞壁無定型區(qū)中的羥基形成氫鍵結(jié)合。

不難得出，木材單位時間內(nèi)的傳熱量大小主要受對流換熱系數(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熱量不足時，蒸汽會凝結(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，過熱蒸汽的熱傳遞較熱風(fēng)干燥要弱。當(dāng)干燥介質(zhì)超過一定溫度時，有些學(xué)者稱其為“逆轉(zhuǎn)點”，過熱蒸汽的對流換熱系數(shù)大于熱空氣，木材的干燥速率將超過常規(guī)干燥。在不產(chǎn)生木材缺陷的前提下，提高過熱蒸汽的溫度，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)常稱過熱蒸汽干燥為“高溫過熱蒸汽干燥”的原因，如果干燥的溫度沒有達(dá)到逆轉(zhuǎn)點，此種干燥方法將失去實施的意義，目前逆轉(zhuǎn)點的經(jīng)驗值在170℃～220℃之間。

2.3 木材過熱蒸汽干燥過程中的傳質(zhì)特征

木材內(nèi)外干燥析出的水分轉(zhuǎn)移到過熱蒸汽氣流的過程，即傳質(zhì)過程。木材干燥水分的遷移分為兩個階段，當(dāng)木材的含水率在纖維飽和點以上時，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，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 對木材高溫過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力學(xué)等理論解析干燥機理。

（2）木材高溫過熱蒸汽干燥與常規(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，真空過熱蒸汽聯(lián)合將進(jìn)一步加大干燥速率。

（4）通過正確有效的實驗設(shè)計，可以建立不同樹種高溫過熱蒸汽干燥的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，將極大便利木材干燥行業(yè)，推動其發(fā)展。

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