木材干燥技术—木材干燥基础知识

第二章木材干燥基础知识2.1 与干燥有关的木材性质2.1.1 木材中的水分2.1.1.1 木材中水分的由来2.1.1.2 木材中水分的状态存在于大毛细管系统（细胞腔和细胞间隙）中的水叫自由水。

自由水的增减，只能影响木材的重量、保存和燃烧能力，而不影响木材的性质；存在于微毛细管系统（细胞壁）中的水叫吸着水。

吸着水的增减变化，不仅使木材发生膨胀和收缩，而且也影响到木材的其它物理力学性质。

2.1.1.3 木材含水率木材中水分的含量叫做含水率（W），用水分的重量对木材重量之比的百分率（％）表示。

2.1.1.4 木材干湿程度的分级木材可按干湿程度分为六级：湿材、生材、半干材、气干材、室干材、绝干材2.1.1.5 木材的纤维饱和点当自由水蒸发完毕，而吸着水处于饱和状态时木材的含水率叫纤维饱和点。

纤维饱和点是木材性质的转折点，木材的强度、收缩性能，以及导热、导电性能都与其密切相关。

纤维饱和点随树种与温度而不同，就多种木材来说，在空气温度约为20℃空气湿度为100％时，纤维饱和点对应的含水率平均值为30%，变异范围为23～33％。

2.1.1.6 木材平衡含水率当木材含水率低于纤维饱和点时，细胞壁内的微毛细管系统能从湿空气中吸收水分，这现象叫做吸湿或吸收。

水分从微毛细管系统排往空气的现象叫做解吸。

薄小木料在一定空气状态下最后达到的吸湿稳定含水率或解吸稳定含水率叫做平衡含水率。

干燥木材最终的含水率为多少适宜，要根据使用地区的平衡含水率来确定。

通常情况下取终含水率=平衡含水率-2.5%.2.1.2 木材的干缩、变形与密度2.1.2.1 木材的干缩和变形干缩过程与湿胀过程一般限制在纤维饱和点与全干状态之间。

木材是各向异性体，由于弦、径、纵向干缩不一，进而导致木材的开裂和变形。

干缩规律：弦向〉径向〉纵向；干缩系数：是指纤维饱和点以下吸着水每减少1%的含水率所引起的干缩的数值。

利用干缩系数，可以算出纤维饱和点以下和任何含水率相当的木材干缩的数值。

Y W指定含水率下的干缩数值(%)；K－干缩系数(%)；W－指定木材含水率(%)2.1.2.2 密度密度是指单位体积的质量，木材密度是木材性质的一项重要指标。

基本密度（公定密度）：绝干密度：2.1.3 热学、电学性质2.1.3.1 热学性质：①比热C：加热单位质量的木材，当温度升高1℃时所吸收的热量。

（kcal/kg·℃）②导热系数λ：表示木材传递热量的能力。

（W/m·k）③导温系数a：木材在加热或冷却时，木材断面的均衡温度的能力。

2.1.3.2 电学性质：①介电常数ε；②电阻率R2.2 木材的干燥介质干燥介质是指在干燥室内能够传热、传湿的媒介物质。

即把热量传给木材，同时将木材排出的水汽带走的媒介物质。

气态干燥介质主要包括(湿)空气、炉气和常压过热蒸汽这三种。

2.2.1 炉气体燃料燃烧产生的炽热气体称为炉气。

炉气可由固体燃料（如煤和木材废料）、液体燃料（如石油）或气体燃料（如天然气和焦炉煤气）燃烧产生。

炉气既可用作干燥介质，又可用作载热体。

目前国内用炉气直接干燥木材的实例已很少。

2.2.2 常压过热蒸汽过热蒸汽干燥属于高温干燥，其特点是：干燥速度快，但由于干燥温度高(100℃～140℃)，只适用于干燥针叶树材和软阔叶树材中的薄木材；常压过热蒸汽干燥对干燥室的气密性和防腐蚀性有特殊的要求。

由于这一问题还没有解决，所以这种干燥方法至今并没有得到广泛的使用。

2.2.3 湿空气2.2.3.1 湿空气的含义湿空气是干空气（纯净的干空气是由75.5%的N2，23.2%的O2，和1.3%的H2组成）和水蒸汽的混合物，或是含有水蒸汽的空气。

湿空气的性质不但与它的组成成分有关，而且也决定于它所处的状态。

2.2.3.2 湿空气的状态参数①相对湿度：(Ф)定义：每1 m3湿空气中含有水蒸汽的重量与同温同压下可能含有的最大水蒸汽的重量之比。

ρ汽—绝对湿度：每1m3湿空气中所含水蒸汽的重量；ρ饱—湿容量：在一定温度下每1m3湿空气中所含干饱和蒸汽的克数(g/m3)。

即：饱和空气的绝对湿度。

相对湿度也可称作空气的饱和度，说明在一定温度下空气被水蒸汽所饱和的程度。

在木材干燥生产中，空气的Ф值，可在根据干球温度t干和湿度计差两个数值制定的温度表上查得。

(附录1 P329～P330)②湿含量(d)湿含量是指湿空气中含有水蒸汽的多少，其定义为1公斤干空气的湿空气中含有水蒸汽的克数。

假设，已知湿空气的湿含量为d，则含有1kg干空气的湿空气的重量为1+0.001d。

通过气态方程式换算：③热含量(I)定义为含有1kg干空气的湿空气中含有的热量，即(1+0.001d)公斤湿空气中含有的热量。

即：I＝干空气热含量+0.001d湿空气热含量（课本P12有计算公式）计算公式为：（KJ/Kg干空气）2.2.3.2 湿空气的Id-图及其应用①Id-图的组成Id-图如下所示，是以热含量(I)为纵坐标，以湿含量(d)为横坐标绘制而成，图中绘有五组线系 I、d、t、ф、P汽 (P14)。

②Id-图的应用a.空气的加热与冷却过程当空气加热时(A→B) A点沿着d=const线上升至B点，t增高，Ф减少当空气冷却时(A→C) A点沿着d=const线下降至C点， t降低，Ф增大。

若再继续冷却，如降到P点，与Ф＝1.0＝const线相交，此时的水蒸汽为饱和蒸汽，温度tp即为露点温度。

露点温度：一定状态的空气冷却到饱和状态时的温度叫露点温度。

b.已知任意两个参数可查出其余参数。

例题1 ：已知t=61℃，d=89g/kg干空气，求：其它参数?例题2 ：已知t=85℃，Ф=0.4，求：压力、比容?c.水分蒸发过程：(绝热蒸发过程)一个密闭系统与外界无热量交换，当空气Ф＜1时，则水分开始蒸发，此时空气供给水分蒸发的热量(汽化潜热)又被蒸发出来的水蒸汽带回到空气中去，即水分蒸发前后空气的焓不变。

空气状态的变化在Id图上沿I=const线，即AD线(I=const，t↓，d↑，Ф↑)。

冷却极限温度tm：是指水分蒸发时空气达到饱和状态时的温度。

湿球温度：在热含量不变的情况下,水分从木材蒸发到空气中,使其相对温度逐渐增加,当达到饱和状态时的温度。

因此,湿球温度t湿也叫做蒸发时的冷却极限温度。

d.两种不同状态介质的混合例如：新鲜空气与循环介质的混合。

（计算原则：混合前后热含量、湿含量不变）设：状态1：G1(I1，d1)→新鲜空气；状态2：G2(I2，d2)→循环空气；G2/G1=n，规定G1=1，则 G2=n混合后状态为：Gcm(Icm，dcm)∵混合前后热含量、湿含量不变∴移项：①；②将①、②式相除得：（直线方程）在图上求法，将1，2线等分为n+1，cm点在1，2线n份处例：设在干燥室内的湿度计的两个参数为t干=72℃和t湿=56℃，试：确定此时湿空气的其它参数。

解：在Id-图上，先找出t干=72℃，和t湿=56℃两点，沿t湿=56℃的常数线系找出与Ф=100％的交点，由此交点查出湿空气的热含量I=377(kj/kg)(90kcal/kg)。

I=377kj/kg)线和t干=72℃两线的交点就是所要确定的湿空气的状态点，据此可查得：湿空气的相对湿度Ф=44%；热含量I=377kj/kg；湿含量d=116g/kg干空气)；水蒸汽分压P汽=1600mmH2O＝16kPa课堂作业题:1.已知空气的温度t=64℃，Ф=60%，求将空气加热到86℃时的空气状态?2.已知空气的温度t=88℃，相对湿度Ф=55%，确定此时空气的露点温度t露和湿球温度t湿?3.若干燥室内的循环空气状态为t2=70℃，Ф2=90%，有500kg这种循环空气与50kg的t1=20℃，Ф1=60%的新鲜空气相混合。

确定混合后空气的状态?(求t cm,Фcm)2.3 木材加热与干燥的物理基础2.3.1 对流加热的基本规律与加热过程的计算2.3.1.1 热传递方式热转移有三种基本形式：导热、对流和辐射。

在木材干燥技术上，导热和对流具有更重要的意义。

①热传导(导热)；②对流传热；③热辐射2.3.1.2 对流加热的基本规律①稳定热交换；②不稳定热交换2.3.1.3 对流加热过程的计算2.3.2 干燥过程中木材水分的蒸发和移动2.3.2.1 木材表面的水分蒸发①必要条件：在对流传热传质过程中，湿物体表面的水分蒸发和周围介质状态有关,只有当水面或湿物体表面上的空气没有被水蒸汽饱和时,即φ〈100%时才能发生。

②影响自由水蒸发的因素在大气压力下水面的蒸发量可近似用道尔顿公式计算进一步推导得：kg/m2·h （P20公式1－33）△t→表示空气与被蒸发水分间的温度差从上式看出，决定水分蒸发强度的主要参数是△t，换句话说是空气的温度是影响木材水分蒸发的一个主要因素，而湿度是影响水分蒸发的制约因素。

③木材表面水分蒸发强度湿木材表面的水分蒸发，当其表层含水率没有降低到纤维饱和点（W FSP）以下时，与自由水面的水分蒸发情况相同。

可以用上面公式计算。

但是从木材表层含水率降低到W FSP的瞬间开始，情况就发生了变化，此时木材表面上的水蒸汽分压力P W将低于同温度下水面上的水蒸气分压，因此蒸发强度降低。

2.3.2.2 干燥过程中木材内部水分的移动可以设想在已经过预热后的木材内水分移动的模式：a.细胞腔内的自由水已蒸发掉一部分；b.较热处的细胞壁内的吸着水，在热能引起的蒸汽压力差的作用下，开始解吸，并向细胞腔移动，以水蒸汽的形式扩散入腔内，在较冷的细胞壁上凝结；c.一部分凝结水转化为吸着水，另一部分凝结水成为自由水，并凭借毛细管张力差的作用通过纹孔传递入相邻的细胞腔。

2.3.3 木材在气态介质中的对流干燥过程2.3.3.1 (理论)干燥曲线定义：在木材干燥过程中，木材平均含水率随时间而变化的曲线叫干燥曲线。

以时间为横坐标，含水率为纵坐标。

举例：设W初＝55%，要求W终＝8%在木材理论干燥曲线上分析干燥过程可分为三个阶段：①预热阶段：A—B段特点：木材均匀热透；不蒸发水分，但可以少量吸湿。

②等速干燥阶段：B—C段此阶段是自由水蒸发时期。

只要介质的温度、湿度和循环速度保持不变，含水率的降低速度也就保持不变。

由于木材表层的自由水蒸发完毕后，内部还有自由水，所以曲线图上向下倾斜直线线段的终了，并不等于说木材内的自由水已经完全排除。

在等速干燥阶段内，空气温度越高，湿度越低时，自由水蒸发越强烈。

③减速干燥阶段 C—D段自由水蒸发完毕以后，吸着水开始蒸发，随着吸着水的蒸发，蒸发过程逐渐向更微小的毛细管部分深入。

水分移动距离加长，所需要吸收的热量也越多，过程的时间越长，含水率降低的速度也越慢。

2.3.3.2 干燥介质条件对干燥速度的影响影响干燥速度的外界因素包括干燥介质的温度，相对湿度和气流循环速度。