1、项目背景

　　声波团聚(Acoustic agglomeration)是一项气溶胶快速团聚技术，采用高强声场对气溶胶进行辐射处理，使其中的细颗粒在声波作用下产生相对运动并发生碰撞团聚，从而大幅减少气溶胶颗粒数浓度，在环保、消烟、除雾、化工和防灾等领域表现出很好的应用前景。在电力生产中，石灰石-石膏湿法烟气脱硫过程中由于浆液细液滴逸出，使超细颗粒物排放增加;在有色金属加工领域，电解池工作中电极会产生大量氢气、氧气和水蒸气气泡，逸出时会带出酸性电解液，形成酸雾，造成原料浪费和环境污染;在化工和制药领域应用的罐式反应釜，常有低沸点液体原料通过排空阀逸出问题。以上三种领域，均由于超细液滴粒径过小而引起捕集不充分，造成资源浪费、环境污染。

　　2、论文所解决的问题及意义

　　本文分析了大量声波团聚技术的研究，目前该技术的主要研究对象为固体颗粒物，而对液滴颗粒声波团聚的研究极少，鉴于其广阔的工业应用前景，有必要对此进行深入研究。超细液滴是指粒径小于10 μm的液滴，本文以冷凝超细液滴为实验对象，其中粒径小于2.5 μm的颗粒占总数的99%以上，探究声波频率、声功率及初始浓度等参数对团聚效果的影响，为今后实际工业应用提供指导。

　　3、论文重点内容

　　(1)声波对液滴颗粒的团聚效果

　　在频率为6 kHz、声压级为148 dB的声波作用下，声波团聚使气溶胶透光率急剧升高，10 s时透光率由0提高到90%左右，此时质量浓度减少了约99%，随后保持稳定。这是由于大量液滴在声场中发生碰撞团聚，过重的液滴由于重力沉降而被消除，使液滴浓度显著降低。作为对比，在未施加声波条件下，气溶胶透光率在60 s内没有变化。

　　液滴在声波作用下2 s内即发生明显变化，肉眼可见透光率大幅增加，5 s后几乎达到全透明。团聚结束后，在团聚室底部发现一层液体，表明部分较大液滴发生了重力沉降。

　　(2)频率的影响

　　团聚效率在1.5 kHz和6 kHz出现两个峰值，其中6 kHz的效果更佳，达到了99%，1.5 kHz团聚效率为92%。我们分析认为，两种频率下的主要团聚机理是不同的。1.5 kHz时，频率较低，同样的声功率下声振速和声波振幅较大，此时声流现象比较显著，实验中可以清楚地观察到气流运动。因此低频时除了传统的同向团聚和声波尾流效应，声流是团聚机理的重要组成。高频时，声波尾流效应大幅增强，同时由于粒径较细，对应的最佳同向团聚频率较高，此时团聚的主要控制机理应为声波尾流效应和同向团聚。

　　(3)声功率的影响

　　声功率越高，团聚速率越高，液滴质量降低的速度越快。这是由于各种声波团聚机理均随着声强增加而增强，而微米级的液滴不易在声场中破碎。当声功率较低时，团聚效率随声功率的增加基本呈线性增加，然而超过9 W时，进一步提高声功率对提升团聚效率影响减弱。这一方面是因为团聚效率在9 W时已达到了96%，提升余地不多;另一方面，提高声强会引起高频谐波等非线性二次效应，对团聚的贡献不大。

　　4、结论

　　本文研究了声波对超细液滴气溶胶的团聚效果，探究了频率、声功率及初始液滴浓度对团聚效率的影响规律，得到以下结论：

　　(1)声波团聚对超细液滴气溶胶效果很好，10 s作用时间就可以使透光率提高90%、质量浓度减少99%左右。实验发现了两个较佳团聚频率，分别为1.5 kHz和6 kHz，低频时声流效应较明显，是促进团聚的主要因素之一，而高频时声波尾流效应则是主要的团聚控制机理。

　　(2)声功率越大，液滴团聚越快，但当声强达到一定程度时，由于高频谐波等非线性二次效应，团聚效率提高程度减缓。

　　(3)初始浓度越高，声波团聚速率越快，且最终团聚效率也越高，这表明声波团聚技术对稀薄液滴气溶胶的效果有限。

　　引文信息

　　张光学,马振方,吴林陶,姚辉辉,池作和.超细液滴气溶胶声波团聚的实验研究[J].中国电机工程学报，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).