不同模式下超聲壓縮生物質實驗分析

張義猛 姚震

摘 要 生物質塊的抗摔性作為評價生物質壓縮成型質量的一項基本指標，如何提高生物質壓縮質量我們的目標。分別研究了在相同的壓縮時間下，超聲電源分別工作在恒流、恒壓、恒功率模式下超聲振動輔助壓縮成型生物質塊的抗摔性，并分析了原因。實驗結果表明：相同的壓縮時間下，在恒功率工作模式下的壓縮生物質效果最好，恒流工作模式次之，恒壓工作模式效果最差。

關鍵詞 生物質塊;抗摔性;恒流;恒壓;恒功率

引言

生物質能源是蘊藏在生物質中的能量，是綠色植物通過葉綠素將太陽能轉化為化學能而貯存在生物質內的能量，還是一種環境友好型能源[1]。通常包括： 木材及森林工業廢棄物、農業廢棄物、生活有機廢棄物、水生植物、油料植物等[2]。但生物質能源具有能源密度低、可利用半徑小、生產具有季節性、存儲損耗大和存儲費用高的缺點[3]。

隨著生物質能源廣泛的使用，為克服上述缺點，生物質壓縮成型技術應運而生。傳統的壓縮成型方式主要有活塞式沖壓成型、螺桿擠壓成型、錕軸滾壓成型，其能源轉化率低、成型效果差、設備龐大、價格高且添加劑易污染環境[4-7]。隨著超聲加工技術的不斷成熟，超聲壓縮技術也隨之出現。利用超聲振子的高頻振動輔助壓縮能夠明顯改善成型塊的質量，效率更高、節約能源。本文深入研究了超聲電源工作在恒流、恒壓、恒功率模式下，壓縮成型生物質塊的抗摔性，這為如何將超聲加工應用在生物質的壓縮過程中提供了基本的理論基礎。

1生物質壓縮成形試驗

1.1 材料準備

本次試驗所用生物質原料為鋸末。實驗儀器包括：多模式試驗電源、DT200A電子天平、烘箱、干燥皿、噴霧器等。為了使得試驗效果明顯，鋸末需要一定的含水率并且在一定的預壓力進行。含水率（mc）是指一定質量的生物質中所含水分的質量占總質量的比率[8]。實驗前用加熱皿盛取100g鋸末放在溫度為120℃的烘箱內，經過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。

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

1.2 試驗電源

本試驗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設定;當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設定;當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節電流和電壓的大小使其保持不變，功率的大小也可以手動設定。

1.3 試驗設計

超聲輔助振動壓縮生物質顆粒成型實驗裝置如圖1，主要由超聲振動系統、氣動壓縮系統、成型模具等部分組成。超聲振動系統是超聲電源驅動的超聲振子組成系統，超聲電源將50Hz的市電轉換為27KHZ的高頻電。振子的頂部安裝固定在氣缸的推桿上，在工作臺上安裝有成型模具，氣缸帶動振子上下運動，從而實現對模具中的生物質進行成形壓縮。氣動系統控制推桿上下運動，從而帶動振子的運動，進入氣缸的氣壓大小由氣動三聯控制。

生物質的壓縮成形過程為：先為氣壓預壓階段，生物質初步成型;接下來為超聲壓縮階段，利用超聲震動使得已經成型的生物質塊進一步壓縮;最后為保壓階段，生物質塊完全成型。在氣壓預壓階段，控制氣缸的推桿帶動振子向下運動，工具頭對模具中的生物質進行預壓縮，當推桿停止運動時，保壓5s。在超聲壓縮階段，開啟超聲電源，超聲振子開始工作，對已經成型的生物質塊進行振動壓縮，壓縮10s。最后關閉電源后保壓5s，保壓結束后，完成對生物質塊的超聲壓縮。試驗結束后氣動系統控制推桿和振子上行，打開成型模具，取出生物質塊并進行編號、記錄[9]。

本試驗所用生物質經過孔徑為2mm的篩網進行篩選，去除了因為材料顆粒不均而產生的實驗誤差。在壓縮時預壓氣壓為0.4Mpa，保壓階段氣壓維持不變。每次試驗取生物質質量為3g，每種工作模式做五組試驗，每組做3次，最后取平均值。

1.4 生物質塊的跌落試驗

生物質塊的壓縮效果一般使用壓縮后生物質塊的密度來衡量，由于壓縮后的生物質塊形狀不規則，體積測量不方便故密度不便計算。當壓縮后的生物質塊密度越大，生物質之間的接觸越緊密，彼此結合的力比較大。故采用跌落試驗來測試在不同工作模式下生物質的成型效果，用抗摔性（KS）來衡量。抗摔性的測量方法為：使用電子秤測量壓縮后的生物質塊，記錄質量M。將測量后的生物質塊從1m處自由跌落至水泥地面，再用電子秤測量跌落后的壓塊質量計為m。使用跌落后的質量占原始質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 ，說明生物質塊壓縮成型效果越好。在試驗時，每種模式在改變參數時試驗三次，KS值取三次測量結果的平均值，試驗安排如表一。

2試驗結果與分析

2.1 電壓對壓塊的抗摔性影響

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，即生物質的壓縮效果增強。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改善壓縮效果不明顯。在超聲加工中，超聲振動的振幅正比于功率，在恒壓加工過程中，隨著加工時間的增加整個系統的阻抗會增加，電流會急劇下降導致功率下降比較大，故提高電壓時對提升生物質塊的壓縮效果作用比較小。

2.2 電流對壓塊的抗摔性影響

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，即生物質的壓縮效果明顯增強。在恒流加工過程中，隨著加工過程的進行整個系統的阻抗會增大，由于換能器端的電流不變，電壓下降不大，整個功率下降的也不大。故當增大電流時，生物質塊的壓縮效果明顯增強。

2.3 功率對壓塊的抗摔性影響

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，即生物質的壓縮效果顯著增強。在恒功率加工過程中，換能器兩端的功率供給始終不變，超聲振動振幅保持不變。當提高功率時振動明顯增強，能夠顯著提高生物質塊的壓縮效果。

3結束語

本文研究了在超聲輔助壓縮生物質過程中，超聲電源的電壓、電流、功率對生物質塊抗摔性的影響規律。結果表明超聲輔助壓縮能夠明顯改善生物質的壓縮效果，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。原因是本實驗的超聲壓縮振子工作在串聯諧振模式下，當電壓恒定時，隨著負載的增加振子的阻抗變大。在恒流模式下工作一段時間振子的電流和電功率會大大下降，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。

參考文獻

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