雙空腔電極靜電霧化泰勒錐形貌特性

陳旭東,杜云鵬，李慶，何壽杰，吉曉曉，張曉軍

(河北大學 物理科學與技術學院，河北 保定 071002)

高壓靜電霧化技術在日常生活和工業生產中運用越來越廣泛，尤其在工業除塵和脫硫脫硝等環保領域的運用.高壓靜電霧化技術是在高壓靜電場中，對液滴進行荷電，使液滴形成帶電的霧滴群，使液滴的霧化效果更加明顯.該技術所產生的液滴群具有尺度均勻、霧化空間范圍廣、粒徑細小等優點.高壓靜電霧化技術已成功應用于環境保護、農業生產、噴涂技術以及核反應[1-13]等各個領域.人們對高壓靜電霧化已經有了一些研究.Seong等[14]通過PIV技術對新研發的一種接觸式噴嘴噴出的噴霧附近的流場進行研究.鄭高杰等[15]為了滿足高溫環境下能有穩定的荷電噴霧，研發了一種預混式雙流體靜電霧化噴嘴，并采用PIV技術對不同環境條件下的噴霧流場進行分析.國內在靜電霧化技術的研究相比國外在靜電霧化技術的研究起步較晚.國內在20世紀70年代末開始對靜電霧化技術進行研究，雖然起步較晚，但是發展較為迅速，自21世紀以來，中國主要從靜電霧化效果和靜電霧化的理論研究及數值模擬這2個點對靜電霧化進行深入研究[16].經過將近2個世紀的發展，該技術越來越成熟，但仍有部分方面不夠成熟，還有一些方面可以進一步的深入研究.本研究就設想用空腔電極取代芒刺進行改造，作為協同處理煙氣的實驗支持.在該項技術中也考慮到治理效率和水資源利用的權衡問題[17-18]，前期已經進行了單空腔靜電霧化實驗[19]，本文對電極進行改造，將高壓電極設計成雙空腔電極，且2個空腔連接在同一個出液口上，以此來產生更多的霧滴，增強微細粉塵顆粒的相互凝并的作用，從而提高微細顆粒污染物在靜電除塵器中的去除效率.

1 實驗裝置與方法

圖1為實驗裝置示意.圖2和圖3分別給出了空腔電極-板放電裝置示意和不同分離角雙空腔電極實物.空腔電極后端與一儲液罐連接[20].儲液罐中注有去離子水，通過高壓線與一負高壓直流電源連接.電源采用DW-N503-4ACDE直流高壓電源,輸出電壓為0～50 kV.接地極板為銅箔，與一微安電流表串聯后接地，液體介質在空腔電極與接地極板之間的電場力的牽引作用下形成微射流.利用FR-YA30X30CM白光光源進行補光，使用高速攝像機PCO.dimaxS1采集微射流的運動圖像.高速攝像機與其計算機配套軟件CamWare相連接.設置CamWare的參數為視野范圍寬度33.7 mm，分辨率1008*1008.

圖1 實驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental device

實驗研究表明，當雙空腔平行時很難發生霧化且即使發生霧化效果也很差.因此本實驗對雙空腔電極的空腔進行了彎曲處理，使電極形成一定的分離角度，對不同的分離角度下雙空腔電極的放電特性與霧化效果進行了研究,其中雙空腔電極的分離角度為30°、45°、60°、75°；選取電壓為10、15、20、25、30 kV.將雙空腔與水平儲液管連接.調整2個空腔之間的角度，同時使2個空腔所形成的平面垂直于地面.實物如圖3所示，選取0°、30°、45°、60°、75°這5個角度作為不同分離角度，其中分離角為0°作為對照物.實驗條件如下：溫度15～20 ℃，濕度40%～60%，氣壓0.1 MPa.

圖2 空腔電極-板放電裝置示意Fig.2 Schematic diagram of cavity needle-plane discharge device

從上到下分離角為0°、30°、45°、60°、75°.圖3 不同分離角雙空腔電極實物Fig.3 Physical drawings of double-cavity electrodes With different separation angles

2 實驗結果與分析

2.1 雙空腔電極泰勒錐形貌變化圖像

不同分離角和不同電壓時采集到的泰勒錐形貌影像如圖4所示.圖4中細線標注的位置為空腔電極出液口的位置，細線右測即所形成的泰勒錐.取霧化噴射前的最后一次泰勒錐伸縮或者擺動，在此中取伸縮或擺動幅度最大的一幀圖像作為泰勒錐形貌[21]變化趨勢影像.

電壓從左到右依次為10、15、20、25、30 kV.a.30°;b.45°;c.60°;d.75°.圖4 不同分離角雙空腔電極上下空腔10～30 kV泰勒錐形貌變化圖像Fig.4 Morphological changes of 10-30 kV Taylor cone in upper and lower cavities of double-cavity electrodes with different separation angles

實驗研究表明，在相同的實驗條件下，上下空腔的泰勒錐形貌隨電壓的變化趨勢有所不同.在同一電極中，當電壓升高會使下空腔的泰勒錐整體液體量呈持續增長狀態.下空腔尖端在電壓為10 kV時便可形成較為明顯的三角形泰勒錐，空腔尖端液體量會隨電壓的升高不斷積累，形成半紡錘形，當電壓超過25 kV時，泰勒錐液體量會驟然增加，半紡錘形形貌與上空腔電極相比更加飽滿且錐長也明顯增加，此時的泰勒錐擺動幅度變大且不易斷裂.

當雙空腔電極分離角度不同時，其上、下空腔泰勒錐形貌變化趨勢基本保持一致，其中上空腔在電壓為10 kV時，空腔尖端就有少量的液體積累，但當增加各電極的分離角度時，在重力的作用下，空腔內的液體積累難度變大，從而導致液體量減少甚至消失.調節電壓至15 kV時，上空腔尖端泰勒錐形貌變化趨勢基本保持一致.繼續調節電壓至30 kV，此時泰勒錐形貌會出現回縮現象，這種現象在雙空腔分離角為75°時表現最明顯，這說明泰勒錐的形貌變化趨勢與分離角的大小存在著一定的關系.

2.2 雙空腔電極泰勒錐形貌變化的影響因素分析

對比圖4中的4種不同分離角度雙空腔電極的泰勒錐形貌變化圖像可知，對于同一分離角度的雙空腔電極，當電壓發生改變時其泰勒錐形貌也會隨之改變；此外，當電壓相同時，不同分離角度的雙空腔電極的泰勒錐形貌也存在著差異.

2.2.1 不同分離角度對雙空腔電極泰勒錐形貌的影響

在圖4的對比分析中發現雙空腔電極在靜電霧化的過程中，下空腔的泰勒錐產生以及變化明顯優于上空腔，根據上下空腔的位置結構，這種差異應該與重力因素有關.對雙空腔電極尖端的液體受力分析如圖5所示.

圖5 彎曲處理后的上、下偏離空腔尖端液體受力分析Fig.5 An analysis of the force acting on the liquid at the tip of the cavity after bending treatment

空腔尖端液體主要受沿程重力、壓力、阻力和電場力的作用，沿程阻力為

(1)

式(1)中,v為液體流速；l為空腔長度；λ為摩擦系數；d為空腔直徑.由受力分析圖可以看出重力是2個空腔電極形成不同泰勒錐形貌的重要因素.主要是因為重力在下空腔中充當了動力的角色而在上空腔中則充當了阻力的角色.對上空腔而言要想產生泰勒錐并且發生靜電霧化，除了要克服空腔的沿程阻力以及液體的表面張力外，還需要克服重力沿空腔彎曲方向的分量，所以顯然要比未作出彎曲處理時更難形成泰勒錐及產生靜電噴霧.對于下空腔而言情況恰好相反，重力在沿空腔彎曲方向的分量變為拉力，所以只需較小的電場力，下空腔便能產生泰勒錐并發生靜電霧化，因此彎曲處理對下空腔起到了促進作用.在電壓一定的情況下，雙空腔電極的下空腔泰勒錐液體量隨著2個電極分離角度的增大而增多，使形貌更加飽滿.與圖4中的形貌變化結果基本吻合，其中當分離角增大到75°時電極的上空腔液體由于受到重力影響最大使其出現回縮現象最明顯，同時下空腔液體受重力的促進作用最大，泰勒錐被拉長且錐形最為飽滿.

由上述分析可知不同分離角度對于雙空腔電極的上下空腔而言影響是不同的，對于上空腔而言，重力變為阻力，分離角度越大泰勒錐形貌越趨于萎縮，靜電霧化效果越弱；對于下空腔而言，重力則充當動力的角色，分離角度越大泰勒錐形貌越趨于臃腫飽滿，靜電霧化效果越強.由于75°分離角對上空腔抑制作用過大，所以綜合考慮，選取分離角為60°時，總體霧化效果最佳.

2.2.2 放電電壓對雙空腔電極泰勒錐形貌變化的影響

高壓靜電霧化過程，雙空腔電極的泰勒錐形貌不僅受到分離角度的影響，還受到外施放電電壓的影響.電邦德數BE[20]將液體表面張力和空間電場等物理性質聯系起來，其表達式為

BE=εrE2/σ，

(2)

其中ε、σ和E分別表示介電常數、液體介質的表面張力、針電極空腔口處的電場強度.

(3)

其中r和D表示空腔電極半徑和空腔電極到接地極板的間距.結合公式(2)和(3)可以得出

(4)

由公式(4)可知BE受到電壓、空腔電極尺寸、極間距及液體表面張力的影響，BE能更準確地鑒別靜電霧化的泰勒錐形貌，對于研究靜電霧化的動力學行為特征和荷電液滴形成具有重要的意義.實驗中所用液體為去離子水，根據公式計算出去離子水在不同電壓下的電邦德數如表1所示.

表1 不同電壓下去離子水的電邦德數Tab.1 Electric bond number of deionized water at different voltages

由表1可知去離子水的BE隨著放電電壓的增加逐漸增加.結合圖4可知，隨著BE的增加雙空腔電極的上空腔電極泰勒錐的液體表面積先增加后減小，下空腔電極泰勒錐的表面積一直增加.當存在外加電場時，荷電量為q、直徑為D的荷電液滴，其相對表面張力將被削弱.

σ=σ0-q2/(8π2εD3),

(5)

其中σ、σ0、q分別代表液體的相對表面張力、固有表面張力和此時液滴的荷電量.

由公式(5)可知，液滴的荷電量q會隨著電壓的增加而增加，液體的表面張力σ隨著電壓的增加而減小.當液體的表面張力減小，會使液滴的不穩定性增加，導致液滴更容易發生形變.因而會導致空腔前端泰勒錐的表面積和液體量增加.當空腔前端的液體表面積增大后，其泰勒錐所受到的靜電力也隨之增大，同時也就更容易形成荷電微射流，發生靜電霧化.所以電邦德數的增加對泰勒錐的形成以及靜電霧化的發生起到了促進作用.可以推斷：增大電勢，會促進雙空腔電極的靜電霧化效果及泰勒錐的形成，綜合考慮，雙空腔電極在電邦德數為1.737時產生的泰勒錐形貌最佳.

2.2.3 實驗參數對泰勒錐錐角與錐長的影響

泰勒錐的錐長是指泰勒錐的尖端到空腔尖端所在平面之間的垂直距離；錐角是指過泰勒錐的尖端頂點的豎直切面的2條母線之間的夾角.泰勒錐的形貌和大小由錐角和錐長共同決定，不同的泰勒錐錐體就會有不同的霧化效果.

在不同電壓下對30°、45°、60°、75°這4種不同分離角度的雙空腔電極的上、下空腔產生的泰勒錐的錐角和錐長利用Image-Pro Plus圖像分析軟件進行多次分析,并取平均結果，依據結果做出如圖6所示.

由圖6可知，雙空腔電極的上空腔泰勒錐錐長隨電壓的升高先增大后減小，錐角呈現出先減小后增大的趨勢.改變分離角度可發現上空腔在相同電壓下的錐長、錐角變化規律不明顯.而下空腔泰勒錐錐角和錐長隨電壓的升高分別呈減小和增大的趨勢，且變化幅度較小.當電壓相同時，總體而言隨著雙空腔電極分離角度的增加，其所產生的泰勒錐錐長會不斷增大，而錐角會不斷減小.需要說明的是實驗過程中下空腔因為在電壓較小的時候受到重力的影響較大，因此受電壓影響較電壓較高時要小，造成實驗中存在一定的偶然性.上述現象說明重力對泰勒錐的錐長和錐角都有影響.因此引入了質量力的概念，質量力是指某力場對全部流體質點都產生作用的力，質量力的大小與流體的質量和體積成正比.對于不同分離角度的雙空腔而言，重力則在其質量力中占主要部分.當靜電力作用于泰勒錐的同時，也存在著質量力的作用.研究表明：表面積相對于體積大得多的液滴，其受到的靜電力為主要作用力，且靜電力的大小與霧滴半徑r的平方有關，而質量力則與r3成比例[15].由此則可以解釋在電壓增加的過程中，泰勒錐的錐長不斷增加變得尖銳，而泰勒錐長度不斷增加時即霧滴半徑r也在不斷增加，則在電勢增加的后期質量力的作用遠大于電邦德數的作用，對于上空腔而言其質量力為阻力抑制了其泰勒錐的形成，所以后期錐長會減小,錐角有逐漸變大的趨勢，而對于下空腔而言,質量力起到的是動力的作用,與靜電力一起促進泰勒錐的形成.隨著分離角度的增加,質量力的這種影響效果則越來越明顯與實驗結果相符.

a、b.上空腔;c、d.下空腔.圖6 雙空腔電極的上、下空腔在不同分離角度下形成的泰勒錐錐角、錐長隨電壓變化Fig.6 Taylor cone angle and cone length of double-cavity electrodes with different separation angles are plotted with voltage

綜上所述，當電壓一定時，同一水源上的下空腔泰勒錐錐角要比上空腔小，錐長要比上空腔大；由圖6可知，下空腔曲線的圖像變化幅度要比上空腔圖像變化幅度大，在質量力和靜電力的影響下，彎曲處理對于下空腔的泰勒錐形貌起促進作用.

3 結論

1)在靜電霧化過程中，雙空腔電極的上空腔和下空腔所形成的泰勒錐形貌區別較大，可以通過彎曲處理使下空腔的泰勒錐更易形成.

2)不同分離角度對于雙空腔電極的上下空腔而言影響是不同的，質量力、電邦德數共同影響泰勒錐的形成及形貌.當電邦德數為1.737時雙空腔電極產生的泰勒錐形貌最佳.

3)實驗表明，當雙空腔電極的分離角為60°時所形成的泰勒錐要比分離角為30°、45°、75°這3種雙空腔電極更為明顯；且霧化效果也明顯優于分離角為30°、45°、75°這3種雙空腔電極，故該電極可作為優化電極.當電壓為25 kV時所形成的泰勒錐最為飽滿，故25 kV可作為優化電壓.

綜上所述，雙空腔電極之間的放電抑制作用可以通過彎曲處理進行弱化，由于重力在上、下空腔中起到的作用不同，在上空腔中起到阻力的作用，而在下空腔中起到動力的作用，使得下空腔的泰勒錐形貌和霧化效果要優于上空腔，在相同的條件下，較單空腔電極相比，雙空腔電極的泰勒錐形貌與霧化效果均更好.