不同模式下超聲壓縮生物質(zhì)實(shí)驗(yàn)分析

張義猛 姚震

摘 要 生物質(zhì)塊的抗摔性作為評(píng)價(jià)生物質(zhì)壓縮成型質(zhì)量的一項(xiàng)基本指標(biāo)，如何提高生物質(zhì)壓縮質(zhì)量我們的目標(biāo)。分別研究了在相同的壓縮時(shí)間下，超聲電源分別工作在恒流、恒壓、恒功率模式下超聲振動(dòng)輔助壓縮成型生物質(zhì)塊的抗摔性，并分析了原因。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：相同的壓縮時(shí)間下，在恒功率工作模式下的壓縮生物質(zhì)效果最好，恒流工作模式次之，恒壓工作模式效果最差。

關(guān)鍵詞 生物質(zhì)塊;抗摔性;恒流;恒壓;恒功率

引言

生物質(zhì)能源是蘊(yùn)藏在生物質(zhì)中的能量，是綠色植物通過葉綠素將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能而貯存在生物質(zhì)內(nèi)的能量，還是一種環(huán)境友好型能源[1]。通常包括： 木材及森林工業(yè)廢棄物、農(nóng)業(yè)廢棄物、生活有機(jī)廢棄物、水生植物、油料植物等[2]。但生物質(zhì)能源具有能源密度低、可利用半徑小、生產(chǎn)具有季節(jié)性、存儲(chǔ)損耗大和存儲(chǔ)費(fèi)用高的缺點(diǎn)[3]。

隨著生物質(zhì)能源廣泛的使用，為克服上述缺點(diǎn)，生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。傳統(tǒng)的壓縮成型方式主要有活塞式?jīng)_壓成型、螺桿擠壓成型、錕軸滾壓成型，其能源轉(zhuǎn)化率低、成型效果差、設(shè)備龐大、價(jià)格高且添加劑易污染環(huán)境[4-7]。隨著超聲加工技術(shù)的不斷成熟，超聲壓縮技術(shù)也隨之出現(xiàn)。利用超聲振子的高頻振動(dòng)輔助壓縮能夠明顯改善成型塊的質(zhì)量，效率更高、節(jié)約能源。本文深入研究了超聲電源工作在恒流、恒壓、恒功率模式下，壓縮成型生物質(zhì)塊的抗摔性，這為如何將超聲加工應(yīng)用在生物質(zhì)的壓縮過程中提供了基本的理論基礎(chǔ)。

1生物質(zhì)壓縮成形試驗(yàn)

1.1 材料準(zhǔn)備

本次試驗(yàn)所用生物質(zhì)原料為鋸末。實(shí)驗(yàn)儀器包括：多模式試驗(yàn)電源、DT200A電子天平、烘箱、干燥皿、噴霧器等。為了使得試驗(yàn)效果明顯，鋸末需要一定的含水率并且在一定的預(yù)壓力進(jìn)行。含水率（mc）是指一定質(zhì)量的生物質(zhì)中所含水分的質(zhì)量占總質(zhì)量的比率[8]。實(shí)驗(yàn)前用加熱皿盛取100g鋸末放在溫度為120℃的烘箱內(nèi)，經(jīng)過24h之后取出，使得鋸末的原始含水率為0。配置所要求的含水率水平的鋸末，用噴灑蒸餾水即可。

根據(jù)以前研究結(jié)果，在生物質(zhì)含水率mc=15%，壓縮時(shí)間t≥20s，壓力F=0.4Mpa條件下壓縮的生物質(zhì)塊成型效果比較好，作為在恒壓、恒流、恒功率這三種模式下壓縮生物質(zhì)的初始條件。

1.2 試驗(yàn)電源

本試驗(yàn)的電源是自研制具有恒流、恒壓、恒功率三種工作模式的超聲電源。當(dāng)電源工作在恒流模式下，輸出到換能器兩端的電流保持不變，電流的大小可以手動(dòng)設(shè)定;當(dāng)電源工作在恒壓模式下，輸出到換能器兩端的電壓保持不變，電壓的大小可以手動(dòng)設(shè)定;當(dāng)電源工作在恒功率模式下，輸出到換能器兩端的功率通過調(diào)節(jié)電流和電壓的大小使其保持不變，功率的大小也可以手動(dòng)設(shè)定。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

超聲輔助振動(dòng)壓縮生物質(zhì)顆粒成型實(shí)驗(yàn)裝置如圖1，主要由超聲振動(dòng)系統(tǒng)、氣動(dòng)壓縮系統(tǒng)、成型模具等部分組成。超聲振動(dòng)系統(tǒng)是超聲電源驅(qū)動(dòng)的超聲振子組成系統(tǒng)，超聲電源將50Hz的市電轉(zhuǎn)換為27KHZ的高頻電。振子的頂部安裝固定在氣缸的推桿上，在工作臺(tái)上安裝有成型模具，氣缸帶動(dòng)振子上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)模具中的生物質(zhì)進(jìn)行成形壓縮。氣動(dòng)系統(tǒng)控制推桿上下運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)振子的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入氣缸的氣壓大小由氣動(dòng)三聯(lián)控制。

生物質(zhì)的壓縮成形過程為：先為氣壓預(yù)壓階段，生物質(zhì)初步成型;接下來為超聲壓縮階段，利用超聲震動(dòng)使得已經(jīng)成型的生物質(zhì)塊進(jìn)一步壓縮;最后為保壓階段，生物質(zhì)塊完全成型。在氣壓預(yù)壓階段，控制氣缸的推桿帶動(dòng)振子向下運(yùn)動(dòng)，工具頭對(duì)模具中的生物質(zhì)進(jìn)行預(yù)壓縮，當(dāng)推桿停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，保壓5s。在超聲壓縮階段，開啟超聲電源，超聲振子開始工作，對(duì)已經(jīng)成型的生物質(zhì)塊進(jìn)行振動(dòng)壓縮，壓縮10s。最后關(guān)閉電源后保壓5s，保壓結(jié)束后，完成對(duì)生物質(zhì)塊的超聲壓縮。試驗(yàn)結(jié)束后氣動(dòng)系統(tǒng)控制推桿和振子上行，打開成型模具，取出生物質(zhì)塊并進(jìn)行編號(hào)、記錄[9]。

本試驗(yàn)所用生物質(zhì)經(jīng)過孔徑為2mm的篩網(wǎng)進(jìn)行篩選，去除了因?yàn)椴牧项w粒不均而產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差。在壓縮時(shí)預(yù)壓氣壓為0.4Mpa，保壓階段氣壓維持不變。每次試驗(yàn)取生物質(zhì)質(zhì)量為3g，每種工作模式做五組試驗(yàn)，每組做3次，最后取平均值。

1.4 生物質(zhì)塊的跌落試驗(yàn)

生物質(zhì)塊的壓縮效果一般使用壓縮后生物質(zhì)塊的密度來衡量，由于壓縮后的生物質(zhì)塊形狀不規(guī)則，體積測(cè)量不方便故密度不便計(jì)算。當(dāng)壓縮后的生物質(zhì)塊密度越大，生物質(zhì)之間的接觸越緊密，彼此結(jié)合的力比較大。故采用跌落試驗(yàn)來測(cè)試在不同工作模式下生物質(zhì)的成型效果，用抗摔性（KS）來衡量?？顾ば缘臏y(cè)量方法為：使用電子秤測(cè)量壓縮后的生物質(zhì)塊，記錄質(zhì)量M。將測(cè)量后的生物質(zhì)塊從1m處自由跌落至水泥地面，再用電子秤測(cè)量跌落后的壓塊質(zhì)量計(jì)為m。使用跌落后的質(zhì)量占原始質(zhì)量的百分比來衡量抗摔性KS：

KS值越大，說明壓塊的抗摔性越好 ，說明生物質(zhì)塊壓縮成型效果越好。在試驗(yàn)時(shí)，每種模式在改變參數(shù)時(shí)試驗(yàn)三次，KS值取三次測(cè)量結(jié)果的平均值，試驗(yàn)安排如表一。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 電壓對(duì)壓塊的抗摔性影響

下圖2是壓塊抗摔性與超聲電源電壓關(guān)系圖，隨著電源電壓從50v增加150v，壓塊的抗摔性從18.4%增加到48.2%，說明在工作在恒壓模式下提高電源的電壓能夠增加壓塊的抗摔性，即生物質(zhì)的壓縮效果增強(qiáng)。但隨著電源電壓的增加抗摔性增加比較緩慢，說明提高電源電壓對(duì)改善壓縮效果不明顯。在超聲加工中，超聲振動(dòng)的振幅正比于功率，在恒壓加工過程中，隨著加工時(shí)間的增加整個(gè)系統(tǒng)的阻抗會(huì)增加，電流會(huì)急劇下降導(dǎo)致功率下降比較大，故提高電壓時(shí)對(duì)提升生物質(zhì)塊的壓縮效果作用比較小。

2.2 電流對(duì)壓塊的抗摔性影響

下圖3是壓塊抗摔性與超聲電源電流關(guān)系圖，隨著超聲電源電流從0.8A增加到1.6A，壓塊的抗摔性從27.5%增加到79.6%。說明在工作在恒流模式下提高電源的電流能夠明顯增加壓塊的抗摔性，即生物質(zhì)的壓縮效果明顯增強(qiáng)。在恒流加工過程中，隨著加工過程的進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的阻抗會(huì)增大，由于換能器端的電流不變，電壓下降不大，整個(gè)功率下降的也不大。故當(dāng)增大電流時(shí)，生物質(zhì)塊的壓縮效果明顯增強(qiáng)。

2.3 功率對(duì)壓塊的抗摔性影響

下圖4是壓塊抗摔性與超聲電源功率關(guān)系圖，隨著超聲電源功率從50w增加到150w，壓塊的抗摔性從69.4%增加到98.5%。說明在工作在恒功率模式下提高電源的功率能夠顯著增加壓塊的抗摔性，即生物質(zhì)的壓縮效果顯著增強(qiáng)。在恒功率加工過程中，換能器兩端的功率供給始終不變，超聲振動(dòng)振幅保持不變。當(dāng)提高功率時(shí)振動(dòng)明顯增強(qiáng)，能夠顯著提高生物質(zhì)塊的壓縮效果。

3結(jié)束語

本文研究了在超聲輔助壓縮生物質(zhì)過程中，超聲電源的電壓、電流、功率對(duì)生物質(zhì)塊抗摔性的影響規(guī)律。結(jié)果表明超聲輔助壓縮能夠明顯改善生物質(zhì)的壓縮效果，其中恒功率模式下壓縮效果最好，恒壓模式次之，恒流模式最差。原因是本實(shí)驗(yàn)的超聲壓縮振子工作在串聯(lián)諧振模式下，當(dāng)電壓恒定時(shí)，隨著負(fù)載的增加振子的阻抗變大。在恒流模式下工作一段時(shí)間振子的電流和電功率會(huì)大大下降，使得壓縮的效果不明顯，壓塊的抗摔性也明顯低于另外兩種模式。

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