电晕放电喷雾荷电特性

2021-03-30李金王军锋徐惠斌郑高杰孟新

化工进展 2021年3期

李金，王军锋，徐惠斌，郑高杰，孟新

（江苏大学能源与动力工程学院，江苏镇江212013）

采用某种方式使雾化液滴带电，可提高液滴分散的均匀性及空间弥散性[1]，增强液滴对靶标物的吸附作用、沉积效率、减少液滴的飘移等[2]，同时液滴带电能够削弱液体表面张力，降低液滴粒径尺寸[3]，静电雾化技术广泛应用于喷雾燃烧[4-6]、薄膜制备[7-9]及静电喷雾除尘[10-13]等领域，在我国大力推进节能减排技术的背景下，具有广阔的应用前景。其中，静电喷雾获得优异性能的关键是喷淋液滴具有良好的荷电特性。近年来，国内外学者对静电喷雾荷电特性影响因素进行了大量研究。王军锋等[14-15]通过感应荷电理论建立了液滴群带电量计算公式，实验研究了感应荷电下电极参数变化对喷雾荷质比及液滴粒径的影响规律，将最佳荷电工况与液膜破碎长度关联起来，对比分析了荷电喷雾的沉积效果及粒径分布情况。崔琳等[16]系统研究了液体雾化特性与荷电特性之间的联系，结果表明改善液滴雾化特性能够获得更佳的荷电效果。陈志刚等[17-18]通过实验研究发现电晕等离子体荷电喷雾可以减小雾滴粒径，改善雾化效果，提高雾滴分布的均匀性，同时分析了不同影响因素下雾滴荷质比变化规律。Patel等[19]从液体物性、电极材料等方面对液滴荷电特性进行了研究，结果表明改变液体电导率能够改变电荷弛豫时间常数从而获得更高荷质比。Marchewicz 等[20]对比分析了3 种不同类型雾化喷嘴感应荷电后液滴荷质比变化规律，结果表明液滴荷质比随荷电电压的增加而先增大后减小，感应荷电存在最佳荷电电压。Kim 等[21]可视化研究了电晕放电喷雾特性，对比分析了干式和湿式条件下喷雾电流变化，指出总放电电流是电晕荷电和喷涂电流之和。国内外学者对感应荷电下喷雾荷电特性进行了详尽的研究，但电晕放电过程中感应电流对液滴荷质比的影响尚不清楚，电晕放电喷雾过程中液滴荷电特性变化规律还需进一步探讨。

基于此，本文搭建了电晕荷电喷雾系统实验台，探究了电晕荷电过程中感应电流对液滴真实荷电电流的影响，分析了荷电电压、电极条件及喷雾流量对雾滴荷质比的影响机理，同时对荷电液滴电荷衰减以及粒径变化规律进行了研究。期望通过本文研究进一步揭示荷电喷雾机理，为设计优化荷电喷雾系统以及促进其工业应用提供指导。

1 实验系统及测试方法

电晕荷电喷雾系统如图1所示，由激光粒度分析仪、高压静电发生器、空压机、压力罐、喷嘴、环形电极、法拉第筒等组成，表1所示为实验主要设备参数。压力罐中的水经空压机加压后，由流量计测得液体流量并输送到喷嘴处，喷嘴雾化形成离散液滴并经环形电极荷电后形成静电喷雾。其中实验所用喷嘴为压力雾化喷嘴，喷孔直径0.7mm，固定在外部支架上并接地，喷淋液体物性参数如表2所示。环形电极由直径2.5mm的铜丝绕制而成，固定在高度可调的绝缘支架上，由高压静电发生器向环形电极提供负高压静电。在室内温度(25±1)℃、相对湿度57%±10%条件下，由激光粒度分析仪测定喷嘴正下方20cm 处液滴粒径分布情况。带电液滴进入法拉第筒时与接地端形成回路，由微安表测得电流为I1，喷嘴未喷雾时测定感应电流为I2，液滴荷电电流由式(1)计算得出，并经多次测量进行分析。

由于单液滴荷电量难以测量，通常以荷质比反映雾化液滴群荷电能力。液滴荷质比由式(2)计算得出。

图1 实验装置示意图

表1 实验主要设备参数

表2 液体物性参数

实验测试段示意图如图2所示，法拉第筒位于喷嘴和环形电极正下方，环形电极直径D 分别为60mm、80mm、100mm，喷嘴与环形电极距离h 分别为0、20mm、40mm，喷嘴与法拉第筒第一层收集网距离L为350mm。

图2 实验段示意图

2 荷电理论分析

液体主要通过接触荷电、感应荷电及电晕荷电带有电荷。本实验采用的电源为负高压静电发生器，当将高压静电加载到电极环上时，电极环与接地喷嘴间形成非均匀电场。当喷淋液体离开喷孔时，在静电感应作用下液滴内部正电荷沉积在底部，部分负电荷通过接地导线被引入大地，因此液体脱离液膜形成离散液滴时带有正电荷。电晕荷电装置结构与感应荷电基本一致，区别在于电压的提高使得电极附近局部电场强度达到电离场强，电极周围气体发生电离和激励，液滴与气体中的自由电子及离子碰撞而带电，因此电晕荷电会使液滴带有与电源极性相同的电荷，本实验为负高压电源，即电晕荷电使得液滴带有负电荷。

图3为电极环直径80mm、电极间距40mm、喷雾流量150mL/min 时测得不同电压下电流变化曲线。由图可知，荷电喷雾过程中随着加载电压的增加，依次经历感应荷电、电晕荷电及放电击穿过程，液滴荷电电流先增大后减小为零，随着电压继续增加，液滴荷电电流变为负值并继续增大，最后稳定在一定范围直至发生放电击穿。电晕荷电过程中起晕电压及放电电压的明确是确定液滴荷电状态的关键，起晕电压的定义一般采用切线法[22]，即利用外施电压及产生的电晕电流或平均光子量拟合关系曲线确定电晕起始电压。因为液滴感应荷电与电晕荷电带有相反极性的电荷，本文取外施电压与液滴荷电电流拟合曲线中电流开始降低时对应的电压值为起晕电压，图中为U1；电晕荷电过程中放电击穿的临界电压为放电电压，表示此电压下开始发生放电击穿，电流激增而无法显示，图中为U2。

图3 荷电电压对电流的影响

3 结果及分析

3.1 电极条件对起晕电压及放电电压的影响

表3为不同电极环直径及电极间距下起晕电压及放电电压，其中A、B、C 分别表示电极环直径为60mm、80mm、100mm，1、2、3 表示电极间距为0、20mm、40mm。

荷电过程中起晕电压及放电电压由局部电场强度决定，电极附近局部电场强度达到电离场强即开始发生电晕放电，随着电压提高局部电场强度增大，当电极间电场能够击穿空气时发生放电击穿。由表3可知，随着电极间距的增加，起晕电压逐渐降低而放电电压逐渐增大，随着电极环直径的增大，起晕电压和放电电压均增大。原因为：随着电极间距及电极环直径的增加，相同电压下电场强度降低，起晕电压和放电电压会增大，但电极间距增大会导致环形电极与喷雾锥面距离减小，雾化液滴喷淋在电极环表面时，在电场作用力下电极环表面液滴会被拉伸变形，使得电极表面电场发生畸变，相同电压下局部电场强度更高，在较低的电压下也能开始发生电晕放电，因此随着电极间距的增大起晕电压降低。而放电电压较高，附着在电极上的液滴受电场力作用更强，液滴在电场力作用下被拉伸断裂，电极表面液滴不能形成尖端，此时随着电极间距的增加，电极与喷嘴间距增大，局部电场强度降低，因此达到放电击穿所需电压增大。

表3 不同条件下起晕电压及放电电压

3.2 电极环直径变化对荷质比的影响

荷电电压的高低直接影响环形电极与喷嘴间电场强度的大小，是影响液滴荷电特性的重要因素。鲍重光[3]指出，电晕荷电过程中，最初不带电的粒子进入外电场中而带有电荷，带电粒子的电场强度超过外电场时，荷电不再继续，即粒子带电量达到饱和。带电粒子饱和带电量（qmax）的计算公式如式(3)所示，对应的饱和荷质比（βmax）的计算公式如式(4)所示。

图4 为电极间距20mm、喷雾流量200mL/min时不同电极环直径下荷质比随加载电压变化的曲线。由图可知，电晕荷电过程中，随着加载电压的增加，液滴荷质比呈现先减小后增大最后趋于稳定的趋势。对应图3液滴荷电电流变化曲线，电压达到起晕电压前液滴主要受感应荷电影响，随着电极电压的增加，电极环上开始发生电晕放电，在环形电极与喷嘴之间产生大量负离子及自由电子，雾化液滴吸收负离子及自由电子后与液滴内的正电荷相互抵消导致液滴荷质比逐渐降低，当荷质比降为0 时，继续增加电压，液滴净电荷呈电负性的同时随着电压的增加，荷质比线性增加，达到最大荷质比时，液滴荷电量达到饱和，荷电过程极不稳定，进一步增加电压则会放电击穿。该实验结果与式(4)理论计算相吻合，表明电场中粒子荷电与电源电压呈正比，同时电场中粒子荷电量有一定极限值。

由图4还可知，相同电压下液滴荷质比随电极环直径的增加而先增大后减小，实验中电极环直径80mm 时获得最大荷质比。对比图5 不同电极环直径下喷雾图像分析认为：电极环直径的增加一方面会降低环形电极与喷嘴间的电场强度，导致液滴荷电量降低；另一方面电极环直径的增加增大了电场作用范围，液滴电晕放电产生的负离子及自由电子数量增加，使得液滴荷质比增大。当环形电极直径较小时，电场作用范围起主要作用，荷质比随电极环直径的增加而逐渐增大，随着电极环直径的进一步增大，由于电极环与喷嘴间电场强度较低，雾化液滴无法获得较好的荷电效果，此时荷质比随电极环直径的增加而减小。

图4 不同电极环直径下荷质比变化曲线

图5 不同电极环直径下喷雾示意图

3.3 电极间距变化对荷质比的影响

在电极环直径及喷雾流量不变的条件下，通过调节环形电极与喷嘴的电极间距改变电场分布情况，实验研究了不同电极间距下液滴荷质比随荷电电压变化的规律，结果如图6所示；图7为不同电极间距下喷雾图像示意图。由图6可知，电晕荷电过程中，不同电极间距下液滴荷质比随荷电电压的增加均呈现先减小后增大最后趋于稳定的趋势。相同荷电电压下，随着电极间距的增加，液滴荷质比逐渐增大，并于电极间距40mm时取得最大值。与电极间距为20mm、40mm 相比，当电极间距为0时，液滴荷电量较低且随电压变化不明显。对应图7不同电极间距下喷雾图像分析认为：电极间距为0时，刚脱离喷嘴的液体为连续液膜，未转变为离散液滴，荷电后电荷容易直接经接地导线引入大地，此外连续液膜比表面积较小，荷电效果较差，因此液滴荷质比随电压变化较小且荷质比相对较低。随着电极间距的增加，喷雾锥面与电极环距离减小，环形电极电晕放电产生的负离子及自由电子能够迅速接触离散液滴而使液滴带电，避免碰撞吸附空气中正离子而抵消所带电荷，因此随着电极间距的增加液滴荷质比逐渐增大。但电极间距过大会导致雾化液滴直接喷淋在电极环上，存在一定安全隐患，为保证喷雾锥面在电极环内，本实验电极间距40mm能取得较好的荷电效果。

图6 不同电极间距下荷质比变化曲线

图7 不同电极间距下喷雾示意图

3.4 喷雾流量对荷质比的影响

综合上述实验条件，为获得更佳荷电效果，选用电极环直径80mm、电极间距40mm，通过调节流量控制阀控制液体流量，实验研究了电晕荷电过程中不同喷雾流量下液滴荷质比随荷电电压变化的规律，结果如图8所示。由图可知，相同荷电电压下，液滴荷质比随液体流量的增加而减小，液体流量在150mL/min时液滴荷质比取得最大值。原因可能为：在一定电压下，高压静电发生器的功率是一定的，即其产生的电子及负离子数量是一定的，当通过喷嘴的液体流量增加时，增大了液滴与电子及负离子接触概率，但单位质量液体获得的电荷减小，导致液滴荷质比降低。

图8 不同喷雾流量下荷质比变化曲线

3.5 荷电液滴电荷衰减规律

液滴荷电后电荷的衰减变化影响荷电喷雾的进一步工业应用，其衰减规律是研究荷电液滴输运特性的关键。图9为最优荷电条件下（D=80mm、h=40mm、Q=150mL/min），感应荷电及电晕荷电在典型工况时液滴电荷衰减变化趋势及拟合曲线，以便预测液滴荷电量变化。由图可知，不论在8kV 感应荷电或38kV 电晕荷电时，液滴荷质比随输运距离L 的增加逐渐减小，最后趋于稳定。典型工况下电晕荷电能使液滴带有更多电荷，电晕放电喷雾荷质比最大能达到2702μC/kg，同时其电荷衰减率也更大，对输运距离L 更敏感。相比于感应荷电，电晕荷电虽然起晕电压较高，但能达到更高荷质比，获得更好的荷电效果，具有一定的研究及利用价值。

3.6 荷电喷雾对液滴粒径的影响

图9 电荷衰减变化曲线

图10 不同流量下荷电液滴粒径变化曲线

图10 为电极环直径80mm、电极间距40mm 时液滴索太尔粒径随荷电电压增加的变化曲线。由图可以看出相同电压下随着喷雾流量的增加，液滴粒径逐渐降低。原因为：随着喷雾流量增加，液体受到的机械力也就越大，液体脱离喷嘴后具有更大的初速度，在外界气流扰动下更容易破碎形成细小液滴。随着荷电电压增加，液滴索太尔粒径呈现先减小后增大随后减小最后波动的趋势。原因为：液滴荷电后在液滴表面带有同种电荷，同种电荷的排斥作用削弱了液体表面张力，使得液滴脱离液片或液膜时更容易发生二次雾化破碎形成细小液滴，液滴粒径变化也与前文喷雾荷质比变化相一致，即相同条件下液滴荷电量越大其粒径越小。