噴嘴外形錐度和內徑對靜電霧化效果的影響

東華理工大學機電學院 汪志成 孫紅娟

噴嘴外形錐度和內徑對靜電霧化效果的影響

東華理工大學機電學院 汪志成 孫紅娟

基于無葉片靜電風力發電系統中噴嘴結構參數對液滴霧化效果影響的分析.通過靜電霧化裝置,基于simion8.0仿真軟件平臺,分別對噴嘴外形的不同錐度和不同內徑進行一系列的仿真,觀察不同參數下噴嘴附近電勢和電場強度的變化.初步得到了噴嘴的錐度和內徑與霧化效果的關系.

霧化;simion;錐度;內徑

0 引言

在基于靜電轉換的風力發電系統中,核心的部分是靜電霧化系統[1],本實驗中采用的是高壓靜電霧化的方法,該方法具有提高轉化效率,能耗低,對設備和環境要求低等優勢.本文主要基于靜電霧化這一理論,開展了噴嘴結構參數中不同錐度的外形和不同內徑的噴嘴對靜電霧化效果的研究,并對得出的結論進行分析.

1 靜電霧化系統工作原理

靜電霧化是指導電液體在液體表面張力、粘性力和靜電庫侖力的聯合作用下,破碎成微小單分散液滴的過程[2].由于液體介質本身具有電離特性且液體內部含有雜質,液體內部將含有一定量的正、負極性的離子,當電極加上高壓時,在霧化電極產生的靜電引力和靜電斥力作用下[3],高壓產生的靜電場會對與它同極性的離子產生排斥作用,與它極性相反的離子產生吸引作用,因此,與電極電壓極性相反的離子濃度從噴嘴出口端到液體內部依次降低,與電極電壓極性相同的離子的濃度從噴嘴出口端到液體內部依次升高..不僅如此,在液體介質與噴嘴內壁表面接觸面處會形成偶電層,當液體因為重力的作用從噴嘴口流出時,偶電層遭到破壞.綜合以上兩種因素,從噴嘴口出來的液滴會帶上與電極電壓極性相反的電荷,從噴嘴口出來的帶電液滴在靜電場中會受到靜電場力的作用,當液滴表面的電荷量達到瑞麗極限時,液滴就會因為靜電分離導致破碎發生霧化.根據瑞麗極限[4]公式:

可知,液滴半徑越小,瑞麗極限值qmax就越小,液滴越容易被霧化.所以在靜電霧化系統中應該選用半徑盡量小的噴嘴結構.

通過式1可知,任意的液滴介質,在其它條件不變的情況下,從噴嘴出來的液滴的半徑尺寸越小,它的瑞麗極限值越小,這時只要給電極加上一個相對較小的電壓值液滴都有可能發生破裂霧化.因此將靜電霧化噴嘴設計成錐形金屬管道.錐形金屬管道上部空間較大,可在表面積累更多的靜電荷,管口末端尺寸較小,便于保持一定體積上液滴的帶電量,以實現霧化效率的提高.本文擬通過實驗仿真分析噴嘴的錐度和內徑對霧化效率的影響.

噴嘴的結構參數的設計與仿真.

2 不同錐度外形結構噴嘴的電場仿真分析

相同條件下不同的噴嘴結構會對液滴的霧化效果產生不同的影響,通過利用Simion仿真軟件仿真不同錐度的噴嘴結構的電場分布情況,從而判斷哪種錐度的噴嘴結構更適合于液滴的靜電霧化.在Simion仿真軟件中,設定電極為圓環形結構電極,內徑為30mm,厚度為6mm,噴嘴外形錐度設定00,150,300,450,600這5個錐度,噴嘴內部液體通道為圓柱形通道結構,內徑統一為2mm,噴嘴軸線與環形電極軸線重合,噴嘴頂端距離環形電極中心平面距離都為2mm,電極上的電壓設定為4kv,噴嘴上的電壓設定為0kv,由于此仿真主要是仿真高壓在噴針附近電場的分布情況,與液體介質相關參數無關,在仿真中不考慮液體介質的流動情況,得出的最優角度為300,仿真結果如圖1所示;

圖1 噴嘴錐度為300的電場強度仿真

分別仿真了00,150,300,450,600這5個不同錐度的噴嘴的電場等勢面的分布情況,可以明顯的看出噴嘴外形的錐度對電場的分布造成很明顯的影響.

相同條件下,同一坐標點處,錐度為300的噴嘴的電勢和場強值是最大的,和圖片仿真的效果一致.所以,在靜電霧化系統中,采用外形錐度為300的噴嘴對分析研究液滴的霧化效果或者是在實際應用中都最為合適.

3 不同內徑大小的噴嘴結構的電場強度仿真

為了進一步了解噴嘴的結構參數對液滴霧化效果的影響,通過Simion軟件仿真分析了不同內徑大小的噴嘴在其噴嘴液滴出口端同一相對位置的電場強度.在Simion軟件中設定電極結構為內徑是40mm厚度為5mm長度為12mm的圓柱形電極,電極電壓設定為4kv,噴嘴結構設定為圓柱形結構,電壓設定為0kv,噴嘴厚度統一為1mm,噴嘴頂端位于電極中心平面的中心處.噴嘴內徑設定以下5個尺寸進行電場強度仿真:2mm、4mm、6mm、8mm、10mm.得出最優結果為2mm:

圖2 噴嘴內徑為2mm的仿真結果

通過比較5個不同內徑的噴嘴仿真圖片的PE電勢梯度圖,可以得出隨著噴嘴內徑的增大,電勢變化梯度越大,等勢線越分散,電場場強越小;內徑越小電勢變化梯度越小,等勢線越密集,電場場強越大.所以,相對于其它噴嘴內徑來說,內徑為2mm的噴嘴附近場強最大,液滴霧化效果最好.

噴嘴內徑為2mm處的電場場強最大,相對于其它內徑,該內徑下液滴霧化效果處于最佳狀態.因此,可得出,隨著噴嘴內徑的增大,噴嘴出口處附近的電勢增加,電場場強變小,液滴被霧化的效果減弱.

4 結論

通過分別對噴嘴不同錐度的外形和噴嘴不同的內徑進行了模擬仿真得出:(1)噴嘴外形錐度為300時,噴嘴液滴出口處附近的場強最大,液滴的霧化效果最好.(2)噴嘴內徑越小,電勢梯度變化越小,電場線越密集,場強越大,液滴的霧化效果越好.

[1]譚謹,王曉茹,李龍源.含大規模風電的電力系統小擾動穩定研究綜述[J].電力系統保護與控制,2014,42(3):15-23.

[2]CHEN X P,CHENG J S,YIN X Z.Research progress and application of electrohydrodynamic[J].Chinese Science Bulletin,2003,48(7):637-646(in Chinese).

[3]Durham K Giles.Space charge deposition of pesticide ontocylindrical target arrays[J].Transaction of the ASAE,1985,28(3):658-664.

[4]Zeleny J.The study of application of the discharge to the droplets of unstable conditions[J].Proc.Camb.Phil.Soc,1915,18:71-83.