超声波协同下的木材真空过热蒸汽干燥水分迁移机制

Ultrasonic-assisted wood vacuum superheated steam drying, which combines the advantages of ultrasonic drying and vacuum superheated steam drying, is an innovation drying method. This combined drying method could dry wood with a high speed at low temperature condition for the reason that the ultrasonic cavitation, the turbulent gas and the environment of vacuum superheated steam could damage channels inner wood, decrease the adhesive force between water and wood, attenuate the boundary layer and enhance the diffusion of slug flow and hygroscopic water. This study mainly discusses the effects of ultrasonic frequency, ultrasonic power and vacuum drying medium on the convective heat transfer coefficient, mass transfer coefficient at boundary layer, and wood microstructure, heat and mass transfer inner wood. To know the drying characteristics of this innovation drying method, the water migration model was established, and the parameters (ultrasonic frequency, ultrasonic power, drying temperature and absolute pressure) were optimized. This research lays a theoretical foundation for the application of ultrasonic-assisted wood vacuum superheated steam drying, for the establishing of drying schedule and for the accuracy control of the combined drying process.

超声波协同下的木材真空过热蒸汽干燥是一种结合了超声波和真空过热蒸汽干燥优点的创新干燥方法。协同干燥过程中由于超声波的气穴现象、木材表面的气相湍动增强以及外界的真空过热蒸汽环境，使得木材内部水分通道被打通，水分与木材的附着力减小，木材边界层变薄，毛细管液体的柱塞流以及液、汽湿分扩散增强，从而可实现木材在低温条件下的快速干燥。本研究通过超声波频率、强度、真空干燥介质条件对边界层对流换热系数、传质系数、木材显微结构变化以及木材内部热、质传递影响规律的研究，建立超声波协同木材真空过热蒸汽干燥过程中水分迁移的数学模型， 并就超声波频率、强度、干燥温度、绝对压力等协同参数进行优化匹配，进而揭示超声波协同下的木材真空过热蒸汽干燥水分迁移的基本规律，为该项技术的工业化应用、协同干燥工艺的科学制定，以及协同干燥过程的精确控制奠定理论基础。

本研究采用超声波协同下的木材真空过热蒸汽干燥方法，在超声波与真空过热蒸汽作用下，通过打通木材内部水分通道、减小水分与木材的附着力、减少抽提物含量、提高木材内部温度，使木材渗透性增强、边界层变薄、水分扩散系数增大，实现了木材在低温条件下的快速干燥。.本研究主要从超声波协同真空过热蒸汽干燥条件对边界层对流换热系数和传质系数的影响，对木材显微结构变化的影响，对木材内部热、质传递的影响规律，对不同含水率试材干燥速率的影响，以及超声波协同真空过热蒸汽干燥过程中干燥参数的优化等几个方面展开。研究表明，超声波能够用于改变边界层的性质，从而强化木材表层传热；超声波能够强化边界层质量传递，且超声波功率越大，频率越高，木材单位时间内的失水量越大；超声波-真空协同干燥过程中，打通了木材内部水分通道，减少抽提物含量，利于结合水的扩散，从而提高了水分扩散系数；超声波处理木材内部的温度高于对照组木材，从而有利于水分迁移；处理时间、超声波功率和绝对压强都会对木材的显微结构造成很大影响；超声波对高含水率木材的作用大于低含水率的木材，且含水率对于木材内部温度场影响显著，超声波更有利于自由水的干燥。 .通过对超声波协同下的木材真空过热蒸汽干燥进行研究，不仅对揭示该过程中的基本规律具有重要意义，而且为该项技术的工业化应用和协同干燥工艺的科学制定奠定了理论基础。