脈沖電場(chǎng)處理液態(tài)介質(zhì)中能量和電場(chǎng)力的分析與研究

馮虹，武志強(qiáng)，劉振宇

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太谷 030801)

脈沖電場(chǎng)處理液態(tài)介質(zhì)中能量和電場(chǎng)力的分析與研究

馮虹1，武志強(qiáng)1，劉振宇2*

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太谷 030801)

[目的]為了更好地分析脈沖電場(chǎng)處理下液態(tài)介質(zhì)中能量和電場(chǎng)力的變化過(guò)程。[方法]基于MATLAB設(shè)計(jì)了一個(gè)以圖形用戶為中心的能量算法界面。將不同濃度溶液的電導(dǎo)率、比熱容、脈沖強(qiáng)度、作用時(shí)間、絕對(duì)介電常數(shù)分別代入能量的不同算法中，直觀、簡(jiǎn)潔地分析液體在脈沖電場(chǎng)下能量的損耗，從理論上實(shí)現(xiàn)介質(zhì)能量和宏觀電場(chǎng)力的轉(zhuǎn)換過(guò)程。[結(jié)果]明確了能量損耗和電場(chǎng)作用力之間的相互關(guān)系，證明了脈沖波形、介質(zhì)電導(dǎo)率、處理室功率顯著影響能量利用率。以單個(gè)水滴為例說(shuō)明了液滴平衡狀態(tài)時(shí)的形態(tài)變化，確定所需電場(chǎng)力的大小。[結(jié)論]本文能夠滿足高效、節(jié)能、無(wú)污染的需求，為進(jìn)一步研究液態(tài)介質(zhì)能量與結(jié)構(gòu)的關(guān)系提供一定理論依據(jù)。

脈沖電場(chǎng)；液態(tài)介質(zhì)；MATLAB；能量；電場(chǎng)力

Abstract:[Objective]In order to analyze the changing process of the energy and the electric force of the liquid medium under the pulse electric field.[Methods]Based on MATLAB, a graphical user centric energy algorithm interface was designed. The conductivity of different concentration solutions, specific heat capacity, pulse intensity, action time and absolute dielectric constant were respectively added into the different algorithms of energy, analyzed the energy of liquid under pulsed electric field with an intuitive, concise way, so as to realize the conversion process of the medium energy and the macroscopic electric field force theoretically.[Results]The relationship between energy loss and electric field force was clarified. It was proved that pulse shape, dielectric conductivity and processing room power had significant effects on energy utilization. Taking a single water droplet as an example, it was explained that the variation of the droplet equilibrium state, and the magnitude of the electric field force was determined.[Conclusion]This paper could meet the requirements of high efficiency, energy saving and no pollution, It provided some theoretical basis for further research on the relationship between energy and structure of liquid media.

Keywords:Pulse Electric Field, Liquid medium, MATLAB, Energy, Electric force

脈沖電場(chǎng)(Pulsed Electric Fields，簡(jiǎn)稱PEF)技術(shù)是一種新型的非熱食品殺菌技術(shù)，較物理、化學(xué)等處理方法能耗低、污染少，更重要的是對(duì)介質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)成分、外觀及風(fēng)味等基本沒(méi)有影響[1]。Chung[2]研究得出脈沖形成電容對(duì)能量轉(zhuǎn)移效率的影響，當(dāng)反應(yīng)器的靜態(tài)電容為3.5時(shí)，能量轉(zhuǎn)移效率最佳。Wang Rongyi[3]通過(guò)研究，表明脈沖形成電容與負(fù)載電容能夠?qū)δ芰哭D(zhuǎn)移進(jìn)行優(yōu)化處理。Korzekwa[4]采用直流轉(zhuǎn)換電源給儲(chǔ)能電容充電，比傳統(tǒng)方法(采用恒壓電源給電容充電)減少了50%的能量損失。徐國(guó)華等[5]研究了在電場(chǎng)作用下，液滴破裂會(huì)受到介電常數(shù)、電導(dǎo)率、波形等多種因素的影響。

脈沖電場(chǎng)作用于液態(tài)物質(zhì)后有關(guān)能量和電場(chǎng)力的研究鮮見(jiàn)報(bào)道，能量與電場(chǎng)力之間的關(guān)系也需要進(jìn)一步探索。因此，本文運(yùn)用MATLAB軟件顯示出脈沖電場(chǎng)下液態(tài)介質(zhì)能量的變化值。根據(jù)能量的計(jì)算公式編寫(xiě)MATLAB的算法程序，并將所需參數(shù)(如：電場(chǎng)強(qiáng)度、作用時(shí)間、溶液電導(dǎo)率、比熱容)代入算法界面中，推算出能量的輸入、損耗和輸出值。通過(guò)介電特性說(shuō)明能量和電場(chǎng)力之間關(guān)系，并得到單個(gè)水滴電場(chǎng)力的大小。

1 脈沖電場(chǎng)處理液態(tài)介質(zhì)的能量分析

脈沖電場(chǎng)用來(lái)處理液態(tài)介質(zhì)，其作用機(jī)制可以通過(guò)“空間電荷極化理論”解釋。在PEF作用下，溶液中存在的一些離子(如K+、Cl-)發(fā)生移動(dòng)，并匯聚在介質(zhì)分子表面，形成宏觀的空間電荷，即空間極化電荷。隨著脈沖電壓不斷升高，在分子外層上產(chǎn)生瞬間高壓放電，使其分子外層破裂，支鏈斷裂析出，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞[6～8]，最終引起能量變化。然而，液態(tài)介質(zhì)中能量利用率受到多方面因素的影響，其中最主要的因素有：脈沖電場(chǎng)的波形、電導(dǎo)率大小以及處理室功率。以上述影響因素為基礎(chǔ)得到液態(tài)介質(zhì)輸入能量、能量損耗、能量增量以及電場(chǎng)力的計(jì)算方法，并通過(guò)MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)其運(yùn)算過(guò)程。

1.1 參數(shù)對(duì)能量的影響

(1)波形種類

波形的能量利用率對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的能量利用率有著重要影響。不同的波形，能量利用率也不同。脈沖波形主要有方波、指數(shù)衰減波和鐘形波。其中，方波殺菌效果最佳。但對(duì)于負(fù)載而言，達(dá)到最大的電壓值需要一定時(shí)間，所以方波的能量利用率屬于理想型。因此，波形的能量利用率直接受上升時(shí)間的影響，上升時(shí)間越短，脈沖寬度越大，利用率越高。

(2)電導(dǎo)率高低

材料電導(dǎo)率對(duì)能量的影響也不容小覷。電導(dǎo)率高低與波形下降沿的斜率成正比，電導(dǎo)率越高，斜率越大，下降沿越陡，能量利用率越高。

(3)處理室功率

能量損失程度還與處理室功率大小有關(guān)。在相同處理?xiàng)l件下，處理室功率取決于處理位置個(gè)數(shù)和處理室個(gè)數(shù)。當(dāng)處理室占比達(dá)到一定值時(shí)，其能量利用率也隨之增大。因?yàn)樘幚聿煌妼?dǎo)率的物料時(shí)，處理室電阻亦不同，電導(dǎo)率越高，處理室電阻越小，功率也就越大[9]。

1.2 脈沖電場(chǎng)處理過(guò)程中液態(tài)介質(zhì)的能量計(jì)算

脈沖電場(chǎng)處理介質(zhì)的能量計(jì)算方法[10]具體如下：

先計(jì)算出脈沖電場(chǎng)的輸入能量(Wp)，再計(jì)算出脈沖處理過(guò)程由于溶液升溫造成的能量損失(W1)，最后得出能量的增量。

其中，脈沖電場(chǎng)輸入能量：

Wp=E2×t×σ

(1)

式中：E為脈沖電場(chǎng)的脈沖強(qiáng)度/V·m-1；t為脈沖電場(chǎng)的處理時(shí)間/s；σ為液態(tài)介質(zhì)的電導(dǎo)率/s·m-1。

脈沖處理過(guò)程由于溶液升溫造成的能量損失為：

W1=T1×C1

(2)

(3)

式中：T1為脈沖電場(chǎng)處理過(guò)程溶液升高溫度/℃；C1為液態(tài)介質(zhì)的比熱容/(J·kg-1·℃-1)；Q吸為在溫度升高時(shí)，所吸收的熱量/J；m為液態(tài)介質(zhì)的質(zhì)量/kg；ΔT為吸熱后溫度所上升的值/℃。

能量增量(W)：

W=WP-W1

(4)

根據(jù)公式(4)，設(shè)定脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度、處理時(shí)間等參數(shù)，并利用Matlab軟件(R2010b)計(jì)算，得到脈沖電場(chǎng)處理過(guò)程中能量的增量W。

1.3 圖形用戶界面的設(shè)計(jì)及算法流程圖

采用MATLAB軟件編寫(xiě)如圖1、圖2、圖3、圖4所示的人機(jī)交互界面可快速計(jì)算出脈沖電場(chǎng)作用下的液態(tài)介質(zhì)能量變化值。

MATLAB程序編寫(xiě)流程圖如圖5所示。

圖1 能量的輸入量Fig.1 Energy input

圖2 能量的損失量Fig.2 Loss of energy

圖3 能量的增量Fig.3 Increment of energy

圖4 電場(chǎng)力Fig.4 Electric Field Force

2 與能量有關(guān)的微觀特性

脈沖輸入能量發(fā)生損耗，源自電介質(zhì)導(dǎo)電過(guò)程中定向移動(dòng)的電子發(fā)生了延遲，以及電介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)，從而使電介質(zhì)里的電荷在外電場(chǎng)作用下，發(fā)生微小位移。由此推斷，能量的改變可視為電介質(zhì)中自由電子的運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化。

脈沖電場(chǎng)處理液態(tài)介質(zhì)時(shí)，電場(chǎng)力是通過(guò)能量變化和電場(chǎng)力做功之間的關(guān)系得到的，根據(jù)能量守恒定律，電場(chǎng)力做功所消耗的能量等于電場(chǎng)能量的減少量，從而確定能量和電場(chǎng)力的關(guān)系。本小節(jié)以單個(gè)水滴為例，求解其所受電場(chǎng)力。

2.1 能量與電場(chǎng)力

電荷在電場(chǎng)中會(huì)受到庫(kù)侖力F的作用，其大小主要受電場(chǎng)強(qiáng)度E和電荷大小q′的影響：

F=q′E

(5)

如果電場(chǎng)強(qiáng)度是由空間點(diǎn)電荷q產(chǎn)生的，那么點(diǎn)電荷q′受到的電場(chǎng)力就可以換算成以下表達(dá)方法：

(6)

式中：er表示方向，為單位矢量。如果點(diǎn)電荷大小和極性都已知，則它們之間的力F也可由式(6)算得。然而在實(shí)際電場(chǎng)分析時(shí)，由于電荷q分布復(fù)雜，電場(chǎng)強(qiáng)度分布無(wú)明確規(guī)律，使電荷q′在電場(chǎng)中每一個(gè)位置上受到的電場(chǎng)力變得復(fù)雜，僅使用庫(kù)侖定律求無(wú)法準(zhǔn)確求解電場(chǎng)力。

為此，引入虛位移法。該方法首先假定電荷發(fā)生一定的位移，通過(guò)觀察電場(chǎng)能量的變化和電場(chǎng)力做功之間的關(guān)系來(lái)計(jì)算電場(chǎng)力。

電場(chǎng)力計(jì)算關(guān)系式取決于系統(tǒng)設(shè)定的求解條件：

(1)常電位系統(tǒng)：設(shè)定各帶電體的電位保持不變，當(dāng)導(dǎo)體發(fā)生虛位移時(shí)，外部電壓供給能量為：

dWp=∑d(φkqk)=∑φkdqk

(7)

由于系統(tǒng)能量的增量，為外源提供能量的一半，所以：

(8)

外源提供的能量，有一半作為電場(chǎng)儲(chǔ)能的增量，另一半用于機(jī)械功。系統(tǒng)中，在電場(chǎng)力F的作用下，廣義坐標(biāo)g發(fā)生位移dg，即電場(chǎng)力做功等于能量的增量：

圖5 能量與電場(chǎng)力的算法流程圖Fig.5 Algorithm flow chart of energy and electric field force

(9)

由此得到廣義力：

(10)

(2)常電荷系統(tǒng)：假設(shè)各帶電體電荷q一定，即當(dāng)p號(hào)導(dǎo)體無(wú)論是否發(fā)生虛位移，所有帶電體與外源相互隔離，則dWp=0。由此得到：

0=dgW+Fdg

(11)

從而有：

(12)

式中，“-”號(hào)表明電場(chǎng)力做功是靠系統(tǒng)電場(chǎng)能量的減少來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

根據(jù)能量守恒定律，電場(chǎng)力做功需要耗費(fèi)的能量理論上與系統(tǒng)電場(chǎng)輸入能量的減少值相等，因?yàn)閹щ婓w只是假定發(fā)生位移而實(shí)際上這種情況并未發(fā)生，故理論上電場(chǎng)分布保持不變，因此有：

(13)

由上述公式(10、12)可知，根據(jù)系統(tǒng)中不同的求解條件(如電荷q的大小等)可以推導(dǎo)出宏觀電場(chǎng)作用力。但在計(jì)算過(guò)程中存在位移是否變化、電場(chǎng)力分布是否均勻、電位φ的變化等不確定因素，所以引入微觀電場(chǎng)力。

2.2 溶液中單個(gè)水滴的電場(chǎng)力

以單個(gè)液滴為研究對(duì)象進(jìn)行分析，根據(jù)動(dòng)量守恒定理，電場(chǎng)力中液滴的平衡狀態(tài)取決于表面張力、外力、重力以及電場(chǎng)力的大小。平衡時(shí)液滴的形狀受到力的影響，表面張力使液滴呈球形狀，重力趨于將液滴拉平變長(zhǎng)并逐步形成橢圓形，而電場(chǎng)則使液滴沿電場(chǎng)方向伸長(zhǎng)。平衡狀態(tài)用Laplace-Young方程表述為：

(14)

式中：γ為界面張力；R1、R2為水滴表面某點(diǎn)的兩個(gè)主曲率半徑；P0為膜內(nèi)外壓力差；F為水滴表面的電場(chǎng)力。其大小取決于此點(diǎn)處電場(chǎng)強(qiáng)度的大小、方向以及物質(zhì)的介電性質(zhì)。

(15)

n，t分別表示向量的法向、切向的分向量。

由于在電場(chǎng)中水滴可視為導(dǎo)體，其內(nèi)部沒(méi)有電場(chǎng)且電場(chǎng)均在水滴表面的法線方向，則公式(15)可簡(jiǎn)化為：

(16)

式中，ε0為絕對(duì)介電常數(shù)，其值為8.85*10-12F·m-1，E為電場(chǎng)強(qiáng)度。

根據(jù)已編寫(xiě)的MATLAB圖形交互界面，輸入脈沖強(qiáng)度、作用時(shí)間等參數(shù)，可得到能量、電場(chǎng)力大小，結(jié)果如表1所示。

表1 能量、電場(chǎng)力計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of energy and electric field force

當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí)，作用時(shí)間越長(zhǎng)，輸入能量越多，能量增量越大，電場(chǎng)力做功也越大。當(dāng)作用時(shí)間一致時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度越大，能量增量也越大，電場(chǎng)力做功也越大。其中，水的比熱容C=4.2*103J·kg-1·℃-1，電導(dǎo)率σ=7.3*10-4μs·m-1。電場(chǎng)力的大小隨電場(chǎng)強(qiáng)度的改變而改變。

3 結(jié)論

(1)脈沖電場(chǎng)以脈沖激勵(lì)波的方式作用于溶液，當(dāng)電場(chǎng)作用于物質(zhì)時(shí)輸入能量，經(jīng)過(guò)電離，溶液由于溫度升高而損失部分輸入能量，增加的能量將作用于被研究對(duì)象。

(2)通過(guò)研究脈沖電場(chǎng)作用于液態(tài)介質(zhì)下的能量相關(guān)影響因素，得出能量的計(jì)算方法，提高了計(jì)算速度。輸入能量的值一部分用于能量的增加，另一部分則用于電場(chǎng)力做功，并針對(duì)不同的系統(tǒng)條件闡明了能量增量和電場(chǎng)力之間的關(guān)系，得到整個(gè)區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)力的大小。

(3)以單個(gè)水滴為研究對(duì)象，分析了不同作用力下液滴的形變，計(jì)算出電場(chǎng)力。為液態(tài)介質(zhì)中能量與電場(chǎng)力的研究提供了理論基礎(chǔ)，也對(duì)微觀的發(fā)展提供了一定的參考。

[1]朱麗楠,馬軍,楊世東.高壓脈沖電場(chǎng)中活性氧化鉛滴濾床對(duì)印染廢水脫色的效能[J].現(xiàn)代化工,2006,26(7):34-38．

[2]Chung J W, Cho M H, Son B H, et al. Study on reduction of energy consumption in Pulsed corona discharge process for NOxremoval[J]. Plasma Chemistry and Plasma Processing,2000,20(4):495-509.

[3]Wang R, Zhang B, Sun B, et al. Apparent energy yield of a high efficiency pulse generator with respect to SO2and NOxremoval[J]. Journal of Electrostatics,1995,34(4):355-366.

[4]Korzekwa R A, Grothaus M G, Hutcherson R K, et al.Destruction of hazardous air Pollutants using a fast rise time pulsed corona reactor[J]. Review of Scientific Instruments,1998,69(4):1886-1892.

[5]徐國(guó)華,陳維杻.高強(qiáng)電場(chǎng)中液滴的破碎[J].高校化工工程學(xué)報(bào),1994,8(3):221-229.

[6]Perez O E, Pilosof, AMR. Pulsed electric effects on the molecular structure and gelation of b-lactoglobulin concentrate and egg white[J]. Food Research International, 2004,37(1):102-110.

[7]Zhao W, Yang R，Lu R，et al. Effect of PEF on microbial inactivation and physical-chemical properties of green tea extracts[J].LWT-Food Science and Technology,2008,41(3):425-431.

[8]Unal R，Yousef A E，Dunne C P. Spectrofluorimetric assessment of bacterial cell membrane damage by pulsed electric field[J]. Innovative Food Science and Emerging Technologies，2002(3): 247-254.

[9]田媛, 平雪良, 姚文龍, 等.高壓脈沖電場(chǎng)殺菌設(shè)備的能量利用[J].食品與機(jī)械,2016,32(1):77-80.

[10]韓忠.不同電場(chǎng)處理對(duì)玉米淀粉理化性質(zhì)影響研究[D]. 廣州：華南理工大學(xué),2011:99-107.

(編輯：李曉斌)

Analysisandresearchofenergyandelectricfieldforceaboutthetreatmentofliquidmediumwithpulsedelectricfield

Feng Hong1, Wu Zhiqiang1, Liu Zhenyu2*

(1.CollegeofEngineering,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China；2.CollegeofInformationScienceandEngineering,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China)

O442

A

1671-8151(2017)10-0743-06

2016-04-27

2017-06-02

馮虹(1990-)，女(漢)，山西呂梁人，碩士研究生，研究方向：電氣自動(dòng)控制

*通信作者：劉振宇，副教授，碩士生導(dǎo)師，Tel:13593101646;E-mail:lzysyb@126.com

國(guó)家自然科學(xué)基金(31371527)