超聲波—真空協(xié)同干燥自由水遷移速率1)

楊 飛 何正斌 趙 陽(yáng) 伊松林

(北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083)

木材真空干燥是一種在干燥環(huán)境壓力低于常壓條件下進(jìn)行干燥的方法，它可以使木材中的水分在低溫下產(chǎn)生沸騰［1］，以干燥速度快(特別是對(duì)于較厚的板材)、適用材種多等一系列突出優(yōu)點(diǎn)，受到了木材干燥界廣泛的重視［2］。然而真空狀態(tài)不僅加快了木材內(nèi)部水分的移動(dòng)，同時(shí)可能更加快了表面水分的蒸發(fā)。因此在干燥過(guò)程中，如果含水率較高，且真空度或絕對(duì)壓力控制不當(dāng)，木材中的含水率梯度將顯著增大，進(jìn)而導(dǎo)致木材內(nèi)應(yīng)力增加，更容易產(chǎn)生干燥缺陷［3］。此外，由于干燥在較低的絕對(duì)壓力下進(jìn)行，干燥介質(zhì)稀少，熱量傳遞困難，從而降低了傳熱效率［4］。因此，需要研究一種新的處理方法，在保持真空干燥優(yōu)點(diǎn)的前提下克服缺點(diǎn)。

超聲波處理作為一種新興的技術(shù)，由于處理過(guò)程中產(chǎn)生的海綿效應(yīng)、空穴效應(yīng)等作用，使得超聲波對(duì)多孔性物質(zhì)的脫水具有良好的效果［5］。與此同時(shí)，由于超聲波干燥過(guò)程中水分不需要通過(guò)汽化就能排除物料，所以超聲波可以在低溫下對(duì)物料進(jìn)行干燥［6］。近年來(lái)，超聲波技術(shù)越來(lái)越多地受到國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注，但是超聲波干燥主要用于食品干燥和干燥過(guò)程中含水率的在線(xiàn)檢測(cè)［7］。結(jié)果表明，超聲波干燥物料過(guò)程中，可以有效地提高材料內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)過(guò)程［8］，而有關(guān)用超聲波作為處理手段直接干燥木材的報(bào)道卻不多見(jiàn)。已有的研究表明，超聲波處理對(duì)自由水的干燥有很好的作用，而對(duì)結(jié)合水影響不大，而真空干燥更有利于結(jié)合水的干燥，所以超聲波—真空協(xié)同干燥技術(shù)不僅能彌補(bǔ)真空干燥的不足，還能結(jié)合超聲波處理和真空干燥的優(yōu)點(diǎn)。

本研究采用中國(guó)東北林區(qū)的核桃楸為試材，在不同的干燥溫度、絕對(duì)壓力、超聲波功率及頻率條件下，對(duì)試材進(jìn)行干燥，通過(guò)對(duì)干燥動(dòng)力性進(jìn)行對(duì)比分析，歸納各因素對(duì)超聲波—真空協(xié)同干燥自由水遷移速率的影響規(guī)律，并通過(guò)主成分分析和回歸方程的確定預(yù)測(cè)不同條件下的平均自由水遷移速率，了解各因素對(duì)協(xié)同干燥自由水遷移速率的影響程度，為超聲波—真空協(xié)同干燥的研究提供一些參考和根據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試件:核桃楸(Juglans mandshurica)，產(chǎn)于東北林區(qū)，無(wú)缺陷，直徑35 cm，樹(shù)齡40 a，初含水率50% ～60%。

規(guī)格:200 mm(縱向)×100 mm(弦向)×20 mm(徑向)，心材，48 塊。

處理和保存方法:用環(huán)氧樹(shù)脂封閉試件的兩端，冰柜儲(chǔ)存。

設(shè)備:本試驗(yàn)裝置是在真空干燥試驗(yàn)臺(tái)［9］的基礎(chǔ)上改裝而成，通過(guò)在真空干燥試驗(yàn)臺(tái)上增加超聲波處理設(shè)備，即超聲波發(fā)生器和超聲波換能器，形成超聲波—真空協(xié)同干燥試驗(yàn)裝置，如圖1所示。

圖1 超聲波—真空協(xié)同干燥試驗(yàn)臺(tái)

1.2 方法

本試驗(yàn)通過(guò)不同條件下自由水遷移速率的對(duì)比，分析研究有無(wú)超聲波處理、干燥溫度、絕對(duì)壓力、超聲波功率、超聲波頻率對(duì)超聲波—真空協(xié)同干燥的影響。具體試驗(yàn)參數(shù)與表1所示。

表1 超聲波—真空協(xié)同干燥試驗(yàn)參數(shù)

1.3 步驟

①?gòu)脑嚰辖厝【哂写硇缘? cm厚度的薄片來(lái)測(cè)量各個(gè)試件的初含水率。

②用環(huán)氧樹(shù)脂封閉試件的兩端以模擬實(shí)際干燥過(guò)程。

③對(duì)試件按照表1試驗(yàn)參數(shù)標(biāo)號(hào)，并記錄試件初質(zhì)量。

④按照表1給出的干燥條件對(duì)木材進(jìn)行干燥，干燥過(guò)程中，將試件置入真空干燥箱中，并把超聲波換能器放在試件上，按照試件的編號(hào)設(shè)定參數(shù)。試驗(yàn)開(kāi)始后，每隔2 h進(jìn)行1次稱(chēng)質(zhì)量。

⑤待試件的含水率降至纖維飽和點(diǎn)時(shí)，停止試驗(yàn)并將試件放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，在(103±2)℃下烘至絕干。

⑥重復(fù)3次試驗(yàn)取其平均值。通過(guò)計(jì)算得到干燥過(guò)程中各個(gè)階段的含水率，繪制干燥動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出各個(gè)條件對(duì)超聲波—真空協(xié)同干燥的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥動(dòng)力曲線(xiàn)分析

木材的纖維飽和點(diǎn)是自由水和結(jié)合水的分界點(diǎn)，且隨著溫度的升高而相應(yīng)降低，溫度每升高1℃，纖維飽和點(diǎn)降低0.1%;當(dāng)溫度為20℃時(shí)，纖維飽和點(diǎn)為30%［10］。因此可以根據(jù)公式(1)算出相應(yīng)溫度下的纖維飽和點(diǎn)。

式中:Mfsp為纖維飽和點(diǎn);T為溫度(℃)。

由此可得40℃時(shí)纖維飽和點(diǎn)為28%，60℃時(shí)纖維飽和點(diǎn)為26%。

2.1.1 不同處理?xiàng)l件下自由水的遷移速率

在不同處理?xiàng)l件下，試材的自由水遷移速率和相應(yīng)的變化程度如表2所示。

表2 不同處理?xiàng)l件下自由水的遷移速率

2.1.2 不同功率、頻率的超聲波處理對(duì)自由水遷移速率的影響

在不同超聲波處理?xiàng)l件下，試材含水率隨時(shí)間的變化如圖2所示。從圖2和表2可以看出，在不同條件下，超聲波處理可以使試材的自由水遷移速率提高8%～40%，這主要是因?yàn)樵诔暡ㄌ幚磉^(guò)程中，木材細(xì)胞膜和生物質(zhì)吸收聲波能量，使其溫度增加，同時(shí)由于超聲波處理可以產(chǎn)生空穴效應(yīng)和海綿效應(yīng)，有效提高了試材內(nèi)部水分的遷移速度，有利于干燥過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)，使得超聲波處理可以顯著地提高木材的自由水遷移速率。

圖2 不同溫度和壓力條件下試材含水率隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

隨著超聲波功率的增加，試材的自由水遷移速率越來(lái)越快，且在 40 ℃、0.05 MPa，40 ℃、0.02 MPa，60℃、0.05 MPa，60 ℃、0.02 MPa 條件下分別提高了 8.7%、20.0%、9.4%、27.3%。這主要是因?yàn)槌暡üβ试酱螅嚥墨@得的聲波能量越高，而能量越高，試材內(nèi)部的溫度越高，因此可以加快試材的自由水遷移速率。且從圖中可以看出，干燥溫度越高，超聲波功率對(duì)協(xié)同干燥自由水遷移速率的影響越大。

當(dāng)絕對(duì)壓力為0.05 MPa時(shí)，超聲波頻率低，則自由水遷移速率快，且隨著溫度的升高，自由水遷移速率的提高量分別為5.7%、6.7%;而當(dāng)絕對(duì)壓力為0.02 MPa時(shí)，超聲波頻率高，則自由水遷移速率快，且隨著溫度的升高，自由水遷移速率提高16.7%、18.2%?？梢钥闯?，在不同的條件下，超聲波頻率對(duì)自由水遷移速率的影響是不同的，這可能是因?yàn)槌暡ㄊ且环N機(jī)械波，而試材本身存在著固有頻率，當(dāng)超聲波的頻率和試材的固有頻率一致時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振作用，提高試材的自由水遷移速率。而如果不匹配，則可能降低試材的自由水遷移速率，這種固有頻率會(huì)受到試材自身和外界環(huán)境變化的影響，因此造成了超聲波頻率對(duì)協(xié)同干燥影響的不確定性。這種思想與前人在不同頻率的超聲波對(duì)不同厚度板材干燥速率的影響的研究中是一致的。

2.1.3 干燥溫度和絕對(duì)壓力對(duì)協(xié)同干燥的影響

圖3顯示了在不同的超聲波處理?xiàng)l件下，干燥溫度以及絕對(duì)壓力對(duì)超聲波—真空協(xié)同干燥自由水遷移速率的影響。

從圖2和表2中可以看出，在20 kHz、100 W，28 kHz、60 W，28 kHz、100 W 3 種超聲波條件下，當(dāng)絕對(duì)壓力為0.05 MPa時(shí)，隨著溫度的升高，試材的自由水遷移速率分別提高了26.7%、26.5%、26.7%;而當(dāng)絕對(duì)壓力為0.02 MPa時(shí)，隨著溫度的升高，試材的自由水遷移速率分別提高40.3%、33.3%、41.7%。這主要是因?yàn)殡S著溫度的升高，木材內(nèi)部水分子的運(yùn)動(dòng)越來(lái)越劇烈，有利于水分在木材中的移動(dòng)，因此自由水遷移速率加快。

除此之外，在相同的條件下，干燥環(huán)境的絕對(duì)壓力越低，試材的自由水遷移速率越快。這主要是因?yàn)殡S著絕對(duì)壓力的降低，水的沸點(diǎn)也相應(yīng)地降低，導(dǎo)致水分在木材表面的蒸發(fā)速率加快，且由于木材內(nèi)部的絕對(duì)壓力不變，所以在干燥過(guò)程中試材內(nèi)外的壓力梯度增大，導(dǎo)致水分由木材內(nèi)部向表面遷移的速度加快，因此加快了干燥速率。

圖3 不同頻率和功率條件下試材含水率隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

2.2 主成分分析和回歸方程的確定

2.2.1 主成分分析

主成分分析是利用降維的思想，在損失很少信息的前提下把多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為幾個(gè)綜合指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)方法，其中每個(gè)主成分都是原始變量的線(xiàn)性組合［11］。這種分析方法可以減少變量的數(shù)量，使信息簡(jiǎn)單易懂，且可以通過(guò)各原始變量對(duì)主成分的影響程度，分析各原始變量之間的相關(guān)性。表3、表4給出了對(duì)本試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析后的相關(guān)參數(shù)。

從表3中可以看出，前3個(gè)主成分所包含的信息量占總信息的95.419%，因此可以舍去主成分4，對(duì)前3個(gè)主成分進(jìn)行分析。從表4可以得到，主成分2反應(yīng)了100%的溫度信息，主成分3主要反應(yīng)了97.6%的絕對(duì)壓力信息，因此可以認(rèn)為主成分2、3分別表示溫度和絕對(duì)壓力的信息。而主成分1主要反應(yīng)了超聲波功率和超聲波頻率的信息，而超聲波功率和頻率均為超聲波處理參數(shù)，因此可以將主成分1視為超聲波參數(shù)，其具體表達(dá)式為:

式中:U為超聲波參數(shù);P為絕對(duì)壓力(kPa);f為超聲波頻率(kHz);p為超聲波功率(W)。

因此，通過(guò)主成分分析，本試驗(yàn)的參數(shù)變量確定為干燥溫度、絕對(duì)壓力以及超聲波參數(shù)，其中超聲波參數(shù)通過(guò)式(2)得出。

表3 解釋的總方差

表4 成分得分系數(shù)矩陣

2.2.2 回歸方程的確定

本試驗(yàn)采用多元統(tǒng)計(jì)分析中的逐步回歸法對(duì)干燥溫度、絕對(duì)壓力以及超聲波參數(shù)對(duì)平均自由水遷移速率的影響進(jìn)行了回歸，并比較了干燥溫度、絕對(duì)壓力、超聲波參數(shù)對(duì)平均自由水遷移速率的貢獻(xiàn)率。所得回歸方程如下:

式中:V為平均自由水遷移速率(%);T為干燥溫度(℃);P為絕對(duì)壓力(kPa);U為超聲波參數(shù)。

回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2=0.836，且方程的顯著性檢驗(yàn)系數(shù)均小于0.05，說(shuō)明所得方程符合要求，且相關(guān)性良好。該方程直觀(guān)反應(yīng)了干燥溫度、絕對(duì)壓力、超聲波參數(shù)對(duì)平均自由水遷移速率的影響，對(duì)不同條件下平均自由水遷移速率的估測(cè)具有非常重要的意義。此外，從方程中可以看出，干燥溫度對(duì)平均自由水遷移速率的貢獻(xiàn)率大于絕對(duì)壓力，且絕對(duì)壓力大于超聲波參數(shù)，這對(duì)干燥過(guò)程中的控制有很好的作用。

3 結(jié)論與討論

超聲波的協(xié)同可以使真空干燥的自由水遷移速率提高8%～40%，且自由水遷移速率隨著超聲波功率的增大而加快，但是超聲波頻率對(duì)自由水遷移速率的影響具有不確定性。超聲波—真空協(xié)同干燥自由水遷移速率隨著干燥溫度的增高而增快，且絕對(duì)壓力越小自由水遷移速率越快。

不同條件下的平均自由水遷移速率可通過(guò)V=0.348+0.027T－0.009P+0.003U 預(yù)測(cè)，干燥溫度對(duì)平均自由水遷移速率的貢獻(xiàn)率大于絕對(duì)壓力，且絕對(duì)壓力大于超聲波參數(shù)。

本試驗(yàn)只是對(duì)一定條件下超聲波—真空協(xié)同干燥自由水遷移速率的規(guī)律進(jìn)行了初步的研究，對(duì)于其他參數(shù)條件下超聲波—真空協(xié)同干燥特性還有待進(jìn)一步研究，為超聲波—真空協(xié)同干燥工藝的制定奠定基礎(chǔ)。

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