顆粒速度和形體因素影響靜電發(fā)生機(jī)理

姚軍，黃勇吳潔潔趙彥琳，李寧

（1. 廈門大學(xué) 能源學(xué)院，福建 廈門，361005；2. 中國(guó)石油大學(xué)（北京） 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京，102249）

顆粒速度和形體因素影響靜電發(fā)生機(jī)理

姚軍1，2，黃勇1，吳潔潔1，趙彥琳2，李寧1

（1. 廈門大學(xué) 能源學(xué)院，福建 廈門，361005；2. 中國(guó)石油大學(xué)（北京） 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京，102249）

采用直接測(cè)量的方法獲得單個(gè)顆粒沿傾斜金屬板滑行后產(chǎn)生的靜電，實(shí)驗(yàn)選用顆粒材料為PVC，顆粒平均粒度為2.0～5.0 mm，分別以三角形面和梯形面作為顆?；械哪Σ撩?。研究結(jié)果表明：隨著顆粒滑行速度減小，產(chǎn)生靜電量增大；顆粒的接觸面積增大，產(chǎn)生的靜電量增大；滑行次數(shù)達(dá)到一定時(shí)，顆粒產(chǎn)生的靜電量達(dá)到飽和。綜合分析，可獲得顆粒粒度、形狀因素、顆?；兴俣群托误w因素影響靜電產(chǎn)生的作用機(jī)理。

顆粒；靜電；速度；形體

在工業(yè)過程中，顆粒與壁面摩擦產(chǎn)生靜電，這種現(xiàn)象稱作“摩擦起電”或“接觸帶點(diǎn)”。靜電現(xiàn)象給安全生產(chǎn)帶來(lái)許多問題，如引起顆粒結(jié)團(tuán)、堵塞、火星和爆炸等危害［1］；在氣固流態(tài)化過程中，靜電導(dǎo)致顆粒團(tuán)聚、黏壁、形成死區(qū)和溝流，直接改變流化床內(nèi)的流體行為［2］。固體顆粒廣泛應(yīng)用于化學(xué)化工、能源、食品、制藥、采礦等行業(yè)。在化學(xué)工業(yè)，顆粒運(yùn)輸、氣固流化床等過程中易產(chǎn)生靜電；在制藥工業(yè)，顆粒非常易于與壁面或其他顆粒發(fā)生碰撞或者摩擦，從而產(chǎn)生大量靜電；在其他工業(yè)過程中，顆粒與壁面、顆粒與顆粒的碰撞和摩擦也會(huì)產(chǎn)生靜電，并帶來(lái)一定程度的危害［3］。關(guān)于顆粒產(chǎn)生靜電的現(xiàn)象，已有大量研究。HOGUE等［4］采用顆粒在鋼板上滑行至法拉第杯中的方法，測(cè)得不同材質(zhì)、滑行角度均會(huì)影響靜電產(chǎn)生，并利用 DEM模擬方法與實(shí)驗(yàn)比對(duì)良好。MATSUSAKA等［5-6］研究了氣送管道內(nèi)顆粒與壁面碰撞產(chǎn)生靜電的情況，發(fā)現(xiàn)顆粒質(zhì)量流率和荷質(zhì)比對(duì)靜電量起主要作用。同時(shí)，顆粒材料及尺寸均會(huì)對(duì)靜電的產(chǎn)生有影響。影響顆粒產(chǎn)生靜電的因素還有很多，如接觸面積、長(zhǎng)寬比、滑行速度和粗糙度等內(nèi)在因素［7-9］，還有環(huán)境濕度、溫度等外在因素［10-11］。工業(yè)生產(chǎn)中，傳輸工作的顆粒并不是統(tǒng)一形體，所以本研究提出顆?；兴俣燃靶误w因素影響靜電發(fā)生機(jī)理的研究不僅具有科研創(chuàng)新性還具有很大的工業(yè)實(shí)用價(jià)值。盡管有大量研究對(duì)顆粒產(chǎn)生靜電的機(jī)理進(jìn)行探討，但針對(duì)顆粒滑行速度及其形體因素影響顆粒產(chǎn)生靜電的研究還尚未發(fā)現(xiàn)。然而，靜電的產(chǎn)生機(jī)理十分復(fù)雜，如顆?；兴俣燃捌湫误w因素影響靜電發(fā)生的機(jī)理尚不清楚。本文作者將從單顆粒實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上獲得靜電產(chǎn)生基本原理，能夠更直接更具體地明確靜電產(chǎn)生的機(jī)理和影響因素，進(jìn)而為評(píng)估復(fù)雜顆粒系統(tǒng)中靜電產(chǎn)生提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

本工作對(duì)單顆顆粒產(chǎn)生的靜電進(jìn)行了研究，每次實(shí)驗(yàn)均為單顆顆粒的一次滑動(dòng)。實(shí)驗(yàn)采用的測(cè)量方法為將顆粒靜置于一傾斜放置的（54°）不銹鋼板上，自由滑行一段恒定的距離，最后落入放置在鋼板尾端的法拉第杯。法拉第杯連接靜電計(jì)，靜電計(jì)連接計(jì)算機(jī)。顆粒表面摩擦產(chǎn)生靜電，當(dāng)顆粒從鋼板滑下落入法拉第杯中時(shí)，所帶靜電量將直接可以從靜電計(jì)測(cè)得，并在計(jì)算機(jī)軟件中記錄。

實(shí)驗(yàn)選擇的顆粒為不規(guī)則顆粒，因此，在滑行時(shí)應(yīng)選擇最穩(wěn)定的面作為實(shí)驗(yàn)面，即摩擦面，避免在下滑過程中產(chǎn)生翻滾現(xiàn)象［8］。實(shí)驗(yàn)前，對(duì)每顆粒的質(zhì)量（精度0.1 mg）和摩擦面的尺寸（精度0.1 mm）進(jìn)行標(biāo)定，并計(jì)算得到摩擦面的面積和各個(gè)角度。實(shí)驗(yàn)前，顆粒需放電24 h，以保證初始電量均為0［8］。顆粒按順序放置在有網(wǎng)格的鋼板上，且每個(gè)網(wǎng)格有數(shù)字標(biāo)號(hào)，來(lái)標(biāo)記每顆顆粒。

本文作者進(jìn)行2種實(shí)驗(yàn)，即獨(dú)立性實(shí)驗(yàn)和重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。獨(dú)立性實(shí)驗(yàn)是指一次實(shí)驗(yàn)每顆顆粒只滑行一次；重復(fù)性實(shí)驗(yàn)是指一次實(shí)驗(yàn)每顆顆?；卸啻?，直至靜電飽和。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先用鑷子夾起顆粒（非實(shí)驗(yàn)?zāi)Σ撩妫旁阡摪屙敹?，然后松開鑷子，顆粒在重力作用下沿著鋼板滑落入法拉第杯，通過靜電計(jì)測(cè)得的電荷每隔50 ms自動(dòng)記錄保存在電腦上。若進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，則隨后從法拉第杯中取出顆粒重復(fù)滑行動(dòng)作，直至電量飽和。

1.2 顆粒

聚氯乙烯PVC材料是化工、建筑、食品工業(yè)等領(lǐng)域中常見的工業(yè)原料，應(yīng)用非常廣泛，主要用于制造管材、模具、日常生活用品等。因此，本研究選用的顆粒為PVC材質(zhì)，以便更好地模擬工業(yè)過程中產(chǎn)生靜電的現(xiàn)象，有更大的應(yīng)用價(jià)值。實(shí)際工業(yè)氣送裝置等設(shè)備中，顆粒與壁面、顆粒與顆粒之間發(fā)生碰撞、摩擦、擠壓等現(xiàn)象，致使顆粒破碎變?yōu)榉且?guī)則顆粒。為了更貼近實(shí)際情況，本研究選用2種不規(guī)則顆粒：三角形顆粒和梯形顆粒。

圖1所示為顆粒實(shí)物圖與形狀示意圖。圖1（a）和（b）所示為三角形顆粒，圖中陰影面為摩擦面，形狀為三角形；圖1（c）和（d）所示為梯形顆粒，圖1（d）中陰影面即摩擦面為梯形。圖1（a）和（c）所示分別為三角形和梯形顆粒實(shí)物圖。所用三角形顆粒摩擦面邊長(zhǎng)在2.5～5.0 mm之間，面積為3.7～7.0 mm2；梯形顆粒摩擦面邊長(zhǎng)在2.0～4.8 mm之間，面積為4.0～8.0 mm2。

圖1 顆粒形狀Fig.1 Granular shape

1.3 定義

圖2所示為三角形顆粒前沖角。在三角形顆粒下滑時(shí)，接觸面上某個(gè)角α保持在最下端（圖2（a）），定義此角為三角形前沖角。圖2（b）所示為顆粒下滑時(shí)的正視圖，圖中陰影三角形為顆粒與鋼板接觸面，α為前沖角，滑行時(shí)保持在最前端，也是最下端。

圖2 三角形顆粒前沖角Fig.2 Triangle granule front-facing angle

圖3所示為摩擦面的正面圖。三角形顆粒長(zhǎng)寬比RLW定義為：RLW=L/W，且L＞W(wǎng)。圖3（a）所示為三角形顆粒的摩擦面，L為最長(zhǎng)邊a上的高，W為中位線寬度。梯形顆粒長(zhǎng)寬比定義為：RLW=W/L，且W＞L。圖3（b）所示為梯形顆粒的摩擦面，W為梯形中位線寬度，L為梯形的高。

圖3 長(zhǎng)寬比定義Fig.3 Definition of length-ratio

在本次實(shí)驗(yàn)中影響顆粒摩擦帶電量的因素有很多，如質(zhì)量、接觸面積、前沖角、長(zhǎng)寬比和環(huán)境濕度等，為了定量研究某一變量對(duì)靜電產(chǎn)生的影響，定義

2 結(jié)果與討論

2.1 電子轉(zhuǎn)移

顆粒與壁面互相接觸或摩擦而產(chǎn)生靜電，這種現(xiàn)象稱作“接觸帶點(diǎn)”或“摩擦起電”。在摩擦起電時(shí)，2種不同的物質(zhì)，經(jīng)過接觸、摩擦、分開，這三道程序后，會(huì)從原本中性，變?yōu)閹щ婓w；其中一種物質(zhì)會(huì)帶有正電，另外一種物質(zhì)會(huì)帶有同樣大小的負(fù)電。電荷的正負(fù)極性和電量，依照材質(zhì)、表面粗糙、溫度、應(yīng)變等等，各種性質(zhì)或參數(shù)而變化。一般而言，絕緣體，不導(dǎo)電的物體，是起電（產(chǎn)生靜電）和保留電荷的優(yōu)良材料，例如PVC。

PVC顆粒在鋼板表面滑行后帶負(fù)電，鋼板帶正電。高聚物分子晶體晶格在表面處突然終止，在表面的最外層的每個(gè)原子將有1個(gè)未配對(duì)的電子，即有1個(gè)未飽和的鍵，這個(gè)鍵稱為懸掛鍵。懸掛鍵不穩(wěn)定，易接受第2個(gè)電子成為負(fù)電中心，因此，在實(shí)驗(yàn)過程中PVC顆粒易得電子帶負(fù)電。實(shí)驗(yàn)過程中（圖2（a）），第1步，將中性顆粒靜置于中性鋼板上；在下滑過程中，電子在顆粒摩擦面聚集，與鋼板形成雙層充電層［12-13］，即第2步；隨著滑行距離的增加，電子的集聚增加，即第3步。當(dāng)顆?；x鋼板后，由于鋼板是導(dǎo)體且接地，瞬時(shí)恢復(fù)到中性，進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)。

2.2 滑行速度

圖4所示為顆粒速度與靜電關(guān)系。顆粒在一段恒定的距離滑動(dòng)，滑動(dòng)速度對(duì)其靜電的產(chǎn)生有明顯影響。由圖4（a）可見：三角形顆粒產(chǎn)生靜電量隨滑速度的增加呈指數(shù)形式下降，梯形顆粒也呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)。類似的發(fā)現(xiàn)可以在HOGUE等［4］的研究中找到，顆?；邢嗤木嚯x，所用時(shí)間長(zhǎng)，即速度小的顆粒所產(chǎn)生的靜電量大。這可能與顆粒與鋼板接觸時(shí)間相關(guān)，接觸時(shí)間越長(zhǎng)，越有利于電荷的集聚，則靜電量隨之增加。圖4（b）所示為A～F 6顆三角形顆粒在相同實(shí)驗(yàn)條件下，所得靜電量與速度的關(guān)系。圖中為6顆顆粒在0.2 s時(shí)在鋼板上滑行時(shí)由高速攝像儀（日本OLYMPUS，i-speed LT）拍攝。A～F 6顆顆粒在同一時(shí)間內(nèi)滑行距離依次增加，即滑行速度依次增加，對(duì)應(yīng)于圖4（b）中靜電量隨之下降。

2.3 形體因素

圖4 顆粒速度與靜電關(guān)系Fig.4 Relationships between granule sliding velocity and electrostatics

圖5 顆粒形體因素對(duì)靜電產(chǎn)生的影響Fig.5 Effects of granule factors on electrostatics

圖5所示為顆粒形體因素影響靜電產(chǎn)生。顆粒的形體因素有很多，例如三角形前沖角角度、長(zhǎng)寬比［7］、摩擦面積［11］等，這些形體因素均會(huì)對(duì)顆粒靜電的產(chǎn)生有明顯影響。由圖5（a）可見：隨著前沖角角度增加，靜電量逐漸減弱。前沖角角度小的顆粒，其荷質(zhì)比（qm）越大，說(shuō)明顆粒前沖角越尖，獲得靜電的能力越強(qiáng)。這可能與電荷的集聚能力有關(guān)，顆粒的前沖角越小越有利于電荷的集聚。圖5（b）和（c）所示為長(zhǎng)寬比與靜電產(chǎn)生的趨勢(shì)。隨著長(zhǎng)寬比的增加，靜電量增加，即越修長(zhǎng)型的顆粒產(chǎn)生的靜電量越大［14］。圖5（d）所示為顆粒面積越大，產(chǎn)生的靜電量越［11-12］。

2.4 環(huán)境濕度

圖6所示為相對(duì)濕度影響靜電產(chǎn)生。環(huán)境濕度對(duì)顆粒靜電產(chǎn)生有顯著影響，本實(shí)驗(yàn)采用相對(duì)濕度表征。如圖6所示，在相對(duì)濕度50%RH（±2%）下產(chǎn)生的靜電量明顯高于在相對(duì)濕度 80%RH（±2%）下產(chǎn)生的靜電量。這一結(jié)論與大量已完成研究［7，10］結(jié)論一致：濕度增加，顆粒帶電能力下降。NOMURA等［10］研究了顆粒吸濕性對(duì)靜電產(chǎn)生的影響，發(fā)現(xiàn)相對(duì)濕度在0～80%RH范圍內(nèi)，無(wú)吸濕性顆粒的靜電產(chǎn)生幾乎無(wú)變化，有吸濕性顆粒產(chǎn)生靜電的能力隨著濕度上升而減弱，且吸濕性越強(qiáng)的顆粒產(chǎn)生的靜電量越小。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是因?yàn)轭w粒帶電能力與相對(duì)濕度有著密切的關(guān)系。隨著相對(duì)濕度的增加，空氣中含的水分增多，顆粒表面吸附的水分子就增多。而水是一種良導(dǎo)體，顆粒表面吸附的水分子越多，其電阻率將越低，靜電荷就更易由高電位轉(zhuǎn)移到低電位而無(wú)法聚集［15］。

圖6 相對(duì)濕度影響靜電產(chǎn)生Fig.6 RH effect on electrostatics

2.5 飽和電量

進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，顆粒具備多次帶電的能力。將同一顆粒進(jìn)行重復(fù)滑行動(dòng)作，產(chǎn)生的靜電量將持續(xù)增加，最終達(dá)到最大值且保持穩(wěn)定，則稱這一值為飽和電荷，這一現(xiàn)象為顆粒帶電飽和現(xiàn)象。對(duì)某一梯形顆粒進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。從圖7可知：在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行10次左右時(shí)達(dá)到飽和。對(duì)顆粒產(chǎn)生靜電進(jìn)行指數(shù)擬合，擬合公式為

其中：q為顆粒所帶電荷量；qsat為飽和電量；A和R0為常數(shù)；t為滑行次數(shù)。擬合結(jié)果 qsat= 0.110 2，A= -0.116 7，可近似認(rèn)為A≈-qsat。此結(jié)果與IRELAND［15］，ZHU等［16］和LIAO等［3］的實(shí)驗(yàn)結(jié)論相似。LIAO等［3］利用直徑3 mm玻璃顆粒進(jìn)行撞擊實(shí)驗(yàn)，并對(duì)靜電量和時(shí)間進(jìn)行擬合，擬合公式為

式（1）與（2）相似，因此，本實(shí)驗(yàn)擬合良好。A可近似為-qsat，R0可近似為-1/τ。其中：時(shí)間常數(shù)τ為靜電積累的增長(zhǎng)率。

圖7 梯形顆粒多次滑行趨勢(shì)Fig.7 Trapezium granule electrostatics generation from multiple-sliding

3 結(jié)論

1） 對(duì)于三角形顆粒，靜電產(chǎn)生量隨著前沖角角度的減小而增加。

2） 對(duì)于三角形顆粒和梯形顆粒，隨著長(zhǎng)寬比或者摩擦面積的增加，靜電產(chǎn)生量增加。

3） 對(duì)于三角形顆粒或梯形顆粒，靜電產(chǎn)生量受到外界環(huán)境的影響，環(huán)境濕度越大，靜電產(chǎn)生量越小。

4） 當(dāng)顆粒與鋼板摩擦次數(shù)增加時(shí)，顆粒表面的靜電產(chǎn)生量隨之增加。當(dāng)滑行次數(shù)達(dá)到一定次數(shù)時(shí)（如10或11次），靜電產(chǎn)生量不再增加，即達(dá)到飽和。

5） 對(duì)于2種形狀的顆粒，顆粒與鋼板多次作用靜電產(chǎn)生量仍然遵循顆粒單次實(shí)驗(yàn)相同規(guī)律，即：隨著長(zhǎng)寬比或者摩擦面積的增加，靜電產(chǎn)生量增加。

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（編輯 陳愛華）

Investigation of granule sliding velocity and granule shape effect on electrostatics

YAO Jun1，2， HUANG Yong1， WU Jiejie1， ZHAO Yanlin2， LI Ning1

2. College of Mechanical and Transportation Engineering， China University of Petroleum-Beijing， Beijing 102249， China）

The electrostatics caused by granule sliding along a metal plate was measured directly. Granule material is PVC and the mean particle size is 2.0-5.0 mm. The working-face has two kinds of shapes， triangle and trapezium. The results show that electrostatics generated increases with the decrease of the granule sliding velocity as well as with granular sliding face area. The electrostatics generated reaches saturated state after sliding several times. In the end， the mechanism of the granule sliding velocity and granule shape effect on electrostatics due to friction is obtained in terms of granule size and shape.

particle； electrostatics； velocity； shape

TK121

A

1672-7207（2016）05-1799-06

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.05.046（1. College of Energy， Xiamen University， Xiamen 361005， China；

2015-05-02；

2015-09-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51376153，51406235）；中國(guó)石油大學(xué)（北京）科研基金資助項(xiàng)目（2462013YJRC030）（Projects（51376153， 51406235） supported by the National Natural Science Foundation of China； Project（2462013YJRC030） supported by the Science Foundation of China University of Petroleum， Beijing）

趙彥琳，博士，副教授，從事多相流測(cè)量及應(yīng)用研究；E-mail： ylzhao@cup.edu.cn