一种声驻波粘性流体脱气装置及方法与流程

本发明涉及一种脱气装置及方法，特别涉及一种声驻波粘性流体脱气装置及方法，用于脱除粘性流体中的微小气泡，属于声学应用与脱气技术领域。

背景技术：

粘性流体中微小气泡的存在严重影响众多化工过程，如水溶液和有机溶液中的微气泡影响化学反应的进行；同时，粘性流体中微气泡的存在也会影响实验检测装置的准确性，如液相色谱分析中微气泡的存在将会使色谱图上出现噪声峰，所以脱除流体中的微气泡具有十分重要的意义。现有流体脱气技术有静置分离、减压分离、离心分离、膜分离等，但以上几种技术都不能有效去除流体中的微气泡，其中静置分离耗时长，效率低；离心分离装置中存在转动部件，增加了产生新气泡的机率；减压分离对分离设备的密封要求苛刻，膜分离中的分离膜价格昂贵。

目前还存在声波脱气技术，声波脱气利用了声波的稳态空化效应。附图1为粘性流体中某一点的压力变化曲线图，声波进入流体中后，会产生交替压力，高于空化阈的声波在流体中传播时能够产生空化气泡并且能显著提高气体从流体中到气泡的传质速率。空化气泡由流体中微小的气核产生，在声波的稀疏相内由于负压力的作用会产生空泡。如果负压力在空泡形成后继续存在，此时空化泡就会扩张到初始尺寸的许多倍。在这种情况下，空化泡不断地增长、振动。当空化气泡增加到一定大小时在浮力作用下上浮至液面，气体会从气泡中逸出，达到脱气目的。

美国专利US8574336B2公开一种利用超声波脱除熔融金属中微气泡的装置；中国专利201610215266.7(授权专利公告号CN105699150A)公开了用于便携变压器油光声光谱检测装置的真空超声脱气装置，两者都充分利用了声波的稳态空化效应对流体进行脱气处理。但目前的声波脱气技术仅考虑了声波的稳态空化效应，使得脱气效率不高，因此需要设计一种更加高效稳定的粘性流体脱气装置及方法。

技术实现要素：

本发明提供了一种声驻波粘性流体脱气装置，用于脱除粘性流体中的微小气泡，为液相脱气技术提供一种高效稳定的新装置。

本发明另一目的是提供一种上述声驻波粘性流体脱气装置的脱气方法，该方法综合考虑声波的稳态空化效应和声驻波的条带效应，为液相脱气技术提供一种高效稳定的方法。

一种声驻波粘性流体脱气装置，其特征在于，包括信号发生器、功率放大器、声波换能器、钢板以及透明驻波槽；

所述信号发生器的输出端与所述功率放大器的输入端相连，所述信号发生器为所述功率放大器提供激励信号源；所述功率放大器的正负极输出端与所述声波换能器的正负极相连，所述功率放大器为所述声波换能器提供激励电压；

所述声波换能器位于所述钢板底部且声波换能器通过粘结剂与钢板粘结在一起，所述钢板位于所述透明驻波槽底部且钢板通过粘结剂与透明驻波槽粘结在一起，所述声波换能器产生的声波在所述透明驻波槽内流体中传播，声波在传播过程中遇到流体与空气的反射面后反射，辐射波与反射波在流体中发生干涉，产生声驻波。

所述钢板的厚度D_s应该远小于声波在钢板中的波长λ_s，即2πD_s/λ_s<<1，以此提高所述声波换能器产生的声波进入所述透明驻波槽内流体的效率。

所述钢板与流体空气反射面的距离(流体在所述透明驻波槽内的高度)应为声波在流体中半波长的整数倍，满足此条件辐射波与反射波才可以在流体中形成声驻波。

一种利用上述声驻波粘性流体脱气装置进行的脱气方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将粘性流体加入透明驻波槽体中，使流体液面距离声辐射面的高度为声波在流体中半波长的整数倍；

(2)设置所述信号发生器的超声波信号为正弦信号，所述功率放大器将所述信号发生器产生的正弦小信号无失真的放大，经所述功率放大器放大的信号施加在所述声波换能器上，所述声波换能器在正弦信号的激励下将电信号转换成声波辐射出去，由于流体高度设置为半波长的整数倍，所述声波换能器辐射出的声波在流体与空气的接触面处发生反射，辐射波与反射波叠加形成驻波；

(3)流体中的微气泡在声波稳态空化效应下不断变大，并在声驻波条带效应下向压力波腹附近聚集并形成气泡条带，微气泡在条带处进一步发生气泡聚并，气泡粒径不断增大直至上浮到流体液面处发生崩溃，达到脱气目的。

本发明的声驻波粘性流体脱气装置及方法因充分利用了以下规律而具有很高的可靠性：

声驻波粘性流体脱气原理如所述附图2所示，首先，声波的稳态空化效应使流体中的微小气泡变大，随后微气泡在声场力和净浮力(气泡所受重力和浮力的合力)的作用下聚集在声波压力波腹附近，在声波压力波腹附近微小气泡聚并为大气泡，并上浮到流体表面破裂，达到高效稳定脱气目的。在压力波腹附近，根据气泡受力平衡有：

F_b-F_ac＝0 (1)

微气泡受到的净浮力为：

其中R为气泡的半径，ρ_b为气泡的密度，ρ_o为流体的密度，_g为重力加速度。

微气泡受到的声场力为：

其中P_a为流体中的声压振幅，λ为流体中的声波波长，t为时间，z为气泡与邻近压力波腹的距离。

所述附图2中的底面为声波辐射面，顶面为声波反射面，辐射面与反射面之间为流体，声波由辐射面辐射进入流体中，遇到声波反射面后发生反射，当辐射面与反射面之间的距离为声波半波长的整数倍时，辐射波与反射波在流体中发生干涉产生驻波。所述附图2中曲线为声压P(z)的分布曲线，所述附图2中圆圈为微气泡，圆圈的大小代表微气泡的大小，黑色实线箭头代表微气泡的运动方向。

本发明有益效果如下：本发明提出了一种声驻波黏性流体脱气装置及方法。本发明综合考虑了声波的稳态空化效应和声驻波的条带效应，稳态空化效应产生的微气泡在声驻波条带效应下向压力波腹附近聚集，在压力波腹附近形成气泡条带，微气泡在条带处进一步发生气泡聚并，加速了气泡的长大速率从而进一步加速了声波脱气效率，为粘性流体脱气技术提供了一种更高效更稳定的脱气装置和方法。

附图说明

图1为粘性流体中某一点的压力变化曲线图。

图2为声驻波粘性流体脱气原理。

图3为声驻波脱气装置图。

其中1—信号发生器 2—功率放大器 3—声波换能器4—钢板5—透明驻波槽。

图4为声驻波脱气微气泡条带图。

具体实施方式

下面将结合附图说明本发明的具体实施方式。如图3所示，一种声驻波粘性流体脱气装置，其特征在于，包括信号发生器1、功率放大器2、声波换能器3、钢板4以及透明驻波槽5；

所述信号发生器1的输出端与所述功率放大器2的输入端相连，所述信号发生器1为所述功率放大器2提供激励信号源；所述功率放大器2的正负极输出端与所述声波换能器3的正负极相连，所述功率放大器2为所述声波换能器3提供激励电压；

所述声波换能器3与所述钢板4之间通过粘结剂粘结在一起，所述钢板4位于所述透明驻波槽5底部且钢板4通过粘结剂与透明驻波槽5粘结在一起，所述声波换能器3产生的声波在所述透明驻波槽5内流体中传播，声波在传播过程中遇到流体与空气的反射面后反射，辐射波与反射波在流体中发生干涉，产生声驻波。

所述钢板4的厚度D_s应该远小于声波在钢板4中的波长λ_s，即2πD_s/λ_s<<1，具体为2πD_s/λ_s<0.1，以此提高所述声波换能器3产生的声波进入所述透明驻波槽5内流体的效率。

所述钢板4与流体空气反射面的距离(流体在所述透明驻波槽5内的高度)应为声波在流体中半波长的整数倍，满足此条件辐射波与反射波才可以在流体中形成声驻波。

一种利用上述声驻波粘性流体脱气装置进行的脱气方法，其特征在于包括以下步骤：

首先将粘性流体加入前面板设有刻度的透明驻波槽体5中，倒入透明驻波槽体5中的流体高度为声波换能器3产生的声波在流体中的半波长的整数倍，

设置所述信号发生器1的超声波信号为正弦信号，开启位于透明驻波槽体5底部的声波换能器3，并通过调节功率放大器2输出功率来调节所述声波换能器3的辐射功率，所述功率放大器2将所述信号发生器1产生的正弦小信号无失真的放大，经所述功率放大器2放大的信号施加在所述声波换能器3上，所述声波换能器3在正弦信号的激励下将电信号转换成声波辐射出去，由于流体高度设置为半波长的整数倍，所述声波换能器3辐射出的声波在流体与空气的接触面处发生反射，辐射波与反射波叠加形成驻波；

经一段时间处理，声波稳态空化效应产生的微气泡在声驻波条带效应下向压力波腹附近聚集，在压力波腹附近形成气泡条带，微气泡在条带处进一步发生气泡聚并，加速了气泡的长大速率从而进一步加速了声波脱气效率，达到对倒入透明驻波槽体5中的流体进行高效脱气的目的。

实施例

以二甲基硅油为粘性流体，本发明一种声驻波粘性流体脱气装置及方法采用以下操作步骤：

步骤1，将二甲基硅油加入附图3所述的透明驻波槽体5中，硅油液面距离声辐射面的高度为声波在二甲基硅油中半波长的整数倍(这里以126.4kHz的声波为例)，加入透明驻波槽体5中硅油的高度通过透明驻波槽体5前面板上的刻度读取。

步骤2，设置所述信号发生器1的声波信号为126.4kHz的正弦信号，所述功率放大器2将所述信号发生器1产生的正弦小信号无失真的放大，经所述功率放大器2放大的电压信号施加在所述声波换能器3上，所述声波换能器3在正弦信号的激励下将电信号转换成声波辐射出去，由于流体高度设置为半波长的整数倍，所述声波换能器3辐射出的声波在硅油与空气的接触面处发生反射，辐射波与反射波叠加形成驻波。

流体中的微气泡在声波稳态空化效应下不断变大，并在声驻波条带效应下向压力波腹附近聚集并形成气泡条带，微气泡在条带处进一步发生气泡聚并，气泡粒径不断增大直至上浮到流体液面处发生崩溃，达到脱气目的。

步骤3，利用高速摄像机搭配30倍显微镜头拍摄所形成的微气泡条带图，参见附图4所示，证实微气泡在声驻波作用下可以形成微气泡条带，从而可以加速气泡的长大和析出。

本发明提出的一种声驻波黏性流体脱气装置及方法，该装置及方法对已有声波脱气技术的前提下加以改进，综合考虑了声波的稳态空化效应和声驻波的条带效应，声波的稳态空化效应产生的微气泡在声驻波条带效应下向压力波腹附近聚集，在压力波腹附近形成微气泡条带，微气泡在条带处进一步发生气泡聚并，加速了气泡的长大速率从而进一步加速了声波脱气效率，为粘性流体脱气技术提供了一种更高效更稳定的脱气装置和方法。