電暈放電噴霧荷電特性

李金，王軍鋒，徐惠斌，鄭高杰，孟新

（江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

采用某種方式使霧化液滴帶電，可提高液滴分散的均勻性及空間彌散性[1]，增強(qiáng)液滴對(duì)靶標(biāo)物的吸附作用、沉積效率、減少液滴的飄移等[2]，同時(shí)液滴帶電能夠削弱液體表面張力，降低液滴粒徑尺寸[3]，靜電霧化技術(shù)廣泛應(yīng)用于噴霧燃燒[4-6]、薄膜制備[7-9]及靜電噴霧除塵[10-13]等領(lǐng)域，在我國(guó)大力推進(jìn)節(jié)能減排技術(shù)的背景下，具有廣闊的應(yīng)用前景。其中，靜電噴霧獲得優(yōu)異性能的關(guān)鍵是噴淋液滴具有良好的荷電特性。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)靜電噴霧荷電特性影響因素進(jìn)行了大量研究。王軍鋒等[14-15]通過(guò)感應(yīng)荷電理論建立了液滴群帶電量計(jì)算公式，實(shí)驗(yàn)研究了感應(yīng)荷電下電極參數(shù)變化對(duì)噴霧荷質(zhì)比及液滴粒徑的影響規(guī)律，將最佳荷電工況與液膜破碎長(zhǎng)度關(guān)聯(lián)起來(lái)，對(duì)比分析了荷電噴霧的沉積效果及粒徑分布情況。崔琳等[16]系統(tǒng)研究了液體霧化特性與荷電特性之間的聯(lián)系，結(jié)果表明改善液滴霧化特性能夠獲得更佳的荷電效果。陳志剛等[17-18]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)電暈等離子體荷電噴霧可以減小霧滴粒徑，改善霧化效果，提高霧滴分布的均勻性，同時(shí)分析了不同影響因素下霧滴荷質(zhì)比變化規(guī)律。Patel等[19]從液體物性、電極材料等方面對(duì)液滴荷電特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明改變液體電導(dǎo)率能夠改變電荷弛豫時(shí)間常數(shù)從而獲得更高荷質(zhì)比。Marchewicz 等[20]對(duì)比分析了3 種不同類(lèi)型霧化噴嘴感應(yīng)荷電后液滴荷質(zhì)比變化規(guī)律，結(jié)果表明液滴荷質(zhì)比隨荷電電壓的增加而先增大后減小，感應(yīng)荷電存在最佳荷電電壓。Kim 等[21]可視化研究了電暈放電噴霧特性，對(duì)比分析了干式和濕式條件下噴霧電流變化，指出總放電電流是電暈荷電和噴涂電流之和。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)感應(yīng)荷電下噴霧荷電特性進(jìn)行了詳盡的研究，但電暈放電過(guò)程中感應(yīng)電流對(duì)液滴荷質(zhì)比的影響尚不清楚，電暈放電噴霧過(guò)程中液滴荷電特性變化規(guī)律還需進(jìn)一步探討。

基于此，本文搭建了電暈荷電噴霧系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，探究了電暈荷電過(guò)程中感應(yīng)電流對(duì)液滴真實(shí)荷電電流的影響，分析了荷電電壓、電極條件及噴霧流量對(duì)霧滴荷質(zhì)比的影響機(jī)理，同時(shí)對(duì)荷電液滴電荷衰減以及粒徑變化規(guī)律進(jìn)行了研究。期望通過(guò)本文研究進(jìn)一步揭示荷電噴霧機(jī)理，為設(shè)計(jì)優(yōu)化荷電噴霧系統(tǒng)以及促進(jìn)其工業(yè)應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)試方法

電暈荷電噴霧系統(tǒng)如圖1所示，由激光粒度分析儀、高壓靜電發(fā)生器、空壓機(jī)、壓力罐、噴嘴、環(huán)形電極、法拉第筒等組成，表1所示為實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備參數(shù)。壓力罐中的水經(jīng)空壓機(jī)加壓后，由流量計(jì)測(cè)得液體流量并輸送到噴嘴處，噴嘴霧化形成離散液滴并經(jīng)環(huán)形電極荷電后形成靜電噴霧。其中實(shí)驗(yàn)所用噴嘴為壓力霧化噴嘴，噴孔直徑0.7mm，固定在外部支架上并接地，噴淋液體物性參數(shù)如表2所示。環(huán)形電極由直徑2.5mm的銅絲繞制而成，固定在高度可調(diào)的絕緣支架上，由高壓靜電發(fā)生器向環(huán)形電極提供負(fù)高壓靜電。在室內(nèi)溫度(25±1)℃、相對(duì)濕度57%±10%條件下，由激光粒度分析儀測(cè)定噴嘴正下方20cm 處液滴粒徑分布情況。帶電液滴進(jìn)入法拉第筒時(shí)與接地端形成回路，由微安表測(cè)得電流為I1，噴嘴未噴霧時(shí)測(cè)定感應(yīng)電流為I2，液滴荷電電流由式(1)計(jì)算得出，并經(jīng)多次測(cè)量進(jìn)行分析。

由于單液滴荷電量難以測(cè)量，通常以荷質(zhì)比反映霧化液滴群荷電能力。液滴荷質(zhì)比由式(2)計(jì)算得出。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

表1 實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備參數(shù)

表2 液體物性參數(shù)

實(shí)驗(yàn)測(cè)試段示意圖如圖2所示，法拉第筒位于噴嘴和環(huán)形電極正下方，環(huán)形電極直徑D 分別為60mm、80mm、100mm，噴嘴與環(huán)形電極距離h 分別為0、20mm、40mm，噴嘴與法拉第筒第一層收集網(wǎng)距離L為350mm。

圖2 實(shí)驗(yàn)段示意圖

2 荷電理論分析

液體主要通過(guò)接觸荷電、感應(yīng)荷電及電暈荷電帶有電荷。本實(shí)驗(yàn)采用的電源為負(fù)高壓靜電發(fā)生器，當(dāng)將高壓靜電加載到電極環(huán)上時(shí)，電極環(huán)與接地噴嘴間形成非均勻電場(chǎng)。當(dāng)噴淋液體離開(kāi)噴孔時(shí)，在靜電感應(yīng)作用下液滴內(nèi)部正電荷沉積在底部，部分負(fù)電荷通過(guò)接地導(dǎo)線被引入大地，因此液體脫離液膜形成離散液滴時(shí)帶有正電荷。電暈荷電裝置結(jié)構(gòu)與感應(yīng)荷電基本一致，區(qū)別在于電壓的提高使得電極附近局部電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到電離場(chǎng)強(qiáng)，電極周?chē)鷼怏w發(fā)生電離和激勵(lì)，液滴與氣體中的自由電子及離子碰撞而帶電，因此電暈荷電會(huì)使液滴帶有與電源極性相同的電荷，本實(shí)驗(yàn)為負(fù)高壓電源，即電暈荷電使得液滴帶有負(fù)電荷。

圖3為電極環(huán)直徑80mm、電極間距40mm、噴霧流量150mL/min 時(shí)測(cè)得不同電壓下電流變化曲線。由圖可知，荷電噴霧過(guò)程中隨著加載電壓的增加，依次經(jīng)歷感應(yīng)荷電、電暈荷電及放電擊穿過(guò)程，液滴荷電電流先增大后減小為零，隨著電壓繼續(xù)增加，液滴荷電電流變?yōu)樨?fù)值并繼續(xù)增大，最后穩(wěn)定在一定范圍直至發(fā)生放電擊穿。電暈荷電過(guò)程中起暈電壓及放電電壓的明確是確定液滴荷電狀態(tài)的關(guān)鍵，起暈電壓的定義一般采用切線法[22]，即利用外施電壓及產(chǎn)生的電暈電流或平均光子量擬合關(guān)系曲線確定電暈起始電壓。因?yàn)橐旱胃袘?yīng)荷電與電暈荷電帶有相反極性的電荷，本文取外施電壓與液滴荷電電流擬合曲線中電流開(kāi)始降低時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓值為起暈電壓，圖中為U1；電暈荷電過(guò)程中放電擊穿的臨界電壓為放電電壓，表示此電壓下開(kāi)始發(fā)生放電擊穿，電流激增而無(wú)法顯示，圖中為U2。

圖3 荷電電壓對(duì)電流的影響

3 結(jié)果及分析

3.1 電極條件對(duì)起暈電壓及放電電壓的影響

表3為不同電極環(huán)直徑及電極間距下起暈電壓及放電電壓，其中A、B、C 分別表示電極環(huán)直徑為60mm、80mm、100mm，1、2、3 表示電極間距為0、20mm、40mm。

荷電過(guò)程中起暈電壓及放電電壓由局部電場(chǎng)強(qiáng)度決定，電極附近局部電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到電離場(chǎng)強(qiáng)即開(kāi)始發(fā)生電暈放電，隨著電壓提高局部電場(chǎng)強(qiáng)度增大，當(dāng)電極間電場(chǎng)能夠擊穿空氣時(shí)發(fā)生放電擊穿。由表3可知，隨著電極間距的增加，起暈電壓逐漸降低而放電電壓逐漸增大，隨著電極環(huán)直徑的增大，起暈電壓和放電電壓均增大。原因?yàn)椋弘S著電極間距及電極環(huán)直徑的增加，相同電壓下電場(chǎng)強(qiáng)度降低，起暈電壓和放電電壓會(huì)增大，但電極間距增大會(huì)導(dǎo)致環(huán)形電極與噴霧錐面距離減小，霧化液滴噴淋在電極環(huán)表面時(shí)，在電場(chǎng)作用力下電極環(huán)表面液滴會(huì)被拉伸變形，使得電極表面電場(chǎng)發(fā)生畸變，相同電壓下局部電場(chǎng)強(qiáng)度更高，在較低的電壓下也能開(kāi)始發(fā)生電暈放電，因此隨著電極間距的增大起暈電壓降低。而放電電壓較高，附著在電極上的液滴受電場(chǎng)力作用更強(qiáng)，液滴在電場(chǎng)力作用下被拉伸斷裂，電極表面液滴不能形成尖端，此時(shí)隨著電極間距的增加，電極與噴嘴間距增大，局部電場(chǎng)強(qiáng)度降低，因此達(dá)到放電擊穿所需電壓增大。

表3 不同條件下起暈電壓及放電電壓

3.2 電極環(huán)直徑變化對(duì)荷質(zhì)比的影響

荷電電壓的高低直接影響環(huán)形電極與噴嘴間電場(chǎng)強(qiáng)度的大小，是影響液滴荷電特性的重要因素。鮑重光[3]指出，電暈荷電過(guò)程中，最初不帶電的粒子進(jìn)入外電場(chǎng)中而帶有電荷，帶電粒子的電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)外電場(chǎng)時(shí)，荷電不再繼續(xù)，即粒子帶電量達(dá)到飽和。帶電粒子飽和帶電量（qmax）的計(jì)算公式如式(3)所示，對(duì)應(yīng)的飽和荷質(zhì)比（βmax）的計(jì)算公式如式(4)所示。

圖4 為電極間距20mm、噴霧流量200mL/min時(shí)不同電極環(huán)直徑下荷質(zhì)比隨加載電壓變化的曲線。由圖可知，電暈荷電過(guò)程中，隨著加載電壓的增加，液滴荷質(zhì)比呈現(xiàn)先減小后增大最后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。對(duì)應(yīng)圖3液滴荷電電流變化曲線，電壓達(dá)到起暈電壓前液滴主要受感應(yīng)荷電影響，隨著電極電壓的增加，電極環(huán)上開(kāi)始發(fā)生電暈放電，在環(huán)形電極與噴嘴之間產(chǎn)生大量負(fù)離子及自由電子，霧化液滴吸收負(fù)離子及自由電子后與液滴內(nèi)的正電荷相互抵消導(dǎo)致液滴荷質(zhì)比逐漸降低，當(dāng)荷質(zhì)比降為0 時(shí)，繼續(xù)增加電壓，液滴凈電荷呈電負(fù)性的同時(shí)隨著電壓的增加，荷質(zhì)比線性增加，達(dá)到最大荷質(zhì)比時(shí)，液滴荷電量達(dá)到飽和，荷電過(guò)程極不穩(wěn)定，進(jìn)一步增加電壓則會(huì)放電擊穿。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與式(4)理論計(jì)算相吻合，表明電場(chǎng)中粒子荷電與電源電壓呈正比，同時(shí)電場(chǎng)中粒子荷電量有一定極限值。

由圖4還可知，相同電壓下液滴荷質(zhì)比隨電極環(huán)直徑的增加而先增大后減小，實(shí)驗(yàn)中電極環(huán)直徑80mm 時(shí)獲得最大荷質(zhì)比。對(duì)比圖5 不同電極環(huán)直徑下噴霧圖像分析認(rèn)為：電極環(huán)直徑的增加一方面會(huì)降低環(huán)形電極與噴嘴間的電場(chǎng)強(qiáng)度，導(dǎo)致液滴荷電量降低；另一方面電極環(huán)直徑的增加增大了電場(chǎng)作用范圍，液滴電暈放電產(chǎn)生的負(fù)離子及自由電子數(shù)量增加，使得液滴荷質(zhì)比增大。當(dāng)環(huán)形電極直徑較小時(shí)，電場(chǎng)作用范圍起主要作用，荷質(zhì)比隨電極環(huán)直徑的增加而逐漸增大，隨著電極環(huán)直徑的進(jìn)一步增大，由于電極環(huán)與噴嘴間電場(chǎng)強(qiáng)度較低，霧化液滴無(wú)法獲得較好的荷電效果，此時(shí)荷質(zhì)比隨電極環(huán)直徑的增加而減小。

圖4 不同電極環(huán)直徑下荷質(zhì)比變化曲線

圖5 不同電極環(huán)直徑下噴霧示意圖

3.3 電極間距變化對(duì)荷質(zhì)比的影響

在電極環(huán)直徑及噴霧流量不變的條件下，通過(guò)調(diào)節(jié)環(huán)形電極與噴嘴的電極間距改變電場(chǎng)分布情況，實(shí)驗(yàn)研究了不同電極間距下液滴荷質(zhì)比隨荷電電壓變化的規(guī)律，結(jié)果如圖6所示；圖7為不同電極間距下噴霧圖像示意圖。由圖6可知，電暈荷電過(guò)程中，不同電極間距下液滴荷質(zhì)比隨荷電電壓的增加均呈現(xiàn)先減小后增大最后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。相同荷電電壓下，隨著電極間距的增加，液滴荷質(zhì)比逐漸增大，并于電極間距40mm時(shí)取得最大值。與電極間距為20mm、40mm 相比，當(dāng)電極間距為0時(shí)，液滴荷電量較低且隨電壓變化不明顯。對(duì)應(yīng)圖7不同電極間距下噴霧圖像分析認(rèn)為：電極間距為0時(shí)，剛脫離噴嘴的液體為連續(xù)液膜，未轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散液滴，荷電后電荷容易直接經(jīng)接地導(dǎo)線引入大地，此外連續(xù)液膜比表面積較小，荷電效果較差，因此液滴荷質(zhì)比隨電壓變化較小且荷質(zhì)比相對(duì)較低。隨著電極間距的增加，噴霧錐面與電極環(huán)距離減小，環(huán)形電極電暈放電產(chǎn)生的負(fù)離子及自由電子能夠迅速接觸離散液滴而使液滴帶電，避免碰撞吸附空氣中正離子而抵消所帶電荷，因此隨著電極間距的增加液滴荷質(zhì)比逐漸增大。但電極間距過(guò)大會(huì)導(dǎo)致霧化液滴直接噴淋在電極環(huán)上，存在一定安全隱患，為保證噴霧錐面在電極環(huán)內(nèi)，本實(shí)驗(yàn)電極間距40mm能取得較好的荷電效果。

圖6 不同電極間距下荷質(zhì)比變化曲線

圖7 不同電極間距下噴霧示意圖

3.4 噴霧流量對(duì)荷質(zhì)比的影響

綜合上述實(shí)驗(yàn)條件，為獲得更佳荷電效果，選用電極環(huán)直徑80mm、電極間距40mm，通過(guò)調(diào)節(jié)流量控制閥控制液體流量，實(shí)驗(yàn)研究了電暈荷電過(guò)程中不同噴霧流量下液滴荷質(zhì)比隨荷電電壓變化的規(guī)律，結(jié)果如圖8所示。由圖可知，相同荷電電壓下，液滴荷質(zhì)比隨液體流量的增加而減小，液體流量在150mL/min時(shí)液滴荷質(zhì)比取得最大值。原因可能為：在一定電壓下，高壓靜電發(fā)生器的功率是一定的，即其產(chǎn)生的電子及負(fù)離子數(shù)量是一定的，當(dāng)通過(guò)噴嘴的液體流量增加時(shí)，增大了液滴與電子及負(fù)離子接觸概率，但單位質(zhì)量液體獲得的電荷減小，導(dǎo)致液滴荷質(zhì)比降低。

圖8 不同噴霧流量下荷質(zhì)比變化曲線

3.5 荷電液滴電荷衰減規(guī)律

液滴荷電后電荷的衰減變化影響荷電噴霧的進(jìn)一步工業(yè)應(yīng)用，其衰減規(guī)律是研究荷電液滴輸運(yùn)特性的關(guān)鍵。圖9為最優(yōu)荷電條件下（D=80mm、h=40mm、Q=150mL/min），感應(yīng)荷電及電暈荷電在典型工況時(shí)液滴電荷衰減變化趨勢(shì)及擬合曲線，以便預(yù)測(cè)液滴荷電量變化。由圖可知，不論在8kV 感應(yīng)荷電或38kV 電暈荷電時(shí)，液滴荷質(zhì)比隨輸運(yùn)距離L 的增加逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。典型工況下電暈荷電能使液滴帶有更多電荷，電暈放電噴霧荷質(zhì)比最大能達(dá)到2702μC/kg，同時(shí)其電荷衰減率也更大，對(duì)輸運(yùn)距離L 更敏感。相比于感應(yīng)荷電，電暈荷電雖然起暈電壓較高，但能達(dá)到更高荷質(zhì)比，獲得更好的荷電效果，具有一定的研究及利用價(jià)值。

3.6 荷電噴霧對(duì)液滴粒徑的影響

圖9 電荷衰減變化曲線

圖10 不同流量下荷電液滴粒徑變化曲線

圖10 為電極環(huán)直徑80mm、電極間距40mm 時(shí)液滴索太爾粒徑隨荷電電壓增加的變化曲線。由圖可以看出相同電壓下隨著噴霧流量的增加，液滴粒徑逐漸降低。原因?yàn)椋弘S著噴霧流量增加，液體受到的機(jī)械力也就越大，液體脫離噴嘴后具有更大的初速度，在外界氣流擾動(dòng)下更容易破碎形成細(xì)小液滴。隨著荷電電壓增加，液滴索太爾粒徑呈現(xiàn)先減小后增大隨后減小最后波動(dòng)的趨勢(shì)。原因?yàn)椋阂旱魏呻姾笤谝旱伪砻鎺в型N電荷，同種電荷的排斥作用削弱了液體表面張力，使得液滴脫離液片或液膜時(shí)更容易發(fā)生二次霧化破碎形成細(xì)小液滴，液滴粒徑變化也與前文噴霧荷質(zhì)比變化相一致，即相同條件下液滴荷電量越大其粒徑越小。

4 結(jié)論

通過(guò)搭建電暈荷電噴霧系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，考慮電暈荷電過(guò)程中感應(yīng)電流對(duì)液滴真實(shí)荷電電流的影響，實(shí)驗(yàn)研究了各因素變化對(duì)液滴荷質(zhì)比的影響，并對(duì)荷電液滴電荷衰減及其粒徑變化規(guī)律進(jìn)行了分析，得出結(jié)論如下。

（1）隨著荷電電壓增加，液滴荷電依次經(jīng)歷感應(yīng)荷電、電暈荷電及放電擊穿過(guò)程。隨著電極間距增加，起暈電壓逐漸降低而放電電壓逐漸增大，隨著電極環(huán)直徑的增加，起暈電壓和放電電壓均逐漸增大。

（2）電暈荷電過(guò)程中，液滴荷質(zhì)比隨荷電電壓的增加而先減小后增大，最后趨于穩(wěn)定；液滴荷電效果受電極作用范圍及電場(chǎng)強(qiáng)度的影響，荷質(zhì)比隨電極環(huán)直徑的增加而先增大后減小，隨電極間距的增大而增大，隨著噴霧流量的增加液滴荷質(zhì)比逐漸降低，實(shí)驗(yàn)工況下電極環(huán)直徑80mm、電極間距40mm能夠獲得最佳荷電效果。

（3）液滴帶電后，其荷電量會(huì)在輸運(yùn)過(guò)程中泄漏衰減。相比于感應(yīng)荷電，電暈荷電雖然起暈電壓較高，但能獲得更大的荷質(zhì)比，同時(shí)相同距離下液滴通過(guò)電暈荷電帶有電荷后衰減也更快。液滴粒徑變化與液滴所帶電量變化密切相關(guān)，相同工況下液滴所帶電荷越多其粒徑更小。

符號(hào)說(shuō)明

D—— 電極環(huán)直徑，mm

E0—— 外電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)，V/m

h—— 電極間距，mm

I1、I2、I—— 分別為總電流、感應(yīng)電流、液滴荷電電流，μA

L—— 噴嘴與法拉第筒第一層收集網(wǎng)距離，mm

m—— 液滴質(zhì)量，kg

q—— 液滴荷電量，μC

qm—— 液體質(zhì)量流量，kg/s

qv—— 液體體積流量，m3/s

r—— 粒子半徑，m

t—— 測(cè)量時(shí)間，s

β—— 液滴荷質(zhì)比，μC/kg

ε、ε0—— 分別為粒子介電常數(shù)、真空介電常數(shù)，F(xiàn)/m

ρ—— 液體密度，kg/m3

下角標(biāo)

max—— 最大值