侯順利 孔祥璽 門鑫 楊恒

摘要：紙張干燥的均勻性關(guān)乎紙張的質(zhì)量問題，為了探究超聲波振板接觸式干燥紙張的效果，采用有限無法分析了超聲波激勵不同厚度平板振動特性，并對干燥過程中紙張的區(qū)域脫水效果和表面溫度變化進行了實驗研究。結(jié)果表明，超聲波激勵平板厚度2 mm時能夠較為均勻地分布超聲聲場能量;在超聲波作用20 s內(nèi)，紙張不同區(qū)域的脫水率偏差在0.5%之內(nèi)，表面溫度隨干燥時間的增加升溫平緩，滿足紙張干燥要求。

關(guān)鍵詞：超聲波;紙張干燥;板厚;脫水效果;干燥均勻性

中圖分類號：TS734+.8

文獻標(biāo)識碼：ADOI： 10. 11980/j.iSsn.0254-508X.2019. 12. 006

對于從事造紙行業(yè)的工作者而言，一項重要的工作就是通過技術(shù)進步制造先進裝備并應(yīng)用到造紙環(huán)節(jié)中來達到節(jié)能減排的目的[1]。在造紙過程中，耗能最大的環(huán)節(jié)為紙機干燥部，整個干燥部的設(shè)備費用與動力消耗均花費整臺紙機的一半以上，同時其干燥紙張所消耗的蒸汽費用占紙張生產(chǎn)成本的1/6左右，對紙機干燥部進行優(yōu)化升級，對于造紙工業(yè)降低生產(chǎn)成本和節(jié)能減排有著十分重要的意義[2-3]。

超聲波作為一種特殊的能量，是一種頻率高于20000 Hz的聲波，其特點主要表現(xiàn)為：方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能。因而近些年來研究快速節(jié)能干燥的學(xué)者對超聲波作用效果極為青睞[4]，Peng等人[5]采用超聲波干燥織物，結(jié)果表明超聲波可大大縮短干燥時間和能耗;Garciaperez等人[6-7]對胡蘿卜、茄子和蘋果片進行了超聲波干燥處理，研究表明超聲波干燥能夠有效地增加水分的擴散性，加快干燥進程;M aria等人[8]也研究了超聲波對胡蘿卜的干燥，結(jié)果表明超聲波能夠降低干燥過程中的外部阻力從而強化了胡蘿卜表面的傳質(zhì)能力，大大縮短干燥過程;曾祥媛等人[9]研究了超聲波干燥獼猴桃，發(fā)現(xiàn)超聲波干燥單位能耗低且處理后的產(chǎn)品質(zhì)地品質(zhì)好;趙芳等人[10]分析了超聲波處理污泥的過程，結(jié)果表明超聲波可以促進自由水的擴散，加速污泥干燥速率，縮短干燥時間。以上研究表明，超聲波干燥主要應(yīng)用于有著高孔隙率的被干燥物上且干燥效果顯著。

目前，具有高孔隙率特征的紙張采用超聲波干燥的研究還處于空白階段。一種新技術(shù)能否很好地應(yīng)用，其可操作性是這項技術(shù)的保障。超聲波干燥紙張技術(shù)的關(guān)鍵點是干燥均勻性即紙張橫向區(qū)域濕度和溫度變化一致，關(guān)乎紙張質(zhì)量[11]。考慮到空氣中超聲衰減度高[12]，本研究采用超聲波振板接觸式干燥方式，研究超聲波激勵不同厚度平板對紙張干燥均勻性的影響，為后續(xù)研究提供實驗基礎(chǔ)。

1板面振動特性分析

1.1超聲波激勵振板的聲場特性

超聲波屬于聲波的一種，圖1所示為超聲波換能器激勵平板的暫態(tài)聲場，該聲場由直達波B1B2，邊緣縱波A1BQP2、A2B2P1，邊緣橫波D1J1G2、D2J2G1，頭波A1E1、A2E2、P1K2、P2K1以及表面波R1、R2、R'1、R'2等部分組成，這些波的強弱不一樣，其作用效果還需要進一步研究[13]。

1.2有限元控制方程

ANSYS Workbench中諧響應(yīng)模塊能夠很直觀地分析線性結(jié)構(gòu)承受簡諧載荷時的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。超聲波換能器在給定頻率下，以簡諧變化載荷作用平板，研究平板表面振動特性，其通用方程表示為式（1）。 [M]{u}+[C]{u}+[K]{u}={F（t）（1） 式中，[M]為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣;[C]為系統(tǒng)阻尼矩陣;[K]為系統(tǒng)剛度矩陣;{u}為系統(tǒng)位移向量;{F}為載荷力向量.

[F]矩陣和{u}矩陣是簡諧的，頻率為w，復(fù)數(shù)形式表示為式（2）和式（3）。

{F）={FmaxeiΨ}eiwt=（{F1）+i{F2））eiwt

（2）{u）={umax eiΨ）eiwt=（{u1）+i{u2））eiwt

（3）式中，F(xiàn)max為力幅值;i=√-1;Ψ為力函數(shù)的相位角;實部F1=Fmaxcosφ;虛部F2= Fmaxsinφ;umax為位移幅值;φ為位移函數(shù)的相位角;實部u1=umaxcosφ;虛部u2=umaxsinφ。

將式（2）和式（3）代入式（1）中，得諧響應(yīng)分析運動方程見式（4）。 （-ω2[M]+iω[c]+[K]）（{u1}+i{u2}） （4）

（{F1）+i{F2}）

式中，在結(jié)構(gòu)參數(shù)給定及網(wǎng)格生成后[M]、[C]、[K]就完全唯一確定，給定作用力F則可以得出板面在振動頻率下的諧響應(yīng)特性[14]。

1.3模型建立

圖2所示為超聲波振板干燥紙張的示意圖。干燥原理為：輸入電信號激勵超聲波換能器，換能器驅(qū)動平板振動，平板輻射超聲波場以完成對其表面的濕紙幅脫水。平板與換能器之間采用粘接力強、疲勞強度高、較高溫度和濕度環(huán)境的AB特制膠粘接，構(gòu)建模型時可忽略[14]。鋼板采用304不銹鋼（規(guī)格為100 mmx100 mm）。采用Solidworks軟件建立超聲波振板三維模型，如圖3所示。

1.4參數(shù)設(shè)置與網(wǎng)格劃分

換能器的前后蓋板采用硬鋁材料，壓電陶瓷采用PZT-4材料，平板采用304不銹鋼，材料參數(shù)見表1。導(dǎo)入ANSYS Workbench中諧響應(yīng)分析模塊，定義材料屬性，采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分。

1.5不同板厚下?lián)Q能器的工作頻率

從文獻[15]可知，應(yīng)用在工業(yè)上的超聲波被嚴(yán)格分為兩個區(qū)域——低強度和高強度。頻率約在20—40 kHz下的應(yīng)用屬于高強度，用于干燥和脫水。同時考慮到超聲波在物料中的衰減度及超聲波空化效應(yīng)臨界閾值適中，實驗中超聲波頻率設(shè)定在低頻段，對應(yīng)不同板厚調(diào)節(jié)到適應(yīng)板厚的最佳頻率即達到相應(yīng)板厚下的最大出霧量。通過在平板表面附著一層水膜，調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器的輸出頻率，換能器激勵平板使得水膜被打破，且以水霧的形式向上運動，以水霧量的多少判斷厚度在1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0、5.0 mm 7種規(guī)格平板下超聲波發(fā)生器工作的最佳頻率。實驗結(jié)果見表2。

1.6仿真結(jié)果分析

板子采用自由邊設(shè)計，圖4為不同板厚的板面振動響應(yīng)圖。

由圖4可知，超聲波激勵不同厚度的平板狀態(tài)相同，中間振幅最高，隨著與中心點的距離增大板面振幅變小，且每種振幅有一定的幅寬。選取平板中心為原點，沿著對角線一邊取振幅值，采用歸一化處理數(shù)值，見圖5。由圖5可知，平板表面最大幅值的幅寬與換能器前端面（ φ59 mm）等面積。隨著與中心點距離的增加，板面的振動幅度逐漸降低且兩者為一次函數(shù)關(guān)系。在板厚為2 mm時，振幅下降的速度較為平緩，此時能夠較為均勻的分布振動能量。

2實驗

2.1材料與方法

2.1.1實驗材料

選取市場上常用的書寫用紙，定量55 g/m2，漂白化學(xué)紙漿。

2.1.2實驗系統(tǒng)與裝置

為了探究超聲波對紙張干燥均勻性的影響，采用超聲波發(fā)生器（頻率可調(diào)）、超聲波換能器（郎之萬型）、DJ-series電子天平、PM6501表面測溫?zé)犭娕肌?04不銹鋼平板等設(shè)備與儀器搭建的超聲波干燥紙張實驗裝置示意圖如圖6所示。

2.1.3紙張測量區(qū)域劃分

（1）紙張脫水測量區(qū)域劃分

根據(jù)超聲波激勵平板的響應(yīng)特性，考慮到紙張的水分指標(biāo)為一個統(tǒng)計值，因而將紙張分區(qū)域進行干燥以獲取每個區(qū)域的干燥脫水效果，來判斷濕紙幅干燥時脫水是否均勻。將規(guī)格為95 mmx95 mm的紙張從里向外分為3個區(qū)域，并標(biāo)記為A、B、C，記為紙張脫水測量區(qū)域見圖7。

（2）紙張表面溫度測量點分布

紙張表面溫度的均勻性也是干燥過程中需要考慮的因素之一。如果紙張表面溫度初期升高過快和紙張橫向溫度相差過大會使得紙張質(zhì)量嚴(yán)重受損。為了探究超聲波干燥過程中紙張表面溫度的變化情況，考慮到聲場的特性，因而選取紙張表面的5個特征點進行測量，如圖8所示。

2.1.4超聲波干燥脫水率

超聲波干燥脫水率△X為干燥前后紙張含水率的差值，計算見式（5）。

△X= X0 -X1

（5）

式中，X0為干燥前的紙張含水率，%;X1為干燥后的紙張含水率，%。

紙張含水率的計算見式（6）。

X=m1-m2/m1 x 100%

（6）

式中，X為無量綱紙張含水率，%;m1為干燥前紙張質(zhì)量，g;m2為干燥后紙張質(zhì)量，g。

2.1.5實驗過程

（1）紙張區(qū)域脫水效果實驗

取定量55 g/m2的書寫紙若干張，按實驗要求處理紙張，并記錄不同區(qū)域的紙張初始質(zhì)量;將測量紙張在水中浸泡30 min，取出用毛毯吸干表面的水，采用電子天平稱量此時紙張質(zhì)量，計算紙張初始含水率，隨后放入保鮮袋中恒溫恒濕保存;調(diào)節(jié)超聲波振板在不同厚度下的最佳工作參數(shù)，在相同作用時間下分別對A、B、C 3個區(qū)域進行脫水處理，記錄干燥后紙張質(zhì)量，重復(fù)3次取平均值。

（2）紙張表面溫度測量

采用上述的方法處理紙張，調(diào)節(jié)超聲波振板在不同厚度下的最佳工作參數(shù)，對紙張進行干燥，干燥結(jié)束后測量紙張表面溫度值，重復(fù)3次取平均值。

2.1.6實驗誤差

誤差的主要來源在于紙張測量的過程，實驗所用電子天平的測量精度為0.01 g，表面熱電偶的測量精度為0.01℃。

2.2結(jié)果與分析

2.2.1不同板厚下3個區(qū)域的脫水效果

快速節(jié)能干燥是將超聲波干燥技術(shù)引進造紙干燥環(huán)節(jié)的主要目的，因而紙張在超聲波場中停留的時間不宜太長。表3為不同板厚下紙張各個區(qū)域在超聲波作用20 s內(nèi)的脫水率。其中，△為3個區(qū)域脫水率最大值一最小值。

在實驗過程中，在板厚為1.0 mm時，超聲波激勵平板傳遞振動能量過大使得濕紙幅表面出現(xiàn)孔洞的紙病，這使得干燥后紙張的性能大大降低，因而1.0 mm板厚不宜采用。

由表3可知，在超聲波振板功率密度為0.6 W/cm2.待干燥紙張初始含水率為60%（濕基含水率），不同板厚的超聲波振板處于最佳工作頻率，超聲波換能器激勵平板厚度為2.0 mm時，紙張的A、B、C3個區(qū)域的脫水率最大，脫水效果基本同步，波動范圍在0. 5%之內(nèi)，滿足紙張脫水均勻生產(chǎn)要求。此板厚下聲場強度分布較為均勻，能夠?qū)⒊暡ǖ恼駝幽芰烤鶆虻貍鞑ラ_來。

超聲波干燥效果尤為顯著，在較短的時間內(nèi)能夠?qū)⒓垙埖暮蚀蠓冉档?。但由?也可知，不同板厚的超聲工作臺的干燥能力（即每秒的干燥速率）隨著紙張在聲場停留時間的增加而下降，一方面是由于濕紙幅含水率的減少，使得超聲波作用降低，這與李盼盼等人[16]研究超聲波強化多孔纖維干燥的結(jié)論一致;另外一方面因為隨著干燥時間的增加，濕紙幅的質(zhì)量和與振板表面的貼合程度降低，由于振動作用使得濕紙幅從振板表面輕微剝離，超聲需先作用于兩者間的空氣產(chǎn)生微擾動以對紙張完成脫水，由于超聲在空氣中的衰減度較高使得脫水效果降低，因而后續(xù)研究需設(shè)置壓緊裝置以增加濕紙幅與振板表面的貼合程度，進一步提高超聲干燥能力。

選取超聲波作用15 s時，不同板厚下對3個區(qū)域脫水率值采用歸一化處理，結(jié)果見圖9。超聲波振板脫水效果與板面振動特性有著密切的關(guān)系，中間區(qū)域振幅大則該區(qū)域的脫水效果尤為明顯，并隨著振幅降低脫水效果降低，即區(qū)域A<區(qū)域B<區(qū)域C的脫水效果。從圖9中可見，超聲波激勵平板厚度為2.0 mm時3個區(qū)域的脫水率下降趨勢較為平緩，且脫水效率高于其他板厚，因而選擇2.0 mm板厚鋼板作為超聲波干燥的工作臺面，滿足紙張脫水均勻的干燥要求。

2.2.2不同板厚下紙張表面溫度變化

紙張干燥過程中，紙幅的表面溫度也是影響紙張質(zhì)量的因素之一。表4為超聲波振板的功率密度為0.6 W/cm2，工作頻率最佳時，紙張初始溫度為19.60℃下，不同板厚下紙張表面不同測量點隨著干燥時間變化的溫度測量值。

從表4可知，在20 s的干燥時間內(nèi)，紙張表面溫度達到的最大值在30℃內(nèi)，因而超聲聲場產(chǎn)生的熱效應(yīng)并不能作為紙張干燥過程中蒸發(fā)水分的驅(qū)動力，但這部分熱效應(yīng)可以儲存在被干物中，這也是超聲波干燥節(jié)能的一個原因。同時紙張中心的表面溫度高于紙張四周溫度，且表面溫度由中心向四周呈梯度降低，在超聲波激勵平板中間區(qū)域的應(yīng)力相對最高，中間區(qū)域濕紙幅內(nèi)部所受到的壓縮和拉伸作用最強，在這兩種作用下使紙幅內(nèi)部的摩擦力較大，使紙張中心溫度高于四周溫度。

紙幅具有一定寬度，要求紙張橫幅表面溫度的溫差在1℃之內(nèi)。單個振子干燥紙張時，任一厚度的平板，紙張橫向表面溫度均不滿足紙張均勻的干燥要求。紙張干燥過程中過快的溫度變化也會使得紙張的兩面性較差、強度降低，導(dǎo)致紙張的質(zhì)量急劇下降，因而要求一般的初期干燥溫度趨勢逐漸開始上升。圖10為超聲波激勵2.0 mm平板干燥紙張表面測量點溫度隨超聲作用時間的變化曲線，由圖10可知，紙張表面各測量點的溫度隨著超聲作用時間的增加，上升趨勢平緩，滿足干燥初期升溫平緩的要求。

考慮到單個振子的作用面積有限，采用超聲波換能器可以干燥更寬紙幅的紙張，圖11為采用5個超聲波換能器，矩形排列方式[17]，共同激勵2.0 mm平板（規(guī)格300 mmx300 mm）干燥相同面積的濕紙幅表面5個測量點的溫度隨超聲作用時間變化曲線。由圖11可以看出，多個換能器干燥紙張時，紙張表面橫向溫度基本相同，且溫度與干燥時間為一次函數(shù)關(guān)系，上升趨勢平緩，滿足紙張溫度均勻和平緩升溫的干燥要求。

3結(jié)論

本課題采用數(shù)值模擬和實驗的方法對超聲波激勵不同厚度平板的特性和不同板厚下干燥紙張效果進行了探究。

3.1超聲波激勵不同厚度平板的振動特性相同，中間區(qū)域振幅高，四周振幅隨與中心距離增大而降低。

3.2板厚為2.0mm時，能較均勻地分布超聲聲場能量，且超聲波干燥效果與振板特性密切相關(guān)，采用接觸式干燥方式，干燥時間在20 s內(nèi)，紙張不同區(qū)域的脫水率相差在0.5%內(nèi)，能較好地滿足紙張脫水均勻的干燥要求。

3.3單個超聲波換能器干燥時對于紙張橫幅溫度影響較大，需要多個換能器共同作用，紙張表面溫度才能夠滿足溫度均勻的干燥要求，且表面溫度與干燥時間滿足一次函數(shù)關(guān)系，為后續(xù)研究超聲波干燥對紙張性能的影響提供實驗基礎(chǔ)。

參 考 文 獻

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（責(zé)任編輯：董風(fēng)霞）