摘要
纸张干燥的均匀性关乎纸张的质量问题,为了探究超声波振板接触式干燥纸张的效果,采用有限元法分析了超声波激励不同厚度平板振动特性,并对干燥过程中纸张的区域脱水效果和表面温度变化进行了实验研究。结果表明,超声波激励平板厚度2 mm时能够较为均匀地分布超声声场能量;在超声波作用20 s内,纸张不同区域的脱水率偏差在0.5%之内,表面温度随干燥时间的增加升温平缓 ,满足纸张干燥要求。
对于从事造纸行业的工作者而言,一项重要的工作就是通过技术进步制造先进装备并应用到造纸环节中来达到节能减排的目
超声波作为一种特殊的能量,是一种频率高于20000 Hz的声波,其特点主要表现为:方向性好,穿透能力强,易于获得较集中的声能。因而近些年来研究快速节能干燥的学者对超声波作用效果极为青
目前,具有高孔隙率特征的纸张采用超声波干燥的研究还处于空白阶段。一种新技术能否很好地应用,其可操作性是这项技术的保障。超声波干燥纸张技术的关键点是干燥均匀性即纸张横向区域湿度和温度变化一致,关乎纸张质
超声波属于声波的一种,

图1 超声波换能器激励平板的暂态声场
ANSYS Workbench中谐响应模块能够很直观地分析线性结构承受简谐载荷时的稳态响应。超声波换能器在给定频率下,以简谐变化载荷作用平板,研究平板表面振动特性,其通用方程表示为式(1)。
(1) |
式中,[ M ]为系统质量矩阵;[ C ] 为系统阻尼矩阵;[ K ] 为系统刚度矩阵;{ u }为系统位移向量;{ F }为载荷力向量.
[ F ]矩阵和{ u }矩阵是简谐的,频率为 w,复数形式表示为式(2)和式(3)。
(2) |
(3) |
式中,F max为力幅值; i = ;ψ为力函数的相位角;实部F 1=F maxcosφ;虚部F 2= F maxsinφ;u max为位移幅值;φ为位移函数的相位角;实部u 1= u maxcosφ;虚部u 2= u maxsinφ。
将式(2)和式(3)代入式(1)中,得谐响应分析运动方程见式(4)。
(4) |
式中,在结构参数给定及网格生成后[
M
]、[
C
]、[
K
]就完全唯一确定,给定作用力F则可以得出板面在振动频率下的谐响应特

图2 超声波振板干燥纸张示意图

图3 超声波振板三维模型
换能器的前后盖板采用硬铝材料,压电陶瓷采用PZT-4材料,平板采用304不锈钢,材料参数见
材料 | 密度/kg· | 杨氏模量/N· | 泊松比 |
---|---|---|---|
304不锈钢 | 7930 |
1.94×1 | 0.30 |
硬铝 | 2770 |
7.1×1 | 0.33 |
PZT-4 | 7500 |
7.65×1 | 0.32 |
从文献[
板厚/mm | 频率/kHz | 电流强度/A |
---|---|---|
1.0 | 23.4 | 1.7 |
1.5 | 23.4 | 1.7 |
2.0 | 22.4 | 1.7 |
2.5 | 23.0 | 1.7 |
3.0 | 21.3 | 1.7 |
4.0 | 22.7 | 1.7 |
5.0 | 19.8 | 1.7 |
为了探究超声波对纸张干燥均匀性的影响,采用超声波发生器(频率可调)、超声波换能器(郎之万型)、DJ-series电子天平、PM6501表面测温热电偶、304不锈钢平板等设备与仪器搭建的超声波干燥纸张实验装置示意图如

图6 超声波干燥纸张实验装置示意图
根据超声波激励平板的响应特性,考虑到纸张的水分指标为一个统计值,因而将纸张分区域进行干燥以获取每个区域的干燥脱水效果,来判断湿纸幅干燥时脱水是否均匀。将规格为95 mm×95 mm的纸张从里向外分为3个区域,并标记为A、B、C,记为纸张脱水测量区域见

图7 纸张脱水测量区域划分
纸张表面温度的均匀性也是干燥过程中需要考虑的因素之一。如果纸张表面温度初期升高过快和纸张横向温度相差过大会使得纸张质量严重受损。为了探究超声波干燥过程中纸张表面温度的变化情况,考虑到声场的特性,因而选取纸张表面的5个特征点进行测量,如

图8 纸张表面温度测量点分布
超声波干燥脱水率ΔX为干燥前后纸张含水率的差值,计算见式(5)。
(5) |
式中,X 0为干燥前的纸张含水率,%;X 1为干燥后的纸张含水率,%。
纸张含水率的计算见式(6)。
(6) |
式中,X为无量纲纸张含水率,%;m 1为干燥前纸张质量,g;m 2为干燥后纸张质量,g。
取定量55 g/
快速节能干燥是将超声波干燥技术引进造纸干燥环节的主要目的,因而纸张在超声波场中停留的时间不宜太长。
时间/s | 板厚/mm | 脱水率ΔX/% | Δ/% | ||
---|---|---|---|---|---|
A | B | C | |||
3 | 1.5 | 5.69 | 5.98 | 6.65 | 0.96 |
2.0 | 6.19 | 6.36 | 6.38 | 0.19 | |
2.5 | 5.28 | 5.61 | 5.80 | 0.52 | |
3.0 | 5.77 | 6.17 | 6.24 | 0.47 | |
4.0 | 4.94 | 5.05 | 5.20 | 0.26 | |
5.0 | 5.44 | 5.61 | 5.98 | 0.54 | |
5 | 1.5 | 6.60 | 8.54 | 9.54 | 2.93 |
2.0 | 9.08 | 9.13 | 9.23 | 0.15 | |
2.5 | 6.22 | 6.59 | 6.68 | 0.46 | |
3.0 | 6.78 | 6.93 | 7.06 | 0.28 | |
4.0 | 6.07 | 6.30 | 6.41 | 0.35 | |
5.0 | 6.34 | 6.55 | 6.78 | 0.44 | |
10 | 1.5 | 9.34 | 8.54 | 10.96 | 1.62 |
2.0 | 10.67 | 10.76 | 10.96 | 0.28 | |
2.5 | 8.03 | 10.26 | 8.91 | 0.88 | |
3.0 | 9.49 | 9.82 | 10.20 | 0.71 | |
4.0 | 6.69 | 6.95 | 7.06 | 0.37 | |
5.0 | 8.98 | 9.50 | 9.71 | 0.73 | |
15 | 1.5 | 10.85 | 11.88 | 12.46 | 1.61 |
2.0 | 12.06 | 12.28 | 12.46 | 0.40 | |
2.5 | 9.21 | 10.00 | 10.53 | 1.31 | |
3.0 | 10.96 | 11.41 | 11.61 | 0.66 | |
4.0 | 7.83 | 8.13 | 8.48 | 0.66 | |
5.0 | 10.00 | 10.51 | 10.79 | 0.79 | |
20 | 1.5 | 11.28 | 13.81 | 14.10 | 2.82 |
2.0 | 12.98 | 13.10 | 13.33 | 0.35 | |
2.5 | 10.94 | 11.59 | 11.90 | 0.95 | |
3.0 | 11.80 | 12.17 | 12.46 | 0.66 | |
4.0 | 8.89 | 9.17 | 9.04 | 0.15 | |
5.0 | 11.06 | 11.28 | 12.12 | 1.05 |
在实验过程中,在板厚为1.0 mm时,超声波激励平板传递振动能量过大使得湿纸幅表面出现孔洞的纸病,这使得干燥后纸张的性能大大降低,因而1.0 mm板厚不宜采用。
由
超声波干燥效果尤为显著,在较短的时间内能够将纸张的含水率大幅度降低。但由
选取超声波作用15 s时,不同板厚下对3个区域脱水率值采用归一化处理,结果见

图9 超声波作用15 s时不同板厚3个区域脱水率
纸张干燥过程中,纸幅的表面温度也是影响纸张质量的因素之一。
测量点 | 作用时间/s | 纸张表面温度/℃ | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
1.5 mm | 2.0 mm | 2.5 mm | 3.0 mm | 4.0 mm | 5.0 mm | ||
| 0 | 19.60 | 19.60 | 19.60 | 19.60 | 19.60 | 19.60 |
5 | 23.20 | 22.10 | 21.80 | 21.80 | 23.10 | 21.50 | |
10 | 23.40 | 22.20 | 22.90 | 22.20 | 23.30 | 22.80 | |
15 | 24.30 | 22.20 | 23.00 | 23.40 | 23.70 | 23.50 | |
20 | 24.70 | 23.10 | 23.20 | 24.70 | 25.30 | 25.00 | |
| 0 | 19.60 | 19.60 | 19.60 | 19.60 | 19.60 | 19.60 |
5 | 23.20 | 22.00 | 21.60 | 21.70 | 23.00 | 21.30 | |
10 | 23.40 | 22.20 | 22.70 | 22.20 | 23.20 | 22.60 | |
15 | 24.30 | 22.10 | 23.00 | 23.40 | 23.60 | 23.50 | |
20 | 24.60 | 23.00 | 23.10 | 24.50 | 25.30 | 25.00 | |
| 0 | 19.60 | 19.60 | 19.60 | 19.60 | 19.60 | 19.60 |
5 | 23.20 | 22.00 | 21.60 | 21.80 | 23.00 | 21.20 | |
10 | 23.30 | 22.00 | 22.60 | 22.20 | 23.10 | 22.50 | |
15 | 24.20 | 22.20 | 23.00 | 23.40 | 23.50 | 23.50 | |
20 | 24.60 | 23.00 | 23.00 | 24.50 | 25.00 | 25.00 | |
| 0 | 19.60 | 19.60 | 19.60 | 19.60 | 19.60 | 19.60 |
5 | 21.20 | 21.43 | 21.50 | 21.35 | 23.18 | 21.68 | |
10 | 21.43 | 20.98 | 21.88 | 22.05 | 22.45 | 22.18 | |
15 | 21.20 | 21.13 | 21.80 | 22.90 | 22.73 | 23.08 | |
20 | 22.18 | 22.23 | 22.20 | 23.50 | 24.68 | 24.08 | |
| 0 | 19.60 | 19.60 | 19.60 | 19.60 | 19.60 | 19.60 |
5 | 19.45 | 19.75 | 20.48 | 20.20 | 22.48 | 21.05 | |
10 | 19.48 | 19.55 | 20.48 | 19.85 | 21.25 | 21.28 | |
15 | 19.53 | 19.50 | 20.33 | 21.25 | 21.50 | 21.88 | |
20 | 20.28 | 20.35 | 20.38 | 21.98 | 22.13 | 22.60 |
从
纸幅具有一定宽度,要求纸张横幅表面温度的温差在1℃之内。单个振子干燥纸张时,任一厚度的平板,纸张横向表面温度均不满足纸张均匀的干燥要求。纸张干燥过程中过快的温度变化也会使得纸张的两面性较差、强度降低,导致纸张的质量急剧下降,因而要求一般的初期干燥温度趋势逐渐开始上升。

图10 纸张表面各测量点温度随时间的变化曲线
考虑到单个振子的作用面积有限,采用超声波换能器可以干燥更宽纸幅的纸张,

图11 多个振子时纸张表面测量点温度随时间变化曲线
本课题采用数值模拟和实验的方法对超声波激励不同厚度平板的特性和不同板厚下干燥纸张效果进行了探究。
3.1 超声波激励不同厚度平板的振动特性相同,中间区域振幅高,四周振幅随与中心距离增大而降低。
3.2 板厚为2.0 mm时,能较均匀地分布超声声场能量,且超声波干燥效果与振板特性密切相关,采用接触式干燥方式,干燥时间在20 s内,纸张不同区域的脱水率相差在0.5%内,能较好地满足纸张脱水均匀的干燥要求。
3.3 单个超声波换能器干燥时对于纸张横幅温度影响较大,需要多个换能器共同作用,纸张表面温度才能够满足温度均匀的干燥要求,且表面温度与干燥时间满足一次函数关系,为后续研究超声波干燥对纸张性能的影响提供实验基础。
参 考 文 献
China Paper Industry Sustainable Development White Paper[J]. China Paper Newsletters, 2019(3): 10. [百度学术] [Google Scholar]
中国造纸工业可持续发展白皮书[J].造纸信息,2019(3):10. [百度学术] [Google Scholar]
HE Bei-hai . Papermaking Principle and Engineering[M]. Beijing:China Light Industry Press, 1994. [百度学术] [Google Scholar]
何北海 .造纸原理与工程[M].北京:中国轻工业出版社, 1994. [百度学术] [Google Scholar]
LIU Bingyue . The Development and Current Status of Energy Consumption of China's Pulp and Paper Industry[J]. China Pulp & Paper, 2010,29(10):64. [百度学术] [Google Scholar]
刘秉钺 .我国造纸工业能耗的发展变化与现状分析[J].中国造纸,2010,29(10):64. [百度学术] [Google Scholar]
Shi Y J, Wu N Q, Ye D . Research on Innovative Design of Portable Quick-drying Machine[J]. International Journal of Control & Automation, 2015, 8(1):149. [百度学术] [Google Scholar]
Peng C, Ravi S, Patel V K, et al . Physics of direct-contact ultrasonic cloth drying process[J]. Energy, 2017, 125:498. [百度学术] [Google Scholar]
Garcíapérez J V, Cárcel J A, Benedito J, et al . Power ultrasound mass transfer enhancement in food drying[J]. Food & Bioproducts Processing, 2007, 85(3):247. [百度学术] [Google Scholar]
Garcíapérez J V, Cárcel J A, Benedito J, et al . Drying of a Low Porosity Product (Carrot) as Affected by Power Ultrasound[J]. Defect & Diffusion Forum, 2008, 273:764. [百度学术] [Google Scholar]
Maria Aversa , Aart-Jan Van der Voort, Wouter de Heij, et al . An Experimental Analysis of Acoustic Drying of Carrots: Evaluation of Heat Transfer Coefficients in Different Drying Conditions[J]. Drying Technology, 2011, 29(2):239. [百度学术] [Google Scholar]
ZENG Xiang-yuan, ZHAO Wu-qi, LU Dan, et al . Effects of Ultrasound on the Sugar Permeability Effect, Drying Energy Consumption and Quality of Kiwifruit Slices[J]. Chinese Agricultural Science, 2019, 52(4):725. [百度学术] [Google Scholar]
曾祥媛,赵武奇,卢 丹,等 .超声波对猕猴桃片的渗糖效果及干燥能耗与品质的影响[J].中国农业科学, 2019, 52(4) :725. [百度学术] [Google Scholar]
ZHAO Fang, GUAN Xiao-yan, CHENG Dao-lai . Numerical Simulation of Coupled Heat and Moisture Transfer in Convection Drying Process of Sludge Enhanced by Ultrasonic Field[J]. Journal of Shanghai Institute of Applied Technology (Natural Science Edition), 2014, 14(2):13. [百度学术] [Google Scholar]
赵 芳,管晓艳,程道来 .超声场强化污泥对流干燥热湿耦合迁移过程的数值模拟[J].上海应用技术学院学报(自然科学版), 2014, 14(2):13. [百度学术] [Google Scholar]
LU Tao, SHEN Shengqiang, LI Sufen . Numerical Simulation and Analysis of Drying Process of Paper in Dryer Section [J]. Transactions of China Pulp and Paper, 2003,18(1):124. [百度学术] [Google Scholar]
卢 涛,沈胜强,李素芬 .纸页干燥过程的数值模拟与参数分析[J].中国造纸学报,2003,18(1):124. [百度学术] [Google Scholar]
Ortuño C, Pérez-Munuera I, Puig A, et al . Influence of power ultrasound application on mass transport and microstructure of orange peel during hot air drying[J]. Physics Procedia, 2010, 3(1): 153. [百度学术] [Google Scholar]
YING Chong-fu . Ultrasonics[M].Beijing: Science Press, 1990. [百度学术] [Google Scholar]
应崇福 .超声学[M].北京:科学出版社,1990. [百度学术] [Google Scholar]
LI Xiu-yu, LI Jin-feng . Analysis workbench based flat ultrasonic transducer excitation harmonic response analysis[J]. Journal of Guiyang University (Natural Science Edition), 2017(1):5. [百度学术] [Google Scholar]
李修宇,李金凤 .基于Ansys Workbench的超声波换能器激励平板谐响应分析[J].贵阳学院学报(自然科学版), 2017(1):5. [百度学术] [Google Scholar]
Tadeusz Kudra .Advanced Drying Technologies[M].Beijing: Chemical Industry Press, 2005. [百度学术] [Google Scholar]
库 德 .先进干燥技术[M].北京:化学工业出版社, 2005. [百度学术] [Google Scholar]
LI Pan-pan, CHEN Zhen-qian . Experimental Study on Porous Fiber Dehydration Enhancement by Ultrasound[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2017,38(4):876. [百度学术] [Google Scholar]
李盼盼,陈振乾 .超声波强化多孔纤维干燥过程试验研究[J].工程热物理学报,2017,38(4):876. [百度学术] [Google Scholar]
FENG Ruo . Ultrasonics Handbook[M].Nanjing: Nanjing University Press, 1999. [百度学术] [Google Scholar]
冯 若 .超声手册[M].南京:南京大学出版,1999. [百度学术] [Google Scholar]
CPP [百度学术] [Google Scholar]