紙張超聲波干燥速率的試驗(yàn)研究

侯順利， 門 鑫， 孔祥璽

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點(diǎn)試驗(yàn)室， 西安 710021)

目前造紙工業(yè)上出現(xiàn)的微波干燥、熱風(fēng)干燥、電磁加熱干燥、紅外干燥等多種新型的紙張干燥方法，受成本、能耗、占地面積等因素的制約，并未被普遍應(yīng)用[1]，當(dāng)前造紙生產(chǎn)干燥過程中仍然是以烘缸干燥技術(shù)為主，且干燥部耗能占據(jù)生產(chǎn)過程很大一部分[2-3]。

超聲波是一種頻率高于20 kHz的聲波，在水中傳播距離較遠(yuǎn)，且能量比較集中，穿透性強(qiáng)，方向性好，因此在各個(gè)行業(yè)的研究和應(yīng)用都逐漸廣泛起來。Garcíapérez等[4-6]通過研究超聲波干燥檸檬皮和胡蘿卜塊受溫度影響的問題，得出超聲波能夠明顯水從液相到氣相轉(zhuǎn)移的擴(kuò)散系數(shù)，并且發(fā)現(xiàn)中影響干燥的主要因素為施加的超聲波功率大小，以及超聲波對大孔隙多孔材料的干燥過程影響更大。Garcia-Perez等[7]通過研究低溫下超聲波對空氣干燥速率的影響，既證明了不同功率的超聲波在低溫空氣干燥期間強(qiáng)化傳質(zhì)速率的可行性，也改善了內(nèi)部蒸汽擴(kuò)散和外部對流過程，使得干燥時(shí)間減少65%～70%，傳質(zhì)系數(shù)從96%增加至170%，有效水分?jǐn)U散率從407%增加至428%，超聲波引起的這種現(xiàn)象在干燥材料的表面和內(nèi)部都會(huì)產(chǎn)生，Mobaraki等[8]對超聲波強(qiáng)化污泥進(jìn)行了研究，結(jié)果表明使用超聲波強(qiáng)化脫水，無需加熱即可達(dá)到60%的干燥度。

王志杰等[9]介紹了超聲波在造紙工業(yè)中的應(yīng)用，超聲波提高了酶對纖維素表面碳水化合物的水解速度，有利于纖維的分解。趙芳等[10]對胡蘿卜超聲波干燥預(yù)處理進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明超聲波能夠進(jìn)行胡蘿卜干燥預(yù)處理，樣品干燥速率提升了3.9倍，且超聲波干燥過程中主要依靠機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)；李盼盼等[11]通過研究超聲波干燥布料的過程，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)風(fēng)干布料的過程是速率先增大后減小，而超聲波干燥布料的過程只存在降速階段，當(dāng)超聲波與風(fēng)干相結(jié)合，共同作用時(shí)，干燥過程降速更快，水分散除更快，且當(dāng)干基含濕率達(dá)到0.5時(shí)結(jié)束超聲干燥，可使能耗達(dá)到最小。Peng等[12]針對直接接觸式超聲波織物干燥，設(shè)計(jì)了一種壓電式換能器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)頻率為22.28 kHz時(shí)，具有較強(qiáng)的諧振特性，比傳統(tǒng)的干燥方式速率提高了3～24倍。劉鑫等[13]研究了超聲波功率對沙棘籽油提取的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)功率為700 W時(shí)，效果最好，當(dāng)大于700 W時(shí)，效果又會(huì)減弱。

雖然超聲波技術(shù)在造紙工業(yè)上有了一定的研究和應(yīng)用，但中外超聲波在造紙行業(yè)的研究集中在制漿過程和廢水處理過程[14]，并未涉及紙張干燥過程。因此，研究超聲波干燥紙張的過程具有一定應(yīng)用意義。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

紙張超聲波干燥的試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示，主要包括變頻超聲發(fā)射器、數(shù)據(jù)采集和自主設(shè)計(jì)的紙張超聲波干燥裝置[15]。含水率測量儀用來測量試驗(yàn)浸泡前原始紙張的含水率，利用電子天平對試驗(yàn)材料進(jìn)行定時(shí)稱重，并記錄瞬時(shí)質(zhì)量，通過計(jì)算得出試驗(yàn)材料的含水率。試驗(yàn)過程中超聲波頻率的可調(diào)范圍為18～40 kHz，功率的可調(diào)范圍為0～900 W。

圖1 紙張超聲波干燥試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of paper ultrasonic drying test device

1.2 試驗(yàn)對象

研究振板厚度及含水率的影響時(shí)，試驗(yàn)采用大小為100 mm×100 mm的振板，采用大小為80 mm×80 mm的正方形文化用紙作為試驗(yàn)材料，試驗(yàn)材料初始質(zhì)量為0.37 g，浸泡處理前含水率為6%，圖2(a)所示為振板上放置試驗(yàn)材料的實(shí)物圖，圖2(b)所示為不同厚度的振板示意圖，圖2(b)中上排從左到右厚度分別為1、1.5、2 mm，下排從左到右厚度分別為2.5、3、4 mm。

研究超聲波功率的影響試驗(yàn)過程中超聲波頻率為22.6 kHz，振板厚度為2 mm，試驗(yàn)中，采用大小為300 mm×300 mm，厚度為2 mm的振板，試驗(yàn)材料采用大小為190 mm×110 mm矩形的文化用紙，材料初始質(zhì)量為1.2 g，浸泡處理前含水率為6%。

圖2 不同厚度的振板上放置試驗(yàn)材料Fig.2 Test materials placed on vibration plates of different thicknesses

1.3 材料處理

試驗(yàn)過程中需對材料進(jìn)行浸濕處理，使其達(dá)到預(yù)定的含水率，將材料分割成大小相同的正方形和矩形，放入靜水中浸泡，通過控制材料的浸泡時(shí)間，來實(shí)現(xiàn)材料初始狀態(tài)的含水率。相同含水率的材料一般浸泡10 min，從水中取出懸空至表面水分不能自由滴落，不同含水率的材料通過增加或減小浸泡時(shí)間來控制。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)中主要的誤差存在于數(shù)據(jù)的測量過程，電子天平量程為0～110 g，精度為0.01 g，含水率測量會(huì)產(chǎn)生±0.5%的誤差。

試驗(yàn)紙張干燥速率為

(1)

式(1)中:V是紙張?jiān)趦蓚€(gè)測量時(shí)間點(diǎn)之間的瞬時(shí)干燥速率，g/s；MP1與MP2分別是后一測量時(shí)間點(diǎn)t2時(shí)紙張的質(zhì)量和前一測量時(shí)間點(diǎn)t1時(shí)紙張的質(zhì)量，g。

試驗(yàn)紙張平均速率為

(2)

振板上水分質(zhì)量變化為

M=MW0-MWt

(3)

式(3)中:M是振板上水分的質(zhì)量變化量，g；MW0是振板上初始水分質(zhì)量，g；MWt是振板工作后剩余水分質(zhì)量，g。

2 超聲波干燥紙張基本思想

超聲波對紙張的干燥過程主要依靠自身良好的機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)，在干燥過程中，機(jī)械效應(yīng)與空化效應(yīng)密不可分，如圖3所示，機(jī)械效應(yīng)的高頻振動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)波使得材料反復(fù)高頻拉伸，材料中的水分子隨之高頻振動(dòng)，當(dāng)處在波峰位置時(shí)脫離材料飛出，達(dá)到脫水效果。

圖3 超聲波機(jī)械效應(yīng)作用原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of ultrasonic mechanical effect principle

如圖4所示，超聲波使得水分子之間產(chǎn)生極小的氣泡，隨著能量的不斷積累，氣泡慢慢變大，到達(dá)極限之后，發(fā)生爆炸，能量釋放的瞬間將水分子粉碎成0.5～10 μm的分子，呈霧狀飄散出來，利用風(fēng)扇吹走；同時(shí)，釋放出大量的熱，加速水分子遷移的速率。

圖4 超聲波空化效應(yīng)作用示意圖Fig.4 Schematic diagram of ultrasonic cavitation effect

3 結(jié)果及討論

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，超聲波的頻率及功率、紙張初始含水率、紙張上表面施加壓力和超聲波振板厚度都會(huì)對干燥過程產(chǎn)生影響。

3.1 不同厚度的振板對應(yīng)的最佳超聲波頻率

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)不同振板厚度對于干燥速度的影響很大，為了探究不同厚度的振板對應(yīng)的最佳超聲波頻率，超聲波功率可在0～900 W內(nèi)任選一值，試驗(yàn)過程中保持功率不變。經(jīng)調(diào)試選取超聲波功率大小為200 W進(jìn)行探索性試驗(yàn)。

圖5 超聲波頻率對不同厚度振板上減少水分質(zhì)量的影響Fig.5 Effect of ultrasonic frequency on water weight reduction on vibrating plates with different thickness

圖5所示為在不同超聲波頻率下，不同厚度的振板在工作3 s后，振板上水分減少變化圖。在超聲波功率不變的情況下，隨著振板厚度的增大，最佳頻率不斷減小，振板厚度1、1.5、2、2.5、3、4 mm分別對應(yīng)的最佳頻率分別為23.6、22.6、22.6、22.5、22、19.1 kHz，而且兩者保持非線性的變化關(guān)系。

超聲波在使水產(chǎn)生霧化時(shí)的頻率一般為40 kHz，但當(dāng)水分子和紙張結(jié)合后，其結(jié)合強(qiáng)度發(fā)生變化，霧化頻率也發(fā)生了變化，只有當(dāng)超聲波頻率和濕紙幅本身所具有的固有頻率一致或接近時(shí)，才能達(dá)到最佳的干燥效果，這與試驗(yàn)得出的最佳頻率低于40 kHz是相符合的。

振板厚度不同，產(chǎn)生空化效應(yīng)的超聲波最佳頻率也就不同。隨著超聲波頻率的增大，不同厚度的振板，由于空化效應(yīng)減少的水分質(zhì)量有所不同，但都存在最佳頻率，使得空化效應(yīng)的強(qiáng)度達(dá)到最大。

3.2 振板厚度對干燥速率的影響

干燥速率在1 s內(nèi)達(dá)到最大，在1～5 s內(nèi)迅速減小，5～30 s基本保持不變，如圖6所示。這可能是由于初始階段含水率相對較高，超聲波能量傳遞效率高，因此干燥速率較快。隨著含水率的減小，其傳遞效率不斷減小，導(dǎo)致干燥速率迅速下降，最終保持不變。超聲波干燥是一種非加熱型干燥方式，與傳統(tǒng)加熱干燥方式不同，它可以在極短的時(shí)間內(nèi)將干燥速率提升到最大，但其干燥速率衰減也十分迅速。因此，超聲波干燥更適合于紙張的預(yù)干燥，設(shè)置在壓榨部與傳統(tǒng)烘缸干燥之間，可以大幅度提高干燥速度，以縮短干燥部長度。

圖6 振板厚度對瞬時(shí)干燥速率的影響Fig.6 Influence of plate thickness on instantaneous drying rate

圖7表示了振板厚度對平均干燥速率的影響?？梢钥闯觯S著振板厚度的增加，平均干燥速率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當(dāng)振板厚度為2 mm時(shí)，平均干燥速率達(dá)到最大，這可能是當(dāng)振板厚度較小時(shí)，超聲波頻率對空化效應(yīng)的影響更加明顯，最佳頻率的減小使得空化效應(yīng)強(qiáng)度增大，從而干燥速率增大。而隨著板厚的增大，頻率對空化作用強(qiáng)度的影響不足以消除振幅減小所帶來的影響，使得干燥速率逐漸減小。因此，選定2 mm板厚進(jìn)行后續(xù)紙張干燥，最佳頻率為22.6 kHz。

圖7 振板厚度對平均干燥速率的影響Fig.7 Influence of thickness of vibrating plate on average drying rate

3.3 紙張初始含水率對干燥速率的影響

圖8表示了初始含水率對干燥過程的影響，不同含水率的紙張?jiān)谠囼?yàn)過程中，最初始階段0～15 s內(nèi)的含水率變化差異較大，含水率較高的紙張開始干燥時(shí)變化較大，含水率下降速度較快。而含水率較低的紙張，其變化略小于含水率較高的紙張，但當(dāng)紙張含水率下降到45%左右時(shí)，其下降速率開始變慢，這說明隨著紙張含水率下降到一定程度時(shí)，超聲波干燥速率也達(dá)到了一個(gè)穩(wěn)定的范圍。

圖8 初始含水率對干燥過程的影響Fig.8 Influence of initial moisture content on drying process

超聲波的機(jī)械作用使得紙張進(jìn)行往復(fù)拉伸，在一定程度上破壞水與紙張之間的結(jié)合鍵，使得水分更容易從紙張內(nèi)部脫離出來；放置在振板上的濕紙頁受到振板的作用，紙頁中的水分由于高頻振動(dòng)，被離散成直徑為0.5～10 μm的水分子，水分子以集團(tuán)狀的水霧飄散出來，通過自然風(fēng)吹走即可；濕紙頁中的水分由于空化效應(yīng)，水分中間會(huì)產(chǎn)生微小氣泡，隨著震動(dòng)的持續(xù)，能量逐漸累積，氣泡變大產(chǎn)生爆炸，形成有力的沖擊波，將氣泡周圍的水粉碎成1～3 μm的微粒，霧狀形態(tài)飄散出來，同時(shí)產(chǎn)生大量的熱，加快水分子的轉(zhuǎn)移速率。

圖9所示，試驗(yàn)時(shí)長為60 s，在5～10 s，干燥速率急劇下降。在10～30 s，所有試驗(yàn)紙張的干燥速率基本不變，保持在0.02 g/s左右。含水率為62.86%、61.44%、58.84%的試驗(yàn)紙張，在30～35 s干燥速率出現(xiàn)上升趨勢，在35 s時(shí)達(dá)到一個(gè)小的峰值。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是由于隨著干燥的進(jìn)行，超聲波振板溫度上升，此時(shí)空化效應(yīng)與熱效應(yīng)共同作用，使干燥速率短時(shí)間增大。40 s之后速率下降基本保持平穩(wěn)是因?yàn)楫?dāng)紙張含水量低至一定程度之后，水分子與紙張的結(jié)合強(qiáng)度較大，只能通過較為平緩的速率進(jìn)行緩慢干燥。

圖9 初始含水率對干燥速率的影響Fig.9 Effect of initial moisture content on drying rate

初始含水率不同的紙張，干燥速率幾乎在相同時(shí)間內(nèi)達(dá)到一個(gè)較為穩(wěn)定的數(shù)值，最終保持在0.02 g/s左右。紙張初始含水率的高低幾乎不會(huì)影響到超聲波干燥的時(shí)間，而對于初始干燥速率影響較大，含水率越高，超聲波初始干燥速率也越大，干燥速率下降的幅度和速度也越大。因此，超聲波干燥更適合于不適宜過壓且進(jìn)缸干度較低的紙種，如衛(wèi)生紙。

3.4 超聲波功率對紙張干燥的影響

圖10 超聲波功率對干燥過程的影響Fig.10 Influence of ultrasonic power on drying process

試驗(yàn)中，所有試驗(yàn)紙張的初始含水率均為55.9%。如圖10所示，當(dāng)紙張含水率在40%～45%以上時(shí)，含水率的變化差異較大；當(dāng)含水率在40%～45%以下時(shí)，所有試驗(yàn)紙張的含水率變化速率都出現(xiàn)明顯減小。因此，超聲波干燥更適合于設(shè)置在壓榨部與烘干部之間，作為階段性的高效干燥方式，當(dāng)干燥當(dāng)紙張含水率下降至40%～45%時(shí)，紙張即可進(jìn)入烘缸干燥。

圖11所示，隨著超聲波功率的增大，初始干燥速率先增大后減小，在功率為540 W時(shí)，初始干燥速率達(dá)到最大0.082 g/s，且在15 s時(shí)，所有試驗(yàn)紙張的干燥速率與初始干燥速率的差值基本都保持在0.06 g/s，這表明超聲波功率對初始干燥速率的影響比較明顯，而對于干燥過程中瞬時(shí)速率的變化量和變化趨勢幾乎沒有影響。因此，超聲波干燥紙張更適合作為一種輔助技術(shù)，在短時(shí)間內(nèi)對紙張進(jìn)行預(yù)干燥，以達(dá)到節(jié)約能源，減小烘干部長度。

圖11 超聲波功率對干燥瞬時(shí)速率的影響Fig.11 Effect of ultrasonic power on instantaneous drying rate

圖12所示，紙張干燥平均速率隨著功率的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，兩者之間保持非線性變化關(guān)系。當(dāng)功率小于540 W時(shí)，隨著超聲波功率的增大; 紙張干燥平均速率也隨之增大; 在540 W時(shí)，紙張干燥平均速率達(dá)到最大；當(dāng)功率大于540 W時(shí)，平均速率出現(xiàn)下降趨勢。因此，選定540 W為最佳的干燥功率。

圖12 超聲波功率對干燥平均速率的影響Fig.12 Effect of ultrasonic power on average drying rate

4 結(jié)論

(1)不同厚度的振板對應(yīng)的超聲波最佳頻率不同，隨著振板厚度的增大，最佳頻率不斷減小，兩者之間保持非線性變化關(guān)系。當(dāng)超聲波功率固定為200 W，振板厚度為2 mm，最佳頻率為22.6 kHz時(shí)，干燥速率在極短的時(shí)間達(dá)到最大值0.053 2 g/s，但是隨著含水率的下降干燥速率迅速下降，因此更適合于紙張的預(yù)干燥。紙張初始含水率越高，超聲波初始干燥速率也越大，因此更適合于進(jìn)缸含水率較高的紙種。

(2)超聲波干燥速率隨著功率的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，且兩者保持非線性變化關(guān)系，當(dāng)超聲波功率為540 W時(shí)，超聲波干燥速率最佳，達(dá)到最大值0.082 g/s。

(3)為了節(jié)約能源，超聲波干燥更適合于設(shè)置在壓榨部與烘干部之間，作為短時(shí)間高效的預(yù)干燥方式，當(dāng)紙張含水率下降至40%～45%時(shí)，紙張即可進(jìn)入烘缸干燥階段。