感應(yīng)荷電噴霧靜電場(chǎng)分布規(guī)律與荷電特性

姚 江,王軍鋒,何曉崐，沈 妍，劉 銳

(1.江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院,張家港 215600)(2.江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 212013)

懸浮細(xì)顆粒物是霧霾形成的重要原因之一,嚴(yán)重影響人類的生產(chǎn)和生活[1-2]．近年來,靜電噴霧降塵技術(shù)作為節(jié)能環(huán)保高效的細(xì)顆粒物脫除技術(shù)已引起了廣泛的關(guān)注[3-5],利用帶電液滴對(duì)細(xì)顆粒物的靜電引力作用,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)顆粒物的捕集和吸收．荷電液滴在捕集細(xì)顆粒物的過程中,其荷電效果的好壞對(duì)降塵效率有重要影響．國內(nèi)外許多學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬方法,對(duì)影響荷電效果的主要因素如電極材料、液滴粒徑、液體電導(dǎo)率及電場(chǎng)強(qiáng)度分布等進(jìn)行了研究．文獻(xiàn)[6-7]中發(fā)現(xiàn)電極材料的費(fèi)米能級(jí)越低、功函數(shù)越高,荷電效果越好．文獻(xiàn)[8]中通過實(shí)驗(yàn)研究表明,在相同的荷電電壓條件下,液滴粒徑越小,荷質(zhì)比越大．文獻(xiàn)[9-10]中發(fā)現(xiàn)液體電導(dǎo)率越大,液滴荷電效果越好．文獻(xiàn)[11-12]中采用橢圓積分的方法,通過數(shù)學(xué)分析求解出了環(huán)形電極誘導(dǎo)的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)分布．文獻(xiàn)[13]中利用Fluent軟件對(duì)感應(yīng)荷電噴霧中噴嘴與環(huán)狀電極靜電場(chǎng)進(jìn)行了分析,提出減小電極間距,電極處電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng),更有利于液滴的感應(yīng)荷電．但文獻(xiàn)[14-15]中通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),霧滴的荷電效果隨著電極間距的增大而增大,荷電噴霧中靜電場(chǎng)與霧滴荷電效果的作用規(guī)律還需進(jìn)一步探索．

文中在感應(yīng)荷電理論的基礎(chǔ)上,建立了噴嘴與環(huán)形電極誘導(dǎo)的靜電場(chǎng)的物理模型,分析了靜電場(chǎng)的分布特性,研究了環(huán)形電極尺寸、電極間距以及荷電電壓對(duì)充電電場(chǎng)的作用規(guī)律,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了感應(yīng)靜電場(chǎng)分布對(duì)霧滴荷電效果的影響．該研究結(jié)果可以用來指導(dǎo)靜電噴霧降塵系統(tǒng)中感應(yīng)荷電裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及提高液體的荷電效果．

1 感應(yīng)荷電理論

感應(yīng)充電時(shí),環(huán)形電極位于噴嘴正前方,與負(fù)高壓直流電源相連,噴嘴接地(圖1),環(huán)形電極與噴嘴之間將形成非均勻電場(chǎng),具有一定導(dǎo)電性的液體經(jīng)噴嘴噴出進(jìn)入非均勻電場(chǎng)時(shí),液體中帶負(fù)電的載流子在金屬噴嘴電極處被吸引而沿射流接入接地極,而帶正電的載流子移至液體表面,液體經(jīng)噴嘴霧化后形成帶正電的荷電水霧．

圖1 感應(yīng)荷電簡(jiǎn)圖Fig.1 Diagram of induction charging mechanism

為了研究方便,粗略計(jì)算噴霧電流的大小,以得知其與哪些參數(shù)有關(guān)．假設(shè)環(huán)形電極寬度忽略不計(jì),霧化錐角為0,即射流水柱為圓柱型．根據(jù)高斯定理,液體表面自由電荷的密度為:

ρi=ε0E

(1)

式中:ε0為空氣的介電常數(shù),F/m;E為電場(chǎng)強(qiáng)度,V/m;

通過霧化液體的電流為:

(2)

式中:r為噴嘴噴孔半徑,m;vw為噴孔出口液體流速,m/s;Q為液體流量,m3/s.

噴霧體的荷質(zhì)比:

(3)

式中:ρ為液體密度,kg/m3.

由式(3)可知:對(duì)于既定參數(shù)的噴嘴,噴霧體荷質(zhì)比的大小取決于環(huán)形電極所形成的空間電場(chǎng)強(qiáng)度．

2 環(huán)形電極空間電場(chǎng)分布

應(yīng)用電磁場(chǎng)分析軟件Ansoft Maxwell對(duì)噴嘴與環(huán)形電極感應(yīng)形成的靜電場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,其物理模型如圖1．壓力霧化噴嘴材料為黃銅,將其近似為直徑12 mm、長(zhǎng)22 mm的圓柱體,其右端面位于y=0處,噴孔中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)．環(huán)形電極由直徑為3 mm的黃銅棒加工而成,電極直徑為d,電極中心與坐標(biāo)原點(diǎn)的距離(即電極間距)為L(zhǎng)．

環(huán)形電極和噴嘴之間形成的感應(yīng)電場(chǎng)空間電位可由拉普拉斯方程描述:

2Φ=0

(4)

電場(chǎng)強(qiáng)度可由下式求得:

E=-Φ

(5)

圖2為電極直徑d=55 mm,極間距離L=20 mm,充電電壓為6 kV時(shí),在xoy平面上不同y軸位置處x方向的場(chǎng)強(qiáng)分布,x的取值范圍為-150～150 mm．由圖2可知,x方向場(chǎng)強(qiáng)分布關(guān)于y軸對(duì)稱,在y=0時(shí)即噴嘴所在截面上,噴嘴處的場(chǎng)強(qiáng)最大,噴嘴兩邊電場(chǎng)強(qiáng)度E隨著|x|的增加不斷減小．在y=20 mm時(shí)即環(huán)形電極所在截面,電極附近場(chǎng)強(qiáng)最高,而環(huán)形中心場(chǎng)強(qiáng)只有50 kV/m．環(huán)形電極左側(cè)靠近噴嘴電極處的電場(chǎng)強(qiáng)度,分別高于右側(cè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的強(qiáng)度．

圖2 電場(chǎng)強(qiáng)度徑向分布Fig.2 Electric field distribution along radial direction

由圖3可知，隨著荷電電壓增大,y軸方向各點(diǎn)處電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增大,在環(huán)形電極左右兩側(cè),y軸方向各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度E呈不對(duì)稱分布．左側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度明顯高于右側(cè)．由噴嘴出口到環(huán)狀電極之間,軸心線上的電場(chǎng)強(qiáng)度迅速衰減,在電極環(huán)中心達(dá)到最小值,說明霧滴在電場(chǎng)中的有效感應(yīng)荷電區(qū)域很?。h(huán)形電極右側(cè),電場(chǎng)強(qiáng)度先增加至一定值之后逐漸減?。?/p>

圖3 電場(chǎng)強(qiáng)度軸向分布Fig.3 Electric field distribution along axial direction

圖4為充電電壓為6 kV,電極間距L=15 mm下,不同電極環(huán)直徑下電極所在平面的電場(chǎng)分布．由圖4(a)可知,隨著電極環(huán)直徑的增大,噴嘴電極處的場(chǎng)強(qiáng)逐漸減小,當(dāng)|x|大于30 mm時(shí),電場(chǎng)強(qiáng)度隨著電極環(huán)直徑的增大而增大．由圖4(b)可知,電極環(huán)附近的場(chǎng)強(qiáng)隨著電極直徑的增大而減小,而在電極環(huán)中心處的電場(chǎng)強(qiáng)度變化不大．因此,減小電極環(huán)直徑可以提高電極處的電場(chǎng)強(qiáng)度,更有利于感應(yīng)荷電．

圖4 不同電極環(huán)直徑下電極平面的電場(chǎng)分布Fig.4 Electric field distribution under different annular electrode diameter at the plane of electrodes

圖5為電極直徑d=55 mm,充電電壓為6 kV時(shí),不同電極間距下的電極平面電場(chǎng)強(qiáng)度分布．由圖5(a)可知,在充電電壓相同時(shí),間距L從25 mm縮小到5 mm噴嘴處場(chǎng)強(qiáng)增大1.2倍左右,可見電極間距越小,噴嘴電極處場(chǎng)強(qiáng)越大．從圖5(b)可以看出,當(dāng)電極間距為5 mm時(shí),在環(huán)狀電極處的場(chǎng)強(qiáng)明顯高于其他電極間距時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度．因此,電極間距越小,噴嘴電極與環(huán)形電極間電場(chǎng)強(qiáng)度越高,并且強(qiáng)度衰減越?。?/p>

圖5 不同電極間距下電極平面的電場(chǎng)分布Fig.5 Electric field distribution under different electrode distance at the plane of electrodes

3 試驗(yàn)裝置與方法

感應(yīng)荷電噴霧試驗(yàn)裝置由壓力霧化系統(tǒng)、感應(yīng)荷電裝置和荷電測(cè)量裝置3個(gè)部分組成(圖6)，試驗(yàn)中噴嘴選用傳統(tǒng)的壓力霧化噴嘴,噴孔直徑為0.8 mm,試驗(yàn)中選用的霧化介質(zhì)為自來水,電導(dǎo)率為0.31 ms/cm．自來水在壓力霧化系統(tǒng)中通過隔膜泵驅(qū)動(dòng)加壓,經(jīng)調(diào)壓閥調(diào)節(jié)和穩(wěn)壓后,以很高的速度由噴嘴噴孔噴射出后,與靜止空氣撞擊破裂形成均勻細(xì)小的霧滴．感應(yīng)荷電裝置包括環(huán)形電極和直流負(fù)高壓靜電發(fā)生器．環(huán)形電極由直徑為3 mm的銅棒加工而成,直徑分別取45、55、65 mm 3種規(guī)格,其安裝在噴嘴噴孔的正前方,電極中心至噴孔的距離分別為5、10、15、20 mm．電極環(huán)通過高壓導(dǎo)線與負(fù)高壓靜電發(fā)生器連接,負(fù)高壓靜電發(fā)生器提供-12 kV～0的荷電電壓．荷電霧滴群由位于噴嘴前方的法拉第筒收集,法拉第筒內(nèi)置4層不銹鋼金屬網(wǎng),通過屏蔽導(dǎo)線與皮安表連接．荷電霧滴群進(jìn)入法拉第筒后與接地端形成電流回路,由皮安表測(cè)出樣本時(shí)間t(60s)內(nèi)的平均電流I,霧滴群的質(zhì)量m由噴霧前后集液桶的質(zhì)量差確定．利用λ=It/m計(jì)算出霧滴群的平均荷質(zhì)比,通過荷質(zhì)比的大小來表征噴霧的荷電效果,荷質(zhì)比越大,霧滴的荷電性能及充電效果越好．試驗(yàn)中每組工況測(cè)試3次,取平均值．

圖6 試驗(yàn)裝置示意Fig.6 Diagram of test device

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 荷電電壓對(duì)液滴荷電效果的影響

圖7為不同噴霧壓力下霧滴群荷質(zhì)比與荷電電壓的變化關(guān)系,圖中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,霧滴群的荷質(zhì)比大小均隨著荷電電壓的增大而單調(diào)增加．試驗(yàn)中荷電電壓增大到-12 kV后,電極環(huán)附近出現(xiàn)輝光,同時(shí)皮安表上的數(shù)值急劇減小,即此時(shí)霧滴群的荷質(zhì)比快速降低[16]．分析認(rèn)為,環(huán)形電極在-12 kV之前,射流處于感應(yīng)充電方式之下,荷電電壓增加,電極環(huán)和噴嘴電極之間非均勻電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)增大,從而荷質(zhì)比增大．當(dāng)超過該值后,由于電極環(huán)表面不光滑且存在毛刺,導(dǎo)致該處局部場(chǎng)強(qiáng)突變?cè)鰪?qiáng),周圍空氣被擊穿,出現(xiàn)電暈放電現(xiàn)象,此時(shí)霧滴群處在感應(yīng)充電向電暈放電過渡階段．由于電暈放電產(chǎn)生的大量負(fù)離子和電子,與感應(yīng)荷電產(chǎn)生的帶正電的液滴相互抵消,從而降低液滴的荷質(zhì)比．

圖7中的數(shù)據(jù)還表明,在相同的電壓條件下,噴霧壓力P越大則霧滴群的荷質(zhì)比越大,荷電效果越好;隨著噴霧壓力的繼續(xù)增大,噴霧壓力對(duì)荷質(zhì)比的影響相應(yīng)減弱．

圖7 荷電電壓對(duì)霧滴荷質(zhì)比的影響Fig.7 Effect of charge voltage on charge-mass ratio of droplets

分析認(rèn)為,由于噴霧壓力的增加,液滴粒徑減小,單位質(zhì)量的霧滴群表面積增大,提高了霧滴群荷電效果．繼續(xù)增大噴霧壓力,液滴粒徑不斷減小,液滴荷電量趨于飽和,并且隨著噴孔出口處射流流速增大,射流在靜電場(chǎng)中的有效充電時(shí)間將減少,噴霧壓力對(duì)于霧滴群荷電效果的影響作用降低．

4.2 電極環(huán)直徑對(duì)液滴荷電效果的影響

圖8為噴霧壓力為0.5 MPa,噴霧錐角為76°,荷電電壓為6 kV,電極間距L=15 mm時(shí),不同電極環(huán)直徑下霧滴荷質(zhì)比隨荷電電壓的變化規(guī)律．圖8中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,在相同電壓條件下,霧滴群的荷質(zhì)比隨著電極環(huán)直徑的增加而減小．根據(jù)圖4的分析,這主要是由于電極環(huán)直徑增大導(dǎo)致噴嘴電極與環(huán)形電極之間電場(chǎng)強(qiáng)度減弱,并且電極環(huán)的直徑越大,與噴霧錐面之間的間距也越大,產(chǎn)生的感應(yīng)荷電效果越差．雖然減小電極環(huán)直徑能獲得更好的荷電效果,但是過小的電極環(huán)直徑可能引起霧滴與電極環(huán)直接接觸而成為接觸荷電影響使用安全．因此,在保證絕緣與安全的前提下,電極環(huán)大小越靠近噴霧錐面荷電效果越好．

圖8 電極環(huán)直徑對(duì)液滴荷質(zhì)比的影響Fig.8 Effect of electrode diameter on charge-mass ratio of droplets

4.3 電極間距對(duì)荷電效果的影響

圖9為噴霧壓力P=0.5 MPa,荷電電壓為6 kV,電極環(huán)直徑d=55 mm,不同極間距下霧滴荷質(zhì)比隨荷電電壓的變化規(guī)律．圖9中數(shù)據(jù)表明,在相同的電壓條件下,隨著電極間距的增大,霧滴荷質(zhì)比逐漸增大,而這與圖5分析結(jié)論不太一致．圖5的數(shù)據(jù)表明,電極間距越小,噴嘴與環(huán)狀電極間場(chǎng)強(qiáng)差越小、電場(chǎng)強(qiáng)度越高,更有利于液滴的感應(yīng)荷電．筆者分析認(rèn)為,電極間距的增大使得噴霧錐面與環(huán)形電極的間隙縮小,環(huán)形電極對(duì)液滴中負(fù)電荷的排斥能力增強(qiáng),單位時(shí)間導(dǎo)入接地端的負(fù)電荷及電子數(shù)量增多,進(jìn)而提高了液體的荷電效果．此時(shí),電極間距增大所引起電場(chǎng)強(qiáng)度的衰減對(duì)霧滴群的荷電效果影響并不明顯．試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn):當(dāng)極間距L=5 mm時(shí),荷電電壓增加到-10 kV時(shí),電極環(huán)處出現(xiàn)輝光;當(dāng)極間距L=20 mm時(shí),荷電電壓超過-9 kV,同樣會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象．

圖9 電極間距對(duì)荷質(zhì)比的影響Fig.9 Effect of electrodes distance on charge-mass ratio of droplets

分析認(rèn)為:前者是由于電極表面不光滑存在毛刺,并且電極附近電場(chǎng)強(qiáng)度較高,引起電暈放電;后者是由于電極環(huán)與噴霧錐面距離較近,細(xì)小的荷電液滴在庫侖力的作用下更易發(fā)生回吸,打濕電極環(huán),從而引起漏電．

5 結(jié)論

(1) 感應(yīng)荷電噴霧中噴嘴與環(huán)形電極形成的電場(chǎng)呈軸對(duì)稱分布,在噴嘴處電場(chǎng)強(qiáng)度最高,從噴嘴電極到環(huán)形電極之間電場(chǎng)強(qiáng)度迅速衰減,霧滴的有效感應(yīng)荷電區(qū)域很?。?/p>

(2) 隨著荷電電壓的增加,感應(yīng)荷電噴霧充電電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),霧滴的荷電效果提高．但荷電電壓過高,電極環(huán)附近會(huì)出現(xiàn)“輝光”,發(fā)生電暈放電,使得感應(yīng)荷電效果減弱．

(3) 減小電極環(huán)直徑,可以提高環(huán)形電極附近的電場(chǎng)強(qiáng)度,提高霧滴的感應(yīng)荷電效果．在保證絕緣性與安全性的前提下,電極環(huán)大小越靠近噴霧錐面荷電效果越好．

(4) 增大電極間距,噴嘴與環(huán)狀電極之間電場(chǎng)強(qiáng)度減弱,但環(huán)形電極與噴霧錐面間的間隙縮小,更有利于提高霧滴的荷電效果．