感應荷電中帶電裝置參數影響的實驗研究

孫伊偉,覃粒子

(北京航空航天大學 宇航學院， 北京 100191)

細水霧以環境友好、控溫防煙效果好、滅火迅速、耗水量低、破壞性小等特點，已被看成傳統高效滅火劑——鹵代烷[1]的主要替代品。

考慮特定條件或環境下，如核潛艇、航空航天飛行器等密閉空間中，細水霧滅火性能得不到充分發揮：如由于障礙物的存在，細水霧不能直接作用到火焰的根部，冷卻火焰燃料表面的滅火機制不能有效發揮，影響細水霧滅火效果[2]。另外，細水霧因霧滴直徑小，在滅火過程中易受風流擾動，已有研究表明，隨著細水霧粒徑的減小，霧沖量也隨之減小，在火場熱氣流下，很難到達火焰區，且到達油池面的概率更小，滅火效果也不好[3]。靜電霧化技術則是一種理想的可以有效控制霧化過程，達到人為控制霧滴的分布、粒徑和行為的手段，主要是讓細水霧帶有某種電荷，再根據電荷種類實現特定的目的。關于荷電細水霧的研究主要體現在農藥噴灑[4]、工業除塵[5]、家裝噴涂[6]等方面。目前，已有研究表明，外加電場對噴霧流場的分布、火焰的燃燒過程有重要影響。

荷電噴霧的分類方式很多，根據噴霧流量大小可以將其分為微小流量荷電噴霧與大流量荷電噴霧。微小流量荷電噴霧是由靜電霧化原理[7]主導的荷電噴霧，其機制為：通過給液體噴射裝置施加高電壓，使得噴射裝置的尖端液體形成泰勒錐并發射射流，射流表面上的波紋導致由于庫侖力排斥而徑向分散的小而高度帶電的霧滴[8]。大流量荷電噴霧是由壓力霧化原理[9]主導的荷電噴霧，其機制為：將壓力轉化為流體動能以形成高速運動的液柱射流或液膜射流，與周圍低速的氣體介質相遇，液柱或液膜在破碎力與反破碎力作用下破碎，最后完成霧化[10]。

荷電方式主要包括自然荷電和強制荷電兩大類，隨著各種靜電技術的開發利用，對液滴的強制帶電成為研究的重點[11]。強制帶電方式主要包括：接觸荷電，電暈荷電和感應荷電。感應荷電是根據靜電感應原理使霧滴上產生與高壓電極極性相反的電荷，即將外加高壓電源直接加在環狀電極上，通過環形電極與錐狀水膜之間的電場，使液滴產生與電極極性相反的感應電荷的荷電方式。其主要優點包括：荷電結構簡單，荷電穩定，荷電安全與荷電效率高。因此本文對感應荷電電荷遷移的影響因素進行相關實驗與分析，以進一步提高感應荷電噴霧效果。

1 噴霧實驗

本文采用的感應荷電噴霧實驗系統如圖1所示，該系統由液體工質供應系統、細水霧靜電感應系統、荷質比測量系統組成。

其中，采用XWL42.15型高壓柱塞泵為該系統提供壓力，電源部分采用LAS-50KV-20mA型高壓電源，靜電感應噴霧電流測量采用網狀目標法，測量儀表選用GLOW-28520數顯直流微安表。此系統關鍵部分為細水霧靜電感應荷電裝置。

水霧具有一定的導電率，因此必須保證整個靜電感應系統絕緣隔水，否則會產生漏電電流，這對微安量級電流測量的影響是巨大的。針對設計要求設計一種結構簡單的整體式感應帶電裝置(如圖2所示)，該裝置主要由傘罩、連接柱、銅環等組成，其中銅環套于傘罩上部棱臺型位置，不同環徑位于棱臺形不同高度，傘罩下部為一個較大尺寸的平臺，主要用來阻擋由于負壓和電場帶來的反卷噴霧，從而達到絕緣的效果。整個傘罩通過連接柱固定于噴霧系統管路，而且其高度是可調整的，這有利于探索環徑和銅環到噴頭端部距離對于超細水霧液滴帶電量的影響。

實驗時，啟動柱塞泵使得液體工質通過一定長度管路并最終經由細水霧噴頭以霧滴形式噴射而出，在這個過程中同時開啟高壓電源，使得銅環加載相應電勢，細水霧噴頭感應相應電荷，噴射而出的細水霧帶走一定感應電荷，當荷電霧滴運動到銅網時會沿著目標銅網—數顯微安電流表—大地回路放電，此時，數顯微安表示數即為細水霧感應電流，進而可以算出平均荷質比：

(1)

式(1)中：I為數顯微安表示數；Qg為液體工質流量。

實驗時，通過改變感應帶電絕緣裝置材料、環形電極直徑、環形電極和噴頭之間距離、液體工質流量、高壓電源輸出電源等，獲取各種工況下的噴霧荷質比。經過充分比較，得到一定的細水霧靜電感應規律。

2 環形電極與噴嘴間電場強度

為了方便研究，粗略地計算環形電極與噴嘴之間電場大小。假設細水霧的粒徑很小，且對周圍的場強影響較小，可以近似將其看成電荷完全分布于導體外表面上的實心球體，而實心球體的內部及空腔中的電場強度均為零。從噴嘴噴出的霧化錐角為0°，即噴射出的霧場呈垂直的圓柱形，環狀電極的厚度忽略不計。根據高斯定理，霧滴表面的電荷密度為：

σm=ε0E

(2)

式(2)中：ε0為真空介電常數；E為霧滴表面附近的場強。

細水霧通過兩極間電場后所帶的電流為：

I=2πrσmν=2πrε0Eν

(3)

式(3)中：r為噴嘴的出口半徑；v為霧滴的流速；Q為液體流量。

而兩極間被施加電壓后，沿軸線上的電位分布為：

(4)

式(4)中：c為環狀電極到z軸上任一點的距離；R為環狀電極半徑；z為噴嘴距感應電極銅環中心點的軸向距離；n為環狀電極線電荷密度。

兩極間的電場強度與電壓的關系為：

(5)

如果環狀電極至噴嘴出口的距離為S，施加電壓為U′，則兩極間的場強為：

(6)

式(6)即為環形電極與噴嘴之間電場的簡單表達式，從式中可以看出，兩極之間的電場強度與電源電壓成正比，與感應帶電環直徑、帶電環距噴嘴垂直距離成反比。

3 對噴霧荷質比影響的主要技術參數

3.1 絕緣罩材質

為了研究不同材質感應帶電罩條件下，細水霧感應帶電量與電源電壓的關系，本文進行了不同材質感應帶電罩下細水霧感應帶電實驗。

實驗過程中，感應帶電環直徑為84 mm，感應帶電環與噴嘴的縱向距離為10 cm，噴霧流量為5 L/min。4種感應帶電罩材質分別為聚四氟乙烯、尼龍、聚甲醛和PVC，四種材料的物性參數如表1所示。

表1 4種絕緣材料的物性參數

圖3對比了4種絕緣罩材質對噴霧荷質比的影響。

由圖3可以看出，四種材質絕緣罩條件下細水霧荷質比均隨著電源電壓的增大而增大，且基本呈現線性正相關性，這表明提高電源電壓有利于提高細水霧帶電量，這與式(6)中感應帶電環與噴嘴間電場強度關系式中顯示的規律相符。在尼龍材料進行的實驗中，噴霧液滴的荷質比隨電壓的增大急速上升，并在10 kV左右達到了電流表的量程，因此使用尼龍材料進行感應荷電噴霧實驗相比于另外三種材料，用較小的電壓就可以得到最好的荷電效果。另外，由于聚四氟乙烯材料的體積電阻率明顯比其他三種材料要小，因此在電壓上升到10 kV附近時，隨著射流的荷質比上升，荷電噴霧與兩級之間的電場使空氣中的中性粒子發生電離產生新的電離子，并使電源電壓升高到10 kV附近時無法繼續升高加載電壓。并且，四種材質下的感應帶電量在電壓逐漸增大時均顯現出一定的區域飽和趨勢，其中，聚四氟乙烯與聚甲醛材料相對比較明顯，這與這兩種材料的電學性質有關。當絕緣罩為聚甲醛或PVC材料時，細水霧帶電量與電源電壓呈正相關，且隨著電源電壓的升高，細水霧帶電量變化較小。在電源電壓小于25 kV時，聚甲醛絕緣罩較PVC絕緣罩，細水霧帶電量略大；在電源電壓高于25 kV時，聚甲醛絕緣罩較PVC絕緣罩，細水霧帶電量略小。對于聚甲醛和PVC材料的絕緣罩，電壓-荷質比圖像出現了交叉點，原因可能有三個：第一、是當電源電壓高于25 kV時，由于電壓過高，聚甲醛材料絕緣罩發生漏電現象，使得細水霧帶電量低于PVC絕緣罩；第二、實驗過程中細水霧的流量不穩，使得細水霧感應帶電量存在一定的波動；第三、考慮到實驗環境，可能產生一些干擾信號。同時可以看出，使用尼龍材料的絕緣罩時，電流隨著電壓增大的速率明顯快于其他三種材料，說明在相同電源電壓下，尼龍材料細水霧的帶電量遠遠高于聚甲醛和PVC材料，且隨著電源電壓的升高，細水霧帶電量急劇升高。不僅如此，采用尼龍材料時，電流與電壓的線性相關性最好，說明此時帶電過程比較平穩，重復性很好。實驗中采用尼龍材料時也沒有發生任何漏水和漏電現象。結果表明，尼龍材料絕緣罩更有利于細水霧感應帶電。

3.2 環狀電極直徑

為了研究不同直徑感應帶電銅環條件下細水霧感應帶電量與電源電壓的關系，本文進行了不同感應帶電環直徑工況下細水霧感應帶電的實驗。圖4為不同直徑感應帶電環對荷質比的影響。實驗過程中，感應帶電環與噴嘴的垂直距離為10 cm，噴霧流量為3.2 L/min。同時感應帶電環直徑分別為60 mm、72 mm和84 mm。

由圖4可以看出，在同一感應帶電環直徑下，感應帶電量與電源電壓呈正相關，細水霧感應帶電量隨著電源電壓的增加而增加。這是由于電源電壓越大，感應帶電環中形成的靜電場越強，在細水霧液滴穿過感應帶電環的過程中，感應所帶的電荷越多。在同一電源電壓下，細水霧感應帶電量與感應帶電環直徑呈負相關，即隨著感應帶電環直徑的增大，細水霧感應帶電量減小，這與式(6)得到的規律相符。對形成的電場進行簡單分析可知，由于在相同電源電壓下，感應帶電環處電位不變，即在電通量沒有變化的情況下，增大感應帶電環的直徑，使得內部電場減小，再由前面的分析，細水霧穿過感應帶電環時所感應的電量相應減小。因此為了獲得荷質比較好的荷電噴霧，在保證帶電圓環不與液體射流接觸的前提下，帶電圓環的直徑越小越好。

3.3 感應帶電環與噴嘴間垂直距離

為了研究感應帶電環與噴嘴間垂直距離對細水霧感應帶電量與電源電壓的關系的影響，本文進行了不同感應帶電環與噴嘴垂直距離(高度)對細水霧感應帶電的實驗。圖5為不同感應電環垂直距離對細水霧荷質比的影響。基于前面對絕緣罩材料及帶電銅環直徑的影響規律的認識，實驗過程中，絕緣罩采用尼龍材料，感應帶電環直徑為60 mm，噴霧流量為3.2 L/min。同時對五種感應帶電環垂直距離下電源電壓對荷質比的影響進行實驗，感應帶電環與噴嘴的垂直距離分別是：-10 cm、0 cm、10 cm、20 cm和30 cm，其中，當帶電圓環置于噴嘴下方時，兩級間距離符號為正值；當帶電圓環置于噴嘴上方時，兩級間距離符號為負值。

由圖5可以看出，感應帶電環的垂直距離為-10 cm即帶電圓環位于噴嘴上方10 cm時得到的電壓-荷質比曲線最好，說明在此感應帶電環垂直距離下得到較好的荷電噴霧。當電源電壓小于10 kV時，感應帶電環與噴嘴的垂直距離對細水霧感應帶電量的影響并不很大；而當電源電壓大于10 kV時，除了帶電圓環位于噴嘴上方10 cm，其他三種工況的噴霧電流荷質比隨電壓上升反而略微有所下降。這是由于實驗中所使用的感應帶電裝置(圖2)為錐形傘罩，帶電圓環與噴嘴間的垂直距離不能直接通過帶電圓環在錐形傘罩上的垂直位置的改變而改變，因此要改變帶電圓環與噴嘴的垂直距離需要改變錐形傘罩的整體垂直位置，這樣當帶電圓環與噴嘴之間垂直距離較小甚至帶電圓環在位于噴嘴上方時，錐形傘罩會起到很好的隔水作用，保證帶電圓環與水霧隔絕。而當兩級直徑增大時，錐形傘罩需要向背離噴嘴方向移動，此時會有微小液滴濺射到帶電圓環上使電極導通，因此會發生有電壓升高噴霧荷質比反而略有下降的現象。

在電源電壓大于10 kV，垂直距離為10 cm時，細水感應帶電量隨著電源電壓的增大變化并不是很明顯。根據巴申定律可知：這是因為當電源電壓增加到一定值，當氣體成分和電極材料一定時，氣體間隙擊穿電壓是氣壓和兩級間距離乘積的函數。根據沈其工等[12]得到的均勻電場空氣間隙的擊穿電壓UF經驗公式：

(7)

(8)

當電壓上升到擊穿電壓UF時，大量的自由電子被電場力加速獲得足夠的能量，它們將空氣中的中性粒子電離，產生新的正負粒子，產生放電現象，因而細水霧的感應帶電量隨著電壓的升高變化不大，甚至略微降低。從式(8)中可以看出，帶電圓環與噴嘴之間距離越大，兩級中間的空氣越不容易擊穿，因此當電壓上升到10 kV，極間距離為30 cm時荷電噴霧的荷質比變化比極間距離為20 cm穩定。

綜上所述，電壓升高到10 kV時，噴霧荷質比隨電壓的變化變得不穩定的原因是霧滴濺射到帶電圓環與空氣被擊穿兩個因素。當極間距離為-10 cm時，霧滴濺射所造成的影響由于錐形傘罩的保護可以忽略不計，并且由于具有高體積電阻率的錐形傘罩，兩級之間的擊穿電壓變得很大，因此荷電噴霧荷質比在電壓達到10 kV以上時繼續緩慢上升。另外，在感應荷電裝置中，將環形電極置于噴嘴上方的這種空間布置方式目前還非常少見，為感應荷電噴霧實驗研究提供了新思路。

4 結論

1) 細水霧感應帶電量與電源電壓呈正相關，且尼龍材料的絕緣罩不論帶電量、帶電過程平穩程度還是實驗安全方面，相較于其他三種材料，更有利于細水霧感應帶電實驗研究。

2) 細水霧感應帶電量與感應帶電環直徑呈負相關，為了增大細水霧感應帶電量應盡量減小感應帶電環的直徑，但也要注意由于感應帶電環直徑過小導致圓環容易與液滴接觸導致放電。

3) 考慮到細水霧錐角、霧化和實際應用等問題，為了增大細水霧感應帶電量，應將感應帶電環與噴嘴的垂直距離控制在-10 cm左右。

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