高压静电雾化液体的测试研究

尹鹏腾，韩雪山，毕 铎，段天雄，胡 彬

(上海理工大学理学院，上海200093)

0 引言

高压静电雾化具有雾滴粒径细小、粒径尺度单一、空间弥散程度广等优点，广泛应用于农牧林业病虫害防治、工业喷涂、燃烧、脱硫除尘及材料薄膜制备等领域。为有效提高燃油燃烧效率、烟气脱硫效率及药剂灭菌效率等，本文从破碎动力学、不稳定理论及雾化模式等出发对高压静电雾化理论进行了详细的阐述，测试了平口雾化喷嘴在针-环状组合电极下的喷雾特性。高压静电辅助液体雾化技术是在高压静电参与下液体破碎成带电液滴的过程。这种由高压静电参与的雾化过程与其他喷雾方式相比有许多优于常规雾化的特点，故倍受关注。本研究通过改变毛细钢管的内径尺寸、控制流量以及毛细钢管管口与接地极间的距离等使液体雾化后的雾滴有效带电，并且带电数量明显增加，为已加有高压雾化装置的静电除尘器有效地增加了其起始粒子浓度，进而为有效地增加除尘器的除尘效率打下很好的理论基础，并为燃煤工厂提供一个既能满足极低排放又能控制复合污染物的前瞻性可靠技术［7-9］。

1 高压静电雾化装置及原理

1.1 高压静电雾化装置

图1 物理实验原理流程图

本实验所用装置如图1所示。实验中采用简单的高压静电雾化装置，该装置的高压由电GYW-010(0～10 kV)高压直流电源提供，并加在雾化装置末端的毛细管上，毛细管是内、外径不同的不锈钢管，在距离毛细管末端大约3 cm处为金属接地电极，接地电极为一块直径10 cm的圆盘，为液滴雾化提供高压电场。流量控制器是通过输液器链接液体容量瓶与毛细钢管，通过调节输液器开关控制液体流速。在接地极与金属圆盘之间串联一个二级运放电路，用以观察实验过程中产生电流的变化。实验采用的介质的物性参数见表1，实验环境为常温21℃，表中ρ为密度，ε0为真空介电常数，μ为粘性系数，γ为表面张力系数，κ为电导率。

表1 介质的物性参数

1.2 高压静电雾化工作原理

静电雾化是在静电力作用下液体破碎成带电小液滴的过程。高度带电的小液滴内部产生库伦斥力，阻止了液滴的凝聚并且使其更易穿透其周围的气体介质。结果表明:高压静电减小了液体的表面张力和粘滞阻力，使液体容易破碎成更为细小的液滴，使雾滴尺寸分布更均匀。雾滴荷电后，带电雾滴在高压静电场的作用下容易发生二次雾化，进一步减小雾滴粒径;同时带电雾滴在电荷之间斥力作用下，弥散程度加大，且能在目标物上感应出与本身电荷极性相反的电荷，从而在极化力、引力等作用下更容易被目标物所捕获。由于带电液滴的轨迹理论上是由电场决定的，所以可以施加不同的高压电场来控制液滴的轨迹。在高压电场作用下，带电雾化液滴在外加高压所形成的电场作用下移动。

2 实验现象与结果

2.1 雾化现象形成过程

室温下，影响电雾化现象的参数有溶液的表面张力、介电常数、电导率、粘性、流量和高压电场。通过改变在一定内径的毛细管口流出液滴的不同流速，液体的电雾化形成过程所需要的电压也不同。在外加高压产生的电场强度从零开始不断增加过程中，电雾化主要经历以下几个过程:“滴”模型、“脉动”模型、“锥-射流”模型和“不稳定”模型。在稳定的“锥-射流”模型中，稳定的射流区域表面在其径向受力达到平衡，其表面静电压力为:

表面张力为:

式中，ε0为介质真空介电常数;γ为表面张力系数;a为射流半径;En为射流表面径向电场强度。

由稳态射流表面受力平衡得出:

对于稳定的射流模型，其雾化电流可表示为:

由式(5)可以看出，液体物理特性一定的情况下，在稳定的“锥-射流”模型中形成的雾化电流与流量成正相关。

2.2 不同雾化模型的形成与液体流速的关系

室温下，通过确定的毛细钢管口径，改变通过毛细管液体的流速和调节高压电源提供的电压，可以观察电雾化过程中不同的流动模型产生电流大小与外加高压的关系，如图2所示。

图2 不同流速与外加电压的关系

当电压达到一定值时，毛细管口液滴开始变化明显，液滴曲率半径不断变大。外加电压继续增大，液滴不断变小，形成以一定流速流出的连续的、锥形的液体。当电压达到7.5 kV时，电流表示数趋于稳定，稳定的“泰勒锥”模型形成;继续增加电压，稳定的锥形射流开始变化，形成不稳定的喷洒模型。在接地极金属板上可以清楚地看到一定范围的雾化液滴，且电流表示数不断增大。液体流速越快，形成稳定的“泰勒锥”模型所需要的电压值越小，接地极形成电流越大。但是，形成的初始电流大小几乎不变;“不稳定”模型形成时，流速越快，在接地极圆盘上形成的喷洒液滴滴落范围越大，所对应的电流也越大。

2.3 不同孔径的毛细管的雾化模型的形成

Taylor研究表明，一定粘度的小分子溶液喷射出流体的临界值Uc可以由下式确定:

式中，Uc为临界电压;H为毛细管与收集板之间的距离;L为毛细管长度;R为流体的初始半径;γ为液体的表面张力。

实验中，通过改变与高压电源连接的毛细钢管孔径，观察不同条件下形成雾化模型所需电压与流速的关系，如图3。

图3 不同内径的毛细钢管与形成雾化模型所需电压的关系

图3(a)为常温下，自来水通过毛细管内径为0.26 mm、外径0.5 mm在不同流速时，通过改变外加电压形成不同的模型所需要电压值的关系。图3(b)为常温下，自来水通过毛细管内径为0.84 mm、外径为1.2 mm在不同流速时，通过改变外加电压形成不同模型所需要电压值的关系。

图4 不同毛细管孔径与雾化模型所需电压的关系

从图4以及实验现象可以看到:雾化过程中，毛细管孔径越小，形成起始电流值越小;随着毛细钢管内径的增加，形成稳定的“泰勒锥”模型以及“不稳定”模型所需要高压电源提供的电压也随之不断增加;通过对比发现，雾化过程形成稳定“泰勒锥”模型以及“不稳定”所需电压与毛细管孔径成反比关系;实验过程中，通过不断增加电压，发现在“不稳定”模型阶段，电流表示数随着电压升高而不断增加，且随着毛细管孔径的不断减小，最终形成的电流值却不断增加。

3 结论

水通过毛细管在高压电场作用下能够形成多种系列雾化模型，比如“泰勒锥”模型、“不稳定”模型等。在其实验模型中，形成的电流大小与其流速、毛细管孔径、毛细管口与接地极间距离和外加高压大小所形成的高压电场有如下直接关系:

(1)雾化过程“泰勒锥”模型形成所需电压与液体流速成正相关，且接在接地极的电流表示数表征其雾化电流趋于稳定;

(2)“不稳定”模型形成电流值更大，且变化范围更广泛;雾化过程形成电流大小随着毛细管口和接地极间距离的增大而减小;

(3)对于同一孔径的毛细管，当管口与接地极间距离确定时，形成不同雾化模型所需电压值接近，但其形成的电流大小却不同。

［1］Dexuan Xu，Lianxi Sheng.Study of magnetically enhanced corona pre-charger［J］.Journal of Electrostatics ，2007，65:101-106.

［2］Zhu J，Zhang X，Chen W，Shi Y，Yan K.Electrostatic precipitation of fine particles with a bipolar pre-charger［J］.Journal of Electrostatics ，2010，68:174-178.

［3］Abdel-Salam，Hashem M，Yehia A，Mizuno A，Turky A，Gabr A.Characteristics of corona and silent discharges as influenced bygeometry of the discharge reactor［J］.Journal of Physics D，2003，36:252–260.

［4］Jingming Wu，Xiaoqing Qian，Zhaoguang Yang，Lifeng Zhang.Study on the matrix effect in the determination of selected pharmaceutical residues in seawater by solid-phase extraction and ultra-high-performance liquid chromatograph–electrospray ionization low-energy collision-induced dissociation tandem mass spectrometry［J］.Journal of Chromatography A，2010，1217:1471–1475.

［5］张建平，赵 林，谭 欣.水分子团簇结构的改变及其生物效应研究进展［J］.化学通报，2004，67(4):278-283.

［6］杨 鹏，叶招莲，蒋公羽，等.大气环境中的水分子团簇分布和H+(H2O)n(n=4～16)离子的解离［J］.化学通报，2009，67(17):2031-2037.

［7］钱 萍，杨忠志.应用ABEEM/MM模型研究水分子团簇(H2O)n(n=7～10)的性质［J］.中国科学 B辑化学，2006，36(4):284-298.

［8］金 彦，杨忠志.用从头算和ABEEM/MM法研究水分子团簇增长方式［J］.河南科技大学学报:自然科学版，2007，28(2):96-102.

［9］陈效鹏，董绍彤，程久生，等.电雾化装置及雾化模型研究［J］.实验力学，2000，15(1):97-103.