姚 江,王军锋,何晓崐，沈 妍，刘 锐

(1.江苏科技大学 苏州理工学院,张家港 215600)(2.江苏大学 能源与动力工程学院,镇江 212013)

悬浮细颗粒物是雾霾形成的重要原因之一,严重影响人类的生产和生活[1-2]．近年来,静电喷雾降尘技术作为节能环保高效的细颗粒物脱除技术已引起了广泛的关注[3-5],利用带电液滴对细颗粒物的静电引力作用,可以实现对细颗粒物的捕集和吸收．荷电液滴在捕集细颗粒物的过程中,其荷电效果的好坏对降尘效率有重要影响．国内外许多学者通过实验或数值模拟方法,对影响荷电效果的主要因素如电极材料、液滴粒径、液体电导率及电场强度分布等进行了研究．文献[6-7]中发现电极材料的费米能级越低、功函数越高,荷电效果越好．文献[8]中通过实验研究表明,在相同的荷电电压条件下,液滴粒径越小,荷质比越大．文献[9-10]中发现液体电导率越大,液滴荷电效果越好．文献[11-12]中采用椭圆积分的方法,通过数学分析求解出了环形电极诱导的电场场强分布．文献[13]中利用Fluent软件对感应荷电喷雾中喷嘴与环状电极静电场进行了分析,提出减小电极间距,电极处电场强度增强,更有利于液滴的感应荷电．但文献[14-15]中通过实验研究发现,雾滴的荷电效果随着电极间距的增大而增大,荷电喷雾中静电场与雾滴荷电效果的作用规律还需进一步探索．

文中在感应荷电理论的基础上,建立了喷嘴与环形电极诱导的静电场的物理模型,分析了静电场的分布特性,研究了环形电极尺寸、电极间距以及荷电电压对充电电场的作用规律,并通过实验验证了感应静电场分布对雾滴荷电效果的影响．该研究结果可以用来指导静电喷雾降尘系统中感应荷电装置的优化设计以及提高液体的荷电效果．

1 感应荷电理论

感应充电时,环形电极位于喷嘴正前方,与负高压直流电源相连,喷嘴接地(图1),环形电极与喷嘴之间将形成非均匀电场,具有一定导电性的液体经喷嘴喷出进入非均匀电场时,液体中带负电的载流子在金属喷嘴电极处被吸引而沿射流接入接地极,而带正电的载流子移至液体表面,液体经喷嘴雾化后形成带正电的荷电水雾．

图1 感应荷电简图Fig.1 Diagram of induction charging mechanism

为了研究方便,粗略计算喷雾电流的大小,以得知其与哪些参数有关．假设环形电极宽度忽略不计,雾化锥角为0,即射流水柱为圆柱型．根据高斯定理,液体表面自由电荷的密度为:

ρi=ε0E

(1)

式中:ε0为空气的介电常数,F/m;E为电场强度,V/m;

通过雾化液体的电流为:

(2)

式中:r为喷嘴喷孔半径,m;vw为喷孔出口液体流速,m/s;Q为液体流量,m3/s.

喷雾体的荷质比:

(3)

式中:ρ为液体密度,kg/m3.

由式(3)可知:对于既定参数的喷嘴,喷雾体荷质比的大小取决于环形电极所形成的空间电场强度．

2 环形电极空间电场分布

应用电磁场分析软件Ansoft Maxwell对喷嘴与环形电极感应形成的静电场进行数值计算,其物理模型如图1．压力雾化喷嘴材料为黄铜,将其近似为直径12 mm、长22 mm的圆柱体,其右端面位于y=0处,喷孔中心位于坐标原点．环形电极由直径为3 mm的黄铜棒加工而成,电极直径为d,电极中心与坐标原点的距离(即电极间距)为L．

环形电极和喷嘴之间形成的感应电场空间电位可由拉普拉斯方程描述:

2Φ=0

(4)

电场强度可由下式求得:

E=-Φ

(5)

图2为电极直径d=55 mm,极间距离L=20 mm,充电电压为6 kV时,在xoy平面上不同y轴位置处x方向的场强分布,x的取值范围为-150～150 mm．由图2可知,x方向场强分布关于y轴对称,在y=0时即喷嘴所在截面上,喷嘴处的场强最大,喷嘴两边电场强度E随着|x|的增加不断减小．在y=20 mm时即环形电极所在截面,电极附近场强最高,而环形中心场强只有50 kV/m．环形电极左侧靠近喷嘴电极处的电场强度,分别高于右侧对应点的强度．

图2 电场强度径向分布Fig.2 Electric field distribution along radial direction

由图3可知，随着荷电电压增大,y轴方向各点处电场强度逐渐增大,在环形电极左右两侧,y轴方向各点的电场强度E呈不对称分布．左侧电场强度明显高于右侧．由喷嘴出口到环状电极之间,轴心线上的电场强度迅速衰减,在电极环中心达到最小值,说明雾滴在电场中的有效感应荷电区域很小．环形电极右侧,电场强度先增加至一定值之后逐渐减小．

图3 电场强度轴向分布Fig.3 Electric field distribution along axial direction

图4为充电电压为6 kV,电极间距L=15 mm下,不同电极环直径下电极所在平面的电场分布．由图4(a)可知,随着电极环直径的增大,喷嘴电极处的场强逐渐减小,当|x|大于30 mm时,电场强度随着电极环直径的增大而增大．由图4(b)可知,电极环附近的场强随着电极直径的增大而减小,而在电极环中心处的电场强度变化不大．因此,减小电极环直径可以提高电极处的电场强度,更有利于感应荷电．

图4 不同电极环直径下电极平面的电场分布Fig.4 Electric field distribution under different annular electrode diameter at the plane of electrodes

图5为电极直径d=55 mm,充电电压为6 kV时,不同电极间距下的电极平面电场强度分布．由图5(a)可知,在充电电压相同时,间距L从25 mm缩小到5 mm喷嘴处场强增大1.2倍左右,可见电极间距越小,喷嘴电极处场强越大．从图5(b)可以看出,当电极间距为5 mm时,在环状电极处的场强明显高于其他电极间距时的电场强度．因此,电极间距越小,喷嘴电极与环形电极间电场强度越高,并且强度衰减越小．

图5 不同电极间距下电极平面的电场分布Fig.5 Electric field distribution under different electrode distance at the plane of electrodes

3 试验装置与方法

感应荷电喷雾试验装置由压力雾化系统、感应荷电装置和荷电测量装置3个部分组成(图6)，试验中喷嘴选用传统的压力雾化喷嘴,喷孔直径为0.8 mm,试验中选用的雾化介质为自来水,电导率为0.31 ms/cm．自来水在压力雾化系统中通过隔膜泵驱动加压,经调压阀调节和稳压后,以很高的速度由喷嘴喷孔喷射出后,与静止空气撞击破裂形成均匀细小的雾滴．感应荷电装置包括环形电极和直流负高压静电发生器．环形电极由直径为3 mm的铜棒加工而成,直径分别取45、55、65 mm 3种规格,其安装在喷嘴喷孔的正前方,电极中心至喷孔的距离分别为5、10、15、20 mm．电极环通过高压导线与负高压静电发生器连接,负高压静电发生器提供-12 kV～0的荷电电压．荷电雾滴群由位于喷嘴前方的法拉第筒收集,法拉第筒内置4层不锈钢金属网,通过屏蔽导线与皮安表连接．荷电雾滴群进入法拉第筒后与接地端形成电流回路,由皮安表测出样本时间t(60s)内的平均电流I,雾滴群的质量m由喷雾前后集液桶的质量差确定．利用λ=It/m计算出雾滴群的平均荷质比,通过荷质比的大小来表征喷雾的荷电效果,荷质比越大,雾滴的荷电性能及充电效果越好．试验中每组工况测试3次,取平均值．

图6 试验装置示意Fig.6 Diagram of test device

4 试验结果与分析

4.1 荷电电压对液滴荷电效果的影响

图7为不同喷雾压力下雾滴群荷质比与荷电电压的变化关系,图中的试验数据表明,雾滴群的荷质比大小均随着荷电电压的增大而单调增加．试验中荷电电压增大到-12 kV后,电极环附近出现辉光,同时皮安表上的数值急剧减小,即此时雾滴群的荷质比快速降低[16]．分析认为,环形电极在-12 kV之前,射流处于感应充电方式之下,荷电电压增加,电极环和喷嘴电极之间非均匀电场场强增大,从而荷质比增大．当超过该值后,由于电极环表面不光滑且存在毛刺,导致该处局部场强突变增强,周围空气被击穿,出现电晕放电现象,此时雾滴群处在感应充电向电晕放电过渡阶段．由于电晕放电产生的大量负离子和电子,与感应荷电产生的带正电的液滴相互抵消,从而降低液滴的荷质比．

图7中的数据还表明,在相同的电压条件下,喷雾压力P越大则雾滴群的荷质比越大,荷电效果越好;随着喷雾压力的继续增大,喷雾压力对荷质比的影响相应减弱．

图7 荷电电压对雾滴荷质比的影响Fig.7 Effect of charge voltage on charge-mass ratio of droplets

分析认为,由于喷雾压力的增加,液滴粒径减小,单位质量的雾滴群表面积增大,提高了雾滴群荷电效果．继续增大喷雾压力,液滴粒径不断减小,液滴荷电量趋于饱和,并且随着喷孔出口处射流流速增大,射流在静电场中的有效充电时间将减少,喷雾压力对于雾滴群荷电效果的影响作用降低．

4.2 电极环直径对液滴荷电效果的影响

图8为喷雾压力为0.5 MPa,喷雾锥角为76°,荷电电压为6 kV,电极间距L=15 mm时,不同电极环直径下雾滴荷质比随荷电电压的变化规律．图8中的试验数据表明,在相同电压条件下,雾滴群的荷质比随着电极环直径的增加而减小．根据图4的分析,这主要是由于电极环直径增大导致喷嘴电极与环形电极之间电场强度减弱,并且电极环的直径越大,与喷雾锥面之间的间距也越大,产生的感应荷电效果越差．虽然减小电极环直径能获得更好的荷电效果,但是过小的电极环直径可能引起雾滴与电极环直接接触而成为接触荷电影响使用安全．因此,在保证绝缘与安全的前提下,电极环大小越靠近喷雾锥面荷电效果越好．

图8 电极环直径对液滴荷质比的影响Fig.8 Effect of electrode diameter on charge-mass ratio of droplets

4.3 电极间距对荷电效果的影响

图9为喷雾压力P=0.5 MPa,荷电电压为6 kV,电极环直径d=55 mm,不同极间距下雾滴荷质比随荷电电压的变化规律．图9中数据表明,在相同的电压条件下,随着电极间距的增大,雾滴荷质比逐渐增大,而这与图5分析结论不太一致．图5的数据表明,电极间距越小,喷嘴与环状电极间场强差越小、电场强度越高,更有利于液滴的感应荷电．笔者分析认为,电极间距的增大使得喷雾锥面与环形电极的间隙缩小,环形电极对液滴中负电荷的排斥能力增强,单位时间导入接地端的负电荷及电子数量增多,进而提高了液体的荷电效果．此时,电极间距增大所引起电场强度的衰减对雾滴群的荷电效果影响并不明显．试验中发现:当极间距L=5 mm时,荷电电压增加到-10 kV时,电极环处出现辉光;当极间距L=20 mm时,荷电电压超过-9 kV,同样会发生放电现象．

图9 电极间距对荷质比的影响Fig.9 Effect of electrodes distance on charge-mass ratio of droplets

分析认为:前者是由于电极表面不光滑存在毛刺,并且电极附近电场强度较高,引起电晕放电;后者是由于电极环与喷雾锥面距离较近,细小的荷电液滴在库仑力的作用下更易发生回吸,打湿电极环,从而引起漏电．

5 结论

(1) 感应荷电喷雾中喷嘴与环形电极形成的电场呈轴对称分布,在喷嘴处电场强度最高,从喷嘴电极到环形电极之间电场强度迅速衰减,雾滴的有效感应荷电区域很小．

(2) 随着荷电电压的增加,感应荷电喷雾充电电场强度逐渐增强,雾滴的荷电效果提高．但荷电电压过高,电极环附近会出现“辉光”,发生电晕放电,使得感应荷电效果减弱．

(3) 减小电极环直径,可以提高环形电极附近的电场强度,提高雾滴的感应荷电效果．在保证绝缘性与安全性的前提下,电极环大小越靠近喷雾锥面荷电效果越好．

(4) 增大电极间距,喷嘴与环状电极之间电场强度减弱,但环形电极与喷雾锥面间的间隙缩小,更有利于提高雾滴的荷电效果．