不同模式下超声压缩生物质实验分析

张义猛 姚震

摘 要 生物质块的抗摔性作为评价生物质压缩成型质量的一项基本指标，如何提高生物质压缩质量我们的目标。分别研究了在相同的压缩时间下，超声电源分别工作在恒流、恒压、恒功率模式下超声振动辅助压缩成型生物质块的抗摔性，并分析了原因。实验结果表明：相同的压缩时间下，在恒功率工作模式下的压缩生物质效果最好，恒流工作模式次之，恒压工作模式效果最差。

关键词 生物质块;抗摔性;恒流;恒压;恒功率

引言

生物质能源是蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内的能量，还是一种环境友好型能源[1]。通常包括： 木材及森林工业废弃物、农业废弃物、生活有机废弃物、水生植物、油料植物等[2]。但生物质能源具有能源密度低、可利用半径小、生产具有季节性、存储损耗大和存储费用高的缺点[3]。

随着生物质能源广泛的使用，为克服上述缺点，生物质压缩成型技术应运而生。传统的压缩成型方式主要有活塞式冲压成型、螺杆挤压成型、锟轴滚压成型，其能源转化率低、成型效果差、设备庞大、价格高且添加剂易污染环境[4-7]。随着超声加工技术的不断成熟，超声压缩技术也随之出现。利用超声振子的高频振动辅助压缩能够明显改善成型块的质量，效率更高、节约能源。本文深入研究了超声电源工作在恒流、恒压、恒功率模式下，压缩成型生物质块的抗摔性，这为如何将超声加工应用在生物质的压缩过程中提供了基本的理论基础。

1生物质压缩成形试验

1.1 材料准备

本次试验所用生物质原料为锯末。实验仪器包括：多模式试验电源、DT200A电子天平、烘箱、干燥皿、喷雾器等。为了使得试验效果明显，锯末需要一定的含水率并且在一定的预压力进行。含水率（mc）是指一定质量的生物质中所含水分的质量占总质量的比率[8]。实验前用加热皿盛取100g锯末放在温度为120℃的烘箱内，经过24h之后取出，使得锯末的原始含水率为0。配置所要求的含水率水平的锯末，用喷洒蒸馏水即可。

根据以前研究结果，在生物质含水率mc=15%，压缩时间t≥20s，压力F=0.4Mpa条件下压缩的生物质块成型效果比较好，作为在恒压、恒流、恒功率这三种模式下压缩生物质的初始条件。

1.2 试验电源

本试验的电源是自研制具有恒流、恒压、恒功率三种工作模式的超声电源。当电源工作在恒流模式下，输出到换能器两端的电流保持不变，电流的大小可以手动设定;当电源工作在恒压模式下，输出到换能器两端的电压保持不变，电压的大小可以手动设定;当电源工作在恒功率模式下，输出到换能器两端的功率通过调节电流和电压的大小使其保持不变，功率的大小也可以手动设定。

1.3 试验设计

超声辅助振动压缩生物质颗粒成型实验装置如图1，主要由超声振动系统、气动压缩系统、成型模具等部分组成。超声振动系统是超声电源驱动的超声振子组成系统，超声电源将50Hz的市电转换为27KHZ的高频电。振子的顶部安装固定在气缸的推杆上，在工作台上安装有成型模具，气缸带动振子上下运动，从而实现对模具中的生物质进行成形压缩。气动系统控制推杆上下运动，从而带动振子的运动，进入气缸的气压大小由气动三联控制。

生物质的压缩成形过程为：先为气压预压阶段，生物质初步成型;接下来为超声压缩阶段，利用超声震动使得已经成型的生物质块进一步压缩;最后为保压阶段，生物质块完全成型。在气压预压阶段，控制气缸的推杆带动振子向下运动，工具头对模具中的生物质进行预压缩，当推杆停止运动时，保压5s。在超声压缩阶段，开启超声电源，超声振子开始工作，对已经成型的生物质块进行振动压缩，压缩10s。最后关闭电源后保压5s，保压结束后，完成对生物质块的超声压缩。试验结束后气动系统控制推杆和振子上行，打开成型模具，取出生物质块并进行编号、记录[9]。

本试验所用生物质经过孔径为2mm的筛网进行筛选，去除了因为材料颗粒不均而产生的实验误差。在压缩时预压气压为0.4Mpa，保压阶段气压维持不变。每次试验取生物质质量为3g，每种工作模式做五组试验，每组做3次，最后取平均值。

1.4 生物质块的跌落试验

生物质块的压缩效果一般使用压缩后生物质块的密度来衡量，由于压缩后的生物质块形状不规则，体积测量不方便故密度不便计算。当压缩后的生物质块密度越大，生物质之间的接触越紧密，彼此结合的力比较大。故采用跌落试验来测试在不同工作模式下生物质的成型效果，用抗摔性（KS）来衡量。抗摔性的测量方法为：使用电子秤测量压缩后的生物质块，记录质量M。将测量后的生物质块从1m处自由跌落至水泥地面，再用电子秤测量跌落后的压块质量计为m。使用跌落后的质量占原始质量的百分比来衡量抗摔性KS：

KS值越大，说明压块的抗摔性越好 ，说明生物质块压缩成型效果越好。在试验时，每种模式在改变参数时试验三次，KS值取三次测量结果的平均值，試验安排如表一。

2试验结果与分析

2.1 电压对压块的抗摔性影响

下图2是压块抗摔性与超声电源电压关系图，随着电源电压从50v增加150v，压块的抗摔性从18.4%增加到48.2%，说明在工作在恒压模式下提高电源的电压能够增加压块的抗摔性，即生物质的压缩效果增强。但随着电源电压的增加抗摔性增加比较缓慢，说明提高电源电压对改善压缩效果不明显。在超声加工中，超声振动的振幅正比于功率，在恒压加工过程中，随着加工时间的增加整个系统的阻抗会增加，电流会急剧下降导致功率下降比较大，故提高电压时对提升生物质块的压缩效果作用比较小。

2.2 电流对压块的抗摔性影响

下图3是压块抗摔性与超声电源电流关系图，随着超声电源电流从0.8A增加到1.6A，压块的抗摔性从27.5%增加到79.6%。说明在工作在恒流模式下提高电源的电流能够明显增加压块的抗摔性，即生物质的压缩效果明显增强。在恒流加工过程中，随着加工过程的进行整个系统的阻抗会增大，由于换能器端的电流不变，电压下降不大，整个功率下降的也不大。故当增大电流时，生物质块的压缩效果明显增强。

2.3 功率对压块的抗摔性影响

下图4是压块抗摔性与超声电源功率关系图，随着超声电源功率从50w增加到150w，压块的抗摔性从69.4%增加到98.5%。说明在工作在恒功率模式下提高电源的功率能够显著增加压块的抗摔性，即生物质的压缩效果显著增强。在恒功率加工过程中，换能器两端的功率供给始终不变，超声振动振幅保持不变。當提高功率时振动明显增强，能够显著提高生物质块的压缩效果。

3结束语

本文研究了在超声辅助压缩生物质过程中，超声电源的电压、电流、功率对生物质块抗摔性的影响规律。结果表明超声辅助压缩能够明显改善生物质的压缩效果，其中恒功率模式下压缩效果最好，恒压模式次之，恒流模式最差。原因是本实验的超声压缩振子工作在串联谐振模式下，当电压恒定时，随着负载的增加振子的阻抗变大。在恒流模式下工作一段时间振子的电流和电功率会大大下降，使得压缩的效果不明显，压块的抗摔性也明显低于另外两种模式。

参考文献

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