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超细液滴气溶胶声波团聚的实验研究

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【摘要】:
1、项目背景  声波团聚(Acousticagglomeration)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

  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).