高壓靜電霧化液體的測試研究

尹鵬騰，韓雪山，畢 鐸，段天雄，胡 彬

(上海理工大學理學院，上海200093)

0 引言

高壓靜電霧化具有霧滴粒徑細小、粒徑尺度單一、空間彌散程度廣等優點，廣泛應用于農牧林業病蟲害防治、工業噴涂、燃燒、脫硫除塵及材料薄膜制備等領域。為有效提高燃油燃燒效率、煙氣脫硫效率及藥劑滅菌效率等，本文從破碎動力學、不穩定理論及霧化模式等出發對高壓靜電霧化理論進行了詳細的闡述，測試了平口霧化噴嘴在針-環狀組合電極下的噴霧特性。高壓靜電輔助液體霧化技術是在高壓靜電參與下液體破碎成帶電液滴的過程。這種由高壓靜電參與的霧化過程與其他噴霧方式相比有許多優于常規霧化的特點，故倍受關注。本研究通過改變毛細鋼管的內徑尺寸、控制流量以及毛細鋼管管口與接地極間的距離等使液體霧化后的霧滴有效帶電，并且帶電數量明顯增加，為已加有高壓霧化裝置的靜電除塵器有效地增加了其起始粒子濃度，進而為有效地增加除塵器的除塵效率打下很好的理論基礎，并為燃煤工廠提供一個既能滿足極低排放又能控制復合污染物的前瞻性可靠技術［7-9］。

1 高壓靜電霧化裝置及原理

1.1 高壓靜電霧化裝置

圖1 物理實驗原理流程圖

本實驗所用裝置如圖1所示。實驗中采用簡單的高壓靜電霧化裝置，該裝置的高壓由電GYW-010(0～10 kV)高壓直流電源提供，并加在霧化裝置末端的毛細管上，毛細管是內、外徑不同的不銹鋼管，在距離毛細管末端大約3 cm處為金屬接地電極，接地電極為一塊直徑10 cm的圓盤，為液滴霧化提供高壓電場。流量控制器是通過輸液器鏈接液體容量瓶與毛細鋼管，通過調節輸液器開關控制液體流速。在接地極與金屬圓盤之間串聯一個二級運放電路，用以觀察實驗過程中產生電流的變化。實驗采用的介質的物性參數見表1，實驗環境為常溫21℃，表中ρ為密度，ε0為真空介電常數，μ為粘性系數，γ為表面張力系數，κ為電導率。

表1 介質的物性參數

1.2 高壓靜電霧化工作原理

靜電霧化是在靜電力作用下液體破碎成帶電小液滴的過程。高度帶電的小液滴內部產生庫倫斥力，阻止了液滴的凝聚并且使其更易穿透其周圍的氣體介質。結果表明:高壓靜電減小了液體的表面張力和粘滯阻力，使液體容易破碎成更為細小的液滴，使霧滴尺寸分布更均勻。霧滴荷電后，帶電霧滴在高壓靜電場的作用下容易發生二次霧化，進一步減小霧滴粒徑;同時帶電霧滴在電荷之間斥力作用下，彌散程度加大，且能在目標物上感應出與本身電荷極性相反的電荷，從而在極化力、引力等作用下更容易被目標物所捕獲。由于帶電液滴的軌跡理論上是由電場決定的，所以可以施加不同的高壓電場來控制液滴的軌跡。在高壓電場作用下，帶電霧化液滴在外加高壓所形成的電場作用下移動。

2 實驗現象與結果

2.1 霧化現象形成過程

室溫下，影響電霧化現象的參數有溶液的表面張力、介電常數、電導率、粘性、流量和高壓電場。通過改變在一定內徑的毛細管口流出液滴的不同流速，液體的電霧化形成過程所需要的電壓也不同。在外加高壓產生的電場強度從零開始不斷增加過程中，電霧化主要經歷以下幾個過程:“滴”模型、“脈動”模型、“錐-射流”模型和“不穩定”模型。在穩定的“錐-射流”模型中，穩定的射流區域表面在其徑向受力達到平衡，其表面靜電壓力為:

表面張力為:

式中，ε0為介質真空介電常數;γ為表面張力系數;a為射流半徑;En為射流表面徑向電場強度。

由穩態射流表面受力平衡得出:

對于穩定的射流模型，其霧化電流可表示為:

由式(5)可以看出，液體物理特性一定的情況下，在穩定的“錐-射流”模型中形成的霧化電流與流量成正相關。

2.2 不同霧化模型的形成與液體流速的關系

室溫下，通過確定的毛細鋼管口徑，改變通過毛細管液體的流速和調節高壓電源提供的電壓，可以觀察電霧化過程中不同的流動模型產生電流大小與外加高壓的關系，如圖2所示。

圖2 不同流速與外加電壓的關系

當電壓達到一定值時，毛細管口液滴開始變化明顯，液滴曲率半徑不斷變大。外加電壓繼續增大，液滴不斷變小，形成以一定流速流出的連續的、錐形的液體。當電壓達到7.5 kV時，電流表示數趨于穩定，穩定的“泰勒錐”模型形成;繼續增加電壓，穩定的錐形射流開始變化，形成不穩定的噴灑模型。在接地極金屬板上可以清楚地看到一定范圍的霧化液滴，且電流表示數不斷增大。液體流速越快，形成穩定的“泰勒錐”模型所需要的電壓值越小，接地極形成電流越大。但是，形成的初始電流大小幾乎不變;“不穩定”模型形成時，流速越快，在接地極圓盤上形成的噴灑液滴滴落范圍越大，所對應的電流也越大。

2.3 不同孔徑的毛細管的霧化模型的形成

Taylor研究表明，一定粘度的小分子溶液噴射出流體的臨界值Uc可以由下式確定:

式中，Uc為臨界電壓;H為毛細管與收集板之間的距離;L為毛細管長度;R為流體的初始半徑;γ為液體的表面張力。

實驗中，通過改變與高壓電源連接的毛細鋼管孔徑，觀察不同條件下形成霧化模型所需電壓與流速的關系，如圖3。

圖3 不同內徑的毛細鋼管與形成霧化模型所需電壓的關系

圖3(a)為常溫下，自來水通過毛細管內徑為0.26 mm、外徑0.5 mm在不同流速時，通過改變外加電壓形成不同的模型所需要電壓值的關系。圖3(b)為常溫下，自來水通過毛細管內徑為0.84 mm、外徑為1.2 mm在不同流速時，通過改變外加電壓形成不同模型所需要電壓值的關系。

圖4 不同毛細管孔徑與霧化模型所需電壓的關系

從圖4以及實驗現象可以看到:霧化過程中，毛細管孔徑越小，形成起始電流值越小;隨著毛細鋼管內徑的增加，形成穩定的“泰勒錐”模型以及“不穩定”模型所需要高壓電源提供的電壓也隨之不斷增加;通過對比發現，霧化過程形成穩定“泰勒錐”模型以及“不穩定”所需電壓與毛細管孔徑成反比關系;實驗過程中，通過不斷增加電壓，發現在“不穩定”模型階段，電流表示數隨著電壓升高而不斷增加，且隨著毛細管孔徑的不斷減小，最終形成的電流值卻不斷增加。

3 結論

水通過毛細管在高壓電場作用下能夠形成多種系列霧化模型，比如“泰勒錐”模型、“不穩定”模型等。在其實驗模型中，形成的電流大小與其流速、毛細管孔徑、毛細管口與接地極間距離和外加高壓大小所形成的高壓電場有如下直接關系:

(1)霧化過程“泰勒錐”模型形成所需電壓與液體流速成正相關，且接在接地極的電流表示數表征其霧化電流趨于穩定;

(2)“不穩定”模型形成電流值更大，且變化范圍更廣泛;霧化過程形成電流大小隨著毛細管口和接地極間距離的增大而減小;

(3)對于同一孔徑的毛細管，當管口與接地極間距離確定時，形成不同霧化模型所需電壓值接近，但其形成的電流大小卻不同。

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