雙空腔電極靜電霧化泰勒錐形貌特性

陳旭東,杜云鵬，李慶，何壽杰，吉曉曉，張曉軍

(河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071002)

高壓靜電霧化技術(shù)在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用越來(lái)越廣泛，尤其在工業(yè)除塵和脫硫脫硝等環(huán)保領(lǐng)域的運(yùn)用.高壓靜電霧化技術(shù)是在高壓靜電場(chǎng)中，對(duì)液滴進(jìn)行荷電，使液滴形成帶電的霧滴群，使液滴的霧化效果更加明顯.該技術(shù)所產(chǎn)生的液滴群具有尺度均勻、霧化空間范圍廣、粒徑細(xì)小等優(yōu)點(diǎn).高壓靜電霧化技術(shù)已成功應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、噴涂技術(shù)以及核反應(yīng)[1-13]等各個(gè)領(lǐng)域.人們對(duì)高壓靜電霧化已經(jīng)有了一些研究.Seong等[14]通過(guò)PIV技術(shù)對(duì)新研發(fā)的一種接觸式噴嘴噴出的噴霧附近的流場(chǎng)進(jìn)行研究.鄭高杰等[15]為了滿足高溫環(huán)境下能有穩(wěn)定的荷電噴霧，研發(fā)了一種預(yù)混式雙流體靜電霧化噴嘴，并采用PIV技術(shù)對(duì)不同環(huán)境條件下的噴霧流場(chǎng)進(jìn)行分析.國(guó)內(nèi)在靜電霧化技術(shù)的研究相比國(guó)外在靜電霧化技術(shù)的研究起步較晚.國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)70年代末開(kāi)始對(duì)靜電霧化技術(shù)進(jìn)行研究，雖然起步較晚，但是發(fā)展較為迅速，自21世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)主要從靜電霧化效果和靜電霧化的理論研究及數(shù)值模擬這2個(gè)點(diǎn)對(duì)靜電霧化進(jìn)行深入研究[16].經(jīng)過(guò)將近2個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，該技術(shù)越來(lái)越成熟，但仍有部分方面不夠成熟，還有一些方面可以進(jìn)一步的深入研究.本研究就設(shè)想用空腔電極取代芒刺進(jìn)行改造，作為協(xié)同處理煙氣的實(shí)驗(yàn)支持.在該項(xiàng)技術(shù)中也考慮到治理效率和水資源利用的權(quán)衡問(wèn)題[17-18]，前期已經(jīng)進(jìn)行了單空腔靜電霧化實(shí)驗(yàn)[19]，本文對(duì)電極進(jìn)行改造，將高壓電極設(shè)計(jì)成雙空腔電極，且2個(gè)空腔連接在同一個(gè)出液口上，以此來(lái)產(chǎn)生更多的霧滴，增強(qiáng)微細(xì)粉塵顆粒的相互凝并的作用，從而提高微細(xì)顆粒污染物在靜電除塵器中的去除效率.

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意.圖2和圖3分別給出了空腔電極-板放電裝置示意和不同分離角雙空腔電極實(shí)物.空腔電極后端與一儲(chǔ)液罐連接[20].儲(chǔ)液罐中注有去離子水，通過(guò)高壓線與一負(fù)高壓直流電源連接.電源采用DW-N503-4ACDE直流高壓電源,輸出電壓為0～50 kV.接地極板為銅箔，與一微安電流表串聯(lián)后接地，液體介質(zhì)在空腔電極與接地極板之間的電場(chǎng)力的牽引作用下形成微射流.利用FR-YA30X30CM白光光源進(jìn)行補(bǔ)光，使用高速攝像機(jī)PCO.dimaxS1采集微射流的運(yùn)動(dòng)圖像.高速攝像機(jī)與其計(jì)算機(jī)配套軟件CamWare相連接.設(shè)置CamWare的參數(shù)為視野范圍寬度33.7 mm，分辨率1008*1008.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental device

實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)雙空腔平行時(shí)很難發(fā)生霧化且即使發(fā)生霧化效果也很差.因此本實(shí)驗(yàn)對(duì)雙空腔電極的空腔進(jìn)行了彎曲處理，使電極形成一定的分離角度，對(duì)不同的分離角度下雙空腔電極的放電特性與霧化效果進(jìn)行了研究,其中雙空腔電極的分離角度為30°、45°、60°、75°；選取電壓為10、15、20、25、30 kV.將雙空腔與水平儲(chǔ)液管連接.調(diào)整2個(gè)空腔之間的角度，同時(shí)使2個(gè)空腔所形成的平面垂直于地面.實(shí)物如圖3所示，選取0°、30°、45°、60°、75°這5個(gè)角度作為不同分離角度，其中分離角為0°作為對(duì)照物.實(shí)驗(yàn)條件如下：溫度15～20 ℃，濕度40%～60%，氣壓0.1 MPa.

圖2 空腔電極-板放電裝置示意Fig.2 Schematic diagram of cavity needle-plane discharge device

從上到下分離角為0°、30°、45°、60°、75°.圖3 不同分離角雙空腔電極實(shí)物Fig.3 Physical drawings of double-cavity electrodes With different separation angles

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 雙空腔電極泰勒錐形貌變化圖像

不同分離角和不同電壓時(shí)采集到的泰勒錐形貌影像如圖4所示.圖4中細(xì)線標(biāo)注的位置為空腔電極出液口的位置，細(xì)線右測(cè)即所形成的泰勒錐.取霧化噴射前的最后一次泰勒錐伸縮或者擺動(dòng)，在此中取伸縮或擺動(dòng)幅度最大的一幀圖像作為泰勒錐形貌[21]變化趨勢(shì)影像.

電壓從左到右依次為10、15、20、25、30 kV.a.30°;b.45°;c.60°;d.75°.圖4 不同分離角雙空腔電極上下空腔10～30 kV泰勒錐形貌變化圖像Fig.4 Morphological changes of 10-30 kV Taylor cone in upper and lower cavities of double-cavity electrodes with different separation angles

實(shí)驗(yàn)研究表明，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，上下空腔的泰勒錐形貌隨電壓的變化趨勢(shì)有所不同.在同一電極中，當(dāng)電壓升高會(huì)使下空腔的泰勒錐整體液體量呈持續(xù)增長(zhǎng)狀態(tài).下空腔尖端在電壓為10 kV時(shí)便可形成較為明顯的三角形泰勒錐，空腔尖端液體量會(huì)隨電壓的升高不斷積累，形成半紡錘形，當(dāng)電壓超過(guò)25 kV時(shí)，泰勒錐液體量會(huì)驟然增加，半紡錘形形貌與上空腔電極相比更加飽滿且錐長(zhǎng)也明顯增加，此時(shí)的泰勒錐擺動(dòng)幅度變大且不易斷裂.

當(dāng)雙空腔電極分離角度不同時(shí)，其上、下空腔泰勒錐形貌變化趨勢(shì)基本保持一致，其中上空腔在電壓為10 kV時(shí)，空腔尖端就有少量的液體積累，但當(dāng)增加各電極的分離角度時(shí)，在重力的作用下，空腔內(nèi)的液體積累難度變大，從而導(dǎo)致液體量減少甚至消失.調(diào)節(jié)電壓至15 kV時(shí)，上空腔尖端泰勒錐形貌變化趨勢(shì)基本保持一致.繼續(xù)調(diào)節(jié)電壓至30 kV，此時(shí)泰勒錐形貌會(huì)出現(xiàn)回縮現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在雙空腔分離角為75°時(shí)表現(xiàn)最明顯，這說(shuō)明泰勒錐的形貌變化趨勢(shì)與分離角的大小存在著一定的關(guān)系.

2.2 雙空腔電極泰勒錐形貌變化的影響因素分析

對(duì)比圖4中的4種不同分離角度雙空腔電極的泰勒錐形貌變化圖像可知，對(duì)于同一分離角度的雙空腔電極，當(dāng)電壓發(fā)生改變時(shí)其泰勒錐形貌也會(huì)隨之改變；此外，當(dāng)電壓相同時(shí)，不同分離角度的雙空腔電極的泰勒錐形貌也存在著差異.

2.2.1 不同分離角度對(duì)雙空腔電極泰勒錐形貌的影響

在圖4的對(duì)比分析中發(fā)現(xiàn)雙空腔電極在靜電霧化的過(guò)程中，下空腔的泰勒錐產(chǎn)生以及變化明顯優(yōu)于上空腔，根據(jù)上下空腔的位置結(jié)構(gòu)，這種差異應(yīng)該與重力因素有關(guān).對(duì)雙空腔電極尖端的液體受力分析如圖5所示.

圖5 彎曲處理后的上、下偏離空腔尖端液體受力分析Fig.5 An analysis of the force acting on the liquid at the tip of the cavity after bending treatment

空腔尖端液體主要受沿程重力、壓力、阻力和電場(chǎng)力的作用，沿程阻力為

(1)

式(1)中,v為液體流速；l為空腔長(zhǎng)度；λ為摩擦系數(shù)；d為空腔直徑.由受力分析圖可以看出重力是2個(gè)空腔電極形成不同泰勒錐形貌的重要因素.主要是因?yàn)橹亓υ谙驴涨恢谐洚?dāng)了動(dòng)力的角色而在上空腔中則充當(dāng)了阻力的角色.對(duì)上空腔而言要想產(chǎn)生泰勒錐并且發(fā)生靜電霧化，除了要克服空腔的沿程阻力以及液體的表面張力外，還需要克服重力沿空腔彎曲方向的分量，所以顯然要比未作出彎曲處理時(shí)更難形成泰勒錐及產(chǎn)生靜電噴霧.對(duì)于下空腔而言情況恰好相反，重力在沿空腔彎曲方向的分量變?yōu)槔?，所以只需較小的電場(chǎng)力，下空腔便能產(chǎn)生泰勒錐并發(fā)生靜電霧化，因此彎曲處理對(duì)下空腔起到了促進(jìn)作用.在電壓一定的情況下，雙空腔電極的下空腔泰勒錐液體量隨著2個(gè)電極分離角度的增大而增多，使形貌更加飽滿.與圖4中的形貌變化結(jié)果基本吻合，其中當(dāng)分離角增大到75°時(shí)電極的上空腔液體由于受到重力影響最大使其出現(xiàn)回縮現(xiàn)象最明顯，同時(shí)下空腔液體受重力的促進(jìn)作用最大，泰勒錐被拉長(zhǎng)且錐形最為飽滿.

由上述分析可知不同分離角度對(duì)于雙空腔電極的上下空腔而言影響是不同的，對(duì)于上空腔而言，重力變?yōu)樽枇Γ蛛x角度越大泰勒錐形貌越趨于萎縮，靜電霧化效果越弱；對(duì)于下空腔而言，重力則充當(dāng)動(dòng)力的角色，分離角度越大泰勒錐形貌越趨于臃腫飽滿，靜電霧化效果越強(qiáng).由于75°分離角對(duì)上空腔抑制作用過(guò)大，所以綜合考慮，選取分離角為60°時(shí)，總體霧化效果最佳.

2.2.2 放電電壓對(duì)雙空腔電極泰勒錐形貌變化的影響

高壓靜電霧化過(guò)程，雙空腔電極的泰勒錐形貌不僅受到分離角度的影響，還受到外施放電電壓的影響.電邦德數(shù)BE[20]將液體表面張力和空間電場(chǎng)等物理性質(zhì)聯(lián)系起來(lái)，其表達(dá)式為

BE=εrE2/σ，

(2)

其中ε、σ和E分別表示介電常數(shù)、液體介質(zhì)的表面張力、針電極空腔口處的電場(chǎng)強(qiáng)度.

(3)

其中r和D表示空腔電極半徑和空腔電極到接地極板的間距.結(jié)合公式(2)和(3)可以得出

(4)

由公式(4)可知BE受到電壓、空腔電極尺寸、極間距及液體表面張力的影響，BE能更準(zhǔn)確地鑒別靜電霧化的泰勒錐形貌，對(duì)于研究靜電霧化的動(dòng)力學(xué)行為特征和荷電液滴形成具有重要的意義.實(shí)驗(yàn)中所用液體為去離子水，根據(jù)公式計(jì)算出去離子水在不同電壓下的電邦德數(shù)如表1所示.

表1 不同電壓下去離子水的電邦德數(shù)Tab.1 Electric bond number of deionized water at different voltages

由表1可知去離子水的BE隨著放電電壓的增加逐漸增加.結(jié)合圖4可知，隨著BE的增加雙空腔電極的上空腔電極泰勒錐的液體表面積先增加后減小，下空腔電極泰勒錐的表面積一直增加.當(dāng)存在外加電場(chǎng)時(shí)，荷電量為q、直徑為D的荷電液滴，其相對(duì)表面張力將被削弱.

σ=σ0-q2/(8π2εD3),

(5)

其中σ、σ0、q分別代表液體的相對(duì)表面張力、固有表面張力和此時(shí)液滴的荷電量.

由公式(5)可知，液滴的荷電量q會(huì)隨著電壓的增加而增加，液體的表面張力σ隨著電壓的增加而減小.當(dāng)液體的表面張力減小，會(huì)使液滴的不穩(wěn)定性增加，導(dǎo)致液滴更容易發(fā)生形變.因而會(huì)導(dǎo)致空腔前端泰勒錐的表面積和液體量增加.當(dāng)空腔前端的液體表面積增大后，其泰勒錐所受到的靜電力也隨之增大，同時(shí)也就更容易形成荷電微射流，發(fā)生靜電霧化.所以電邦德數(shù)的增加對(duì)泰勒錐的形成以及靜電霧化的發(fā)生起到了促進(jìn)作用.可以推斷：增大電勢(shì)，會(huì)促進(jìn)雙空腔電極的靜電霧化效果及泰勒錐的形成，綜合考慮，雙空腔電極在電邦德數(shù)為1.737時(shí)產(chǎn)生的泰勒錐形貌最佳.

2.2.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)泰勒錐錐角與錐長(zhǎng)的影響

泰勒錐的錐長(zhǎng)是指泰勒錐的尖端到空腔尖端所在平面之間的垂直距離；錐角是指過(guò)泰勒錐的尖端頂點(diǎn)的豎直切面的2條母線之間的夾角.泰勒錐的形貌和大小由錐角和錐長(zhǎng)共同決定，不同的泰勒錐錐體就會(huì)有不同的霧化效果.

在不同電壓下對(duì)30°、45°、60°、75°這4種不同分離角度的雙空腔電極的上、下空腔產(chǎn)生的泰勒錐的錐角和錐長(zhǎng)利用Image-Pro Plus圖像分析軟件進(jìn)行多次分析,并取平均結(jié)果，依據(jù)結(jié)果做出如圖6所示.

由圖6可知，雙空腔電極的上空腔泰勒錐錐長(zhǎng)隨電壓的升高先增大后減小，錐角呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì).改變分離角度可發(fā)現(xiàn)上空腔在相同電壓下的錐長(zhǎng)、錐角變化規(guī)律不明顯.而下空腔泰勒錐錐角和錐長(zhǎng)隨電壓的升高分別呈減小和增大的趨勢(shì)，且變化幅度較小.當(dāng)電壓相同時(shí)，總體而言隨著雙空腔電極分離角度的增加，其所產(chǎn)生的泰勒錐錐長(zhǎng)會(huì)不斷增大，而錐角會(huì)不斷減小.需要說(shuō)明的是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中下空腔因?yàn)樵陔妷狠^小的時(shí)候受到重力的影響較大，因此受電壓影響較電壓較高時(shí)要小，造成實(shí)驗(yàn)中存在一定的偶然性.上述現(xiàn)象說(shuō)明重力對(duì)泰勒錐的錐長(zhǎng)和錐角都有影響.因此引入了質(zhì)量力的概念，質(zhì)量力是指某力場(chǎng)對(duì)全部流體質(zhì)點(diǎn)都產(chǎn)生作用的力，質(zhì)量力的大小與流體的質(zhì)量和體積成正比.對(duì)于不同分離角度的雙空腔而言，重力則在其質(zhì)量力中占主要部分.當(dāng)靜電力作用于泰勒錐的同時(shí)，也存在著質(zhì)量力的作用.研究表明：表面積相對(duì)于體積大得多的液滴，其受到的靜電力為主要作用力，且靜電力的大小與霧滴半徑r的平方有關(guān)，而質(zhì)量力則與r3成比例[15].由此則可以解釋在電壓增加的過(guò)程中，泰勒錐的錐長(zhǎng)不斷增加變得尖銳，而泰勒錐長(zhǎng)度不斷增加時(shí)即霧滴半徑r也在不斷增加，則在電勢(shì)增加的后期質(zhì)量力的作用遠(yuǎn)大于電邦德數(shù)的作用，對(duì)于上空腔而言其質(zhì)量力為阻力抑制了其泰勒錐的形成，所以后期錐長(zhǎng)會(huì)減小,錐角有逐漸變大的趨勢(shì)，而對(duì)于下空腔而言,質(zhì)量力起到的是動(dòng)力的作用,與靜電力一起促進(jìn)泰勒錐的形成.隨著分離角度的增加,質(zhì)量力的這種影響效果則越來(lái)越明顯與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符.

a、b.上空腔;c、d.下空腔.圖6 雙空腔電極的上、下空腔在不同分離角度下形成的泰勒錐錐角、錐長(zhǎng)隨電壓變化Fig.6 Taylor cone angle and cone length of double-cavity electrodes with different separation angles are plotted with voltage

綜上所述，當(dāng)電壓一定時(shí)，同一水源上的下空腔泰勒錐錐角要比上空腔小，錐長(zhǎng)要比上空腔大；由圖6可知，下空腔曲線的圖像變化幅度要比上空腔圖像變化幅度大，在質(zhì)量力和靜電力的影響下，彎曲處理對(duì)于下空腔的泰勒錐形貌起促進(jìn)作用.

3 結(jié)論

1)在靜電霧化過(guò)程中，雙空腔電極的上空腔和下空腔所形成的泰勒錐形貌區(qū)別較大，可以通過(guò)彎曲處理使下空腔的泰勒錐更易形成.

2)不同分離角度對(duì)于雙空腔電極的上下空腔而言影響是不同的，質(zhì)量力、電邦德數(shù)共同影響泰勒錐的形成及形貌.當(dāng)電邦德數(shù)為1.737時(shí)雙空腔電極產(chǎn)生的泰勒錐形貌最佳.

3)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)雙空腔電極的分離角為60°時(shí)所形成的泰勒錐要比分離角為30°、45°、75°這3種雙空腔電極更為明顯；且霧化效果也明顯優(yōu)于分離角為30°、45°、75°這3種雙空腔電極，故該電極可作為優(yōu)化電極.當(dāng)電壓為25 kV時(shí)所形成的泰勒錐最為飽滿，故25 kV可作為優(yōu)化電壓.

綜上所述，雙空腔電極之間的放電抑制作用可以通過(guò)彎曲處理進(jìn)行弱化，由于重力在上、下空腔中起到的作用不同，在上空腔中起到阻力的作用，而在下空腔中起到動(dòng)力的作用，使得下空腔的泰勒錐形貌和霧化效果要優(yōu)于上空腔，在相同的條件下，較單空腔電極相比，雙空腔電極的泰勒錐形貌與霧化效果均更好.