超聲波—真空協同干燥自由水遷移速率1)

楊 飛 何正斌 趙 陽 伊松林

(北京林業大學，北京，100083)

木材真空干燥是一種在干燥環境壓力低于常壓條件下進行干燥的方法，它可以使木材中的水分在低溫下產生沸騰［1］，以干燥速度快(特別是對于較厚的板材)、適用材種多等一系列突出優點，受到了木材干燥界廣泛的重視［2］。然而真空狀態不僅加快了木材內部水分的移動，同時可能更加快了表面水分的蒸發。因此在干燥過程中，如果含水率較高，且真空度或絕對壓力控制不當，木材中的含水率梯度將顯著增大，進而導致木材內應力增加，更容易產生干燥缺陷［3］。此外，由于干燥在較低的絕對壓力下進行，干燥介質稀少，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，在保持真空干燥優點的前提下克服缺點。

超聲波處理作為一種新興的技術，由于處理過程中產生的海綿效應、空穴效應等作用，使得超聲波對多孔性物質的脫水具有良好的效果［5］。與此同時，由于超聲波干燥過程中水分不需要通過汽化就能排除物料，所以超聲波可以在低溫下對物料進行干燥［6］。近年來，超聲波技術越來越多地受到國內外眾多學者的關注，但是超聲波干燥主要用于食品干燥和干燥過程中含水率的在線檢測［7］。結果表明，超聲波干燥物料過程中，可以有效地提高材料內部的傳熱傳質過程［8］，而有關用超聲波作為處理手段直接干燥木材的報道卻不多見。已有的研究表明，超聲波處理對自由水的干燥有很好的作用，而對結合水影響不大，而真空干燥更有利于結合水的干燥，所以超聲波—真空協同干燥技術不僅能彌補真空干燥的不足，還能結合超聲波處理和真空干燥的優點。

本研究采用中國東北林區的核桃楸為試材，在不同的干燥溫度、絕對壓力、超聲波功率及頻率條件下，對試材進行干燥，通過對干燥動力性進行對比分析，歸納各因素對超聲波—真空協同干燥自由水遷移速率的影響規律，并通過主成分分析和回歸方程的確定預測不同條件下的平均自由水遷移速率，了解各因素對協同干燥自由水遷移速率的影響程度，為超聲波—真空協同干燥的研究提供一些參考和根據。

1 材料與方法

1.1 材料

試件:核桃楸(Juglans mandshurica)，產于東北林區，無缺陷，直徑35 cm，樹齡40 a，初含水率50% ～60%。

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

處理和保存方法:用環氧樹脂封閉試件的兩端，冰柜儲存。

設備:本試驗裝置是在真空干燥試驗臺［9］的基礎上改裝而成，通過在真空干燥試驗臺上增加超聲波處理設備，即超聲波發生器和超聲波換能器，形成超聲波—真空協同干燥試驗裝置，如圖1所示。

圖1 超聲波—真空協同干燥試驗臺

1.2 方法

本試驗通過不同條件下自由水遷移速率的對比，分析研究有無超聲波處理、干燥溫度、絕對壓力、超聲波功率、超聲波頻率對超聲波—真空協同干燥的影響。具體試驗參數與表1所示。

表1 超聲波—真空協同干燥試驗參數

1.3 步驟

①從試件上截取具有代表性的1 cm厚度的薄片來測量各個試件的初含水率。

②用環氧樹脂封閉試件的兩端以模擬實際干燥過程。

③對試件按照表1試驗參數標號，并記錄試件初質量。

④按照表1給出的干燥條件對木材進行干燥，干燥過程中，將試件置入真空干燥箱中，并把超聲波換能器放在試件上，按照試件的編號設定參數。試驗開始后，每隔2 h進行1次稱質量。

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

⑥重復3次試驗取其平均值。通過計算得到干燥過程中各個階段的含水率，繪制干燥動力學曲線，并對數據進行統計分析，得出各個條件對超聲波—真空協同干燥的影響。

2 結果與分析

2.1 干燥動力曲線分析

木材的纖維飽和點是自由水和結合水的分界點，且隨著溫度的升高而相應降低，溫度每升高1℃，纖維飽和點降低0.1%;當溫度為20℃時，纖維飽和點為30%［10］。因此可以根據公式(1)算出相應溫度下的纖維飽和點。

式中:Mfsp為纖維飽和點;T為溫度(℃)。

由此可得40℃時纖維飽和點為28%，60℃時纖維飽和點為26%。

2.1.1 不同處理條件下自由水的遷移速率

在不同處理條件下，試材的自由水遷移速率和相應的變化程度如表2所示。

表2 不同處理條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自由水遷移速率的影響

在不同超聲波處理條件下，試材含水率隨時間的變化如圖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%，這主要是因為在超聲波處理過程中，木材細胞膜和生物質吸收聲波能量，使其溫度增加，同時由于超聲波處理可以產生空穴效應和海綿效應，有效提高了試材內部水分的遷移速度，有利于干燥過程中的傳熱傳質，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間的變化曲線

隨著超聲波功率的增加，試材的自由水遷移速率越來越快，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%。這主要是因為超聲波功率越大，試材獲得的聲波能量越高，而能量越高，試材內部的溫度越高，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，超聲波功率對協同干燥自由水遷移速率的影響越大。

當絕對壓力為0.05 MPa時，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%;而當絕對壓力為0.02 MPa時，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%。可以看出，在不同的條件下，超聲波頻率對自由水遷移速率的影響是不同的，這可能是因為超聲波是一種機械波，而試材本身存在著固有頻率，當超聲波的頻率和試材的固有頻率一致時會產生共振作用，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，這種固有頻率會受到試材自身和外界環境變化的影響，因此造成了超聲波頻率對協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 干燥溫度和絕對壓力對協同干燥的影響

圖3顯示了在不同的超聲波處理條件下，干燥溫度以及絕對壓力對超聲波—真空協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，當絕對壓力為0.05 MPa時，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%;而當絕對壓力為0.02 MPa時，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%。這主要是因為隨著溫度的升高，木材內部水分子的運動越來越劇烈，有利于水分在木材中的移動，因此自由水遷移速率加快。

除此之外，在相同的條件下，干燥環境的絕對壓力越低，試材的自由水遷移速率越快。這主要是因為隨著絕對壓力的降低，水的沸點也相應地降低，導致水分在木材表面的蒸發速率加快，且由于木材內部的絕對壓力不變，所以在干燥過程中試材內外的壓力梯度增大，導致水分由木材內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間的變化曲線

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指標轉化為幾個綜合指標的統計方法，其中每個主成分都是原始變量的線性組合［11］。這種分析方法可以減少變量的數量，使信息簡單易懂，且可以通過各原始變量對主成分的影響程度，分析各原始變量之間的相關性。表3、表4給出了對本試驗數據進行主成分分析后的相關參數。

從表3中可以看出，前3個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，對前3個主成分進行分析。從表4可以得到，主成分2反應了100%的溫度信息，主成分3主要反應了97.6%的絕對壓力信息，因此可以認為主成分2、3分別表示溫度和絕對壓力的信息。而主成分1主要反應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，因此可以將主成分1視為超聲波參數，其具體表達式為:

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

因此，通過主成分分析，本試驗的參數變量確定為干燥溫度、絕對壓力以及超聲波參數，其中超聲波參數通過式(2)得出。

表3 解釋的總方差

表4 成分得分系數矩陣

2.2.2 回歸方程的確定

本試驗采用多元統計分析中的逐步回歸法對干燥溫度、絕對壓力以及超聲波參數對平均自由水遷移速率的影響進行了回歸，并比較了干燥溫度、絕對壓力、超聲波參數對平均自由水遷移速率的貢獻率。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為絕對壓力(kPa);U為超聲波參數。

回歸方程的相關系數R2=0.836，且方程的顯著性檢驗系數均小于0.05，說明所得方程符合要求，且相關性良好。該方程直觀反應了干燥溫度、絕對壓力、超聲波參數對平均自由水遷移速率的影響，對不同條件下平均自由水遷移速率的估測具有非常重要的意義。此外，從方程中可以看出，干燥溫度對平均自由水遷移速率的貢獻率大于絕對壓力，且絕對壓力大于超聲波參數，這對干燥過程中的控制有很好的作用。

3 結論與討論

超聲波的協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，但是超聲波頻率對自由水遷移速率的影響具有不確定性。超聲波—真空協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V=0.348+0.027T－0.009P+0.003U 預測，干燥溫度對平均自由水遷移速率的貢獻率大于絕對壓力，且絕對壓力大于超聲波參數。

本試驗只是對一定條件下超聲波—真空協同干燥自由水遷移速率的規律進行了初步的研究，對于其他參數條件下超聲波—真空協同干燥特性還有待進一步研究，為超聲波—真空協同干燥工藝的制定奠定基礎。

［1］張璧光.實用木材干燥技術［M］.北京:化學工業出版社，2005:229.

［2］Mujnmdar A S.干燥過程原理與設備及新進展［M］.史永春，譯.濟南:濟南出版社，2002:114－137.

［3］李帆，陳麗瓊，何正斌，等.真空介質條件對木材干燥速率及缺陷程度的影響［J］.干燥技術與設備，2009(6):253－257.

［4］李賢軍，張璧光.木材微波—真空干燥基本規律［J］.木材工業，2008，22(3):23－25.

［5］García-Pérez J V ，Cárcel J A，de la Fuente-Blanco S.Ultrasonic drying of foodstuff in a fluidized bed:Parametric study［J］.Ultrasonics，2006，44:539－543.

［6］Voigth H，Krischer O，Schauss H.Special technique for wood drying［J］.Holz als Roh-Werkstoff，1940，11(9):364－375.

［7］Chia-Ju L，Wang S Y，Yang T H.Evaluation of moisture content changes in Taiwan ted cypress during drying using ultrasonic and tap-tone testing［J］.Wood and Fiber Sciense，2011，43(1):57－63.

［8］Jambrak A R，Mason T J，Paniwnyk L，et al.Accelerated drying of button mushrooms，brussels sprouts and cauliflower by applying power ultrasound and its rehydration properties［J］.Journal of Food Engineering，2007，81:88－97.

［9］賈東宇，馮小江，伊松林.楊木真空與常規干燥的對比研究［J］.北京林業大學學報，2009，31(S1):108－111.

［10］Stamm A J，Loughborough W K.Thermodynamics of the Sweeling of Wood［J］.J Phys Chem，1935，39(1):121－132.

［11］何曉群.多元統計分析［M］.北京:中國人民大學出版社，2008:152.