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超細液滴氣溶膠聲波團聚的實驗研究
1、項目背景
聲波團聚(Acoustic agglomeration)是一項氣溶膠快速團聚技術,采用高強聲場對氣溶膠進行輻射處理,使其中的細顆粒在聲波作用下產生相對運動并發生碰撞團聚,從而大幅減少氣溶膠顆粒數濃度,在環保、消煙、除霧、化工和防災等領域表現出很好的應用前景。在電力生產中,石灰石-石膏濕法煙氣脫硫過程中由于漿液細液滴逸出,使超細顆粒物排放增加;在有色金屬加工領域,電解池工作中電極會產生大量氫氣、氧氣和水蒸氣氣泡,逸出時會帶出酸性電解液,形成酸霧,造成原料浪費和環境污染;在化工和制藥領域應用的罐式反應釜,常有低沸點液體原料通過排空閥逸出問題。以上三種領域,均由于超細液滴粒徑過小而引起捕集不充分,造成資源浪費、環境污染。
2、論文所解決的問題及意義
本文分析了大量聲波團聚技術的研究,目前該技術的主要研究對象為固體顆粒物,而對液滴顆粒聲波團聚的研究極少,鑒于其廣闊的工業應用前景,有必要對此進行深入研究。超細液滴是指粒徑小于10 μm的液滴,本文以冷凝超細液滴為實驗對象,其中粒徑小于2.5 μm的顆粒占總數的99%以上,探究聲波頻率、聲功率及初始濃度等參數對團聚效果的影響,為今后實際工業應用提供指導。
3、論文重點內容
(1)聲波對液滴顆粒的團聚效果
在頻率為6 kHz、聲壓級為148 dB的聲波作用下,聲波團聚使氣溶膠透光率急劇升高,10 s時透光率由0提高到90%左右,此時質量濃度減少了約99%,隨后保持穩定。這是由于大量液滴在聲場中發生碰撞團聚,過重的液滴由于重力沉降而被消除,使液滴濃度顯著降低。作為對比,在未施加聲波條件下,氣溶膠透光率在60 s內沒有變化。
液滴在聲波作用下2 s內即發生明顯變化,肉眼可見透光率大幅增加,5 s后幾乎達到全透明。團聚結束后,在團聚室底部發現一層液體,表明部分較大液滴發生了重力沉降。
(2)頻率的影響
團聚效率在1.5 kHz和6 kHz出現兩個峰值,其中6 kHz的效果更佳,達到了99%,1.5 kHz團聚效率為92%。我們分析認為,兩種頻率下的主要團聚機理是不同的。1.5 kHz時,頻率較低,同樣的聲功率下聲振速和聲波振幅較大,此時聲流現象比較顯著,實驗中可以清楚地觀察到氣流運動。因此低頻時除了傳統的同向團聚和聲波尾流效應,聲流是團聚機理的重要組成。高頻時,聲波尾流效應大幅增強,同時由于粒徑較細,對應的最佳同向團聚頻率較高,此時團聚的主要控制機理應為聲波尾流效應和同向團聚。
(3)聲功率的影響
聲功率越高,團聚速率越高,液滴質量降低的速度越快。這是由于各種聲波團聚機理均隨著聲強增加而增強,而微米級的液滴不易在聲場中破碎。當聲功率較低時,團聚效率隨聲功率的增加基本呈線性增加,然而超過9 W時,進一步提高聲功率對提升團聚效率影響減弱。這一方面是因為團聚效率在9 W時已達到了96%,提升余地不多;另一方面,提高聲強會引起高頻諧波等非線性二次效應,對團聚的貢獻不大。
4、結論
本文研究了聲波對超細液滴氣溶膠的團聚效果,探究了頻率、聲功率及初始液滴濃度對團聚效率的影響規律,得到以下結論:
(1)聲波團聚對超細液滴氣溶膠效果很好,10 s作用時間就可以使透光率提高90%、質量濃度減少99%左右。實驗發現了兩個較佳團聚頻率,分別為1.5 kHz和6 kHz,低頻時聲流效應較明顯,是促進團聚的主要因素之一,而高頻時聲波尾流效應則是主要的團聚控制機理。
(2)聲功率越大,液滴團聚越快,但當聲強達到一定程度時,由于高頻諧波等非線性二次效應,團聚效率提高程度減緩。
(3)初始濃度越高,聲波團聚速率越快,且最終團聚效率也越高,這表明聲波團聚技術對稀薄液滴氣溶膠的效果有限。
引文信息
張光學,馬振方,吳林陶,姚輝輝,池作和.超細液滴氣溶膠聲波團聚的實驗研究[J].中國電機工程學報,2020,40(2):608-614.
ZHANG Guangxue, MA Zhenfang, WU Lintao, YAO Huihui, CHI Zuohe . Experimental Study on Acoustic Agglomeration of Fine Droplet Aerosol[J]. Proceedings of the CSEE, 2020,40(2):608-614(in Chinese).