木材真空干燥中蒸汽潛熱回收的理論探討

木材干燥是木制品生產(chǎn)過程中最為重要的工藝環(huán)節(jié)，其能耗約占到木制品生產(chǎn)總能耗的40％一70％。對木材進(jìn)行正確合理的干燥處理，既是保證木制品質(zhì)量的關(guān)鍵，又是合理利用和節(jié)約木材的重要手段。

據(jù)文獻(xiàn)報道，北京地區(qū)常規(guī)蒸汽干燥的換氣熱損失在40％左右。為了節(jié)約能量。筆者通過對木材真空干燥過程中過飽和蒸汽的形成機(jī)理的介紹，應(yīng)用異質(zhì)核化原理，提出通過向真空干燥箱中通入凝結(jié)核，使過飽和蒸汽(由于凸形液面上方有較大的飽和蒸汽壓，蒸汽就不容易在凸液面上凝聚，特別是使蒸汽凝結(jié)為液滴十分困難，因?yàn)樵谝旱涡纬傻淖畛蹼A段，液滴十分小，凸面的曲率半徑十分小，相應(yīng)的飽和蒸汽壓相當(dāng)大，有時蒸汽壓超過平液面上的飽和蒸汽壓的好幾倍，無法凝成液滴，這種蒸汽叫過飽和蒸汽)凝結(jié)的設(shè)想，從而將高溫高濕的過飽和蒸汽直接轉(zhuǎn)化為液滴的形式進(jìn)行排放，不僅能使這部分水蒸氣的汽化潛熱得以重新利用，使水蒸氣以液態(tài)的形式排除從而節(jié)約為保持真空度時而消耗的能量以及減少水蒸氣的排放，還能減少空間水蒸氣的含量而加快木材內(nèi)部水分移動速率，從而提高干燥速度。

一、真空干燥過程中過飽和蒸汽的形成機(jī)理、應(yīng)用設(shè)想及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1、過飽和蒸汽的形成機(jī)理蒸汽要形成液滴降落有同質(zhì)核化(均質(zhì)核化)和異質(zhì)核化2種方式。同質(zhì)核化(均質(zhì)核化)是指只有水物質(zhì)參與，沒有其他任何物質(zhì)，而組成以聚合形式出現(xiàn)的純初相胚胎：異質(zhì)核化是指有其他物質(zhì)(氣溶膠粒子)參與核化作用而產(chǎn)生新相胚胎。如果空氣非常純凈，無雜質(zhì)存在，凝結(jié)過程只能通過蒸汽分子自身聚合實(shí)現(xiàn)，這時發(fā)生的是均質(zhì)核化凝結(jié)；在有細(xì)微顆粒存在的過飽和蒸汽環(huán)境中，微粒提供了一個汽一轉(zhuǎn)化的基底，蒸汽在顆粒上發(fā)生異質(zhì)核化凝結(jié)51，而在真空干燥中，由于真空度很低，而且干燥箱內(nèi)絕大部分都是水蒸氣，在通常情況下是進(jìn)行同質(zhì)核化，但是由于同質(zhì)核化的液滴很小，根據(jù)開爾文公式川可以看出，只有當(dāng)液滴半徑大于rc，過飽和水蒸氣才可能凝結(jié)。經(jīng)驗(yàn)表明，水滴的同質(zhì)核化要求濕度的條件較高，按照飽和比的要求，要達(dá)到4.7，即相對濕度為470％，而這在自然條件下是不存在的，所以真空干燥過程中水滴的同質(zhì)核化是不可能的。

2、異質(zhì)核化在木材真空干燥中的應(yīng)用設(shè)想研究采用人工降雨的方法使得真空干燥箱內(nèi)的水蒸氣以異質(zhì)核化的形式凝結(jié)，人工降雨主要是依據(jù)自然降雨的原理，通過飛機(jī)播撒或利用高炮，火箭從地面上發(fā)射催化劑，如碘化銀、干冰、液氮等，從而降低云層溫度，形成飽和水汽，或者向含有過飽和水汽的云層中撒播凝結(jié)核，增加云中的冰晶數(shù)量，進(jìn)而增加雨滴的數(shù)量和直徑，提高降水轉(zhuǎn)化率，從而增加局地自然降水的目的。在木材真空干燥過程中，于過飽和蒸汽已經(jīng)存在，此時如果在蒸汽中引入塵埃、雜質(zhì)、離子等微粒，凝結(jié)就溶液發(fā)生，這是因?yàn)檫@些微粒表面上附上一層液體后便成為半徑相當(dāng)大的液滴，蒸汽的凝結(jié)就在微粒表面上發(fā)生pJ。所以向干燥箱內(nèi)通人凝結(jié)核就能以人工降雨的形式將過飽和蒸汽以雨滴的形式凝結(jié)，進(jìn)而利用液滴放出的汽化潛熱。

1958年。兀etcher在Volmer不可溶平面核化凝結(jié)經(jīng)典理論基礎(chǔ)上．首次提出了過飽和蒸汽在不可溶、表面均勻、光滑的球形顆粒上的異質(zhì)核化理論1。Fletcher用該理論計(jì)算了顆粒尺寸和表面特性對異質(zhì)核化成核率的影響，結(jié)果表明，顆粒半徑在0.01—0.1 laxn時，尺寸對成核率的影響較為明顯；半徑大于0.1斗m的顆粒，成核率與顆粒尺寸幾乎無關(guān)；而對于半徑小于0.01岬，的顆粒，成核率急劇下降，顆粒物表面特性對成核率有顯著影響。所以在干燥過程中可以向干燥箱內(nèi)通入半徑大于0.01 la,rn的凝結(jié)核，從而讓過飽和蒸汽凝結(jié)。

3、真空干燥過程中過飽和蒸汽的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在真空干燥過程中，干燥溫度分別取30、40、50、60、70、80、90℃，向干燥箱內(nèi)通入水蒸氣，最后壓力均能達(dá)到0.1 MICa，而30～90℃的飽和蒸汽壓(表1)H1均低于0．1 MPa。由此可以看出，在真空干燥過程中，干燥箱內(nèi)水蒸氣均達(dá)到了過飽和狀態(tài)。

二、真空干燥過程中理論節(jié)能率的理論計(jì)算

節(jié)能量的理論計(jì)算假設(shè)在木材真空干燥過程中的各個溫度階段最后的壓力均為0.1 MPa，通入凝結(jié)核之后，真空干燥箱內(nèi)的所有過飽和蒸汽都以液滴的形式凝結(jié)出來，最后達(dá)到該條件下的飽和狀態(tài)，

三、結(jié)論與討論

研究通過對真空干燥過程中過飽和蒸汽的形成機(jī)理的介紹，對真空干燥過程中所需總能量和節(jié)能量的計(jì)算以及理論節(jié)能率的計(jì)算，得出以下結(jié)論。①在真空干燥過程中由于干燥箱內(nèi)部基本上是水蒸氣，其他雜質(zhì)較少，所以水蒸氣發(fā)生同質(zhì)核化，但是由于同質(zhì)核化很難進(jìn)行，所以在真空干燥過程中都會產(chǎn)生過飽和蒸汽。②可以通過向真空干燥箱內(nèi)部通入凝結(jié)核，運(yùn)用人工降雨的機(jī)理對讓過飽和蒸汽進(jìn)行異質(zhì)核化，從而使得蒸汽中過飽和部分以液滴的形式凝結(jié)。③通過理論計(jì)算，干燥l m3杉木(含水率從60％一10％)可以節(jié)約的能量為75．074 W，理論節(jié)能率為45.3％。④研究僅為理論計(jì)算，實(shí)際節(jié)能率需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。http://www.frameer.com